智能配电网通信技术研究及应用概要.docx

1、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(2010 11-0014-06第 31卷 第 217期 电 力 系 统 通 信 Vol.31No.2172010年 11月 10日 Telecommunications for Electric Power SystemNov.10, 20100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

2、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

3、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

4、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

5、 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.1Information flow of distribution links线路

6、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2.1PON 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 , Optical Line Terminal 、 光 分 配 网 络 (ODN , Opt

7、ical Distribution Network 和用户侧的 光网络单元 (ONU , Optical Network Unit 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.1System structure of PONOLT 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

8、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 IEEE 802.3ah 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、 、 ONU n 中 的唯一一个 ;

9、 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.2Transmission principle of PON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

10、 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 IEEE 802.16工作组开发的无线城域网 技术 , 能够实现固

11、定及移动用户的高速无线接入 。项目 信息流量 /kbits-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.2Comparison of EPON and GPONWiMAX 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

12、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.3System structure of WiMAXWiMAX 系统采用了包括正交频分复用 (OFDM , Orthogonal Frequency Division Multiplexing 、 多入多出 (MIMO , Multiple Input Multiple Output 、 自适应调制编码 (AMC , Adaptive M

13、odulation andCoding 等多种技术提高网络传输带宽和抗干扰性能 。2.2.1OFDMOFDM 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.4Basic principle of OFDM2.2.2MIMOMIMO 通信

14、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.5System structure of MIMO2.3PLC 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

15、载波方技术指标 EPON GPON 标准机构 IEEE 802.3ah ITU-T G.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Ethernet ATM 、 GEM TDM 业务 PWE3或 VoIP 直接适配数据业务直接适配GEM QOS 支持 802.1P 、 IP QoS T-CONT OAM 运维最低限度支持电信级电 力 系 统 通 信 2010, 31(21716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 ,