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电力配网通信面临的挑战及其解决思路华为技术有限公司 李英普摘 要：近几年，配网自动化试点工程的成功建设，PON作为主要的配网通信技术已获得认可，综合多种通信技术的试点情况来看，PON技术更加符合国内电力配网市场的需要，且EPON技术已成为配网通信的主要技术标准。目前，国内配电网自动化已进入大规模建设阶段，相对于小规模试点而言，将带来新的挑战。本文主要阐述了多种通信技术的特点，配电网通信建设的难点，以及华为公司配网PON通信解决方案在电力配网建设、运维使用方面的明显优势。关键词：配网自动化 配网通信 PON技术1 引言智能电网已成为世界电网体系技术革新的新动向，是改变未来电力系统面貌的发展新模式之一。我国电力企业高度关注智能电网的发展与建设，并有序推进，尤其是处于智能电网末端的配用电网络，更是今年来建设的重点。随着自动化技术和电力设备智能化水平的提高，电力系统对通信网络的安全性、可靠性、易运维等方面提出了更高的要求，配网通信系统已逐渐成为整个智能电网建设的关键环节。2 智能配电通信网建设面临的挑战 配电网络存在网络规模巨大、分布广、环境恶劣、配网站点变动频繁等特点，配电通信网络作为配网自动化的神经系统，也必然要满足高质量的通信需求。因此，高质量的配网通信系统必然成为智能配电网建设的基础。综合分析当前配网建设试点情况及未来发展趋势，配网自动化建设对通信系统提出诸多挑战。2.1 可靠性需求 据不完全统计，在我国用户的停电故障中，80%是由配网故障引起的，每停一度电就会导致50元的损失。每年将近有超过2000亿的停电损失。随着近年来分布式电源大量接入电网，配电网从无源走向有源，从被动走向主动，新的发展模式对配网系统的可靠性提出了更高的要求。 （1）自然环境恶劣，每年因雷击、火灾等原因导致的站点设备故障或报废、线路故障是造成停电的主要原因，因此要求电力通信设备应具备高防雷、抗震、宽温域的工作能力。 （2）随着配网自动化程度逐渐加强，要求通信网络满足DSCADA对电力设备实现实时、全天候的监测与控制。 （3）通信网络因通信线路故障引发的自身故障，如通信光纤断裂等故障导致的通信网络故障，因此通信网络必然需要具备多重保护与抗多点失效的能力，保证通信网络的可靠性。2.2 安全性需求 电力配网设备通常布放在户外、路边，面临人为破坏、非法接入等风险，将直接影响配电网的安全性，给电网企业带来巨大损失的同时，电力安全面临巨大威胁。2.3 部署与维护 配电网络终端多、数量大，且配网站点多分布于户外、街边、施工复杂，加之不断的扩容、网络结构变动，无论对设备的布放、调试，还是后续的维护管理都来了严峻的挑战。3 当前主流配电通信技术特点在当今主流配网通信技术中，主要分为光纤配网通信与无线配网通信两类。光纤配网通信分为EPON、工业以太网交换机两类。无线技术则主要包括LTE专网及公网GPRS。公网GPRS由于缺乏网络自主性，在电力配网要求专网、专线的前提下，逐渐淡出；无线LTE专网，信号易受地形、环境等影响，系统可靠性相对光纤通信较弱。因此，光纤配网通信将逐渐成为配网通信系统的主流技术。 在光纤配网通信技术中，工业交换机因产业规模较小、综合建网成本较高，技术发展与演进相对不足，性价比相对EPON较弱，且有源串行组网结构，也无法满足抗多点失效。因此，EPON技术将是未来电力配网技术的主导技术。参见表1各种通信方式的特点所示。表1 各种通信方式的特点通信技术传输速率传输距离主要特点PONEPON：1.25 Gb/sGPON：2.5Gb/s20km-40km优点：无源网络，维护简单；受电磁干扰小，信号可靠；组网可靠；缺点：需要光纤，成本略高。工业以太网交换机100Mb/s、1000Mb/s10km80km优点：带宽大，满足电力业务需要；有环网保护标准；工业级标准，满足配网要求缺点：成本过高，需要光纤；产业规模小，技术发展及演进不足。无线专网100Mb/s4km10km优点：覆盖广，部署简单快捷，无线巡检更加方便缺点：信号易受地形，高楼，天气等干扰。GPRS170kb/s1km10km优点：利用电信运营商公网部署，成本低，覆盖广缺点：信号易受干扰，在线率低，实时性不足；缺少网络自主性，安全性较低，仅适合两遥业务。4 EPON通信系统在打造坚强配电网络的优势PON是全光纤媒介的无源光网络，具备强抗电子干扰能力和和高防雷能力，减少了有源设备故障。手拉手式的组网保护可满足抗多点失效，且PON 网络拓扑结构能够与电力配电网环形、链形结构完全吻合，多种优势逐步使PON技术在配网通信建设中得到推广。 PON通信系统由OLT设备、ODN网络、ONU终端三部分组成： OLT（Optical Line Terminal）: 光线路终端，用于连接光纤干线的局端设备。 ODN（Optical Distribution Network）：光分配网络，用于在OLT和ONU间提供光通道。 ONU（Optical Network Unit）：光网络单元，光纤接入的终端设备。 在基于PON的配网建设中，OLT 设备通常安装在110kV/35kV变电站，通过MSTP/IP环网接入到主站系统。ONU设备位于各配电站点中，通过串口或 GE/FE口采集电力终端信息， 通过 PON 口上行到 OLT，最终实现配电主站系统与电力终端的双向通信及电力终端之间的双向通信。（见图1所示）。 ONU应具备双 PON口上行，可通过两条不同链路连接到OLT，形成“手拉手”全保护组网，在主链路发生故障时，可通过上层主站系统收取配网通信的另一条链路数据，或者配网通信迅速切换至备用链路，提高通信系统的可靠性。图1 基于PON的智能配电通信网示意图电力配网通信系统当前面临可靠、安全、便捷运维等方面的挑战。华为作为PON技术的领导者，结合多年在电力行业的研究与探索，推出的EPON智能配电解决方案，拥有业界绝对的高性能OLT，以及电力专用的工业级ONU，实现了EPON通信系统与配网自动化的完美组合，给出了完美的解决方案。总之，华为PON系统在电力配网通信解决方案的优势有以下几方面。4.1 高可靠性 ONU通过双PON口上行至两台不同的OLT的PON板，形成完全隔离的两条保护通道，实现手拉手保护组网。不同PON板的两个PON口之间，考虑光功率损耗与组网简单性原则（光功率损耗计算，详见附例），通常采用不等比分光器（如10:90）组建6级8级组网。通过组合不同不等比的分光器组网，理论上可实现13级级联，但由于不等比分光器级联级多导致网络复杂性增加，通常不推荐使用超过8级不等比分光器组网的应用。图2 手拉手组网结构 在此种组网条件下，可实现OLT异地双机备份，对配电网络中出现的电压不稳，短暂停电等故障提供了双重通信业务保障，主备两条链路可选用冷备份或热备份两种保护方式，冷备份保护方式下，主备倒换时延小于50ms，热备份保护方式，通过配网通信向上层主站系统同时上传两组完全相同的通信数据，由主站系统实现双发选收，实现无倒换时延，业务零中断。配网通信PON手拉手组网有效缩短了故障时业务中断时间，避免引起误动，导致故障升级，达到提高配网可靠性的目的。见图2手拉手组网结构图所示。 （1）光功率衰减计算约束条件：每个分光器有2个熔接点与4个活动链接头，两侧ODF各有2个熔接点与1个活动连接头（最少）， 工程余量在此距离下一般取1dB。分光器：10:90；光纤：G.652D。表2 衰减常数表光缆连接类型损耗/dB典型值连接熔接0.10.1活动链接0.30.2光纤（G.652D）1310nm（1km）0.350.351550nm（1km）0.210.21光纤（G.657A）1310nm（1km）0.380.381550nm（1km）0.250.25分光比率插入损耗/dB插入损耗/dB5:9514.30.510:9011.10.720:807.91.230:7062.040:604.72.750:503.63.6以第7级节点G7为例，计算如下（分光器10:90，分光器10%光功率输出口衰减11.1dB，90%光功率输出口衰减0.7dB）图3同样算法得出 （2）总结以EPON PX20+为例，根据中国电信EPON设备技术要求V3.0的规划，光功率预算为29.5dB，最大通道损耗为28dB。在本次各假设条件下，手拉手可以达到7级。由于GPON在光功率预算与传输距离较EPON有优势，在多级级联组网中，GPON可覆盖更远的距离。 抗多点失效：基于的PON手拉手组网，采用级联并行组网，各配网站点与主站之间有独立的传输通道，任何单站点和多站点故障，不会影响其它正常站点工作，有效改善“一停一片、一停一线”的问题。而工业以太网交换机采用级联串行组网，任何两个站点故障，将影响之间多台正常设备工作，无法实现抗多点失效。见图4抗多点失效图所示。图4 抗多点失效4.2 高安全性 配电网络的通信设备通常位于开闭所、环网柜等场景，靠近高压侧设备，环境相对恶劣，对通信设备的质量也提出了很高的要求，需采用电力专业ONU。华为针对电力行业的高可靠要求，推出业界首款工业级设备ONU Smart AX MA5621 ，采用铸铝外壳，配合专有散热技术，可以提供高达85的耐高温性能；同时端口满足6kV防雷标准，相对业界2kV防雷效果提高20倍；满足EN 55022 ClassB电磁兼容标准，对于电力配电的高压场景有着很好的适应能力。 电力设备通常布放在室外、路边，存在人为破坏，非法接入等安全隐患。为配合电力安全的需要，华为创新实现了ONU端口状态监控功能，在监控功能开启后，发现端口异常拔插，则直接关闭端口通信，确认故障类型为非法攻击后，重新开启需要通过网管开启接口，从而实现在物理层面直接阻断黑客的接入通道，有效保护电力网络安全和用户用电信息安全。见图5ONU端口安全监控所示。 图5 ONU端口安全监控4.3 易运维性在配电网络中，终端设备多，部署复杂，占据大量工程施工时间。与此同时，配电通信设备的维护成本也相对较高。以ONU在柱上安装场景为例，通常需要在离地面6m高的线杆上高空作业。因此，熟知通信系统的施工人员技能要求高，人员非常有限，导致反复进站调试ONU，如此将大大增加工程难度与维护成本。华为端到端的PON网络集成经验和一站式交付能力，很好的解决了上述难题。在华为XPON配电解决方案中，ONU设备支持批量离线预部署，一次进站，即插即用，大大缩短部署工期，支持海量ONU远程批量升级，远程故障定位和排除，有效降低运维难度，不具备PON通信知识的作业人员也可在配网站点实现快速运维。华为PON通信系统具备Dying Gasp功能，掉电信息上报，实现秒级定位与上报，缩短停电时间；流氓ONU智能隔离技术有效降低网络大面积瘫痪可能，缩短故障时间，提高业务稳定性。同时，华为公司智能光分配网解决方案（iODN）和光纤链路诊断系统N2510，实现了对光分配网的可视化、智能化管理，使光分配网的运维更加便捷高效，解决了海量ONU的布署和维护的问题。 图6 流氓ONU隔离与Dying Gasp 华为EPON解决方案拥有超过11年的商用经验，在电力配电行业领域，致力于打造一流光纤配电通信网络，已成功应用北京、山东、浙江、江苏等多个省市地区的电力配网项目。其中，山东青岛EPON配电项目改造完成后，供电可靠性由99.96%提高到99.99%以上，平均少停电2.628小时/户年以上；线损由7.5%降至5.3%以下。与此同时，便捷的管理运维，为青岛电力大幅降低运维成本，获得青岛市供电公司高度认可，并作为标杆