上海地區電力光纖到戶建設實用化分析

鄭 健

(上海市電力公司,上海 200122)

智能電網是目前全球電力行業共同關注的發展方向,中美兩國更是不約而同地將建設智能電網提高到了國家發展戰略的地位。根據國家電網公司建設統一堅強智能電網的相關內容和要求,整個智能電網的建設涵蓋了發電、輸電、變電、配電、用電和調度六大環節。在智能用電建設中,用戶信息采集系統是需要首先解決的基礎問題;而建設光纖通信網絡,實現電力光纖到戶,則是搭建用戶信息采集系統的前提條件[1-3]。

1 電力光纖到戶基本建設方案

電力光纖到戶(Pow er Fiber To The Home, PFTTH)是指在低壓通信接入網中,采用光纖復合低壓電纜(OPLC),將光纖隨低壓電力線敷設,實現到表到戶;配合無源光網絡技術,承載用電信息采集、智能用電雙向交互、“三網融合”等業務。PFTTH解決了信息高速公路“最后一公里”問題,可滿足智能電網用電環節信息化、自動化和互動化的需求。在提供電力的同時,實現電信網、廣播電視網、互聯網的同網傳輸,為用戶提供更加便利和現代化的生活方式[4-5]。

1.1 組網方式

電力通信網包括核心網和接入網,PFTTH在整個網絡中處于接入網的位置如圖1所示。圖1中SN I為業務節點接口,OLT為光線路終端, ONU為光網絡單元,UNI為用戶網絡接口。

PFTTH與其他網絡實體之間的連接如圖2所示。終端設備通過用戶網絡接口連接到PFTTH,PFTTH可以通過業務節點接口連接到業務節點(SN),PFTTH通過網絡管理接口(NM I)連接網管系統。

圖1 PFTTH在電力通信網中的位置

圖2 PFTTH與其他網絡間的連接

PFTTH是利用光纖復合低壓電纜中的光纖媒質連接通信局端和用戶的接入方式。PFTTH系統的基本組成,包括:光線路終端、光網絡單元和光分布網絡(ODN),如圖3所示。

1)OLT是所有ONU接入的中心匯聚點和控制中心 OLT一方面將承載各種業務的信號在局端進行匯聚,按照一定的信號格式送入光分布網絡,以便向終端用戶傳輸,另一方面將來自終端用戶的信號,按照業務類型分別送入各種業務網中。OLT通過業務節點接口連接到業務節點,為PFTTH提供網絡側的接口,并經1個或多個分配點與用戶側的ONU通信。OLT與ONU為主從通信關系,OLT負責帶寬分配控制、ONU工作狀態檢測且與網管系統交互實現對整個PFTTH網絡的管理。

圖3 PFTTH系統的基本組成

2)ONU完成與OLT的用戶數據與協議數據的交互 實現用戶端口功能、業務的復用/解復用功能、ODN接口功能以及必須的OAM功能;負責向用戶提供視頻、語音、數據等業務接口;在用戶網絡接口點實現PFTTH用戶側的接口功能。在PFTTH應用中,ONU通過不同的接口將不同的業務送到相應的終端(比如智能電能表、配電自動化終端、分布式電源控制器、電動汽車充電控制器、電話機、電視機、計算機等)。

3)ODN是處于OLT與各ONU之間的無源光網絡 無源是指ODN里面沒有光放大器和再生器等器件,為OLT和ONU之間提供光傳輸物理通道。在PFTTH系統中,通常由光纖復合低壓電纜、普通光纖光纜、光交接/配線設備、光連接器、光分路器以及安裝連接這些器件的配套設備組成。單元ODN結構示意圖,如圖4所示。

圖4 單元ODN結構

PFTTH的局端是ODN網絡的起始點,通常設置在小區10 kV配電室或110 kV變電站;光纜分配點是多個用戶接入點在靠近OLT局端的光纖集中匯聚點,通常設置在樓宇配電間;用戶接入點是多個用戶的光纖集中匯聚點,通常設置在樓宇單元內;終端是ODN網絡的終點,在此連接終端設備,通常設置在樓宇單元內(連接智能電能表等)和用戶家庭內部(電話機、電視機、計算機等)。因此, PFTTH的ODN網絡可分為三段,即從局端機房到光纜分配點的饋線段;從光纜分配點到用戶接入點的配線段;用戶接入點到終端的入戶段。

根據世博園區信息采集系統的建設經驗和市區配電網絡的實際情況,采用以太無源光網絡(EPON)技術進行組網效果比較理想。目前的電力骨干網絡,已滿足向配網線路延伸的基本條件, EPON技術非常適合于呈帶狀或鏈狀分布的配網線路,系統建設成本低,易于維護,標準 10/ 100BASE-T RJ-45以太網接口輸出至終端,方便應用和擴展,也方便原有業務終端的接入。

綜上所述,EPON是一種新型的光纖接入網技術,它采用點到多點結構、無源光纖傳輸,在以太網之上提供多種業務[6]。它在物理層采用無源光網絡(PON)技術,光線路終端與光網絡單元之間僅有光纖、光分路器等光無源器件,無需租用機房、無需配備電源、無需有源設備維護人員,因此,可有效節省建設和運營維護成本,尤其適應配網線路配網結構,具備通信保護能力。EPON綜合了PON技術和以太網技術的優點:低成本、高帶寬、擴展性強、靈活快速的服務重組以及與現有以太網相兼容,管理方便等。

1.2 試點小區范例

上海市電力公司以越富豪庭小區為示范工程,進行了智能小區的建設試點。該小區位于峨山路681弄,是以公寓樓為主的大中型高檔建筑。

依據國家電網公司信息安全要求,試點小區內部分別部署了兩套EPON,用于承載電力系統內網業務與公網業務,其中內網EPON系統僅接入到用戶表箱,外網EPON系統接入用戶家庭內部。內網OLT設備與外網OLT設備,均放置于試點小區總機房。內網OLT上聯采用FE接口,連接至內網傳輸設備,PON口配置6個,分別連接3個單元的6個分光器。外網OLT上聯采用GE光接口,連接至外網傳輸設備。

電力內網ONU配置RS-485接口,放置在樓層弱電豎井內,使用485線串接至強電豎井內的用戶電能表;外網OUN配置FE接口,放置在樓層弱電豎井內,使用超五類線入戶,其中家居層中采用光纖入戶,外網ONU設備放置在戶內。

民戶內的家庭網絡可分為智能家居與三網融合兩大系統。智能家居系統以智能交互終端為核心,一方面利用窄帶PLC和無線通信相結合的方式,采集家電的電壓、電流、功率、功率因數進行實時保存,并將所需數據上傳;另一方面,智能用電主站系統利用數據挖掘技術,將處理信息下發到智能交互終端,以實現用電信息管理、能效管理、家居管理與控制、家庭負荷分析、異常用電分析、水氣表集抄、社區服務等功能;最終以ONU為核心,實現電信網、廣播電視網、互聯網的三網融合業務。接入終端分別為IP電話接入、數字機頂盒轉接電視機和家用電腦,其構建如圖5所示。

2 建設中面臨的問題

在PFTTH的建設過程中,不可避免地會遇到很多實際問題的困擾,尤其是對已有小區進行PFTTH的改造建設。

2.1 光纖敷設通道

對于新建小區,可以在建設規劃階段預留光纖通道,然后按照國網公司“統一領導、統一規劃、統一標準、統一組織實施”的原則,在小區建設過程中完成光纖到戶的相關工作。

對于已建小區,普遍存在的問題是沒有預留PFTTH通道,需要為建設光纖網絡單獨開辟設備空間、架設通道等規劃。問題是中心城區所能提供的建設空間,一般都較為緊張,工程實施面臨較大的建設用地壓力。同樣的,PFTTH工程的實施,涉及到對已有的電能表箱、通道和配電間的改造,來自開發商和物業部門的阻力也比較大。相對而言,施工的難度和建設成本都要增大。因此,在建設之初就需要遵照國網公司的相關標準,進行統一規劃、統一實施,并安排一定的冗余量,以備日后拓展建設之用。

2.2 數據安全性

一般來說,光纖專網是最安全的通信網絡,信息在封閉的自有通道上傳輸,可以不考慮身份偽造、信息竊聽、重放攻擊、信息篡改等安全隱患。但是,在實現通信光纖到戶后,從物理結構上講,存在普通用戶通過光纖訪問電力公司內網的可能性。因此,需要在適宜的層面(比如變電站層面)安排安全界限,設置物理間隔以提高安全性,也可以考慮將該變電站所帶的K、P站數據存儲在該變電站內。此外,如果對低壓用戶采集信息的實時性要求不高,可以考慮此部分數據通信網絡僅接入內網的三/四區。但是,即使低壓用戶信息采集網絡僅接入內網的三/四區,從理論上講仍然存在一定的風險,即存在潛在的外網侵入點,對三/四區的機密文件安全性產生威脅。

圖5 智能小區PFTTH的構建

PFTTH作為電力光纖通信網絡的1個組成部分,數據安全需要從全網絡的角度通盤考慮。從采集設備層、通信層、應用層和接口四大環節入手,統一規劃,統一設計網絡安全體系結構和安全機制,確保整個網絡能夠應對網絡結構性風險、網絡邊界的入侵攻擊、網絡內部病毒等惡意代碼的攻擊、網絡設備的非法使用等問題。

2.3 海量數據傳輸

在實現光纖到戶后,從理論上講,從380 V/ 220 V普通用戶開始,到35 kV/10 kV網絡,包括變電站、配電站和線路、變壓器等設備在內的相關信息,都具備了實時采集傳輸的通信基礎,可以為電力公司的調度、營銷、運行等多個部門提供所需的各種數據。同時,光纖通信網絡也面臨著海量數據傳輸所帶來的通信壓力問題,尤其是380 V/ 220 V低壓用戶的相關數據,其采集點的數量比輸配電網絡的采集點要多幾個數量級。因此,在實際建設過程中,應該首先根據不同部門的具體需求,確定不同層面數據傳輸的方式。

例如,調度部門對 10 kV/380 V箱變以及380 V出線的數據比較關心,要求這部分數據能夠實時傳輸;運行部門僅需要準實時的雙向數據傳輸,傳輸間隔可以適當擴大到10～30min。另外,運行部門還對設備狀態監測數據的傳輸感興趣;營銷部門關心電量和功率數據,但是不需要實時傳輸,只要現場設備具備一定的數據存儲能力,在營銷部門需要時能夠響應數據召喚,將電量數據傳輸上來即可。因此,在確定不同部門的不同數據需求后,可以對所采集到的數據進行分類處理,不必全部進行實時傳輸。然后再根據任務調度、采集前置、前置通信和數據入庫不同層面的特點,對應通信主站業務流程和數據采集的不同過程,綜合運用多線程處理、并行數據處理、批量數據處理、ODI技術、集群、負載均衡、分區存儲等多種技術,以保證在信息采集過程中主站層、通信層和采集層之間運行協調有序,提高主站的可用性、適用性和安全性,提高數據采集、數據傳輸和數據處理的能力。

實際上,在PFTTH的實施工程中,所遇到的問題遠遠不止于此。比如,光纖終端設備的電源問題、終端設備用電計量收費、光纖通信設備使用和維護問題等。這些問題都需要電力公司各部門的相互協調與共同解決。

3 通信光纖的拓展利用

在完成包括光纖入戶在內的光纖通信網絡敷設后,通信光纖將遍布整個配電網絡,因此還可以對光纖的拓展利用展開探索。

1)利用所敷設的光纖獲取低壓配電線路的拓撲結構數據,并對線路拓撲結構的自動生成展開研究,遠景目標是實現低壓電氣接線圖的自動繪制和自動更新。

2)探索利用通信光纖實現對配電電纜的溫度測量,乃至絕緣性能測量評估。目前光纖測溫技術比較成熟也有實際的應用工程,而如何充分利用光纖,將通信、測溫甚至絕緣測量等功能組合在一起實施是非常有實用價值的研究方向。目前,美國的智能配網建設中已經開展了這方面的嘗試,而在我國尚無這方面實際應用的報道。

4 結語

本文針對電力光纖到戶的工程建設需要,結合上海市電力公司的實際工程范例,對光纖到戶的建設目標、組網方式等進行了簡要介紹。并對光纖到戶建設過程中的實際問題和電力光纖的拓展應用進行了探討。PFTTH是建設智能電網的基礎工程,要實現國網公司建設統一、堅強智能電網的宏偉目標,必須切實解決光纖到戶建設中面臨的種種實際問題,為智能配電網絡和智能用電小區的建設打下堅實的通信基礎。

[1] 肖世杰.構建中國智能電網技術思考[J].電力系統自動化, 2009,33(9):1-4.

[2] 陳樹勇,宋書芳,李蘭欣,等.智能電網技術綜述[J].電網技術,2009,33(8):1-7.

[3] 余貽鑫,欒文鵬.智能配電網概述//第一屆智能電網研究學術論壇[R],2009年6月27～28日,天津:236-244.

[4] 張文亮,劉壯志,王明俊,等.智能電網的研究進展及發展趨勢[J].電網技術,2009,33(13):1-11.

[5] 章鹿華,王思彤,易忠林,等.面向智能用電的家庭綜合能源管理系統的設計與實現[J].電測與儀表,2010,47(537): 35-38.

[6] 何小玉.光纖接入及FTTH技術與應用分析[J].電信科學,2007,(5):21-25.