智能配电网通信技术研究及应用概要.docx

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智能配电网通信技术研究及应用概要

智能配电网通信技术研究及应用

辛培哲,李

隽,王玉东,肖智宏,刘丽榕,刘

颖

（国网北京经济技术研究院,北京100052

中图分类号:

TN915.853

文献标志码:

B

文章编号:

1005-7641（201011-0014-06

第31卷第217期电力系统通信Vol.31No.2172010年11月10日TelecommunicationsforElectricPowerSystem

Nov.10,2010

0引言

经过多年建设,电力通信系统主干网络已基本

实现传输媒介光纤化,业务承载网络化,运行监视和管理自动化和信息化。

然而,作为骨干网接入层网络的配电通信网,由于节点多、覆盖面广、建设难度大等原因,一直以来缺乏适用的通信技术和建设模式,成为电力通信网发展瓶颈,制约了智能配用电业务的应用。

无源光网络（PON技术成熟,在国内外电信运营商网络和智能电网试点工程中得到应用[1-3];全球微波接入互操作（WiMAX采用新一代宽带无线技术,在国外通信网中已成规模应用[4-9];电力线载波（PLC与OFDM等通信技术相结合,能够提高传输带宽和可靠性,成为近年来研究的热点领域[10-15]。

通过对上述几种通信技术进行深入研究比较,提出了差异化组网方案,为智能配用电通信网的建设提供参考。

1配电通信网现状及业务需求

1.1现状及存在的问题

配电通信网目前主要与城市实施的配电自动

化系统配套建设,从实施配电自动化的通信系统发展总体看,东部沿海地区及发达城市开展情况较好,覆盖率相对较高;中、西部地区只有少量试点,覆盖率较低。

总体而言,配电自动化及其配套通信系统目前仍处于小规模应用阶段,尚未大规

模展开建设。

目前,配电通信网多采用光调制解调器、工业以太网、以太网无源光网络、中压电力线载波、无线公网等通信方式。

目前,在运的配电通信网大多为各地各部门根据实际需要分散建设,缺乏统一的网络规划,技术体制和建设标准在各地相差甚大,电力通信基础资源不能得到有效利用。

大量业务应用依赖于公网运营商网络,受无线公网通信技术体制、运营性质和通道安全性制约,导致相关业务应用标准和技术指标降低,信息安全存在风险,严重制约智能配用电的发展。

1.2业务需求

随着智能电网配用电业务的不断应用,对通

信网在安全性、实时性和传输带宽方面提出更高的要求。

配电自动化系统涉及到开关设备的控制,处于安全I区;按照配电网技术规范的要求,开关量变位传送到主站小于10s,重要遥测越定值传送时间小于10s,系统控制操作响应时间小于5s;配电通信网除承载配电自动化业务系统本身信息量外,还需汇聚智能用电网的语音、数据和视频信息。

以1座110kV变电站20条配网出线、100台配变;1台配变120户居民用户,6户三相工商业用户的典型配置,每条配网出线业务流量统计见表1所列。

其中,配电监控只考虑重要节点,用电业务信息以每台配变为统计节点。

根据计算,每回配网

14··

表1配电线路信息流量统计

Tab.1Informationflowofdistributionlinks

线路至变电站的传输带宽应不小于18Mbit/s,变电站用于配用电网业务出口带宽应不小于360Mbit/s。

从信息量统计可以看出,配电通信网业务节点多,数据流向集中,带宽需求大,宜采用专网方式通信,提高传输带宽和可靠性,目前,适用于配电网的通信技术主要有PON、WiMAX和宽带PLC。

2

智能配电网通信技术

2.1

PON技术

无源光网络（PON是一种点到多点（P2MP

结构的单纤双向光接入网络,由系统侧的光线路终端（OLT,OpticalLineTerminal、光分配网络（ODN,OpticalDistributionNetwork和用户侧的光网络单元（ONU,OpticalNetworkUnit组成,其系统架构如图1所示。

注:

IFPON为PON接口。

图1PON系统架构

Fig.1SystemstructureofPON

OLT放在中心机房,既是一个交换机或路由

器,又是一个多业务平台,它提供面向无源光网络的光纤接口（PON接口。

ONU放在用户设备端附近或与其合为一体,提供面向用户的多种业务接入,根据ONU在所处位置的不同,PON的应用

模式又可分为光纤到路边（FTTC、光纤到大楼（FTTB、光纤到办公室（FTTO和光纤到家（FTTH等多种类型。

ODN完成光信号功率的分配,为OLT与ONU之间提供光传输通道,按照其连接方式不同主要可分为星型、树型、总线型和环型结构。

PON系统从OLT到多个ONU下行传输数据

采用广播的方式,根据IEEE802.3ah协议,每一个数据帧的帧头包含前面注册时分配的、特定

ONU的逻辑链路标识（LLID,该标识表明本数据

帧是给ONU（ONU1、ONU2、ONU3、…、ONUn中的唯一一个;另外,部分数据帧可以是给所有的

ONU（广播式或者特殊的一组ONU（组播。

对于

从多个ONU到OLT上行数据,采用时分多址（TDMA技术分时隙给ONU传输上行流量。

OLT会根据系统的配置,给ONU分配特定的带宽,或采用动态带宽分配策略。

PON系统上下行工作机制如图2所示。

图2PON系统传输原理

Fig.2TransmissionprincipleofPON

目前,市场上主流的PON产品有以太网无源光网络（EPON和吉比特无源光网络（GPON两大类。

EPON在物理层采用了PON技术,在链路层使用以太网协议,利用PON的拓扑结构实现了以太网的接入。

GPON能够提供非对称高传输速率,可以同时承载ATM信元和GEM帧。

EPON和GPON主要技术指标对比见表2所列。

可以看出,GPON

在业务承载能力和网络管理方面更具优势,随着

GPON产品规模化应用,其与EPON在成本方面

的劣势也不断缩小。

2.2WiMAX技术

全球微波接入互操作（WiMAX是一种无线宽带城域网（WMAN接入技术,其物理层和MAC层均基于IEEE802.16工作组开发的无线城域网技术,能够实现固定及移动用户的高速无线接入。

项目信息流量/kbit·s

-1

配电自动化16电能质量监测2.4配电监控运行4096分布式电源控制0.6用电基本业务215.4用电扩展性业务502.8用电可视化业务

2048小计

4115

·专题聚焦·辛培哲等智能配电网通信技术研究及应用

15··

表2EPON和GPON主要技术指标对比

Tab.2ComparisonofEPONandGPON

WiMAX网络体系由核心网和接入网组成。

核心网包含网络管理系统、路由器、AAA代理服务器、用户数据库以及网关设备,主要实现用户认证、漫游、网络管理等功能,并提供与其他网络之间的接口。

接入网中包含基站（BS、用户站（SS和移动用户站（MSS,主要负责为WiMAX用户提供无线接入。

WiMAX网络体系结构如图3所示。

图3WiMAX系统架构

Fig.3SystemstructureofWiMAX

WiMAX系统采用了包括正交频分复用（OFDM,OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing、多

入多出（MIMO,MultipleInputMultipleOutput、自适应调制编码（AMC,AdaptiveModulationand

Coding等多种技术提高网络传输带宽和抗干扰

性能。

2.2.1OFDM

OFDM是一种并行传输数据技术,它将高速

串行数据变换为低速并行数据,用多个正交的载波构成子信道分别调制并行数据,并通过增加循环前缀用以消除多径传输引起的符号间干扰。

由于OFDM技术在对抗多径衰落、抗窄带干扰多址

接入和信号处理方面显示出的优势,被公认为下一代无线通信系统的核心技术之一。

图4是

OFDM系统基本原理。

图4OFDM基本原理

Fig.4BasicprincipleofOFDM

2.2.2MIMO

MIMO通信系统在发射端和接收端均采用多

个天线,各发射接收天线间的信道响应独立,可以创造多个并行的空间信道。

通过这些并行空间信道独立地传输信息,数据率成倍提高,经证明,MI-

MO系统的容量随最小天线数的增加而近似线性

增加。

MIMO系统能最大成度地利用无线信道的

信道容量,实现高速可靠通信,成为无线通信领域内最炙手可热的技术之一。

MIMO系统的基本结构如图5所示。

图5MIMO系统示意

Fig.5SystemstructureofMIMO

2.3PLC技术

电力线载波通信（PLC是电力系统特有的通

信方式,利用电力线缆作为传输媒质,通过载波方

技术指标EPONGPON标准机构IEEE802.3ahITU-TG.984上/下行速率1.25/1.25Gbit/s1.25/2.5Gbit/s分光比1:

16,1:

321∶16,1∶32,1∶64,1∶128

线路编码8B/10BNRZ扰码基础协议

EthernetATM、GEMTDM业务PWE3或VoIP直接适配

数据业务

直接适配

GEMQOS支持802.1P、IPQoST-CONTOAM运维

最低限度支持

电信级

电力系统通信2010,31（217

16··

式传输语音和数据信号,具有可靠性高,抗破坏能力强,不需要另外架设通信线路的特点。

电力线载波通信在35kV及以上电压等级的高压输电线路中已大量应用,主要承载调度电话、远动和继电保护信息。

中低压电力线载波目前主要为配电自动化系统、远方集中自动抄表系统提供数据传输通道。

目前,电力线载波通信采用40~500kHz传输频带,传输速率为几十kbit/s。

电力线载波信道复杂多变,电力线通信需要克服电力线信道中的背景噪声和脉冲噪声导致接收端相对低的信噪比（SNR、信道的时频变化以及电磁兼容（EMC要求限制的信号发射功率等问题,