基于光纖復合中壓電纜的城域配電網設計和應用

何文棟 王曉鋒 吳金秋 馮學斌 符丁中 劉彬

摘? ?要： 為了提高城市核心區配電網可靠性和供電質量，對城域配電網通信現狀、特點及優勢進行分析，提出以光纖復合中壓電纜（OPMC）為基礎的城域配電網，實現了基于OPMC的配電網通信方案和以太網無源光網絡（EPON）的通信組網方案。研究表明，OPMC的應用充分改善了通信局限，優化了網架結構，為提高城市核心區配電網可靠性和供電質量、建設具備“安全可靠、優質高效、綠色低碳、智能互動”特征的城域配電網提供了技術支撐。

關鍵詞： 光纖復合中壓電纜（OPMC）;城域配電網;綜合用能設備;以太網無源光網絡;安全分區

引言

在新基建浪潮下，充電樁等綜合用能設備陸續接入配電網[1]。只有優先解決各環節電力設備的通信通道及接入接口問題，才能更加順暢地開展智能、互動、服務式的數據傳輸及信息集成業務[2]。結合新一代通信技術、人工智能技術等前沿信息技術，采用大容量的、可靠的通信組網應用技術，構建一套使配電網自動化系統實現各環節設備互聯、人機交互，使配電網具有狀態全面感知、信息高效處理、應用便捷靈活等特征的智慧互動服務系統，是大勢所趨[3]。

本文以能源網、通信網、互聯網深度融合業務變革為導向，以高速、實時、可靠實現全面感知和智慧互動為建設目標，針對特大城市、大城市、中等城市核心區配電網線路的通信容量及通信的泛在性、開放性、多樣性、互動性、智能性、安全性要求，提出成熟的新技術方案和設計指引，構建一套以光纖復合中壓電纜（Optical Fiber Composite Medium-voltage Cable，OPMC）為基礎的城域配電網設計方案和實施方法，以大幅提升信息通信對城域配電網業務的支撐能力，為提高城市核心區配電網可靠性和供電質量、建設具備“安全可靠、優質高效、綠色低碳、智能互動”特征的城域配電網提供技術支撐。

1 配電網通信現狀、特點及優勢分析

1.1 配電網通信現狀

隨著社會經濟的發展，經過多年來的建設，配電網供電可靠性和穩定性指標不斷提高，電力骨干通信網建設與電力骨干網建設同步前進，效果明顯，已形成世界一流的骨干通信專網體系，為我國能源跨區域輸送和能源互聯網建設提供了可靠的通信保障。然而，在配電網建設上，“重一次、輕二次”的觀念以及受限的相關產品技術認知，造成大部分地區通信投入相對不足，普遍無法滿足電力自動化業務的通信需求。

對于電力骨干通信網，由于其網架結構統一、線路長分支節點少，因此只需要進一步對光纖擴容或者對閑置光纖二次配置，就可滿足數據洪流及流量帶寬拓展問題。而對于配電網，由于結構相對較為復雜，地域覆蓋較廣，終端設備龐大且種類繁雜，所形成的感知方式和信息采集需求也有所不同，因此需要引進多種混合型通信接入網建設，這就應當根據配電網運行的實際狀況來建設多種組網形式，以選擇能源互聯網場景下的最佳通信接入方案[4]。

依托運營商無線公共3G/4G網絡，是近幾年配電網通信傳輸的主要形式，對配電網運行質量發揮了一定作用，然而單一的通信網絡無法解決安全性和可靠性問題，普適性差，適用場合非常有限。

隨著配電網自動化規模的不斷擴大，現有設備已經完全不能承載配電網自動化和綜合用能建設要求，未來一段時期，對具有靈活改造能力、大容量的通信技術的需求將越來越明確、越來越緊迫。

1.2 配電網通信特點

配電網電力設備大多運行于戶外等環境比較差的場地，對通信方式和通信設備選型時，要注意考慮設備未來是否便于維護保養這一因素。

當前配電網自動化系統中所采用的通信載體一般有電力無線載波、電話線、雙絞線、光纖及通信電纜等。光纖是穩定性和可靠性最高的，同時帶寬也最大，但是施工也相對復雜;通信電纜剛好相反，其施工簡單，成本低，但其缺點是線路損耗嚴重，通信距離有限，可靠性不足[5]。

配電網通信承載主站與主站之間、主站與配電單元之間、配電單元之間的通信業務，一旦中斷，可能會造成配電網重大故障。在通信網架設計過程中，必須結合當地實際來選擇最佳的方法;同時，也應該對電力管廊資源進行有效運用，通過對老舊設備進行改造、采取混合通信的方法來提高配電網自動化效率、靈活組網能力、接入拓展能力和建設成本效益。另一方面，在城域內，配電網和移動互聯網的使用熱點高度吻合，動態能耗高的區域也是人員集中區域，這也為我們的設計與建設提供了新的參考。

1.3 光通信在城域配電網的應用優勢

提高配電網通信質量和合理設計通信網架結構，將成為智能配電網、能源互聯網建設以及綜合用能充電樁、5G基站等新基建的前提，是為城域智能配電網提供可靠的實踐基礎和應用平臺的重要支撐。

將光通信單元融入電力電纜，可充分發揮線纜的工程集中應用優勢。鑒于光纖傳輸和電力傳輸屬于兩種不同的傳輸方式，傳輸過程中不會發生相互干擾，因此可避免在城市基建尤其突出的頻率資源、路由協調、電磁兼容、管道資源等方面發生矛盾。特別是應用于智能電網的中低壓電力線路，為城域配電網通信提供了新的通信組網形式，可促進電力傳輸網絡與光纖傳輸網絡的同步建設[6]。

2 光纖復合中壓電纜技術優勢及應用狀況

2.1 光纖復合中壓電纜技術成熟度分析

光纖復合中壓電纜（OPMC）是一種用于中壓電力線路的新型特種電力光纜，具有傳統中壓電纜和通信光纜的功能。OPMC不改變原有電纜的外徑、電氣性能和機械性能指標，卻極大地加強了機械防護能力。OPMC典型結構如圖1所示，主要由導體、導體屏蔽、絕緣及屏蔽、繞包層、外護層、可能存在的鎧裝層和內襯層等部分組成。

2012年，國家電網公司發布了企業標準Q/GDW 1765-2012《光纖復合中壓電纜》[7]，開啟了國內OPMC建設應用序幕，為之后的一系列工程提供了技術指引。

2015年4月，國家能源局發布了行業標準NB/T 42050-2015《光纖復合中壓電纜》[8]，規定了產品的規格、技術要求、試驗方法，進一步為工程應用提供了技術依據。

2.2 光纖復合中壓電纜技術優勢分析

采用OPMC替代傳統電力電纜，可以實現管道中電力及通信光纜集成一體化，避免二次布線，降低重復建設，發揮較強的機械性能，充分提高通信光纜防護能力，有效降低通信運維的風險和費用，從而提高線路可靠性和穩定性，為實現管道線路資源集中共享創造條件。在滿足電力通信業務需求的基礎上，還可以開展多種業務類型，適應性強，擴展性強，適應面廣，助力電網企業參與5G基礎設施建設和信息技術應用。

相比單純的電纜工程，采用OPMC進行管道通信覆蓋，可以將工程造價的增加幅度控制在10%以內，在不改變線路基礎工程、箱臺設備，且不增加施工費、設計費的基礎上，可以方便快捷地進行融合，減少管道資源占用，綜合建設成本因而降低，具有極高經濟可行性和廣泛的社會效益。

2.3 光纖復合中壓電纜應用狀況

在工程實踐上，國家電網公司和中國南方電網公司都進行了大量的OPMC工程試點和應用。2010年，國家電網公司對外展示了智能電網應用光纖復合中壓電纜、光纖復合低壓電纜（Optic fiber composite low-voltage cable，OPLC）、光纖復合相線（Optic fiber composite overhead phase conductor，OPPC）等系列產品;2014年，國網浙江省電力公司在某地云數據處理中心中率先規模化應用OPMC，為“云”、CSN等信息化系統提供通信技術支撐。目前，相關技術已經在北京、上海、河北、遼寧、浙江、貴州等10余個省（區、市）進行了推廣應用。

綜上，無論是產品技術成熟度、技術優勢，還是試點應用情況，光纖復合中壓電纜都具備了批量大規模應用的先決條件，也為工程應用設計提供了可參考的依據和可借鑒的案例。

3 光纖復合中壓電纜線路通信設計

3.1 配電網通信建設目標

配電網通信建設目標是，通過配電網自動化控制設備的應用，提高配電網自動化水平和綜合用能建設水平，提高供電服務可靠性，提升供電質量，降低供電損耗，提升管理效率和服務水平，使故障快速定位與隔離，縮短故障恢復時間，實現用戶與電網之間互動，實現能源并網，為國家發展風能、太陽能等綠色能源和推進電動汽車等技術的應用提供技術保障，使電網企業為管道資源共享共建的5G基站提供光纖管線通道和站址節點，為國家能源互聯提供戰略支撐。

同時，建設具備“安全可靠、優質高效、綠色低碳、智能互動”特征的城域配電網，全力支撐經濟發展和服務社會民生，為我國電網發展方式轉變和運營管理水平提升積累經驗、提供示范[9]。

3.2? 城域配電網主站信息管理系統設計

配電網的數據類型主要分為以下幾種：

（1）狀態信息。主要包含開關分合狀態、設備運行狀態、配電網運行狀態和故障信息。

（2）測量信息。指通過采樣等手段獲得的線路電壓、電流信息以及功率、頻率等派生變量。

（3）控制信息。包含由控制中心下發的遙控、遙調、設點等控制命令。

（4）其他業務數據。包含計量的電能質量、監測數據等。

根據IEC61970/61968在電力企業管理信息系統中的應用，推薦將配電網狀態信息歸口于地調自動化系統（EMS），其數據存儲于安全Ⅰ區;將配電網測量信息歸口于配變監測與綜合分析系統，其數據存儲于安全Ⅲ區;將配電網控制信息歸口于生產管理系統（PMS），其數據存儲于安全Ⅲ區;其他業務數據歸口于配電自動化系統，其數據存儲于安全Ⅱ區，具體如圖2所示。

每一安全分區應設置防火墻、數據服務器、網絡服務器，數據應通過磁盤陣列的形式進行備份。

3.3 城域配電網光纖復合中壓電纜線路通信設計

基于OPMC的配電網通信網架建設工程應用，以無源光網絡技術作為主要技術，助力中心城域配電網的智能化建設和應用水平大幅提高，進一步為城鄉供電可靠性和電壓合格率指標提升建立體系標準。以無線公網技術作為替補方案，同時探究并實踐10 kV配電網通信組網設計、信息網架接入部署、運維管理模式探索等內容，開展“配電網+多網融合技術，踐行管道資源共享、配電終端單元（Distribution Terminal Unit，DTU）數據回傳、電纜運行數據實時監測、大容量通信等智能多業態應用。

城域配電網應用OPMC和OPLC等光電復合技術，不僅支持配電“三遙”、集中集抄、四網融合、充電樁設備、5G基站布點等業務，也可以進一步實現對電纜、配電設備等進行智能溫度濕度監測、局放監測和外力破壞預警等功能，真正實現配電網自動化和綜合用能建設要求。一方面，保證故障的準確實時測量識別;另一方面，保證在沒有或少量人工干預下，能夠快速隔離故障、自我恢復，避免大面積停電事故的發生[10]。

基于OPMC的配電網通信方案如圖3所示，具體實施方法如下：

（1）主網變電站引出的OPMC線路通過光電復合，在管廊內集成共享，到開關柜、環網柜、對接箱處進行光電分離和分支與匯聚。

（2）對環網柜以及分支開關采用無源光網絡技術，使其滿足光網絡單元（Optical Network Unit，ONU）接入應用，使DTU通信聯網達到“三遙”要求;設置分光器進行光網絡分支，以滿足分支線路光網絡拓展要求，實現從主變到用戶變的全光網絡覆蓋，為用戶端四網融合管道資源共享提供條件，也為電力遠程抄表業務的開展提供通道;必要時，進一步拓展無線網絡站址布設條件和接口接入條件。

（3）在管道線路上的中間接頭處，采用模塑中間接頭技術（Molded Intermediate Joint ，MMJ）實現光電貫通。

（4）在變電站內設置光線路終端（Optical Line Terminal，OLT）、交換機、數據服務器，形成完整的以太網無源光網絡（Ethernet Passive Optical Network，EPON）信息管理系統平臺。

（5）在設備上搭載物聯網傳感器，收集設備運行參數、測量設備運行狀態，為進一步的邊緣計算和泛在電力互聯網實施提供條件。

3.4? 基于EPON技術的配電網通信組網設計

通過OPMC的應用，實現基于EPON的通信組網方案，實現主站對設備DTU、分支線路的設置，以及四網融合的綜合通信，如圖4所示。

具體實施方式如下：

（1）在主站通信機房配置光纜交接箱（Optical Distribution Frame，ODF），用于線路終端光纖跳接;配置三層光交換機，用于通信光電轉換及網絡建設;配置機架式數據服務器，用于保存自動化系統實時數據及歷史數據;配置通信綜合機柜，用于放置線路通信光纖設備及機架式服務器。

（2）在環網柜處按配電網自動化要求配置智能分布式DTU模塊，并配置光纖配線箱，OPMC在環網柜處進行光電分離、光電分支、光纖配線，具體為：進線OPMC及出線OPMC從電纜溝進入環網柜后，使用OPMC冷縮戶內終端接頭實現光電分離，銅端子用T型插拔頭接入環網柜相應接口，實現電氣分支，兩邊的光纜引入環網柜光纖配線箱中，進行光纖分配;一部分光纖與DTU中配置的ONU連接，實現DTU數據光纖通信;一部分光纖與設置的分光器連接，實現光纖分支，供分支線路使用;一部分光纖與其余交換機實現預留口給其他設備，如物聯網（The Internet of Things，IOT）設備、無線終端（Wi-Fi）、無線基站（4G/5G）等;其余光纖對接，供線路他用。

（3）在線路對接箱處，配置對接箱用光纖接頭盒，OPMC在對接箱處進行光電分離、電氣對接、光纖對接，具體實施方式為：進線OPMC及出線OPMC從電纜溝進入對接箱后，使用OPMC冷縮戶內終端接頭實現光電分離;電氣使用銅排對接;光纖依次按色譜順序使用對接箱用光纖接頭盒對接。

（4）在線路電纜井中間接頭處，進入OPMC光纜，先進行護套及鎧裝層開剝，實現光電分離，按操作要求預留光纜長度（應大于銅導體長度0.8 m），優先對銅導體進行模塑中間接頭，當完成導體屏蔽后，開始對光纜進行光纖對接，光纖按色譜順序依次對接，完成后使用防水帶包封緊固。

（5）在線路上設置ONU可數據透傳，橫向互通在OLT上實現：TTU/RTU/FTU屬于同一網段，在OLT上配置VLAN，實現ONU互通;不屬于同一網段的，在OLT上配置L3功能，實現3層互通;同一個OLT下，OLT到ONU實測< 3 ms，滿足<5 ms要求;縱向的“三遙”數據，每5 s發送一次，時延要求低。

4? 光纖復合中壓電纜施工及運維

OPMC施工布線時，進、出管道口一般都是大轉角，故嚴禁直接拉入進出管道，必須采用轉向導向導輪進行彎曲防護，避免改變方向過程的折彎。如果無轉向導輪，可能造成OPMC外層護套刮擦破損，產生光纜、電纜過度彎折，以及鎧裝折彎、光纖斷纖等不安全施工故障。

一般來講，配電網自動化系統的規模覆蓋面積比較大，其使用的電力設備種類繁多，形成的各種數據信息也相當龐雜，因此在管理的過程中存在很多難點問題，必須要依靠電力企業各個部門進行綜合科學管理。在配電網運行過程中，通常要對電力調度、配電、通信等階段進行實時管控，確保配電網自動化系統運行效率。

在管理人員的培養和任用上，首先，應該優先選擇管理經驗豐富、熟悉自動化技術的專業人員，讓他們從事技術含量比較高的技術業務工作[11];其次，應該組織開展管理維護人員的培訓活動，打造一支具有較高專業化水平和綜合素質的管理維護人員隊伍，使他們能夠勝任配電網自動化系統的維護、故障處理等工作[12];最后，要建立完善的配電網自動化管理機制，確保配電網自動化系統運行更加規范[13-14]。

5? 結語

本文結合當前實際，依據配電網自動化、綜合用能以及配電網末端設備通信接入等技術的發展趨勢，通過分析當前配電網通信現狀、配電網自動化和綜合用能建設要求，提出以光纖復合中壓電纜為基礎的配電網自動化通信組網建設實施方案，實現以光纖通信為主，面向業務、面向數據的，充分改善接入端局限的多種組網接入形式，為配電網自動化和綜合用能在城市核心區配電網的建設及拓展提供技術支撐，供行業專家參考。

基于光纖復合中壓電纜的通信組網技術，為城域配電網自動化提供了安全可靠的通信網絡服務，也為電力管道資源共享和通信建設提供了網絡接入接口，是配電網自動化和綜合用能在配電網中加以實踐的有力落腳點和切入點，具有廣泛的、科學的、經濟的推廣價值。

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