石 凡，于惠鈞

（湖南工業(yè)大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412007）

株洲市天元區(qū)配電自動化通信方案研究

石 凡，于惠鈞

（湖南工業(yè)大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412007）

通過對各種主流通信方式的比較，結合株洲地區(qū)用電網(wǎng)的特點，選定了適合株洲地區(qū)配電自動化系統(tǒng)發(fā)展的通信方式，分析了建設區(qū)通信主干網(wǎng)、通信接入網(wǎng)的設計思路，提出了對通信骨干網(wǎng)絡的改造方案以及基于無源光網(wǎng)絡技術的實施方案。

配電自動化；通信系統(tǒng)；無源光網(wǎng)絡技術

0 引言

無源光網(wǎng)絡（passive optical network，PON）技術是目前最前沿的點到多點的光纖接入技術。它由光線路終端（optical line terminal，OLT）、光網(wǎng)絡單元（optical network unit，ONU）和光分配網(wǎng)絡（optical distribution network，ODN）組成[1-2]。一般其下行采用（time division multiplexing，TDM）廣播方式，上行采用時分多址接入（time division multiple access，TDMA）方式，而且可以靈活地組成樹型、星型、總線型等拓撲結構（典型結構為樹形結構）。PON的本質特征就是ODN全部由無源光器件組成，不包含任何有源電子器件。這樣就有效地避免了外部設備的雷電及電磁干擾的影響，減少了線路和外部設備的故障率，大大簡化了供電配置和網(wǎng)管復雜度，提高了系統(tǒng)可靠性，同時節(jié)省了維護成本，是電信維護部門長期期待的技術，越來越受到業(yè)界的關注和重視，發(fā)展非常迅猛。與點到點的有源光網(wǎng)絡相比，PON技術的主要特點在于維護簡單，成本較低（節(jié)省光纖和光接口）和較高的傳輸帶寬，其高性能價格比的特點會使其在很長時間內保持競爭優(yōu)勢，PON一直被視為接入網(wǎng)未來的發(fā)展方向。

配電自動化系統(tǒng)分為主站、通信網(wǎng)絡、配電終端和業(yè)務信息集成等4部分。通信網(wǎng)絡是維系配網(wǎng)自動化主站、配電終端和業(yè)務信息的紐帶，是配電自動化系統(tǒng)不可缺少的重要組成部分和技術手段。

在配電自動化建設中，通信是基礎。為此，國家電網(wǎng)公司在2011年確立了以無源光網(wǎng)絡為主選的系列技術、測試、施工標準，為配網(wǎng)通信大規(guī)模建設鋪平了道路，各地相繼展開配電自動化建設。之所以選擇PON技術，是因為PON的組網(wǎng)結構與配電一次網(wǎng)架的匹配度較高，一次網(wǎng)架往往有單射線形、樹形、環(huán)形等形式，而PON組網(wǎng)天然地適配了這幾種組網(wǎng)形式[3-4]。下面本文將從通信主干網(wǎng)、通信接入網(wǎng)、無源光網(wǎng)絡技術等方面對株洲天元區(qū)配電自動化通信方案進行研究。

1 建設區(qū)總體概況

本次配電自動化建設區(qū)（以下簡稱建設區(qū)）位于株洲市天元區(qū)，范圍東至湘江，南至黃山路，西至神龍大道，北至湘江，占地面積約為10.5 km2，總供電人口約14萬人（詳見圖1中區(qū)域1）。

圖1 株洲核心城區(qū)2014年配電自動化建設區(qū)域（區(qū)域1）Fig.1 The distribution automation construction area in urban core of Zhuzhou city in 2014 (block 1)

建設區(qū)域內包含了株洲市人民政府、廣播電視中心、華天酒店、湖南工業(yè)大學、市中心醫(yī)院、神龍城等重要用戶或機構，是株洲市的政治、文化、經(jīng)濟與商業(yè)中心，同時也是株洲市城市的核心區(qū)域。該區(qū)域人口集中，供電潛力巨大，對供電可靠性要求較高，且屬于新建城區(qū)，也易于配網(wǎng)自動化工程的施工建設。

自2009年以來，建設區(qū)年最大負荷增長率達20%，目前該區(qū)域負荷已達到120 MW，平均負荷密度為11.43 MW/km2。

該區(qū)域內的電力線路走廊已基本穩(wěn)定成型，大部分線路經(jīng)過桿線下地或遷移工程，投運時間不超過10 a，具備改造的前提條件。

目前向建設區(qū)供電的變電站共計5座，分別為王家坪220 kV變電站、張家園110 kV變電站、蓮花110 kV變電站、窯塘沖110 kV變電站、松樹110 kV變電站，所供10 kV線路35條，其中張家園變13條、蓮花變13條、窯塘沖變6條、王家坪變2條、松樹變1條。2014年城網(wǎng)將在建設區(qū)內新建2條10 kV線路，分別為蓮濱Ⅳ回、張濱Ⅳ回；延伸2回10 kV線路，分別為蓮德線、蓮保線，預計在2015年10月份可竣工送電。至2015年7月，還將新增七區(qū)110 kV變電站。

2 配電通信技術選擇

用于配電網(wǎng)的通信技術按傳輸介質分為2大類：有線通信和無線通信。有線通信主要有光纖通信（以太無源光網(wǎng)絡/工業(yè)以太網(wǎng)）和電力線載波通信（中壓載波）；無線通信主要通過組建無線專網(wǎng)（Mobitex/230 M）和無線公網(wǎng)（GPRS/CDMA/3G）實現(xiàn)。各類主流通信方式比較[5-7]，如表1所示。

表1 各類主流通信方式比較Table 1 Comparison of various communication modes

由表1可知，針對配電網(wǎng)負荷變化快、通信可靠性要求高，結合本期試點區(qū)域管孔資源豐富，光纜可覆蓋大部分配電設備的特點，選擇光纖通信為配電通信網(wǎng)的主要通信方式，根據(jù)配電網(wǎng)的結構特點，選用基于以太網(wǎng)的無源光網(wǎng)絡（ethernet passive optical network，EPON）通信方式。對于少部分光纖無法覆蓋的配電設備，可利用運營商已建成的無線資源，在投資省、見效快的同時方便運行維護。

3 通信方案設計

3.1 總體通信方案

電力通信網(wǎng)就其層次上可以分成電力通信主干網(wǎng)和電力通信接入網(wǎng)[8-9]。電力通信接入網(wǎng)采用無源光網(wǎng)絡技術，傳輸網(wǎng)采用SDH網(wǎng)絡，光纖接入網(wǎng)通過調度數(shù)據(jù)網(wǎng)接入SDH骨干網(wǎng)。實現(xiàn)該區(qū)域36條10 kV主干配電線路光纖通（無源光網(wǎng)絡EPON）全覆蓋。此外，改擴建市中心主站及220 kV王家坪變、110 kV蓮花變、110 kV張家園變、110 kV窯塘沖變、110 kV松樹變，在城區(qū)骨干光環(huán)網(wǎng)上建成配電通信專用網(wǎng)絡。配電通信網(wǎng)絡架構如圖2所示。

圖2 配電通信網(wǎng)絡架構Fig.2 The network structure of distribution communication

光纖專網(wǎng)通信方式主要接口如下。

OLT與骨干（synchronous digital hierarchy，SDH）光傳輸設備之間的接口：GE接口。

ONU與配電終端之間的接口：FE接口。

無線公網(wǎng)通信方式主要接口如下：

無線公網(wǎng)與自動化主站安全隔離裝置之間的接口：FE或2M。

無線終端與配電終端之間的接口：FE接口。

3.2 通信主干網(wǎng)設計思路

第一層為電力通信主干網(wǎng)——覆蓋所有110 kV及以上變電站、調度中心、電力企業(yè)各級組織，負責變電站的所有業(yè)務。本層在整個通信網(wǎng)中處于核心地位，可靠性、實時性要求極高，具備雙路由，自愈時間小于50 ms。本工程的王家坪變現(xiàn)有的（multiservice transfer platform，MSTP)傳輸設備容量為2.5 G，蓮花變、張家園、窯塘沖變變現(xiàn)有MSTP設備傳輸容量為622 M，基本滿足本次工程業(yè)務的帶寬需求。本工程相關的站點光纖傳輸設備現(xiàn)狀如表2所示，由表可見，各站設備均滿足以太網(wǎng)板擴容要求。為便于業(yè)務管理，建議將承載配網(wǎng)自動化及信息內網(wǎng)業(yè)務的以太網(wǎng)板分開配置，因此各通信站只需要增加以太網(wǎng)板即可滿足配網(wǎng)自動化的接入需求。新建配網(wǎng)通信主站一個，在現(xiàn)有光纖通信平臺的基礎上建立虛擬專用IP網(wǎng)絡，專門用于傳送配電自動化信息。本層業(yè)務接入方式為純IP接入。

表2 SDH光纖傳輸設備現(xiàn)狀Table 2 SDH optical fiber transmission equipment situation

株洲天元區(qū)配電自動化建設區(qū)現(xiàn)有通信骨干網(wǎng)通過環(huán)網(wǎng)升級后主干網(wǎng)容量已基本滿足各類業(yè)務需求，但該區(qū)域內622 M匯聚層的4個業(yè)務節(jié)點中有3個（張家園變、松樹變、窯塘沖變）未在環(huán)上，根據(jù)對業(yè)務傳輸可靠性要求，需對該區(qū)域部分站點及光路進行調整、升級、優(yōu)化。建設方案如下：

1）升級張家園變—蓮花變155 M光路為622 M，構建葉子沖變—銅塘灣變—蓮花變—張家園變—慶云山變—東湖變—株洲中心站1—鵝頸洲變—葉子沖變的622 M光環(huán)網(wǎng)；

2）退出張家園變—松樹變155 M光路，新增松樹變—王家坪變622 M光路，構建松樹變—窯塘沖變—城西園區(qū)變—王家坪變—松樹變的622 M光環(huán)網(wǎng)。

改造后的通信骨干網(wǎng)拓撲見圖3。

圖3 改造后的通信骨干網(wǎng)拓撲圖Fig.3 The topology of communication backbone network after reconstruction

通過上述網(wǎng)絡改造后，該片區(qū)將形成結構清晰、滿足通信業(yè)務傳輸需求的2個匯聚層622 M光環(huán)網(wǎng)，配電自動化業(yè)務的可靠性將得到大幅度提升。

3.3 接入網(wǎng)通信設計思路

第二層為電力通信接入網(wǎng)：包括10 kV配電通信網(wǎng)，即主網(wǎng)變電站低壓出線側各條10 kV主干線路及其分段互聯(lián)開關、環(huán)網(wǎng)柜等。該層是實現(xiàn)配網(wǎng)自動化的主要通信支撐。業(yè)務對可靠性、實時性有較高要求，而且站點數(shù)量多，運行環(huán)境復雜，因此對成本、設備適應性也有較高要求，是本次工程的重點。根據(jù)株洲供電公司電力通信網(wǎng)絡建設的總體原則和具體情況，本次配電通信接入網(wǎng)的建設以實現(xiàn)100%光纖通信為建設原則。具體技術策略是： 10 kV主干線路及分支線上采用光纖通信，采用無源光網(wǎng)絡EPON解決方案，組建光纖專用網(wǎng)絡，各采集點（環(huán)網(wǎng)柜、柱上開關等）數(shù)據(jù)通過EPON系統(tǒng)匯聚到變電站。各信息點通信終端提供的業(yè)務接入方式為RJ45, RS232和RS485（可根據(jù)配電終端需求確定）。

最后，對農村文化消費結構進行進一步優(yōu)化，和城市相比，農村文化消費結構相對單一，對幾個經(jīng)常性消費領域進行集中，促使農村文化消費結構得到優(yōu)化，能夠有效提升農村文化產品以及服務質量，大力倡導先進文化產品的消費。將發(fā)展重點放在農村居民提升自我文化素養(yǎng)上。例如，開展農業(yè)知識培訓，在鄉(xiāng)村開展農業(yè)知識競賽和體育競技等，豐富農村居民文化生活，促使農村文化消費結構得到進一步優(yōu)化。

3.4 骨干通信網(wǎng)絡改造方案

結合太原南城區(qū)配網(wǎng)通信方案[10-14]，通過對建設區(qū)通信網(wǎng)絡的改造，可構建該區(qū)域2個匯聚層622 M光環(huán)網(wǎng)，為配電自動化網(wǎng)絡的可靠傳輸提供保障。通過對網(wǎng)絡結構現(xiàn)狀的分析，采用升級光模塊的方式對該區(qū)域的部分光鏈路進行改造。退出張家園變—蓮花變、張家園變—松樹變的2條155 M光鏈路，在張家園變新增622 M光板（P8S1-4E）1塊，在張家園變、蓮花變、松樹變、王家坪變分別增加622M光模塊1個，構建張家園變—蓮花變、松樹變—王家坪變的2條622 M光路。

為滿足各站配電自動化通信以太網(wǎng)業(yè)務的接入需求，在王家坪變、張家園變、蓮花變、松樹變、窯塘沖變、株洲中心站1地網(wǎng)阿爾卡特傳輸設備上分別增加以太網(wǎng)板1塊（帶GE接口）。

4 EPON通信網(wǎng)實施方案

結合本次配電自動化項目建設，EPON配電通信系統(tǒng)共涉及株洲供電公司主站、王家坪、張家園、松樹、窯塘沖、蓮花等5個變電站子站共計37條線路。針對各條線路根據(jù)10 kV配網(wǎng)網(wǎng)絡結構，綜合考慮線路長度、信息點數(shù)量、衰耗等因素，通信組網(wǎng)盡量采用手拉手鏈路拓撲，并對典型線路進行分析計算，給出以下建設實施方案。

4.1 EPON各網(wǎng)絡層設備選擇及配置

光線路終端（OLT）：分別在王家坪變、張家園變、松樹變、窯塘沖變、蓮花變等5個站點各設置1臺OLT設備；上行可以接入目前株洲電力已有的MSTP傳輸網(wǎng)中，同時OLT也可以獨立具備支持環(huán)網(wǎng)組網(wǎng)的能力（支持RSTP/MSTP）；OLT上行需要提供GE接口，考慮后續(xù)業(yè)務帶寬的發(fā)展，OLT還需要能提供上行10 GE接口；本期規(guī)劃OLT設備的每個PON口所帶ONU數(shù)量為4～16個。

分光器（ODN）：根據(jù)各條10 kV配網(wǎng)終端地理位置情況，考慮在變電站集中設置一級分光器，分光比按1:4均勻分光考慮。當一級分光所接入的環(huán)網(wǎng)柜有分支線時，考慮在該環(huán)網(wǎng)柜內設置1:4均勻分光器作為二級分光。

4.2 EPON網(wǎng)絡典型線路分析

綜合各線路情況，選擇線路結構較復雜、終端接入較多具有代表性的濱江路上的8條10 kV線路進行分析。8條線路中有4條為互聯(lián)線路，分別是蓮濱I回-張濱I回、蓮濱Ⅱ回-張濱Ⅱ回、蓮濱Ⅲ回-張濱Ⅲ回、蓮濱Ⅳ回-張濱Ⅳ回，8條線路的主干部分從110 kV蓮花變和張家園變10 kV出線開始共管敷設并沿濱江路直達對側變電站，是典型的手拉手互聯(lián)結構，8條線路上的主干環(huán)網(wǎng)柜和二級環(huán)網(wǎng)柜共計30個（主干20個、二級10個）。結合上述章節(jié)中的光纜布放、設備配置等原則，對濱江路的EPON系統(tǒng)進行如下配置方案：

1）在110 kV張家園和蓮花變電站通信機房各設OLT設備1套，為滿足該路段的組網(wǎng)需求，各站OLT設備PON口初步配置8個（按每個PON口帶4個環(huán)網(wǎng)柜計算）；

2）在110 kV張家園和蓮花變電站通信機房各設1: 4均分分光器8個，分別對應接入OLT的8個PON口；

3）光纜芯數(shù)配置按8個分光器共分出32芯光纖并按1:1備用配置，則共需配置光纖64芯，即布放48芯的光纜2根。

上述配置方案僅從環(huán)網(wǎng)柜數(shù)量上進行了較粗略的規(guī)劃，如果需要進一步細化組網(wǎng)結構，則需從配網(wǎng)地理接線圖、環(huán)網(wǎng)柜地理距離等進一步進行分析。

結合濱江路各線路的地理接線圖（圖略）可以看出，8條10 kV線路沿由廬山路旁蓮花變電站出線—濱江北路—濱江南路—黃山路—張家園變電站出線，將該路徑作為主干光纜布放路由，并由圖得到該路由上的環(huán)網(wǎng)柜有16個（視為干線環(huán)網(wǎng)柜），其余14個環(huán)網(wǎng)柜掛接在該路由上（視為分支環(huán)網(wǎng)柜），且掛接在同一干線環(huán)網(wǎng)柜分支環(huán)網(wǎng)柜不超過2個。結合上述章節(jié)中的光纜布放、設備配置等原則，對濱江路的EPON系統(tǒng)重新進行如下配置。

1）OLT設備配置：在110 kV張家園和蓮花變電站通信機房各設OLT設備1套，為滿足該路段的組網(wǎng)需求，各站OLT設備PON口配置4個（按每個PON口帶1組環(huán)網(wǎng)柜計算）。

2）分光器配置：在110 kV張家園和蓮花變電站通信機房各設置1:4均分分光器4個，分別對應接入OLT的4個PON口；在連有分支環(huán)網(wǎng)柜的干線環(huán)網(wǎng)柜內設置1:4均分分光器2個（分手拉手線路的2個光方向對主干纖芯進行二級分光）。

3）干線光纜芯數(shù)配置：按4個分光器共分出16芯光纖并按1:1備用配置，共需配置光纖32芯，按40%的纖芯預留考慮，則需配置光纜纖芯45芯，即布放48芯的光纜1根。

4）分支光纜芯數(shù)配置：由于主干環(huán)網(wǎng)柜所接分支環(huán)網(wǎng)柜不超過3個，按3個考慮則分支線光纜需用6芯（主備各1芯），按40%的纖芯預留考慮，則需配置光纜纖芯9芯，即布放12芯的光纜1根（考慮到光纜布放施工難度、成本和未來業(yè)務開通需求，可選擇布放24芯的分支光纜）。

按照上述配置方案，對其中的1組環(huán)網(wǎng)柜（蓮濱Ⅰ回交通局環(huán)網(wǎng)柜、蓮濱Ⅱ回蓮花臺區(qū)環(huán)網(wǎng)柜、蓮濱Ⅲ回濱江路01#環(huán)網(wǎng)柜、蓮濱Ⅱ回風光帶環(huán)網(wǎng)柜、蓮濱Ⅰ回五橋環(huán)網(wǎng)柜、張濱Ⅰ回濱江路05#環(huán)網(wǎng)柜）EPON系統(tǒng)組成進行詳細配置。

1）確定干線環(huán)網(wǎng)柜和分支環(huán)網(wǎng)柜：從地理接線圖可以看出，蓮濱Ⅰ回交通局環(huán)網(wǎng)柜、蓮濱Ⅱ回蓮花臺區(qū)環(huán)網(wǎng)柜、蓮濱Ⅲ回濱江路01#環(huán)網(wǎng)柜、張濱Ⅰ回濱江路05#環(huán)網(wǎng)柜等4個環(huán)網(wǎng)柜位于干線光纜路徑上，故選擇這4個環(huán)網(wǎng)柜為改組環(huán)網(wǎng)柜的干線環(huán)網(wǎng)柜；蓮濱Ⅱ回風光帶環(huán)網(wǎng)柜、蓮濱Ⅰ回五橋環(huán)網(wǎng)柜接于干線光纜以外，定義為分支環(huán)網(wǎng)柜，且作為蓮濱Ⅲ回濱江路01#環(huán)網(wǎng)柜的分支接入。

2）確定EPON設備光口和分光器：按照上述配置方案，兩個變電站各選擇EPON設備的1個PON口分配給該組環(huán)網(wǎng)柜使用，為簡明起見，兩站均選擇1號PON口；兩站的1號PON口各接1個1:4均分分光器，分出的4芯纖芯考慮備用后分別對應到干線光纜的1～8芯。

3）干線環(huán)網(wǎng)柜內設備連接：在第一個干線環(huán)網(wǎng)柜處，將干線光纜的1, 2芯（注：因是手拉手結構，有來自2個方向的干線光纜，均取1, 2芯）在融纖盤上成端，利用光跳纖接上ONU后完成該環(huán)網(wǎng)柜的設備接入，2個方向的其余46芯光纜在直融盤中直融后入第2個干線環(huán)網(wǎng)柜，按上述步驟將接入纖芯改為3, 4纖將第2個環(huán)網(wǎng)柜接入系統(tǒng)， 在此不再贅述。

4）干線環(huán)網(wǎng)柜下掛分支線或擴容：第三個干線環(huán)網(wǎng)柜（蓮濱Ⅲ回濱江路01#環(huán)網(wǎng)柜）下掛了2個分支環(huán)網(wǎng)柜，對于該類環(huán)網(wǎng)柜需在柜內設置二級分光器，結合近期需求和遠期發(fā)展該類環(huán)網(wǎng)柜均設置分光比為1:4的二級均分分光器，分支環(huán)網(wǎng)柜或擴容環(huán)網(wǎng)柜通過24芯分支線光纜接入管線環(huán)網(wǎng)柜后接入EPON系統(tǒng)。

5）光功率衰耗和預留情況：由前述的最壞情況計算結果，該組環(huán)網(wǎng)柜均應能滿足光功率衰耗要求，并且各干線環(huán)網(wǎng)柜按二級分光比考慮均留有光裕量，適合配網(wǎng)線路的變化、擴容、改造等的需求。

5 結論

通過以上對實際典型線路的分析得到以下結論：各終端均能滿足光衰要求，且各干線環(huán)網(wǎng)柜按二級分光的標準計算后仍均有光功率預留，滿足網(wǎng)絡的擴容或改造需求。本文對于所有環(huán)網(wǎng)柜的EPON系統(tǒng)盡量考慮手拉手互聯(lián)結構組網(wǎng)，以保障系統(tǒng)的安全可靠性，如在地理接線上無法組成互聯(lián)的則以單鏈組網(wǎng)方式考慮，但ONU設備必須考慮為雙PON口，方便未來條件成熟時成環(huán)的可能性。

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（責任編輯：申 劍）

Study on the Distribution Automation Communication Scheme in Tianyuan District of Zhuzhou City

Shi Fan，Yu Huijun
（School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

By comparing various communication modes and combining with the characteristics of the grid in Zhuzhou, the communication mode is selected suitable for the development of distribution automation system of Zhuzhou. The design ideas of communication backbone network and communication access network are analyzed, and the reconstruction program for the backbone network and the implementation program based on passive optical network (EPON) technology are put forward.

distribution automation；communication system；passive optical network technology

TM76

A

1673-9833(2015)03-0057-06

10.3969/j.issn.1673-9833.2015.03.011

2015-04-05

石 凡（1990-），男，湖南株洲人，湖南工業(yè)大學碩士生，主要研究方向為電力系統(tǒng)自動化及其應用，E-mail：597865447@qq.com