面向三網(wǎng)融合的低壓配網(wǎng)通信技術(shù)綜述

張林山 楊 晴 崔玉峰 王 駿

(云南電力試驗研究院 (集團(tuán))有限公司電力研究院，云南 昆明 650217)

1 前言

全球主要國家逐步實現(xiàn)有線電視網(wǎng)、電信網(wǎng)和因特網(wǎng)等三網(wǎng)的相互融合，使得信息網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入一個新的網(wǎng)絡(luò)時代，在更先進(jìn)、更廣泛的平臺上開展技術(shù)和應(yīng)用創(chuàng)新。

對于我國來說， “三網(wǎng)融合”面臨著政策、技術(shù)、市場和機(jī)制創(chuàng)新的全面挑戰(zhàn)，因此三網(wǎng)融合是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程。低壓光纖復(fù)合電纜技術(shù)、電力線通信技術(shù)等低壓配網(wǎng)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，成為智能電網(wǎng)切入“三網(wǎng)融合”、支持“三網(wǎng)融合”發(fā)展的突破口。

“三網(wǎng)融合”是為了實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的共享，避免低水平的重復(fù)建設(shè)，形成適應(yīng)性廣、容易維護(hù)、費用低的高速寬帶的多媒體基礎(chǔ)平臺。即電信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)分別在向下一代電信網(wǎng)、下一代廣播電視網(wǎng)、下一代互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和演進(jìn)過程中，網(wǎng)絡(luò)的功能趨于一致、業(yè)務(wù)范圍趨于相同，都可以為用戶提供打電話、上網(wǎng)和看電視等多種服務(wù)。

三網(wǎng)融合的階段性目標(biāo)為:2010年至2012年重點開展廣電和電信業(yè)務(wù)雙向進(jìn)入試點，探索形成保障三網(wǎng)融合規(guī)范有序開展的政策體系和體制機(jī)制。2013年至2015年，總結(jié)推廣試點經(jīng)驗，全面實現(xiàn)三網(wǎng)融合發(fā)展，普及應(yīng)用融合業(yè)務(wù)，基本形成適度競爭的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)格局，基本建立適應(yīng)三網(wǎng)融合的體制機(jī)制和職責(zé)清晰、協(xié)調(diào)順暢、決策科學(xué)、管理高效的新型監(jiān)管體系。

2 電力線通信技術(shù)

目前上網(wǎng)有多種技術(shù)，第一種是電話線的撥號 (即xDSL方式)，第二種是有線電視線路的Cable Modem方式，第三種是雙絞線的以太網(wǎng)方式，第四種是電力線上網(wǎng) (Power Line Communication，PLC)，即電力線通信。

2.1 PLC的接入原理

PLC技術(shù)主要包括以下幾個部分組成:

1)電力線網(wǎng)絡(luò)單元 (PNU)，它負(fù)責(zé)控制電力線網(wǎng)絡(luò)并從單元配電網(wǎng)集成話務(wù)。通過適當(dāng)?shù)碾娦鸥删€接口，PNU再將話務(wù)傳至饋電網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)饋電網(wǎng)絡(luò)中使用的不同介質(zhì)，PNU也可轉(zhuǎn)換來自低壓配電網(wǎng)的數(shù)據(jù)話務(wù)。

2)電源線網(wǎng)絡(luò)終端 (PNT)，它為最終用戶PC或其它用戶提供適當(dāng)?shù)慕涌?，如以太網(wǎng)或是USB。為了降低成本，這一獨立設(shè)備能夠和PC或其它設(shè)備相集成。

3)耦合設(shè)備 (Coupling Unit)，將信號傳入線路并過濾噪音。目前它還是一個插銷插入電插座的相對獨立的設(shè)備，今后它可能會和PLC調(diào)制解調(diào)器集成于一體。PLC調(diào)制解調(diào)器和PC內(nèi)的耦合設(shè)備的集合體有一天將使PC可以直接在網(wǎng)上運行。

配電網(wǎng)是一種共享介質(zhì)，即所有與之相連的用戶都共享同一“電纜”。在典型的城市配置中，它則可視為與一個變壓器相連的大約100到200個用戶。采用電力通信技術(shù)，把載有信息的高頻信號加載于電流，然后用電線傳輸，接收信息的調(diào)制解調(diào)器把高頻信號從電流中分離出來，并傳送到計算機(jī)或電話等，以實現(xiàn)信息傳遞。用戶通過PLC Modem聯(lián)結(jié)到戶內(nèi)電源插座，通過電力線聯(lián)接樓宇配電變壓器端的PLC主控設(shè)備，完成接入。用戶只需裝設(shè)一臺PLC－Modem，不用撥號，就能在線地接收和發(fā)送Internet信息。

2.2 PLC的關(guān)鍵技術(shù)

電力線不同于普通的數(shù)據(jù)通信線路，當(dāng)作為一種數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿浇闀r，遇到許多干擾:首先，電力線上有許多不可預(yù)料的噪聲和干擾源。其次，電力線通訊具有時間上不可控、不恒定的特點。與信號潔凈、特性恒定的Ethernet電纜相比，電力線上接入了很多電器、音響設(shè)備，這些設(shè)備任何時候都可以插入或斷開、開機(jī)或關(guān)閉電源，因而導(dǎo)致電力線的特性不斷地變化。為了克服各種干擾，電力線通信系統(tǒng)采用的調(diào)制技術(shù)主要是OFDM(正交頻分復(fù)用)、DMT(多載波調(diào)制)、擴(kuò)頻及常規(guī)的QPSK，F(xiàn)SK等，為適應(yīng)高速率的傳輸要求，多載波正交頻分復(fù)用將是解決傳輸頻帶利用的有效方法。

OFDM技術(shù)的主要思想就是在頻域內(nèi)將給定信道分成許多正交子信道，在每個子信道上使用一個子載波進(jìn)行調(diào)制，并且各子載波并行傳輸，這樣，盡管總的信道是非平坦的，也就是具有頻率選擇性，但是每個子信道是相對平坦的，并且在每個子信道上進(jìn)行的是窄帶傳輸，信號帶寬小于信道的相應(yīng)帶寬，因此就可以大大消除信號波形間的干擾。OFDM技術(shù)有三個優(yōu)點:

1)可以有效地對抗信號波形間的干擾，適用于多徑環(huán)境和衰落信道中的高速數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)信道中因為多徑傳輸而出現(xiàn)頻率選擇性衰落時，只有落在頻帶凹陷處的子載波以及其攜帶的信息受影響，其他的子載波未受損害，因此系統(tǒng)總的誤碼率性能要好得多。

2)通過各子載波的聯(lián)合編碼，具有很強的抗衰落能力。OFDM技術(shù)本身已經(jīng)利用了信道的頻率分集，如果衰落不是特別嚴(yán)重，就沒有必要再加時域均衡器。通過將各個信道聯(lián)合編碼，則可以使系統(tǒng)性能得到提高。

3)OFDM技術(shù)抗窄帶干擾性很強，因為這些干擾僅僅影響到很小一部分的子信道。

2.3 PLC的優(yōu)缺點

用電力線作家庭總線有其顯著的優(yōu)點:成本低、施工方便、一線兩用，價格低廉，延伸方便。由于電力線無所不在，該項技術(shù)充分利用現(xiàn)有的低壓配電網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，是一種“No New Wires”技術(shù)，節(jié)約了資源。一個民用220V線路的變壓器只覆蓋一定范圍內(nèi)的用戶，所以在同一條電力線上的資源不會因為用戶太多而降低效率。

電力線傳輸所存在明顯的缺點就是噪聲大和安全性低的問題。盡管電力線可以作為高速通信的一種備選介質(zhì)，但電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施并不具備提供高質(zhì)量數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)的功能，而且，使用電力線來進(jìn)行通信經(jīng)常會發(fā)生一些不可預(yù)知的錯誤。家庭電器產(chǎn)生的電磁波會對通信產(chǎn)生干擾，這種聯(lián)網(wǎng)方式也會影響短波收音機(jī)等。另外，供電網(wǎng)上網(wǎng)服務(wù)，是一種“共享帶寬” (Shared Bandwidth)的技術(shù)，用戶上網(wǎng)時的速度，取決于當(dāng)時會有多少用戶上網(wǎng)。如果很多用戶同時上網(wǎng)，傳輸速度相對就較慢。

2.4 電力線通信技術(shù)的發(fā)展趨勢

電力線上網(wǎng)技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景，它為家用電器的智能化奠定了基礎(chǔ)，是電網(wǎng)智能化的組成部分?；贠FDM調(diào)制方式的電力線寬帶通信最高通信速率可以達(dá)到200Mbps，具有較強的信道自適應(yīng)能力和抗干擾能力。目前電力線寬帶通信已在國內(nèi)許多用電信息采集系統(tǒng)中試點應(yīng)用。

3 低壓光纖復(fù)合電纜技術(shù)

3.1 OPLC概述

低壓通信接入網(wǎng)具有點數(shù)多、范圍廣、信息量龐大、實時性要求高等特點，需要一個深入到千家萬戶的高帶寬、高可靠性的網(wǎng)絡(luò)，解決智能電網(wǎng)終端用戶接入和大量用電信息交互的問題。光纖通信高速、穩(wěn)定可靠、抗干擾能力強，已經(jīng)成為勢不可擋的發(fā)展趨勢。

光纖復(fù)合低壓電纜 (Optical Fiber Composite Low－Voltage Cable，OPLC)是一種將光單元復(fù)合在低壓電力電纜內(nèi)，具有電力傳輸和光通信傳輸能力的電纜。采用光纖復(fù)合低壓電纜 (OPLC)技術(shù)可實現(xiàn)電力光纖到戶。目前，隨著國家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)加大對智能電網(wǎng)的建設(shè)，除了主干網(wǎng)大力建設(shè)高壓、超高壓大容量輸電線路外，還在用戶端力推電力光纖到戶 (PFTTH)，即在低壓通信接入網(wǎng)中采用光纖復(fù)合低壓電纜，將光纖隨低壓電力線敷設(shè)，實現(xiàn)到表到戶，配合無源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，承載用電信息采集、智能用電雙向交互、三網(wǎng)融合等業(yè)務(wù)。

如果把傳輸數(shù)據(jù)信息的金屬媒質(zhì)與電力線護(hù)套放在一起是不行的。當(dāng)電力線流過工頻電流時，就會對與護(hù)套在一起的其他金屬導(dǎo)線產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾，信息網(wǎng)絡(luò)將無法正常工作。那么，而光纖的傳輸容量大、質(zhì)量輕、體積小、成本低、抗腐蝕、沒有電磁輻射、不被電磁干擾、傳輸衰耗小、雷電危害少等特性是金屬導(dǎo)線無法相比的。而且，光纖通信增強了網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)格式、速率、波長和協(xié)議的透明性，放寬了對環(huán)境條件和供電等的要求，簡化了安裝和維護(hù)工作。同時，光傳輸和電能傳輸屬于不同類型的傳輸方式，相互沒有電磁干擾。同樣，光纖和電力線屬于不同類型的材料，復(fù)合在一起無需考慮相互的電氣絕緣問題。因此，只有光纖才能與電力線復(fù)合成新的網(wǎng)絡(luò)傳輸材料。

圖1為一種單相二線四芯光纖復(fù)合低壓電纜結(jié)構(gòu)示意圖，也可以根據(jù)電網(wǎng)要求，采用三相四線、三相五線等光纖復(fù)合低壓電纜，它為OLT、EONB、EONT、配電機(jī)房或者配電變壓器之間提供電能和光信號傳輸?shù)奈锢礞溌贰?/p>

圖1 OPLC結(jié)構(gòu)示意圖

采用光纖復(fù)合電纜和基于EPON(以太網(wǎng)方式的無源光網(wǎng)絡(luò))技術(shù)建設(shè)居住區(qū)低壓電力通信網(wǎng)絡(luò)。即在居住區(qū)的配電室部署EPON局端設(shè)備(OLT);在居住區(qū)分布式電源、電動汽車充電樁和居民計量表計處，以及居民家庭內(nèi)部部署EPON終端設(shè)備 (ONU);EPON局端設(shè)備與終端設(shè)備之間通過光纖復(fù)合低壓電纜中光纖進(jìn)行連接。在一般的光纖入戶應(yīng)用中，光纜按工作環(huán)境可分為室外光纜、室內(nèi)光纜和室內(nèi)室外光纜。按照使用位置可分為饋線光纜、配線光纜和入戶線光纜。

基于光纖復(fù)合低壓電纜的電力光纖到戶在技術(shù)上實現(xiàn)了只需一次施工、一個通道、一次性解決線纜入戶的問題，可取代以往電線、網(wǎng)線、電話線、有線電視線等多條線路的多次施工，大大節(jié)約線纜資源和管道資源，是目前性價比最高的光纖入戶“最后一公里”方案。采用OPLC與分別敷設(shè)光纜和電纜相比，能較大幅度降低建設(shè)成本，還避免了二次施工造成的資源浪費，是低壓通信接入網(wǎng)目前集成度高、節(jié)省資源的優(yōu)選技術(shù)。

3.2 OPLC的應(yīng)用現(xiàn)狀與趨勢

國家電網(wǎng)已完成電力光纖入戶的相關(guān)準(zhǔn)備工作:確定基于OPLC中國電纜網(wǎng)版權(quán)所有的技術(shù)方案;頒布了《智能電網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備研制規(guī)劃》和《智能電網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系規(guī)劃》;與中國科學(xué)院、上海電纜研究所等科研單位簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議;選定亨通光電、中天科技等公司作為OPLC的供應(yīng)商。國家電網(wǎng)計劃在2010年內(nèi)，將在14個省公司的20個城市進(jìn)行電力光纖試點首批小區(qū)試點建設(shè)，共覆蓋約4.7萬用戶。首批電力光纖試點小區(qū)已經(jīng)在河南、重慶和沈陽開工，沈陽的首批81套住宅全部接入電力光纖入戶系統(tǒng)。試點成功后，將大面積推廣，今后新建小區(qū)的電力接入都將采用電力光纖入戶。

據(jù)悉，包含《光纖復(fù)合低壓電纜技術(shù)規(guī)范》在內(nèi)的國家電網(wǎng)的用電側(cè)通信技術(shù)規(guī)范系列標(biāo)準(zhǔn)將在2010年制定完成。

4 結(jié)束語

“三用融合”是一個長期的過程，是一個系統(tǒng)工程，智能電網(wǎng)的興起將進(jìn)一步推動“三網(wǎng)融合”的發(fā)展。光纖復(fù)合低壓電纜配合目前國內(nèi)外普遍采用的基于以太網(wǎng)方式的無源光網(wǎng)絡(luò)(EPON)進(jìn)行光纖入戶的建設(shè)，是今后的發(fā)展方向。電力線寬帶技術(shù)可定位于用電信息采集，或在戶內(nèi)作為光纖復(fù)合低壓電纜的延伸和補充使用，以充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢。

［1］喬維德.對電力線上網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用研究及分析 ［J］.江蘇電器，2006(2).

［2］宋健，趙丙鎮(zhèn)，李曉.寬帶電力線通信網(wǎng)設(shè)計［M］:人民郵電出版社，2008.

［3］王德清.電力光纖復(fù)合型網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)探討 ［J］.電力系統(tǒng)通信，2007(10).