王于波,，張樹(shù)華，趙東艷
?。ū本┲切疚㈦娮涌萍加邢薰?，北京 100192）
摘 要： 分析了現(xiàn)有配電通信方式的原理，列舉了230 MHz無(wú)線局域網(wǎng)的原理,，給出了替代GPRS的方案,。針對(duì)現(xiàn)有配電自動(dòng)化通信方式的特點(diǎn)，提出了合理的系統(tǒng)架構(gòu),，并給出了相應(yīng)的系統(tǒng)運(yùn)行原理,。實(shí)測(cè)結(jié)果表明替代GPRS的傳輸技術(shù)是配電自動(dòng)化通信有力的補(bǔ)充手段,。
關(guān)鍵詞： EPON;智能電網(wǎng);配網(wǎng)自動(dòng)化;無(wú)線通信
0 引言
配電通信系統(tǒng)建設(shè)以滿足配電信息交互可靠性、安全性,、實(shí)時(shí)性為目的,，以智能配電需求和今后擴(kuò)展應(yīng)用為遠(yuǎn)期發(fā)展目標(biāo)，采用經(jīng)濟(jì)合理,、先進(jìn)成熟的通信技術(shù),，建設(shè)高速、雙向,、實(shí)時(shí),、集成的，便于管理,、具有良好擴(kuò)展性的配電通信系統(tǒng)為總體目標(biāo),。
電力系統(tǒng)配電通信網(wǎng)目前采用有線和無(wú)線兩種建設(shè)模式。配電網(wǎng)通信采用分層分級(jí)建設(shè)原則,，建設(shè)配電主站,、變電站、10千伏配電站點(diǎn)等配電網(wǎng)信息傳送網(wǎng)絡(luò),，首選EPON通信方式[1],，不具備光纜敷設(shè)條件的站點(diǎn)采用無(wú)線公網(wǎng)通信方式作為補(bǔ)充。
無(wú)線公網(wǎng)普遍使用GPRS公網(wǎng)（租用）和CDMA公網(wǎng)（租用）,。國(guó)網(wǎng)多個(gè)地方電力公司已經(jīng)開(kāi)展了基于公網(wǎng)的配用電遠(yuǎn)程信息采集業(yè)務(wù),，但近期的發(fā)展速度在逐步放緩，原因是基于公網(wǎng)進(jìn)行規(guī)模應(yīng)用暴露出一些問(wèn)題：如傳輸時(shí)延大,、數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象較為嚴(yán)重,；電力數(shù)據(jù)承載在同一張公眾通信網(wǎng)內(nèi)，存在信息安全隱患,。
伴隨著國(guó)網(wǎng)配網(wǎng)自動(dòng)化建設(shè)力度的加大,，在EPON有線通信網(wǎng)絡(luò)末端節(jié)點(diǎn)形成無(wú)線局域網(wǎng)，利用電力頻段230 MHz的廣覆蓋特性,，原來(lái)通過(guò)GPRS方式通信的終端節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)電力無(wú)線局域網(wǎng)接入電網(wǎng)EPON有線網(wǎng)絡(luò)中,，從而形成一張完整的電力通信專(zhuān)網(wǎng)，增強(qiáng)了電網(wǎng)的安全性,。通過(guò)研究采用EPON有線與230 MHz無(wú)線局域網(wǎng)的通信平臺(tái),，無(wú)線技術(shù)作為有線的延伸，有效拓寬了電力專(zhuān)網(wǎng)的覆蓋范圍,，可以大大增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性與安全性,，為未來(lái)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)打好通信基礎(chǔ)。
1 傳統(tǒng)的配電自動(dòng)化通信方式
對(duì)“三遙”實(shí)施區(qū)域的配電自動(dòng)化站點(diǎn)建設(shè)專(zhuān)用光纖通信網(wǎng),，今后通信網(wǎng)將全面覆蓋10千伏配電網(wǎng)站點(diǎn),，為全面實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)自動(dòng)化調(diào)度打好基礎(chǔ),。對(duì)“二遙”實(shí)施區(qū)域的配電自動(dòng)化站點(diǎn)采用GPRS無(wú)線公網(wǎng)，并通過(guò)VPN專(zhuān)線,、正反向隔離等措施實(shí)現(xiàn)安全防護(hù),。圖1所示為配網(wǎng)通信方式示意圖。
1.1 EPON通信方式
建設(shè)統(tǒng)一的配用電通信平臺(tái),。在電力通信骨干網(wǎng)層,，配電自動(dòng)化主站至變電站的通信方式采用已建成的SDH骨干光纖傳輸網(wǎng)方案。在配用電通信網(wǎng)層,，變電站至開(kāi)關(guān)站/環(huán)網(wǎng)柜等配電站點(diǎn)選擇EPON光纖專(zhuān)網(wǎng)技術(shù)為主,、載波為輔的接入方案。
采用EPON通信技術(shù)時(shí),，ONU設(shè)備配置在開(kāi)關(guān)站/環(huán)網(wǎng)柜/分支箱/柱上開(kāi)關(guān),，實(shí)現(xiàn)相關(guān)設(shè)備信息上傳至變電站。OLT設(shè)備配置在變電站內(nèi),，實(shí)現(xiàn)變電站信息匯集上傳至主站,。OLT,、ONU邏輯圖見(jiàn)圖2,。
各變電站OLT的GE口成環(huán),采用MSPP方式進(jìn)行保護(hù)，保護(hù)倒換時(shí)間為35 ms,。根據(jù)配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況,，EPON通信網(wǎng)主要采用單輻射、手拉手及環(huán)形網(wǎng)絡(luò)接線方式,。ONU終端設(shè)備全部選用雙PON口設(shè)備,，為全網(wǎng)最終形成手拉手及多聯(lián)絡(luò)自愈保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)預(yù)留空間。ONU設(shè)備采用工業(yè)級(jí)設(shè)備,，滿足較惡劣的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境,。
在能夠“手拉手”的站點(diǎn)，優(yōu)先考慮“手拉手”,；在不能“手拉手”的站點(diǎn),，優(yōu)先考慮環(huán)形連接；在既不能“手拉手”又不能環(huán)回的站點(diǎn),，則采用鏈形連接,。EPON OLT布設(shè)如圖3所示。
1.2 公網(wǎng)GPRS通信方式
無(wú)線公網(wǎng)通信在配電網(wǎng)中應(yīng)用模式主要包括兩種：基于專(zhuān)線的應(yīng)用模式和基于無(wú)線VPN的應(yīng)用模式,?；趯?zhuān)線的應(yīng)用模式具有安全性高、經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn),，是目前應(yīng)用最多的一種模式,，但是在該模式下通信的IP地址資源和無(wú)線資源等仍由運(yùn)營(yíng)商管理,，可控性較差；基于VPN方式的應(yīng)用模式需要建立專(zhuān)門(mén)的無(wú)線公網(wǎng)中心,，在無(wú)線公用網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)之上組成專(zhuān)用的無(wú)線VPN,。公網(wǎng)GPRS OLT布設(shè)如圖4所示。
配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的遠(yuǎn)方監(jiān)控單元（DTU,、FTU等）通過(guò)GPRS通信終端連接到移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商內(nèi)部GPRS網(wǎng)絡(luò),，再通過(guò)移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商與配電網(wǎng)自動(dòng)化主站系統(tǒng)接入路由器之間的有線專(zhuān)線連接到主站系統(tǒng)；GPRS通信終端使用了專(zhuān)用的接入點(diǎn)名稱（APN,，Access Point Name）連接到GPRS網(wǎng)絡(luò),，在通過(guò)身份認(rèn)證后獲得基于專(zhuān)線的無(wú)線GPRS網(wǎng)絡(luò)的私有IP地址，與主站系統(tǒng)構(gòu)成了一個(gè)廣域的虛擬專(zhuān)用TCP/IP網(wǎng)絡(luò),，從而提供了遠(yuǎn)方監(jiān)控單元與主站系統(tǒng)的雙向通信鏈路,，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集與分析,、遠(yuǎn)程控制等操作,。每個(gè)VPN鏈路可滿足 20 000 個(gè)終端使用。
2 230 MHz無(wú)線局域網(wǎng)原理
在《關(guān)于印發(fā)民用超短波遙測(cè),、遙控,、數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)頻段規(guī)劃的通知》中，國(guó)家無(wú)線電管理委員會(huì)規(guī)定223~235 MHz頻段作為遙測(cè),、遙控,、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)使用的頻段。目前主要被能源,、軍隊(duì),、氣象、地震,、水利,、地礦、輕工等行業(yè)使用,。該頻段的特點(diǎn)是屬于行業(yè)應(yīng)用,，并分配給了8個(gè)部委，其中有40個(gè)頻點(diǎn)是分配給了電力部門(mén)用于電力負(fù)荷監(jiān)控系統(tǒng),。230 MHz頻段（223～235 MHz）頻道間隔為25 kHz,，每個(gè)頻道占用帶寬小于25 kHz，同時(shí)要求最大發(fā)送功率小于25 W,，帶外雜散小于-17 dBm,。各個(gè)行業(yè)頻點(diǎn)離散分布防止互相干擾。
2.1 頻段特性
電力230 MHz屬于低頻段范圍，是寶貴的頻率資源,，具有天然覆蓋遠(yuǎn)的優(yōu)勢(shì),，能夠大大降低組網(wǎng)成本，滿足電力用戶分散的需求特點(diǎn),。廣闊的農(nóng)村可以覆蓋30 km,，密集城區(qū)可以覆蓋3 km，因此適合于建設(shè)廣覆蓋低成本系統(tǒng),，特別適用于配用電信息采集領(lǐng)域,。頻譜距離對(duì)比如圖5所示。
2.2 系統(tǒng)組成
230無(wú)線局域網(wǎng)由230小型基站,、230終端組成,。其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6所示，星型網(wǎng)絡(luò),，每一個(gè)基站可以運(yùn)行20~30個(gè)終端用戶接入,。
2.3 物理層標(biāo)準(zhǔn)
電力業(yè)務(wù)多樣化，從營(yíng)銷(xiāo)的用電信息采集,、配網(wǎng)自動(dòng)化,、輸電線路檢測(cè)，帶寬的需求越來(lái)越高,，為了提高230 MHz的頻譜利用率,，選用4G LTE[2]的物理層算法作為載體，充分利用了其中的核心技術(shù)——載波聚合,、軟件無(wú)線電,，可以提高系統(tǒng)的帶寬。
2.4 MAC層標(biāo)準(zhǔn)
230小型基站通過(guò)周期性發(fā)送信標(biāo)和超幀實(shí)現(xiàn)與相鄰節(jié)點(diǎn)同步,，則稱該網(wǎng)絡(luò)為信標(biāo)使能網(wǎng)絡(luò)，否則為非信標(biāo)使能網(wǎng)絡(luò),。在信標(biāo)使能網(wǎng)絡(luò)中,，節(jié)點(diǎn)采用時(shí)隙載波偵聽(tīng)沖突避免(CSMA-CA)信道接入機(jī)制，在非信標(biāo)使能網(wǎng)絡(luò)中,，采用非時(shí)隙CSMA-CA機(jī)制接入信道,。
在信標(biāo)使能的網(wǎng)絡(luò)中，采用時(shí)隙CSMA-CA機(jī)制,，當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)幀或命令幀時(shí),，首先定位下一個(gè)時(shí)隙的邊界，然后等待隨機(jī)數(shù)目個(gè)時(shí)隙,。等待完畢后,，節(jié)點(diǎn)開(kāi)始檢測(cè)信道，如果信道忙，即信道上有其他節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù),，則節(jié)點(diǎn)需要重新等待隨機(jī)數(shù)目個(gè)時(shí)隙,，再檢查信道，重復(fù)這個(gè)過(guò)程直到信道空閑,。
在非信標(biāo)使能的通信網(wǎng)絡(luò)中,，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)點(diǎn)不發(fā)送信標(biāo)幀，各節(jié)點(diǎn)使用非時(shí)隙的CSMA-CA機(jī)制接入信道,。當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)或者M(jìn)AC命令時(shí),，首先等待一段隨機(jī)長(zhǎng)的時(shí)間，然后開(kāi)始檢測(cè)信道狀態(tài)：如果信道空閑,，則節(jié)點(diǎn)開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)：如果信道忙節(jié)點(diǎn)需要重新等待一段隨機(jī)時(shí)間并檢測(cè)信道,，直到信道空閑。
3 EPON結(jié)構(gòu)下的無(wú)線局域網(wǎng)
目前,，隨著國(guó)網(wǎng)配網(wǎng)自動(dòng)化建設(shè)力度的加強(qiáng),，各供電公司對(duì)110 kV及以上所轄區(qū)域變電站已實(shí)現(xiàn)骨干通信網(wǎng)絡(luò)的全光纖通信，使用了SDH技術(shù),；對(duì)10 kV的配電網(wǎng)站點(diǎn)實(shí)施了全部接入網(wǎng)覆蓋,，使用的EPON技術(shù)。以10 kV的配電網(wǎng)站點(diǎn)作為電力無(wú)線局域網(wǎng)的接入點(diǎn),，可以把周?chē)?~3公里內(nèi)的故障指示器,、集中器、采集器,、負(fù)控終端接入到電力網(wǎng)絡(luò)中,。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。
3.1 硬件組成
在新型混合式ONU中,，除了傳統(tǒng)的ONU主芯片,、Flash芯片外，還增加了LTE230基帶芯片,、RF芯片,，從而使傳統(tǒng)的ONU具備了無(wú)線接入的能力。硬件結(jié)構(gòu)如圖8所示,。
3.2 組網(wǎng)形式
EPON+230 MHz的微基站,，實(shí)現(xiàn)了光纖與無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)通信的有機(jī)融合，充分發(fā)揮了兩種通信技術(shù)各自的長(zhǎng)處,，將電力專(zhuān)網(wǎng)延伸到配網(wǎng)自動(dòng)化的所有終端之上,。
將EPON光纖通信用于配網(wǎng)的主干層，將線路ONU設(shè)備升級(jí)為二遙終端信息接入點(diǎn),，采用230 MHz無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)形成1 km的信號(hào)覆蓋,，把周邊的斷路器、故障指示器以及用電信息采集設(shè)備的信息都接入進(jìn)來(lái)，通過(guò)EPON光纖匯聚到主站,。組網(wǎng)形式如圖9所示,。
3.3 基帶芯片
230終端基帶芯片[3]是集中器等終端設(shè)備的核心部分，用于實(shí)現(xiàn)電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的匯聚和上傳以及控制信息的下發(fā),。該芯片集成了主頻達(dá)400 MHz的DSP處理器和高速本地存儲(chǔ)器,，可以快速高效的進(jìn)行物理層數(shù)字信號(hào)處理以及MAC層協(xié)議解析；同時(shí)該芯片具有獨(dú)立中頻處理單元,，支持中頻數(shù)據(jù)信號(hào)的上下行混頻,、抽取、濾波等,，可以自行完成中頻信號(hào)的處理,；芯片內(nèi)部運(yùn)用了高可靠性的片上集成eDRAM技術(shù)，大幅降低產(chǎn)品成本,，提升板級(jí)調(diào)試和開(kāi)發(fā)效率,，保證了系統(tǒng)的高穩(wěn)定性，進(jìn)一步節(jié)省了芯片用戶的PCB布板空間和制版成本,。
3.4 載波聚合
高性能終端,，自適應(yīng)聚合不同數(shù)量的頻點(diǎn)，滿足各種數(shù)據(jù)量業(yè)務(wù)要求,提高系統(tǒng)和終端設(shè)備的峰值傳輸速率,。
3.5 軟件無(wú)線電
通過(guò)采用軟件無(wú)線電技術(shù),，能夠簡(jiǎn)單通過(guò)軟件配置擴(kuò)展工作帶寬，最高帶寬可達(dá)125 kHz,，提供200 kb/s的業(yè)務(wù)傳輸速率,。
4 系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)
(1)組建了一張完整的電力通信網(wǎng)，主干網(wǎng)采用SDH技術(shù),，傳輸網(wǎng)采用EPON技術(shù),，接入網(wǎng)采用230 MHz無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)技術(shù)；
(2)230 MHz無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)的使用,，數(shù)據(jù)不再通過(guò)GPRS公網(wǎng)傳輸,，大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性，能夠有效地避免外部的攻擊,；
(3)公網(wǎng)在偏遠(yuǎn)地區(qū)的信號(hào)覆蓋不夠，EPON與230 MHz組成的有線無(wú)線混合局域網(wǎng)可以有效提升電網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集,、遙控成功率,，提升電網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量；
(4)230 MHz屬于電力頻段,，不需要繳納流量費(fèi),，節(jié)省了電網(wǎng)的成本；
(5)在新疆當(dāng)前特殊的反恐形勢(shì)下，GPRS隨時(shí)會(huì)關(guān)斷,，導(dǎo)致大量的電表芯片,、配網(wǎng)終端等設(shè)備失聯(lián)，處于失控狀態(tài),，一張完整的電力通信專(zhuān)網(wǎng)可以很好地解決出現(xiàn)的問(wèn)題,；
(6)在營(yíng)銷(xiāo)業(yè)務(wù)上，營(yíng)銷(xiāo)終端如電表,、集中器,、采集器、負(fù)控終端的數(shù)據(jù)信息都可以接入這個(gè)網(wǎng)絡(luò),，充分利用了EPON光纖的高帶寬能力,，能夠達(dá)到實(shí)時(shí)采集，從而有效提升智能電網(wǎng)的反應(yīng)速度,；
(7)符合國(guó)網(wǎng)力主的營(yíng)配貫通的原則,，避免重復(fù)建設(shè)，節(jié)省國(guó)網(wǎng)的成本,。
5 系統(tǒng)運(yùn)行原理
在電力體系下,，營(yíng)銷(xiāo)與配電自動(dòng)化的協(xié)議是完全不一樣的，系統(tǒng)需要在軟件層面上進(jìn)行開(kāi)發(fā),，以適配各種不同的協(xié)議與終端,。在通信接口方面，存在著UART,、FE兩種接口形式,。營(yíng)銷(xiāo)系統(tǒng)通常使用UART，配電自動(dòng)化通常使用網(wǎng)口,。
5.1 營(yíng)銷(xiāo)系統(tǒng)——電表
在營(yíng)銷(xiāo)系統(tǒng)中,，電表的數(shù)據(jù)可以通過(guò)混合式ONU直接傳送到系統(tǒng)主站，無(wú)需經(jīng)過(guò)集中器,、采集器,。
在UART接口形式下，電表與230數(shù)據(jù)終端的速率通常選用9600 b/s,，電表傳送的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線終端送入混合式ONU,，ONU會(huì)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換[4]，以Q/GDW1376.1-2013的形式送入到國(guó)網(wǎng)主站系統(tǒng),。主站系統(tǒng)與混合式ONU之間建立起TCP/IP連接,，用來(lái)傳送信息。如圖10所示,。
5.2 營(yíng)銷(xiāo)系統(tǒng)——集中器,、采集器
在營(yíng)銷(xiāo)系統(tǒng)中,，通常情況下電表的數(shù)據(jù)首先會(huì)匯聚到集中器，接著集中器上的數(shù)據(jù)通過(guò)UART或者網(wǎng)口連接到230數(shù)據(jù)終端,，然后通過(guò)230無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)匯聚到混合式ONU,，最后通過(guò)EPON方式傳送到系統(tǒng)主站。如圖11所示,。
?。?）FE接口
在FE接口形式下，集中器得到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線終端送入混合式ONU,，ONU以透?jìng)鞯姆绞剿腿氲絿?guó)網(wǎng)主站系統(tǒng),。主站系統(tǒng)與集中器之間建立起TCP/IP連接，用來(lái)傳送信息,。
?。?）UART接口
在UART接口形式下，集中器得到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線終端送入混合式ONU,，ONU對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行TCP/IP封包,，然后通過(guò)EPON線路送入到國(guó)網(wǎng)主站系統(tǒng)。主站系統(tǒng)與混合式ONU之間建立起TCP/IP連接,，用來(lái)傳送信息,。
5.3 配電自動(dòng)化系統(tǒng)——FTU、DTU
在配電自動(dòng)化中,，通常使用FE接口,。FTU、DTU相關(guān)的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)口傳送到230數(shù)據(jù)終端,，然后通過(guò)230無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)匯聚到FTU的ONU,，以透?jìng)鲾?shù)據(jù)的方式通過(guò)EPON線路傳送到配電主站。如圖12所示,。
6 系統(tǒng)實(shí)測(cè)結(jié)果
混合ONU的性能,，包含了無(wú)線覆蓋距離、傳輸速率,、信道容量,、射頻指標(biāo)等方面。實(shí)測(cè)結(jié)果如表1所示,。
7 結(jié)論
本項(xiàng)目的首要目標(biāo)是利用配電通信中的EPON線路的末端節(jié)點(diǎn),，形成無(wú)線局域網(wǎng)，搭建完整的電力通信專(zhuān)網(wǎng),；其次,，電力無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)的組建，可以增強(qiáng)電力通信的安全性,；再次,，無(wú)線局域網(wǎng)可以應(yīng)用到配網(wǎng)自動(dòng)化、用電信息采集,，達(dá)到營(yíng)配貫通,、一體化的效果，降低國(guó)網(wǎng)的建設(shè)成本,。
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