貴州電力設(shè)計(jì)研究院 胡靜

開陽供電局“十三五”配電網(wǎng)通信規(guī)劃分析

貴州電力設(shè)計(jì)研究院 胡靜

開陽供電局已建成覆蓋城區(qū)范圍的配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)及EPON光纖通信網(wǎng)絡(luò)，文章根據(jù)配網(wǎng)自動(dòng)化對(duì)通信的需求，提出了EPON光纖通信網(wǎng)擴(kuò)容方案和TD-LTE無線通信網(wǎng)方案。通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，推薦建設(shè)TD-LTE無線專網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)開陽城區(qū)自動(dòng)化終端通信的覆蓋。

配網(wǎng)自動(dòng)化 光纖通信 EPON 無線通信 TD-LTE

引言

開陽縣隸屬于貴州省貴陽市，位于黔中地區(qū)，縣城距貴陽市中心城區(qū)66 km，全縣轄6鎮(zhèn)10鄉(xiāng)，總面積2026 m2，總?cè)丝?3.6萬。根據(jù)《110 kV及以下配電網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)指導(dǎo)原則》的城市級(jí)別劃分，開陽縣城為三級(jí)城市，將開陽縣的供電區(qū)域劃分為：中心城區(qū)D類，其他區(qū)域F類。本次規(guī)劃區(qū)域?yàn)镈類地區(qū)，即針對(duì)開陽縣中心城區(qū)。

在配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)中，通信是一項(xiàng)非常關(guān)鍵的技術(shù)，主要以信息技術(shù)為基礎(chǔ)。通信網(wǎng)連接著配網(wǎng)自動(dòng)化的主站系統(tǒng)和遠(yuǎn)方終端，是配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的重要組成部分，通信通道的可靠性是影響配網(wǎng)自動(dòng)化發(fā)展的重要因素。

1 現(xiàn)狀分析

開陽供電局已建成覆蓋城區(qū)范圍的配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)及EPON光纖通信網(wǎng)絡(luò)。

在配電網(wǎng)光纜方面，開陽供電局已建成“老調(diào)度大樓—新調(diào)度大樓—城郊所—城關(guān)變—老調(diào)度大樓”的64芯主干光纜及I環(huán)、II環(huán)、III環(huán)24芯匯聚光纜，詳見表1。開陽縣城配電網(wǎng)10 kV線路的光纜覆蓋率已實(shí)現(xiàn)100%，光纜總長(zhǎng)度約為129.1 km，類型以ADSS光纜為主（約占80%～90%），其余為地埋管道光纜，纖芯類型全部為G.652，纖芯數(shù)量基本是12/24芯。

利用上述光纜，EPON系統(tǒng)通過在沿線自動(dòng)化終端處配置無源光分路器（POS）和光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU），以及在老調(diào)度大樓和城郊所布置的2套光線路終端（OLT），采用鏈型或手拉手結(jié)構(gòu)組網(wǎng)[1]，建立了配電終端與主站系統(tǒng)之間的傳輸鏈路，為配網(wǎng)自動(dòng)化業(yè)務(wù)提供了通信通道。

但是，從運(yùn)行情況來看，EPON系統(tǒng)的光通道不太穩(wěn)定，ONU總離線率達(dá)到13.79%，詳見表2。主要是由于終端電源故障和部分地埋光纜敷設(shè)工藝較差、受到動(dòng)物嚙蝕造成，使得配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)并沒有成功實(shí)用。現(xiàn)階段，配電線路發(fā)生故障時(shí)仍依靠人力到現(xiàn)場(chǎng)排查故障再恢復(fù)供電，配網(wǎng)自動(dòng)化程度仍然相對(duì)較低[1][2]。

2 需求分析

2.1 基本要求

開陽供電局配網(wǎng)自動(dòng)化業(yè)務(wù)主要有電壓管理、負(fù)荷管理、故障診斷、斷電管理、遠(yuǎn)程抄表等。配網(wǎng)自動(dòng)化對(duì)通信系統(tǒng)的要求，取決于要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的整體規(guī)模、自動(dòng)化系統(tǒng)的功能要求、預(yù)期達(dá)到的自動(dòng)化水平等，主要體現(xiàn)在通信的可靠性、實(shí)時(shí)性、雙向性、靈活性、支持多種業(yè)務(wù)、網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣、成本較低。

2.2 業(yè)務(wù)可靠性和安全性要求

配電網(wǎng)的廣域地理分布性，使通信傳輸?shù)目煽啃猿蔀榻ㄔO(shè)可靠的配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的難點(diǎn)之一，通信網(wǎng)應(yīng)具備高可靠性和安全性等能力。配網(wǎng)自動(dòng)化業(yè)務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)流量、實(shí)時(shí)性、可靠性、帶寬、安全性的需求詳見表3。

表1 開陽供電局配電網(wǎng)主干/匯聚光纜現(xiàn)狀統(tǒng)計(jì)表

表2 開陽供電局配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)EPON通信終端ONU離線情況統(tǒng)計(jì)表

表3 配網(wǎng)自動(dòng)化業(yè)務(wù)對(duì)通信的要求

表4 通信方式性能比較表[6]

2.3 通信帶寬要求

2.3.1 終端的通信帶寬

遙信量。按照每個(gè)開關(guān)量量化為8 bit（1 byte），目前遙信數(shù)量小于15個(gè)，則數(shù)據(jù)量約為15 × 1 = 15 byte。考慮到5秒信息送到主站，其帶寬需要15 × 8 / 5 = 24 bit/s。

遙測(cè)量。按照每個(gè)信息量量化為16 bit（2 byte），目前按照遙測(cè)數(shù)量10個(gè)，則數(shù)據(jù)量約為10 × 2 = 20 byte。若采用TCP/IP數(shù)據(jù)包傳送，須將以上數(shù)據(jù)封裝在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的IP數(shù)據(jù)包中，共需要包頭約20 byte，5s信息送到主站，其帶寬需要 ( 20 + 20 ) × 8 / 5 = 64 bit/s。

遙控量。按照每個(gè)控制命令量化為8 bit（1 byte），目前按照遙控?cái)?shù)量10個(gè)，則數(shù)據(jù)量約為10 × 1 = 10 byte。由于遙控量要求時(shí)間為小于1s，則帶寬需要10 × 8 / 1 = 80 bit/s。

綜上，單個(gè)“三遙”終端的通信帶寬約為168 bit/ s。

2.3.2 主站的通信帶寬開陽供電局配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)采用“主站—終端”模式，即所有的配電網(wǎng)終端業(yè)務(wù)統(tǒng)一上傳到供電局的配電網(wǎng)主站。到2020年，開陽城區(qū)內(nèi)自動(dòng)化終端共136個(gè)，全部為“三遙”節(jié)點(diǎn)，按照最大同時(shí)并發(fā)查詢100%自動(dòng)化終端信息來計(jì)算，主站端的帶寬需求為( 168 × 136 ) × 100% = 22.848 kbit/ s，一般情況下主站輪詢30%自動(dòng)化終端的帶寬需求約為6.855 kbit/s。

3 技術(shù)分析

目前，配電網(wǎng)通信技術(shù)主要采用有線和無線兩種方式[3]，有線方式的主流技術(shù)包括光纖工業(yè)以太網(wǎng)、以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)（EPON）、配電線載波等，無線方式分為無線公網(wǎng)和無線專網(wǎng)兩大類，主流技術(shù)包括GPRS/ CDMA、TD-LTE、WiMAX、McWiLL等。有線、無線兩種方式各有優(yōu)劣，適用場(chǎng)景側(cè)重不同。光纖通信具有傳輸速率高、抗干擾性強(qiáng)、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，而無線通信具有安裝方便、成本低、抗自然災(zāi)害能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是對(duì)光纖通信的很好補(bǔ)充[4][5]。

圖1 開陽供電局配網(wǎng)自動(dòng)化通信系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 開陽供電局“十三五”城區(qū)配網(wǎng)自動(dòng)化EPON光纖通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

有線通信方面，EPON技術(shù)因其不受電源限制、組網(wǎng)靈活、易于擴(kuò)容、抗故障能力強(qiáng)成為有線方式中的佼佼者[7]。

無線通信方面，GPRS因其價(jià)格合適、技術(shù)成熟也被廣泛采用，但由于其不能承載“三遙”節(jié)點(diǎn)信息，應(yīng)用受到一定限制，專網(wǎng)的TD-LTE技術(shù)具有很好的應(yīng)用前景[8]。

4 規(guī)劃方案

4.1 通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

開陽供電局配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)采用的是“主站—終端”模式[9]，所采用的通信系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。

通信節(jié)點(diǎn)和各網(wǎng)絡(luò)層次的定義如下：

(1)通信主站：負(fù)責(zé)將終端的信息送到配網(wǎng)自動(dòng)化主站系統(tǒng)，設(shè)置在供電局。

(2)通信終端：與配電終端設(shè)置在一起，直接接收配電終端采集的數(shù)據(jù)。

(3)配網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)：指通信終端與通信主站之間的通信網(wǎng)絡(luò)。

4.2 EPON光纖通信網(wǎng)方案

開陽供電局新調(diào)度大樓建成后，現(xiàn)有配網(wǎng)自動(dòng)化主站系統(tǒng)進(jìn)行搬遷，OLT設(shè)備（含網(wǎng)管）隨之搬遷至新調(diào)度大樓。城郊所配置有一套OLT設(shè)備，以上兩套OLT設(shè)備之間通過GE光口互連?！笆濉逼陂g增加的終端通過新建接入光纜，可利用現(xiàn)有EPON系統(tǒng)及主干/匯聚光纜資源與主站實(shí)現(xiàn)通信。

在10 kV線路新建工程中同步建設(shè)光纜，電纜線路采用管道光纜，架空線路采用ADSS光纜。光纜芯數(shù)方面，目前24芯光纜比12芯光纜的材料價(jià)格約高0.15萬元，增加投資比例較小，考慮到配電網(wǎng)光纜未來其它方面的應(yīng)用，新建接入光纜芯數(shù)優(yōu)先采用24芯。

深圳市將繼續(xù)貫徹落實(shí)黨的十八屆三中全會(huì)關(guān)于加快生態(tài)文明制度建設(shè)的精神，抓好最嚴(yán)格水資源管理制度試點(diǎn)建設(shè)各項(xiàng)工作，進(jìn)一步健全制度，深入創(chuàng)新，嚴(yán)格“三條紅線”管理，強(qiáng)化水資源總量控制，提高用水效率，優(yōu)化水資源配置，加強(qiáng)水資源保護(hù)，提升水環(huán)境質(zhì)量，加快健全水資源可持續(xù)利用的長(zhǎng)效機(jī)制，為全市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供更加可靠的水資源保障和支撐，為推進(jìn)深圳生態(tài)文明建設(shè)、打造“生態(tài)深圳”、建設(shè)“美麗深圳”的夢(mèng)想作出新貢獻(xiàn)。

“十三五”期間開陽縣城區(qū)共新增光線路21條，由環(huán)湖變出口的光線路共10條，由干河變、城關(guān)變出口的光線路共11條，根據(jù)城區(qū)配電網(wǎng)主干及匯聚光纜建設(shè)，將由環(huán)湖變出口的光線路上的ONU上聯(lián)至新調(diào)度大樓OLT設(shè)備，將由干河變、城關(guān)變出口的光線路上的ONU上聯(lián)至城郊所OLT設(shè)備，新增ONU采用鏈型或“手拉手”組網(wǎng)結(jié)構(gòu)。因此，“十三五”期間對(duì)新調(diào)度大樓和城郊所的兩套OLT設(shè)備進(jìn)行擴(kuò)容，新調(diào)度大樓OLT設(shè)備共增加3塊4路線卡、城郊所OLT設(shè)備共增加3塊4路線卡。

ONU與自動(dòng)化終端設(shè)置在一起，共用自動(dòng)化終端電源，ONU通過RJ45網(wǎng)口或RS485/RS232串口與配電終端設(shè)備相連。

2016～2020年開陽供電局配網(wǎng)自動(dòng)化EPON光纖專網(wǎng)通信裝置配置和光纜建設(shè)情況如表5所示。

根據(jù)投資估算單價(jià)，得出“十三五”期間EPON光纖專網(wǎng)方案的投資如表6所示，該方案的總投資約為396.9萬元。

4.3 TD-LTE無線通信網(wǎng)方案

開陽供電局具備組建無線專網(wǎng)的光纜和傳輸網(wǎng)資源，“十三五”期間建設(shè)TD-LTE無線專網(wǎng)，在新調(diào)度大樓配置一套無線核心網(wǎng)設(shè)備和一臺(tái)匯聚交換機(jī)。

表5 開陽供電局“十三五”配網(wǎng)自動(dòng)化EPON通信裝置配置和光纜建設(shè)統(tǒng)計(jì)表

表6 開陽供電局“十三五”配網(wǎng)自動(dòng)化EPON光纖專網(wǎng)方案投資（單位：萬元）

圖3 開陽供電局“十三五”城區(qū)配網(wǎng)自動(dòng)化TD-LTE無線通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

圖4 開陽縣城TD-LTE無線基站地理位置分布及覆蓋范圍示意圖

為實(shí)現(xiàn)開陽縣城區(qū)的無線信號(hào)覆蓋，在新調(diào)度大樓和老調(diào)度大樓各建設(shè)一個(gè)基站，包括基帶處理單元（BBU）、射頻拉遠(yuǎn)單元（RRU）和天線，其中BBU安裝在通信機(jī)房，由通信專用-48V直流電源供電，RRU和天線安裝在大樓樓頂，BBU與RRU之間通過光纖連接，RRU與天線之間通過饋線連接。一個(gè)TD-LTE基站的覆蓋范圍半徑約為1.5～2 km，一個(gè)基站劃分3個(gè)扇區(qū)，可同時(shí)接入約300～400個(gè)CPE終端。經(jīng)過信號(hào)測(cè)試，新調(diào)度大樓基站可覆蓋縣城新城區(qū)范圍，老調(diào)度大樓基站可覆蓋縣城舊城區(qū)范圍，基本實(shí)現(xiàn)了開陽縣城無線信號(hào)的全覆蓋。

主干傳輸網(wǎng)利用貴陽地區(qū)B網(wǎng)MSTP光傳輸網(wǎng)，在新調(diào)度大樓配置一套光傳輸設(shè)備，老調(diào)度大樓的原有光傳輸設(shè)備維持現(xiàn)狀不搬遷，新調(diào)度大樓和老調(diào)度大樓的兩套光傳輸設(shè)備通過光纖互連。新調(diào)度大樓的基站BBU設(shè)備與匯聚交換機(jī)采用光纖直連，老調(diào)度大樓的基站BBU設(shè)備與MSTP設(shè)備之間采用FE口互連，無線基站通過地區(qū)MSTP光傳輸網(wǎng)將終端采集信息傳輸?shù)阶詣?dòng)化主站。

2016～2020年開陽供電局配網(wǎng)自動(dòng)化TD-LTE無線專網(wǎng)通信裝置配置情況如表7所示。

根據(jù)投資估算單價(jià)，得出“十三五”期間TD-LTE無線專網(wǎng)方案的投資如表8所示，該方案的總投資約為250.8萬元。

4.4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

首先從技術(shù)上來看，EPON光纖專網(wǎng)和TD-LTE無線專網(wǎng)都屬于目前配網(wǎng)通信領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，均可實(shí)現(xiàn)高級(jí)別的QoS保障和安全性，且可長(zhǎng)期發(fā)展，但是在建設(shè)、維護(hù)、性能各方面還是有一定差別。

4.4.1 實(shí)施難度上，EPON光纖專網(wǎng)大于TD-LTE無線專網(wǎng)

由于EPON光纖專網(wǎng)依托于光纖進(jìn)行信息傳輸，必須在自動(dòng)化終端沿線建設(shè)光纜，對(duì)于城市來說，由于建筑物密集，無論是架空線路光纜還是開挖溝道敷設(shè)管道光纜，其審批、建設(shè)過程都十分困難[10]，敷設(shè)工程量大。而對(duì)于TD-LTE無線專網(wǎng)來說，其通信介質(zhì)是電磁波，不需要建設(shè)光纜，而且無線基站都是建設(shè)在供電局自有物業(yè)處，大大降低了組網(wǎng)的實(shí)施難度。

4.4.2 建設(shè)周期上，EPON光纖專網(wǎng)長(zhǎng)于TD-LTE無線專網(wǎng)

組建EPON光纖專網(wǎng)由于需要建設(shè)光纜，其審批、實(shí)施、調(diào)試時(shí)間都較長(zhǎng)，而TD-LTE無線專網(wǎng)只需較短時(shí)間建設(shè)基站和終端設(shè)備，主干傳輸網(wǎng)則利用已有的地區(qū)電網(wǎng)光傳輸網(wǎng)絡(luò)，條件成熟，建網(wǎng)時(shí)間快，可以實(shí)現(xiàn)“立竿見影”的效果。

表7 開陽供電局“十三五”配網(wǎng)自動(dòng)化TD-LTE通信裝置配置統(tǒng)計(jì)表

表8 開陽供電局“十三五”配網(wǎng)自動(dòng)化TD-LTE無線專網(wǎng)方案投資（單位：萬元）

表9 開陽供電局“十三五”配網(wǎng)自動(dòng)化EPON光纖專網(wǎng)方案投資（單位：萬元）

4.4.3 傳輸帶寬上，EPON光纖專網(wǎng)優(yōu)于TD-LTE無線專網(wǎng)

EPON光纖專網(wǎng)可以提供比TD-LTE無線專網(wǎng)更高的帶寬，但是就目前配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)傳輸?shù)男畔⒘慷裕琓D-LTE無線專網(wǎng)完全可以滿足其帶寬需求。

4.4.4 可維護(hù)性上，EPON光纖專網(wǎng)差于TD-LTE無線專網(wǎng)

EPON光纖專網(wǎng)建設(shè)有大量的架空光纜和地埋光纜，需投入較多的人力物力用于光纜的維護(hù)檢修，對(duì)于開陽供電局現(xiàn)階段已建設(shè)的EPON網(wǎng)絡(luò)，其ONU掉線率較高，如繼續(xù)沿用該系統(tǒng)，還需要在“十三五”期間繼續(xù)投入費(fèi)用和人員用于光纜維護(hù)檢修。相比之下，TDLTE無線專網(wǎng)的維護(hù)檢修十分方便，需要的維護(hù)人員也較少。

所以，TD-LTE無線專網(wǎng)雖然在傳輸帶寬上略差于EPON光纖專網(wǎng)，但是也可滿足配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)際使用需求，而且在實(shí)施難度、建設(shè)周期、可維護(hù)性方面優(yōu)于EPON光纖專網(wǎng)。

再?gòu)慕?jīng)濟(jì)上來看，通過對(duì)開陽供電局“十三五”期間EPON光纖專網(wǎng)和TD-LTE無線專網(wǎng)兩種方案的投資進(jìn)行比較，可以看出，EPON光纖專網(wǎng)的建設(shè)成本遠(yuǎn)大于TD-LTE無線專網(wǎng)，主要原因是由于新建光纜造價(jià)較高。而TD-LTE無線專網(wǎng)僅在2016年建網(wǎng)的投資較高，之后幾年僅有少量終端設(shè)備的投資。

4.5 推薦方案

綜上所述，根據(jù)對(duì)EPON光纖專網(wǎng)和TD-LTE無線專網(wǎng)兩種方案的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較，開陽供電局“十三五”城區(qū)配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃推薦建設(shè)TD-LTE無線專網(wǎng)。

“十三五”期間不再建設(shè)配網(wǎng)光纜，現(xiàn)有EPON光纖通信系統(tǒng)不再擴(kuò)容，為避免資源浪費(fèi)，EPON系統(tǒng)建議作為配網(wǎng)自動(dòng)化備用通信方式或供集抄系統(tǒng)使用。

5 結(jié)論

“十三五”期間，開陽供電局建設(shè)TD-LTE無線專網(wǎng)，城區(qū)范圍內(nèi)自動(dòng)化終端的無線通信覆蓋率可達(dá)到100%。TD-LTE無線專網(wǎng)因不受敷設(shè)光纜的限制，可節(jié)省高昂的光纜建設(shè)和維護(hù)費(fèi)用，加之可以利用現(xiàn)有的地區(qū)電網(wǎng)光傳輸網(wǎng)作為主干傳輸網(wǎng)，十分適合于推廣至縣域范圍。經(jīng)過“十三五”期間TD-LTE專網(wǎng)在開陽縣城區(qū)的成功試用后，可考慮在開陽縣所轄鄉(xiāng)、鎮(zhèn)推廣建設(shè)TD-LTE無線專網(wǎng)，在縣局及110 kV/35 kV變電站建設(shè)TD-LTE基站，信號(hào)基本可覆蓋其相應(yīng)的供電范圍，以實(shí)現(xiàn)全縣范圍內(nèi)的配網(wǎng)自動(dòng)化通信。

根據(jù)我國(guó)多年來配電網(wǎng)通信建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)，尚沒有一種單獨(dú)的通信方案能滿足配網(wǎng)自動(dòng)化的需求，因此須結(jié)合開陽縣的特點(diǎn)，積極探索適合該地區(qū)的通信方式。

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