配电自动化通信技术选择及建设方案

配电自动化通信系统是配电自动化重要组成部分，是电力通信网适应智能电网建设提出终端通信接入网的主要内容。本文在国家电网公司配电自动化规划的总体框架下，阐述其与电力通信系统关系，在分析配电自动化业务需求基础上，针对不同通信技术特征对比，提出技术选择方案，并在此基础上提出配电自动化通信系统建设总体设计方案。随着智能电网建设的推进，其配电环节建设的核心“配电自动化”已成为我国智能电网建设的重要内容之一，在现有网架优化基础上，推进配电自动化建设，已经成为解决电网“两头薄弱”问题的重要手段。配电自动化以一次网架和设备为基础，综合利用计算机、信息及通信等技术，并通过与相关应用系统的信息集成，实现对配电网的监测、控制和快速故障隔离。配电自动化是配电网管理的重要手段，可以提高配电网调度、生产和运行的管理水平，有效提高配电网供电的可靠性。配电自动化系统主要由配电自动化主站系统、子站、终端和通信系统及一次设备组成，通信系统承担着向主站系统传输通过配电自动化终端采集的一次设备实时运行信息，向终端设备下达主站系统的控制指令的任务。1998～2004年，我国曾全面开展配电自动化建设，通信系统的技术选择及装备局限成为当时配电自动化建设受阻的重要原因之一。2009年起，国家电网公司加强配电网建设投入，从提升配电网信息化、自动化、互动化技术支撑能力出发，全面推进配电自动化建设。在本轮配电自动化建设的过程中，总结了上轮配电自动化建设中存在的问题，着力提升配电自动化系统建设、运维的实用化水平，根据不同的供电区域特性（A+至E类供电区域），差异化开展建设工作。在现有技术发展基础上，通信技术的对比选择和建设方案的完善，成为提升配电自动化建设效益的重要支撑。电力系统通信体系结构电力系统通信始于为电网调度指挥提供专用的通信服务需求，主要以远动、调度电话等业务为主。电力通信系统按其用途主要分为传输网、业务网、支撑网。传输网通过各种通信技术体制实现公司各办公场所、生产调度基地、变电站、发电厂等通信业务需求站点的通信覆盖，实现各类场所间业务数据的高效传输；业务网在传输网基础上承载各类业务（调度行政交换、电视电话会议等）的逻辑网络；支撑网主要包括各类传输业务系统的网管、电源系统、时钟同步系统等。信息通信融合使得电力通信系统服务的对象由以服务生产调度运行为主调整为全面服务电网运营管理、生产运行、优质服务等各项业务。国家电网公司2009年全面启动坚强智能电网建设，由于电力通信系统主要覆盖输变电设备，各类配电设备覆盖率很低，无法满足智能电网配电、用电环节信息化的需要，因此在“十二五”通信网规划中，补充了终端通信接入网的概念，作为骨干传输网的延伸，实现对配电、用电设施的全面覆盖，为智能电网配电、用电环节信息化提供全面支撑。终端通信接入网具有多业务承载、信息传送、网络管理等功能，其逻辑结构如图1所示。图1终端通信接入网结构配电自动化业务特性分析配电自动化业务为生产控制类业务，可概括为“三遥”（遥信、遥测、遥控）。遥信业务主要采集并传送各种保护和开关量信息；遥测业务采集并传送运行参数，包括各种电气量和负荷潮流等；遥控业务为主站对终端下达远程控制指令。配电自动化业务传输带宽不高但对通信系统可靠、实时性要求较高，对数据传输时延与完整性有严格要求；对通信故障率及修复时间有严格要求，对运维管理要求较高；对信息安全要求较高。在可靠性方面，由于配电及其配属通信设备大多运行在户外，因此需保障能在恶劣天气下正常工作，并能抵抗噪声、高电压、大电流、雷电等强电磁干扰，保持稳定运行。此外由于配电网变化频繁，故障较多，通信系统监测应不受线路故障和网络结构变化的影响，单点故障不应引起系统功能丧失和数据丢失。在可扩展性方面，通信系统需要实现新增业务时原有业务可靠运行；扩充或改造网络时不影响业务运行；同时适应配网改造或网架变动。配电自动化系统是调度实时监控中低压配电网的重要系统，应防止通过串接方式、公共网络等对子站、终端进行攻击，造成用户供电中断；防止通过公共网络和配电终端入侵主站，造成更大范围的安全风险；保障重要数据的机密性、完整性；并针对系统进行安全审计，开展相关信息安全的运维与管理工作。通信技术特点对比及选择目前，适合配电自动化通信系统建设的技术体制包括光纤通信、电力线通信、无线专网通信、无线公网通信等。现有通信技术在传输带宽方面均能满足配电自动化基本业务需求。光纤专网通信方式包括无源光网络和工业以太网技术。EPON（以太网无源光网络）、GPON（吉比特无源光网络）是目前无源光网络技术的主流方式。EPON技术成熟，已实现设备芯片级和系统级互通，民用网络已大规模部署。GPON虽具有更好的TDM支持和电信级管理能力，但芯片和设备成本较高，本文主要针对EPON作为技术比较。无线专网技术根据其采用不同的通信技术，主要包括TD-LTE、McWill等。实时性方面：EPON、工业以太网技术采用光纤专线，实时性最高；中压载波由于信道可靠性以及受电力负荷影响较大，实时性较差；无线专网及无线公网选用的技术都较为成熟，无线专网实时性可以保障，无线公网服务质量与多种因素有关，实时性难以保障。可靠性方面：EPON、工业以太网交换机都采用光纤专线，参照电力行业标准，采用工业级标准进行设计，满足电力行业电磁兼容性要求，组网可靠性高；中压载波由于信道可靠性以及受电力负荷影响较大，可靠性较差；无线专网标准不完善，在电力系统中还处于试点应用阶段，可靠性有待验证；无线公网技术成熟，但由于为租用网络，网络服务质量不受控。安全性方面：EPON和工业以太网交换机的安全性可以满足配电自动化业务要求；TD-LTE技术安全性优于McWill，实现了对主站和终端的保护，由于缺少两种技术在电力行业的技术规范，需开展进一步研究。3G、GPRS系统作为广泛覆盖的公共网络资源，但安全防护能力较弱，在业务层增加有效安全措施情况下，才能满足配电自动化业务安全需求。经济性方面：EPON和工业以太网系统光缆建设成本高、无线专网基站建设成本高，因此EPON、工业以太网、无线专网整体建设成本较高；载波技术因为采用中压配电线路作为载体，建设成本低于EPON、工业以太网、无线专网系统；无线公网为租用网络，无需建设成本。EPON、工业以太网、无线专网系统运维成本均较高，且随光缆线路、通信终端数量、基站数量增多运维成本也会相应增加；载波系统运维频度较高，有时需要断电作业，运维成本偏高；无线公网为租用网络，运维工作主要由电信运营商完成，无需网络运维成本，仅需对无线通信终端进行维护，运维成本最低。通信网络覆盖范围方面：EPON、工业以太网交换机系统采用光纤作为传输通道，适宜于有光纤资源或可铺设光纤的区域；中压载波受电网负载、电网运行方式影响较大，适宜于电力线路干扰较小区域；无线专网组网灵活，适宜进行区域性覆盖，但存在频点申请、基站选址等问题；无线公网覆盖范围较广，无需建设专用通道，适宜进行区域性覆盖。从技术成熟度及产业完善情况分析：EPON、工业以太网交换机及中压载波在电力行业标准完备、技术成熟、产业链完整；无线专网处于试点阶段，技术相对较为成熟，但无电力行业标准和公司标准，且产业链还有待完善；无线公网采用通信行业成熟标准，产业链完整。基于以上分析，EPON在标准实时性、可靠性、安全性、带宽、技术成熟度及产业链等方面具有优势，但由于光纤铺设成本高等因素，组网成本偏高，适用于对安全、可靠性有严格要求的业务，对于已预埋光缆、与主网架同步建设光缆的情况，应优先采用EPON技术进行业务承载。工业以太网方式在实时性、可靠性、安全性、带宽、技术成熟度及产业链等方面同样具有优势，但设备成本高于EPON，适用于节点较多、通信距离较长的业务场景。中压载波通信方式施工简单，受配电线路运行情况影响，适合实时性、并发性要求不敏感的使用场合，由于其通道建设随一次线路开展，因此可作为光纤网络的末端补充。无线专网方式目前还处于试点应用阶段，频段选择、技术体制选择、建设及运维模式仍然存在很多问题，需要对承载业务及部署方式进行规范。无线公网方式易于建设，宜用于安全性、可靠性、实时性相对要求较低的场合（配电自动化”二遥”业务），由于其运维成本低，基于现有通信现状，是配电自动化全面推进的一项长期过度通信方式的选择。通信系统建设总体设计在业务特性分析和技术对比基础上，配电自动化通信系统总体设计提出建设总体要求和技术原则，并对组网方案、网络管理和信息安防进行阐述。总体要求配电自动化通信系统应纳入配网建设同步规划，在满足现有配电自动化需求的前提下，充分考虑综合业务应用和通信技术发展前景，统一规划、分步实施、适度超前；应针对业务需求、供电环境、地域、建设周期、投资成本的差异性开展统一设计，合理选择通信技术和组网方式，满足数据传输、业务覆盖及电力二次系统安全防护规定要求，保证通信网络的安全性、可靠性、可扩展性和可管理性，提高设计方案在规模化推广时的可移植性、可复制性；在建设和改造环节必须充分利用电力系统的杆塔、排管、电缆沟道等现有通道资源，稳步扩大配网通信系统光纤覆盖率，光缆网络布局规划要求符合配网通信系统规划发展要求，并与配电网建设同步进行；应采用通信管理系统（TMS）对各类设备、多种通信方式进行统一管理，缩短通信系统故障排查和恢复时间，显著提升配网通信系统统一运行维护管理水平。技术原则配电自动化通信系统应根据业务的需要，结合技术发展情况，合理选择技术成熟、经济、安全、实用的通信方式。新建线路及站点，应预留光纤架设管道，优先采用光纤通信技术。光纤通信技术选择方面，在A+类、A类、B类供电区域，对“三遥”业务优先选择EPON或者工业以太网交换机等光纤通信技术进行组网，无线通信或载波通信作为技术补充。在C类供电区域，宜选择光纤通信或光纤通信与其他通信方式混合的组网方式。中压载波技术选择方面，在A+类、A类、B类供电区域不具备铺设光缆的情况下，可选择中压载波通信技术。在其他供电区域可采用中压载波通信方式或者“EPON+中压载波通信”方式进行补充。无线专网技术选择方面，在A+类、A类、B类无法铺设光纤的供电区域，可选用无线专网方式进行补充；在C类、D类区域，可采用无线专网方式传输配电业务。无线公网选择方面，在A+类、A类、B类供电区域光纤铺设区域，可选用无线公网方式进行补充；在C类、D类区域可采用无线公网通信方式。为满足通信系统运维管理方面的需要，建设综合网管系统，实现覆盖配网通信系统资源管理、实时监视和运行管理等各项运维管理功能。建设采用省集中的部署模式，支持光纤、载波、无线以及混合组网技术体制等多种组网方式，实现覆盖配网通信系统告警、性能、配置以及业务等各个方面的资源管理、实时监视和运行管理功能，综合网管系统应具备较全面的数据共享功能，实现与相关系统的信息共享。配电自动化通信系统建设应遵循相关安全防护规范要求，并结合光纤、无线公网、无线专网等多种方式，在满足业务功能时间要求的前提下，完善鉴权机制并增强信道加密强度。组网方案配电自动化通信系统在现有骨干传输网建设的基础上开展建设，利用四级骨干通信网设备的标准接口，实现变电站（或相关场所）与中心站的信息传输，无线专网、公网采用终端与中心站（汇集站）的传输方式，配电自动化通信系统组网结构如图2所示。

图2配电自动化通信系统组网结构图光缆建设以配网出线变电站为中心，充分利用管线资源，根据终端站点的地理分布形态，结合电气接线结构，实现站间的光纤多路由布放结构。光缆管道建设纳入一次电缆管道的建设，新建、改扩建线路，同步考虑光缆建设或预留通信专用管孔。架空线路优先采用自承式电力特种光缆；地下电缆沿沟（管、隧）道铺设阻燃型管道光缆；直埋电缆可在电缆旁以符合电气安全和地埋工艺要求的方式同时铺设光缆。光缆的芯数应结合网络的最终规模和整体发展规划适当超前，选择24芯及以上光缆，光纤类型优先选用G.652单模。在选择EPON系统建设组网时，OLT宜集中安装在变电站、开关站、配电室、充电站中；ONU安装在10kV配电站或配电设施附近；光分路器安装在光缆交接箱、光纤配线架、光纤接头盒中，或随ONU集中部署。光分路器选用星形、链形等接入形式灵活组网，采用星形组网方式时分光级数不超过3级，采用链形组网方式时分光级数不超过8级。ONU设备应具有双PON接口及双MAC地址支持业务的双PON口保护。在采用工业以太网交换机组网时，宜采用环状拓扑结构。环上节点的工业以太网交换机布放在开关站、开闭所等位置，并通过以太网接口和配电终端连接；上联节点的工业以太网交换机一般配置在变电站内，接入骨干层通信网络。同一环内节点数目不宜超过20个，网络接口应选择标准接口；在组网设计时，可采用相切环、相交环多种组网方式。在光纤无法覆盖区域，采用光通信与载波技术的融合方案，作为光纤通信方式的有效补充。载波从站所采集业务汇聚至载波主站，再接入光纤接入设备连接至主站，如图3所示。

图3载波组网结构图无线专网组网可采用通过汇聚设备接入或无线专网服务器接入，汇聚设备通常设置在变电站或具备条件的生产场所，专网接入服务器通常设置在中心站，如图4所示。无线公网接入采用地市县分散部署，采用APN/VPDN专线方式接入，如图5所示。图4无线专网组网结构图图5无线公网组网结构图网络管理由于配电自动化通信系统采用多种通信技术体制，应采用综合网管加强对配电自动化通信系统的运维管理，其建设应以省级层面统一部署，在设备网管的基础上，采用标准北向接口或协议，接入相关设备运行信息。系统建设采用省集中模式，在部署数据库及应用服务器软硬件，在市级层面部署采集系统，地市公司并通过远程