開陽供電局“十三五”配電網通信規劃分析

貴州電力設計研究院 胡靜

開陽供電局“十三五”配電網通信規劃分析

貴州電力設計研究院 胡靜

開陽供電局已建成覆蓋城區范圍的配網自動化系統及EPON光纖通信網絡，文章根據配網自動化對通信的需求，提出了EPON光纖通信網擴容方案和TD-LTE無線通信網方案。通過技術經濟比較，推薦建設TD-LTE無線專網，可以實現開陽城區自動化終端通信的覆蓋。

配網自動化 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，縣城距貴陽市中心城區66 km，全縣轄6鎮10鄉，總面積2026 m2，總人口43.6萬。根據《110 kV及以下配電網規劃技術指導原則》的城市級別劃分，開陽縣城為三級城市，將開陽縣的供電區域劃分為：中心城區D類，其他區域F類。本次規劃區域為D類地區，即針對開陽縣中心城區。

在配網自動化系統中，通信是一項非常關鍵的技術，主要以信息技術為基礎。通信網連接著配網自動化的主站系統和遠方終端，是配網自動化系統的重要組成部分，通信通道的可靠性是影響配網自動化發展的重要因素。

1 現狀分析

開陽供電局已建成覆蓋城區范圍的配網自動化系統及EPON光纖通信網絡。

在配電網光纜方面，開陽供電局已建成“老調度大樓—新調度大樓—城郊所—城關變—老調度大樓”的64芯主干光纜及I環、II環、III環24芯匯聚光纜，詳見表1。開陽縣城配電網10 kV線路的光纜覆蓋率已實現100%，光纜總長度約為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，纖芯數量基本是12/24芯。

利用上述光纜，EPON系統通過在沿線自動化終端處配置無源光分路器（POS）和光網絡單元（ONU），以及在老調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構組網[1]，建立了配電終端與主站系統之間的傳輸鏈路，為配網自動化業務提供了通信通道。

但是，從運行情況來看，EPON系統的光通道不太穩定，ONU總離線率達到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工藝較差、受到動物嚙蝕造成，使得配網自動化系統并沒有成功實用?，F階段，配電線路發生故障時仍依靠人力到現場排查故障再恢復供電，配網自動化程度仍然相對較低[1][2]。

2 需求分析

2.1 基本要求

開陽供電局配網自動化業務主要有電壓管理、負荷管理、故障診斷、斷電管理、遠程抄表等。配網自動化對通信系統的要求，取決于要實現自動化的整體規模、自動化系統的功能要求、預期達到的自動化水平等，主要體現在通信的可靠性、實時性、雙向性、靈活性、支持多種業務、網絡覆蓋面廣、成本較低。

2.2 業務可靠性和安全性要求

配電網的廣域地理分布性，使通信傳輸的可靠性成為建設可靠的配網自動化系統的難點之一，通信網應具備高可靠性和安全性等能力。配網自動化業務對數據流量、實時性、可靠性、帶寬、安全性的需求詳見表3。

表1 開陽供電局配電網主干/匯聚光纜現狀統計表

表2 開陽供電局配網自動化系統EPON通信終端ONU離線情況統計表

表3 配網自動化業務對通信的要求

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。按照每個開關量量化為8 bit（1 byte），目前遙信數量小于15個，則數據量約為15 × 1 = 15 byte?？紤]到5秒信息送到主站，其帶寬需要15 × 8 / 5 = 24 bit/s。

遙測量。按照每個信息量量化為16 bit（2 byte），目前按照遙測數量10個，則數據量約為10 × 2 = 20 byte。若采用TCP/IP數據包傳送，須將以上數據封裝在一個標準的IP數據包中，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。按照每個控制命令量化為8 bit（1 byte），目前按照遙控數量10個，則數據量約為10 × 1 = 10 byte。由于遙控量要求時間為小于1s，則帶寬需要10 × 8 / 1 = 80 bit/s。

綜上，單個“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自動化系統采用“主站—終端”模式，即所有的配電網終端業務統一上傳到供電局的配電網主站。到2020年，開陽城區內自動化終端共136個，全部為“三遙”節點，按照最大同時并發查詢100%自動化終端信息來計算，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%自動化終端的帶寬需求約為6.855 kbit/s。

3 技術分析

目前，配電網通信技術主要采用有線和無線兩種方式[3]，有線方式的主流技術包括光纖工業以太網、以太網無源光網絡（EPON）、配電線載波等，無線方式分為無線公網和無線專網兩大類，主流技術包括GPRS/ CDMA、TD-LTE、WiMAX、McWiLL等。有線、無線兩種方式各有優劣，適用場景側重不同。光纖通信具有傳輸速率高、抗干擾性強、可靠性高的優點，而無線通信具有安裝方便、成本低、抗自然災害能力強等優點，是對光纖通信的很好補充[4][5]。

圖1 開陽供電局配網自動化通信系統層次結構示意圖

圖2 開陽供電局“十三五”城區配網自動化EPON光纖通信網絡結構圖

有線通信方面，EPON技術因其不受電源限制、組網靈活、易于擴容、抗故障能力強成為有線方式中的佼佼者[7]。

無線通信方面，GPRS因其價格合適、技術成熟也被廣泛采用，但由于其不能承載“三遙”節點信息，應用受到一定限制，專網的TD-LTE技術具有很好的應用前景[8]。

4 規劃方案

4.1 通信系統結構

開陽供電局配網自動化系統采用的是“主站—終端”模式[9]，所采用的通信系統層次結構如圖1所示。

通信節點和各網絡層次的定義如下：

(1)通信主站：負責將終端的信息送到配網自動化主站系統，設置在供電局。

(2)通信終端：與配電終端設置在一起，直接接收配電終端采集的數據。

(3)配網通信網絡：指通信終端與通信主站之間的通信網絡。

4.2 EPON光纖通信網方案

開陽供電局新調度大樓建成后，現有配網自動化主站系統進行搬遷，OLT設備（含網管）隨之搬遷至新調度大樓。城郊所配置有一套OLT設備，以上兩套OLT設備之間通過GE光口互連。“十三五”期間增加的終端通過新建接入光纜，可利用現有EPON系統及主干/匯聚光纜資源與主站實現通信。

在10 kV線路新建工程中同步建設光纜，電纜線路采用管道光纜，架空線路采用ADSS光纜。光纜芯數方面，目前24芯光纜比12芯光纜的材料價格約高0.15萬元，增加投資比例較小，考慮到配電網光纜未來其它方面的應用，新建接入光纜芯數優先采用24芯。

深圳市將繼續貫徹落實黨的十八屆三中全會關于加快生態文明制度建設的精神，抓好最嚴格水資源管理制度試點建設各項工作，進一步健全制度，深入創新，嚴格“三條紅線”管理，強化水資源總量控制，提高用水效率，優化水資源配置，加強水資源保護，提升水環境質量，加快健全水資源可持續利用的長效機制，為全市經濟社會發展提供更加可靠的水資源保障和支撐，為推進深圳生態文明建設、打造“生態深圳”、建設“美麗深圳”的夢想作出新貢獻。

“十三五”期間開陽縣城區共新增光線路21條，由環湖變出口的光線路共10條，由干河變、城關變出口的光線路共11條，根據城區配電網主干及匯聚光纜建設，將由環湖變出口的光線路上的ONU上聯至新調度大樓OLT設備，將由干河變、城關變出口的光線路上的ONU上聯至城郊所OLT設備，新增ONU采用鏈型或“手拉手”組網結構。因此，“十三五”期間對新調度大樓和城郊所的兩套OLT設備進行擴容，新調度大樓OLT設備共增加3塊4路線卡、城郊所OLT設備共增加3塊4路線卡。

ONU與自動化終端設置在一起，共用自動化終端電源，ONU通過RJ45網口或RS485/RS232串口與配電終端設備相連。

2016～2020年開陽供電局配網自動化EPON光纖專網通信裝置配置和光纜建設情況如表5所示。

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

4.3 TD-LTE無線通信網方案

開陽供電局具備組建無線專網的光纜和傳輸網資源，“十三五”期間建設TD-LTE無線專網，在新調度大樓配置一套無線核心網設備和一臺匯聚交換機。

表5 開陽供電局“十三五”配網自動化EPON通信裝置配置和光纜建設統計表

表6 開陽供電局“十三五”配網自動化EPON光纖專網方案投資（單位：萬元）

圖3 開陽供電局“十三五”城區配網自動化TD-LTE無線通信網絡結構圖

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

為實現開陽縣城區的無線信號覆蓋，在新調度大樓和老調度大樓各建設一個基站，包括基帶處理單元（BBU）、射頻拉遠單元（RRU）和天線，其中BBU安裝在通信機房，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TD-LTE基站的覆蓋范圍半徑約為1.5～2 km，一個基站劃分3個扇區，可同時接入約300～400個CPE終端。經過信號測試，新調度大樓基站可覆蓋縣城新城區范圍，老調度大樓基站可覆蓋縣城舊城區范圍，基本實現了開陽縣城無線信號的全覆蓋。

主干傳輸網利用貴陽地區B網MSTP光傳輸網，在新調度大樓配置一套光傳輸設備，老調度大樓的原有光傳輸設備維持現狀不搬遷，新調度大樓和老調度大樓的兩套光傳輸設備通過光纖互連。新調度大樓的基站BBU設備與匯聚交換機采用光纖直連，老調度大樓的基站BBU設備與MSTP設備之間采用FE口互連，無線基站通過地區MSTP光傳輸網將終端采集信息傳輸到自動化主站。

2016～2020年開陽供電局配網自動化TD-LTE無線專網通信裝置配置情況如表7所示。

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

4.4 技術經濟分析

首先從技術上來看，EPON光纖專網和TD-LTE無線專網都屬于目前配網通信領域的先進技術，均可實現高級別的QoS保障和安全性，且可長期發展，但是在建設、維護、性能各方面還是有一定差別。

4.4.1 實施難度上，EPON光纖專網大于TD-LTE無線專網

由于EPON光纖專網依托于光纖進行信息傳輸，必須在自動化終端沿線建設光纜，對于城市來說，由于建筑物密集，無論是架空線路光纜還是開挖溝道敷設管道光纜，其審批、建設過程都十分困難[10]，敷設工程量大。而對于TD-LTE無線專網來說，其通信介質是電磁波，不需要建設光纜，而且無線基站都是建設在供電局自有物業處，大大降低了組網的實施難度。

4.4.2 建設周期上，EPON光纖專網長于TD-LTE無線專網

組建EPON光纖專網由于需要建設光纜，其審批、實施、調試時間都較長，而TD-LTE無線專網只需較短時間建設基站和終端設備，主干傳輸網則利用已有的地區電網光傳輸網絡，條件成熟，建網時間快，可以實現“立竿見影”的效果。

表7 開陽供電局“十三五”配網自動化TD-LTE通信裝置配置統計表

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

表9 開陽供電局“十三五”配網自動化EPON光纖專網方案投資（單位：萬元）

4.4.3 傳輸帶寬上，EPON光纖專網優于TD-LTE無線專網

EPON光纖專網可以提供比TD-LTE無線專網更高的帶寬，但是就目前配網自動化系統傳輸的信息量而言，TD-LTE無線專網完全可以滿足其帶寬需求。

4.4.4 可維護性上，EPON光纖專網差于TD-LTE無線專網

EPON光纖專網建設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檢修，對于開陽供電局現階段已建設的EPON網絡，其ONU掉線率較高，如繼續沿用該系統，還需要在“十三五”期間繼續投入費用和人員用于光纜維護檢修。相比之下，TDLTE無線專網的維護檢修十分方便，需要的維護人員也較少。

所以，TD-LTE無線專網雖然在傳輸帶寬上略差于EPON光纖專網，但是也可滿足配網自動化系統實際使用需求，而且在實施難度、建設周期、可維護性方面優于EPON光纖專網。

再從經濟上來看，通過對開陽供電局“十三五”期間EPON光纖專網和TD-LTE無線專網兩種方案的投資進行比較，可以看出，EPON光纖專網的建設成本遠大于TD-LTE無線專網，主要原因是由于新建光纜造價較高。而TD-LTE無線專網僅在2016年建網的投資較高，之后幾年僅有少量終端設備的投資。

4.5 推薦方案

綜上所述，根據對EPON光纖專網和TD-LTE無線專網兩種方案的技術、經濟比較，開陽供電局“十三五”城區配網自動化系統通信網絡規劃推薦建設TD-LTE無線專網。

“十三五”期間不再建設配網光纜，現有EPON光纖通信系統不再擴容，為避免資源浪費，EPON系統建議作為配網自動化備用通信方式或供集抄系統使用。

5 結論

“十三五”期間，開陽供電局建設TD-LTE無線專網，城區范圍內自動化終端的無線通信覆蓋率可達到100%。TD-LTE無線專網因不受敷設光纜的限制，可節省高昂的光纜建設和維護費用，加之可以利用現有的地區電網光傳輸網作為主干傳輸網，十分適合于推廣至縣域范圍。經過“十三五”期間TD-LTE專網在開陽縣城區的成功試用后，可考慮在開陽縣所轄鄉、鎮推廣建設TD-LTE無線專網，在縣局及110 kV/35 kV變電站建設TD-LTE基站，信號基本可覆蓋其相應的供電范圍，以實現全縣范圍內的配網自動化通信。

根據我國多年來配電網通信建設的經驗，尚沒有一種單獨的通信方案能滿足配網自動化的需求，因此須結合開陽縣的特點，積極探索適合該地區的通信方式。

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