王于波，張樹華，趙東艷
（北京智芯微電子科技有限公司，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)采用無線公網(wǎng)通信方式作為補(bǔ)充。
無線公網(wǎng)普遍使用GPRS公網(wǎng)（租用）和CDMA公網(wǎng)（租用）。國網(wǎng)多個(gè)地方電力公司已經(jīng)開展了基于公網(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)形成無線局域網(wǎng)，利用電力頻段230 MHz的廣覆蓋特性，原來通過GPRS方式通信的終端節(jié)點(diǎn)可以通過電力無線局域網(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網(wǎng)，增強(qiáng)了電網(wǎng)的安全性。通過研究采用EPON有線與230 MHz無線局域網(wǎng)的通信平臺(tái)，無線技術(shù)作為有線的延伸，有效拓寬了電力專網(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無線公網(wǎng)，并通過VPN專線、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，變電站至開關(guān)站/環(huán)網(wǎng)柜等配電站點(diǎn)選擇EPON光纖專網(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)備配置在開關(guān)站/環(huán)網(wǎng)柜/分支箱/柱上開關(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：基于專線的應(yīng)用模式和基于無線VPN的應(yīng)用模式。基于專線的應(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地址資源和無線資源等仍由運(yùn)營商管理，可控性較差；基于VPN方式的應(yīng)用模式需要建立專門的無線公網(wǎng)中心，在無線公用網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)之上組成專用的無線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GPRS通信終端連接到移動(dòng)運(yùn)營商內(nèi)部GPRS網(wǎng)絡(luò)，再通過移動(dòng)運(yùn)營商與配電網(wǎng)自動(dòng)化主站系統(tǒng)接入路由器之間的有線專線連接到主站系統(tǒng)；GPRS通信終端使用了專用的接入點(diǎn)名稱（APN，Access Point Name）連接到GPRS網(wǎng)絡(luò)，在通過身份認(rèn)證后獲得基于專線的無線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無線局域網(wǎng)原理
在《關(guān)于印發(fā)民用超短波遙測、遙控、數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)頻段規(guī)劃的通知》中，國家無線電管理委員會(huì)規(guī)定223~235 MHz頻段作為遙測、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，從營銷的用電信息采集、配網(wǎng)自動(dòng)化、輸電線路檢測，帶寬的需求越來越高，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)開始檢測信道，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)長的時(shí)間，然后開始檢測信道狀態(tài)：如果信道空閑，則節(jié)點(diǎn)開始發(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)間并檢測信道，直到信道空閑。
3 EPON結(jié)構(gòu)下的無線局域網(wǎng)
目前，隨著國網(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)作為電力無線局域網(wǎng)的接入點(diǎn)，可以把周圍2~3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)了光纖與無線專網(wǎng)通信的有機(jī)融合，充分發(fā)揮了兩種通信技術(shù)各自的長處，將電力專網(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無線專網(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，通過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 軟件無線電
通過采用軟件無線電技術(shù)，能夠簡單通過軟件配置擴(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無線專網(wǎng)技術(shù)；
(2)230 MHz無線專網(wǎng)的使用，數(shù)據(jù)不再通過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網(wǎng)可以很好地解決出現(xiàn)的問題；
(6)在營銷業(yè)務(wù)上，營銷終端如電表、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)符合國網(wǎng)力主的營配貫通的原則，避免重復(fù)建設(shè)，節(jié)省國網(wǎng)的成本。
5 系統(tǒng)運(yùn)行原理
在電力體系下，營銷與配電自動(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。營銷系統(tǒng)通常使用UART，配電自動(dòng)化通常使用網(wǎng)口。
5.1 營銷系統(tǒng)——電表
在營銷系統(tǒng)中，電表的數(shù)據(jù)可以通過混合式ONU直接傳送到系統(tǒng)主站，無需經(jīng)過集中器、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)通過無線終端送入混合式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，用來傳送信息。如圖10所示。
5.2 營銷系統(tǒng)——集中器、采集器
在營銷系統(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UART或者網(wǎng)口連接到230數(shù)據(jù)終端，然后通過230無線專網(wǎng)匯聚到混合式ONU，最后通過EPON方式傳送到系統(tǒng)主站。如圖11所示。
（1）FE接口
在FE接口形式下，集中器得到的數(shù)據(jù)通過無線終端送入混合式ONU，ONU以透傳的方式送入到國網(wǎng)主站系統(tǒng)。主站系統(tǒng)與集中器之間建立起TCP/IP連接，用來傳送信息。
（2）UART接口
在UART接口形式下，集中器得到的數(shù)據(jù)通過無線終端送入混合式ONU，ONU對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行TCP/IP封包，然后通過EPON線路送入到國網(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)通過網(wǎng)口傳送到230數(shù)據(jù)終端，然后通過230無線專網(wǎng)匯聚到FTU的ONU，以透傳數(shù)據(jù)的方式通過EPON線路傳送到配電主站。如圖12所示。
6 系統(tǒng)實(shí)測結(jié)果
混合ONU的性能，包含了無線覆蓋距離、傳輸速率、信道容量、射頻指標(biāo)等方面。實(shí)測結(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)，形成無線局域網(wǎng)，搭建完整的電力通信專網(wǎng)；其次，電力無線專網(wǎng)的組建，可以增強(qiáng)電力通信的安全性；再次，無線局域網(wǎng)可以應(yīng)用到配網(wǎng)自動(dòng)化、用電信息采集，達(dá)到營配貫通、一體化的效果，降低國網(wǎng)的建設(shè)成本。
參考文獻(xiàn)
[1]王宇光.EPON在電力系統(tǒng)中的部署[J].電信技術(shù)，2007(8).
[2]易睿得，LTE系統(tǒng)原理及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.
[3]王于波，張樹華等，230MHz電力頻段專用LTE基帶芯片設(shè)計(jì) [J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015(1).
[4]王文楨，基于EPON的用電信息采集系統(tǒng)應(yīng)用研究[J].中國科技信息，2014(3).