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.1Information flow of distribution links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2.1PON 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 ，Optical 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；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 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.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 Modulation 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/s 1.25/2.5Gbit/s 分光比1:16,1:321∶16，1∶32，1∶64，1∶128线路编码8B/10B NRZ 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（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，因此，需要采取相应的编码调制技术来提高信息传输的带宽和可靠性。
目前，宽带电力线载波通信技术采用OFDM 自适应调制解调、卷积编码、信道估计等技术，能够很好地适应电力线信道特性，保证了通信带宽和可靠性。
许多研究机构开展了高速电力线技术的研究和开发，产品的传输速率也从1Mbit/s发展到2Mbit/s、14Mbit/s、45Mbit/s，甚至200Mbit/s。
2.4技术比较在传输带宽方面，目前10Gbit/s速率的PON 产品也已投入商业化运行，WiMAX和宽带PLC 技术只有几十上百兆带宽。