電力光載無線通信技術在電力接入網(wǎng)中的應用

鄭 瑩

(南京交通職業(yè)技術學院電子信息工程系，江蘇 南京 211188 )

基于我國經(jīng)濟社會發(fā)展的階段性特征、能源可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)在要求、電網(wǎng)發(fā)展的客觀規(guī)律，確定了建設智能電網(wǎng)的發(fā)展戰(zhàn)略目標。由于智能電網(wǎng)得以實現(xiàn)的重要技術基礎是通信網(wǎng)絡建設，所以充分利用現(xiàn)有通信領域的先進技術，實現(xiàn)通信的技術創(chuàng)新和應用創(chuàng)新，必將影響我國智能電網(wǎng)能否實現(xiàn)電力系統(tǒng)清潔、高效、安全、可靠的目標。

電力通信網(wǎng)絡由骨干傳輸網(wǎng)和接入網(wǎng)組成，見圖1。電力通信網(wǎng)高效運營與電網(wǎng)安全和企業(yè)管理的關系日益密切，企業(yè)現(xiàn)代化建設及電網(wǎng)智能化發(fā)展對電力通信網(wǎng)的發(fā)展提出了更高的要求，同時，由于通信網(wǎng)絡的復雜性及脆弱性，電力通信網(wǎng)的安全運行將對現(xiàn)代化電網(wǎng)企業(yè)的順利運作及智能電網(wǎng)的安全穩(wěn)定產(chǎn)生更大的影響，因此需要不斷探索電力通信網(wǎng)技術，為電網(wǎng)運行和企業(yè)建設提供更加可靠的通信服務保障，目標是達到電力行業(yè)國際領先水平。在這一新形勢下，電力通信網(wǎng)面臨著前所未有的新機遇和新挑戰(zhàn)，需要最大限度地利用先進通信技術，支撐電網(wǎng)系統(tǒng)的智能化轉變。

建立高速、雙向、實時、集成的電力通信網(wǎng)絡[1]是實現(xiàn)智能電網(wǎng)的基礎，將支撐智能電網(wǎng)成為一個動態(tài)穩(wěn)定的、實時信息和電力交換互動的大型基礎設施，提高電網(wǎng)的供電可靠性和資產(chǎn)的利用率，抵御電網(wǎng)受到的攻擊，提升電網(wǎng)價值。因此，加強電力通信網(wǎng)絡建設非常重要。

圖1 智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡架構Fig.1 The communications network architecture of smart grid

1 電力通信接入網(wǎng)現(xiàn)狀分析

智能電網(wǎng)中的很多應用系統(tǒng)都需要依賴接入網(wǎng)實現(xiàn)，在輸變電領域有輸變電狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，在配用電領域有配網(wǎng)自動化系統(tǒng)和用電信息采集系統(tǒng)等。

在輸變電領域，輸電線路和變電站是電力輸送和轉換的物理通道，是堅強智能電網(wǎng)建設環(huán)節(jié)的重要組成部分，具有地域分布廣泛、運行條件復雜、易受自然環(huán)境影響和外力破壞、巡檢維護工作量大等特點。目前在輸電線路上可采用不同的傳感器對包括微風振動、風偏、線路舞動、線路溫度、線路覆冰、桿塔傾斜等輸電線路狀態(tài)，對環(huán)境溫度、風速、障礙物距離、危險接近等環(huán)境狀態(tài)等綜合信息采集，但如何將這些采集數(shù)據(jù)匯總到監(jiān)測中心進行處理，需要有可靠的通信支持。雖然500 kV、220 kV、甚至有些110 kV輸電線路已經(jīng)實現(xiàn)OPGW光纖覆蓋，但是相應的光纜分接箱并沒有覆蓋到每個輸電桿塔，甚至大多數(shù)桿塔都沒有光纖接入點；另外，在長距離的輸電線上，每個通信節(jié)點上的電源供給也有很大的問題。

在智能配用電領域，國家電網(wǎng)公司在大力推進配電自動化系統(tǒng)和用戶用電信息采集系統(tǒng)的建設，具有高度自動化和互動化的智能配用電網(wǎng)絡對于通信系統(tǒng)提出了更高的要求。與輸電環(huán)節(jié)相同，智能配用電網(wǎng)通信系統(tǒng)的建設是智能配用電系統(tǒng)的關鍵。我國的配電網(wǎng)是一種分布式網(wǎng)絡結構，網(wǎng)絡復雜，具有通信點多、分布分散、單個通信點信息量少、通信設備工作環(huán)境差等特點，目前，對于智能配用電側的業(yè)務需求還缺乏很好的通信支撐手段予以支撐，單一的通信方式包括光纖通信方式無法滿足配用電側的所有通信需求。需要深入研究無線通信技術與光通信技術復合組網(wǎng)技術，科學構建通信網(wǎng)絡，合理解決通信的實時性、可靠性和無線通信網(wǎng)絡組網(wǎng)等技術問題，以滿足智能配用電領域的業(yè)務需求。

2 現(xiàn)有電力接入技術分析

目前電力部門沿著電網(wǎng)建立了以OPGW/ADSS電力特種光纜為主的電力骨干光傳輸網(wǎng),基本覆蓋110 kV以上變電站，但終端通信接入網(wǎng)絡是待建網(wǎng)絡，總體上具有骨干通信網(wǎng)絡強、接入網(wǎng)絡弱的特征。

在接入網(wǎng)建設中，無論是光纖通信，電力線載波通信，230 MHz電臺無線通信還是無線公網(wǎng)，都不能很好滿足現(xiàn)在的需要。即使綜合應用多種通信技術，也存在部署困難，技術繁多，管理不便等缺點。主要原因分析如下。

1) 光纖通信存在建設困難、利用率較低、無法實現(xiàn)全覆蓋的問題。

信道建設困難，無法實現(xiàn)全覆蓋。光纖的鋪設成本很高，很多時候在城市配網(wǎng)通信通道鋪設的時候都需要進行地埋的處理，導致鋪設成本很高，甚至因為城建規(guī)劃的要求不能夠進行開挖鋪設。因此，在很多場合光纖通信的信道鋪設難度很大，成本很高。

系統(tǒng)資源浪費嚴重，利用率低。如果鋪設光纖，由于成本很大程度上是鋪設成本，因此為了減少今后的鋪設工作，盡量一步到位，需要鋪設很多芯的光纜，光纜資源一時無法充分利用，短期內(nèi)很難見到經(jīng)濟效益。另一方面，光纖通信速率很高，配用電領域和輸變電領域很多應用的帶寬很低，很多時候光纖通信的帶寬沒有得到很好的利用，有一定程度的浪費。

因此，雖然光纖通信仍然是接入網(wǎng)的主要通信方式，但由于上述原因，還需要其他通信方式作為補充。

2) 電力線載波通信存在挑線路、可靠性差的問題。

電力線載波[2]通信的可靠性不高，由于電力線是傳輸電能的線路，而非專用通信線路，信道條件極其惡劣，信道容量很低，很多對可靠性和誤碼率有較高要求的業(yè)務都不能由電力線載波通信承載。更重要的是當通信節(jié)點較多的時候，有些線路上無法開通業(yè)務。

3) 230 MHz電臺無線通信存在通信技術落后、傳輸速率低的問題。

230 MHz頻段被劃分為若干個單工通信頻段和雙工通信頻段，其利用率較低。230 MHz電臺通信系統(tǒng)屬于傳統(tǒng)的無線通信的技術，沒有充分利用230 MHz的寶貴的電力無線資源，系統(tǒng)容量很低，在終端數(shù)目較多的時候，每個通信終端所分得的通信帶寬很低，無法滿足智能電網(wǎng)將來對無線通信系統(tǒng)的需求。

4) 公網(wǎng)無線通信存在實時性低、安全性低、邊遠覆蓋差、緊急狀況下可用性無法保障的問題。

無線公網(wǎng)的性能指標和技術體制的選擇主要是為了滿足用戶在移動通信方面的需求，并且首先需要保證的話音業(yè)務，視頻通信業(yè)務，短信業(yè)務和數(shù)據(jù)下載業(yè)務。這些業(yè)務一般采用上下行均等的數(shù)據(jù)帶寬，或者下行速率高于上行速率。而電力系統(tǒng)的業(yè)務主要是以非移動、固定數(shù)據(jù)業(yè)務為主，對上行通信帶寬的需求遠遠大于對下行帶寬的需求。例如，電力上行以遙測、遙信、遙視數(shù)據(jù)為主，數(shù)據(jù)量較大，實時性、可靠性要求較高；下行以遙控、遙調(diào)數(shù)據(jù)為主，可靠性、安全性要求較高，數(shù)據(jù)量較小。因此，無線公網(wǎng)系統(tǒng)在很多時候不能滿足一些對數(shù)據(jù)速率和通信延時有一定要求的業(yè)務應用。

無線公網(wǎng)的安全性較差。無線公網(wǎng)的運營和維護掌握在公網(wǎng)運營商的手中，并且允許各種各樣的用戶進行接入，雖然其本身采用了一定的安全措施。但是其安全性無法和專用的網(wǎng)絡比較，尤其是在電網(wǎng)規(guī)模逐步增大，信息安全難以得到保障。無線公網(wǎng)在設計的時候是為了滿足人們在語音和數(shù)據(jù)方面的通信需求，一般系統(tǒng)基站布置在人居密集的地方，并不會根據(jù)電力系統(tǒng)的網(wǎng)架結構來布置基站。因此，無線公網(wǎng)系統(tǒng)對偏遠地區(qū)的輸電線路往往無法覆蓋。

綜合以上光纖通信，電力線載波通信，230 MHz電臺無線通信還是公網(wǎng)無線通信的局限性，可以得出這樣一個結論：需要一套為電力應用服務的電力無線通信系統(tǒng)。綜上所述，建立一套為電力系統(tǒng)應用定制的無線通信系統(tǒng)是非常有意義的，可以加強電力接入通信網(wǎng)絡的建設，更好地滿足電力應用的需求。

3 電力光載無線通信技術

電力通信網(wǎng)絡的光纖傳輸網(wǎng)絡十分發(fā)達，電力行業(yè)具有豐富的電力特種光纖、管道、桿塔資源， 500 kV及以上變電站光纖覆蓋率為100%，220 kV覆蓋率為99.2%，110 kV覆蓋率為93%，隨著智能電網(wǎng)的推進，中低壓配電網(wǎng)中的光纖資源也越來越多。在建立電力無線通信網(wǎng)絡時，充分利用電力系統(tǒng)現(xiàn)有的光纖資源，將會節(jié)約大量的成本，起到更好的經(jīng)濟效益。

電力光載無線通信技術的原理如圖2所示，可以充分利用電力行業(yè)豐富的光纜資源，以及光纖傳輸?shù)蛽p耗、高帶寬特性，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的基帶數(shù)據(jù)處理模塊和射頻發(fā)射天線模塊間的射頻線纜，改變傳統(tǒng)基站中基帶與射頻信號集中處理的方式，將基站的無線信號和基帶信號在不同的地理位置上處理，傳統(tǒng)的基站系統(tǒng)被分拆為基帶處理(中心基站)與射頻傳輸(遠端基站)兩部分，二者放置在不同的物理位置。遠端基站僅實現(xiàn)簡單的光電轉換功能，而復雜昂貴的設備集中到中心基站，讓多個遠端基站共享這些設備。和傳統(tǒng)的無線通信方式相比，采用電力光載無線通信技術具有如下優(yōu)點。

1) 覆蓋范圍擴大。適應智能電網(wǎng)的網(wǎng)架結構，充分利用現(xiàn)有的光纜資源，將無線通信技術和光纖通信技術相結合，擴大傳統(tǒng)光纖通信和無線通信的覆蓋范圍，減少傳統(tǒng)無線通信方式的覆蓋盲區(qū)。

2) 建網(wǎng)成本降低?；镜臒o線覆蓋小區(qū)可由多個分散放置的天線組成，在簡化遠端基站的同時，也可以在中心基站實現(xiàn)功能的集中、器件設備的共享以及頻譜帶寬資源的動態(tài)分配，從而大幅度降低整個寬帶無線接入系統(tǒng)的成本。

3) 部署方式靈活?；鞠到y(tǒng)被拆分為中心基站和遠端基站，遠端基站功耗低，部署靈活，可以適應輸配電領域通信覆蓋范圍大，環(huán)境惡劣的特點。

4) 提升容量。由于遠端基站的成本較低，布設密度可相應提高，在帶寬一定的情況下，可以獲得更大的信道容量。

圖2 電力光載無線通信技術模式示意Fig.2 The model of power ROF technology

4 電力光載無線通信技術輸變電應用設計

如圖3所示，輸變電在線監(jiān)測無線通信系統(tǒng)可分為3個層次，分別為終端層、網(wǎng)絡通信層和主站層。終端層負責將底層傳感器節(jié)點搜集到的信息發(fā)送給網(wǎng)絡接入層。網(wǎng)絡通信層則將終端信息通過骨干網(wǎng)系統(tǒng)，發(fā)送給輸變電系統(tǒng)主站。主站層負責對終端設施和網(wǎng)絡接入設備的在線監(jiān)測、狀態(tài)信息的搜集以及控制命令的發(fā)送。輸變電無線與光纖集成通信系統(tǒng)位于網(wǎng)絡通信層。位于變電站的中心站通過電力特種光纜與部署在輸電線路桿塔上的遠端單元相連。中心站也可通過鏈式自組網(wǎng)的模式實現(xiàn)彼此之間的逐跳通信。通過輸變電中心站設備和遠端單元組成逐跳連接的無線與光纖集成通信系統(tǒng)，實現(xiàn)底層終端信息的匯集，并通過遠距離逐跳傳輸方式將信息匯集到輸變電系統(tǒng)主站。

圖3 輸變電在線監(jiān)測無線通信系統(tǒng)網(wǎng)絡架構Fig.3 The network architecture of power transmission with online monitoring wireless communications system

在輸變電應用場景中，采用分布式中心站與鏈式逐跳自組網(wǎng)相結合的組網(wǎng)模式，充分利用輸電線路已有的電力光纜資源，實現(xiàn)光纖與無線自組網(wǎng)的融合通信。

傳統(tǒng)的多跳無線自組網(wǎng)多基于載波偵聽[3]和沖突避免方式進行資源分配，這種資源分配方式實時性較差，導致系統(tǒng)對流媒體的支持能力不足，特別是在輸變電在線監(jiān)測這種鏈式拓撲結構條件下，傳統(tǒng)載波偵聽和沖突避免方式造成極大的網(wǎng)絡時延，無法實現(xiàn)流媒體傳輸?shù)娜嬷С?。輸變電應用系統(tǒng)[4]需要具備載波偵聽與時分復用機制的融合技術，實現(xiàn)節(jié)點的鏈路拓撲維護與多跳的數(shù)據(jù)傳輸；針對輸變電線路鏈式結構，具備鏈路的自適應調(diào)整與維護問題能力，提升系統(tǒng)的魯棒性能和容錯性能；同時輸電線路監(jiān)控應用對于系統(tǒng)的傳輸時延也提出了較高要求。

由于輸電線路的鏈式拓撲結構，傳統(tǒng)路由協(xié)議無法直接應用；系統(tǒng)需要具備在鏈式結構下高效路由的能力發(fā)。同時無線系統(tǒng)中為了進一步提升系統(tǒng)性能，需要事先通信系統(tǒng)MAC層與網(wǎng)絡層的融合，通過將路由核心部分與Mac層信道分配機制的融合，進一步降低系統(tǒng)時延，提升傳輸效率。

輸電線路鏈式拓撲結構節(jié)點的損毀將導致系統(tǒng)整條無線鏈路的失效，因此需要針對網(wǎng)絡異常處理與網(wǎng)絡恢復技術進行專門處理。主要技術包括鏈式結構中網(wǎng)絡異常情況監(jiān)測技術，實現(xiàn)異常情況的實時捕獲；系統(tǒng)的鏈路恢復與拓撲重構技術，實現(xiàn)異常狀態(tài)下的錯誤恢復；基于鏈路維護技術進行專門容錯技術研究，使系統(tǒng)具備抗損毀能力，以及災害條件下通信能力。研究功率匯聚技術，在連續(xù)多個節(jié)點失效的極端條件下，保證系統(tǒng)的應急通信能力。

5 電力光載無線通信技術配用電應用設計

如圖4所示，配用電自動化無線通信系統(tǒng)應用中，無線與光纖集成通信系統(tǒng)位于系統(tǒng)網(wǎng)絡通信層，借助無線與光纖集成通信系統(tǒng)，實現(xiàn)了底層終端設備和主站應用之間的數(shù)據(jù)雙向互通。中心站設備可以部屬在主站的局端大樓或者變電站。通過電力系統(tǒng)已有的特種光纜資源實現(xiàn)遠端單元的光纖拉遠。遠端單元通過電力專用頻段與終端設備相連，終端設備通過多種方式(以太網(wǎng)，wifi，zigbee等技術)與配用電專用設備相連。針對配用電無線與光纖集成通信系統(tǒng)中對組網(wǎng)模式的特殊需求，采用分布式基站和光纖拉遠技術，充分利用配用電線路已有的電力特種光纜資源，實現(xiàn)光纖與無線通信系統(tǒng)的融合通信。

圖4 配用電無線通信系統(tǒng)網(wǎng)絡架構Fig.4 The network architecture of power distribution and consumption in wireless communications system

針對配用電應用需求[5]的不同，需要使系統(tǒng)具備智能自適應的鏈路傳輸能力。系統(tǒng)需要具備流量實時監(jiān)測技術實現(xiàn)系統(tǒng)性能(數(shù)據(jù)傳輸速率、延遲、丟包率等)的動態(tài)感知?；谙到y(tǒng)實時監(jiān)測技術，進行流量控制技術研究，使鏈路傳輸能夠動態(tài)適應網(wǎng)絡系統(tǒng)的實時變化。

配用電應用中，需要終端數(shù)量極大，海量終端同時在線對于基站系統(tǒng)壓力巨大，因此系統(tǒng)需要具備海量終端同時接入的能力。同時基站系統(tǒng)調(diào)度算法需要滿足終端用戶對數(shù)據(jù)傳輸實時性和公平性的要求。

6 結 語

針對智能電網(wǎng)骨干網(wǎng)強、接入網(wǎng)弱的特點，本文對比分析了電力接入網(wǎng)領域各種通信技術手段的優(yōu)缺點。提出了電力光載無線通信技術在電力接入網(wǎng)領域的應用。構建了電力光載無線通信技術在智能電網(wǎng)輸變電、配用電領域的應用架構。隨著智能電網(wǎng)的不斷發(fā)展，電力光載無線通信技術必將在智能電網(wǎng)接入網(wǎng)通信領域中發(fā)揮更大的作用。

[1] 容曉峰，高曉娟，鐘聯(lián)炯，周利華.軍用應急通信網(wǎng)互連方式的研究與設計[J].計算機工程與應用，2002(6)：32-34

[2] 鮑衛(wèi)兵，唐立梅.電力線載波通信方案設計[J].電測與儀表，2003，40(450)：32-35

[3] 樊建學，盛新富.低壓電力線載波通信技術的研究[J].電測與儀表，2005，42(470)：36-38

[4] 俞慶.低壓電力線載波通信技術的研究及應用[J].電力系統(tǒng)通信，2002(1)：17-20

[5] 姜國松，賀小玲.輸電線路野外作業(yè)無線通信系統(tǒng)設計研究[J].計算機工程與應用，2011，47(33)：229-231