OPLC電纜構建智能用電小區通信網絡的研究

張新倫 袁維貴 卜憲德 石秋生

（1.江蘇南瑞銀龍電纜有限公司，江蘇 徐州 221700；2. 大屯煤電公司，江蘇 徐州 2213003.國網電力科學研究院，南京 221300）

隨著社會經濟水平的不斷發展和科學技術水平的不斷提高，先進的通信、信息和控制技術滲入到人類生活的各個領域，觸及到生活的方方面面，改變了生活理念，影響了生活習慣，提高了生活品質。同時，隨著時代的變遷、社會的進步以及環保意識的增強，人們的居住觀念也發生了較大的轉變，對于居住條件的要求也不再局限于居住面積、周圍環境以及交通便捷，開始追求智能化、信息化、人文化的居住環境，營造安全、舒適、高效、便捷的綠色住宅。在這種形勢下，智能用電小區應運而生。

智能用電小區[1]是采用智能表計、用戶智能交互終端等技術，建立用戶與電網之間實時連接、互動、開放的數字網絡，實現全采集、全覆蓋、全費控功能。它可以降低人工成本、降低竊電損失、提高計量精度，減少人為差錯、促進營銷管理機制創新、安全可靠供電、實行階梯電價，推動節能減排、指導社會科學合理用電。其業務覆蓋用電信息采集、小區配電自動化、電力光纖到戶實現三網融合、智能用電服務互動平臺、光伏發電系統、智能家居服務、實現水電氣集中抄表等。

1 國內外建設情況

1.1 美國建設情況

2008年美國宣布在Boulder建設智能用電小區，為每戶家庭都安裝了智能電能表，使人們能合理安排用電。同時智能用電小區幫助人們優先使用風電和太陽能等清潔能源，變電站通過收集每家每戶的用電情況，一旦有問題出現，可以重新配備電力。Xcel Energy電力公司計劃在Boulder對智能電網相關的多項智能技術和業務模式進行嘗試，包括AMI實施、分布式能源接入、電動汽車接入、智能變電站改造、智能用電等多項內容。

1.2 荷蘭建設情況

2008年阿姆斯特丹啟動了智能城市的建設工作，目標是在2015年實現CO2排放零增長。整個建設工作從可持續的生活、可持續的工作、可持續的市政管理和可持續的交通四方面組織開展。建設內容包括智能供用電、LED路燈改造、智能建筑、智能表計、電動汽車(船舶)充電站、太陽能屋頂/幕墻等17項試點工作。

1.3 日本建設情況

日本結合自身國情，決定構建以新能源接入為主的智能用電小區。九州電力與沖繩電力公司在九州、沖繩的島嶼地區，對利用太陽能等可再生能源的“島嶼微電網”進行試驗，主要驗證在大規模利用太陽能發電的情況下，如何統一控制剩余電力和頻率波動及蓄電池應用等課題。日本經濟產業省近期計劃將試驗進一步推廣至城市。

1.4 韓國建設情況

智能用電技術是韓國未來 20年發展綠色技術主動投資計劃的一部分，目的是把綠色技術比例從現在的2.4%提高到11%。韓國電力公司（Kepco）希望以電表作為家庭網關，利用電力線寬帶通信技術和家庭用電顯示終端實現居民直接參與用電管理。韓國還計劃2011年在濟州島建設一個樣板智能電網示范項目，其用電側的智能電網計劃2020年完成，至2030年將在全國實現應用。

1.5 我國建設情況

國家電網公司積極開展智能用電小區相關的各類技術研究，以及商業推廣和市場應用，并已經建立了若干智能用電小區的試點。2010年，公司組織相關科研單位對智能用電小區通信網絡建設進行了標準化工作，制定了包含了施工、設備、運行維護等13個相關標準，推進多網融合和新能源的利用。并開始在全國范圍內開展智能用電小區試點建設。

2 智能用電小區的通信網絡

智能用電小區通信網絡承載智能電網、電動汽車控制，雙向互動、“三網融合”等業務，實現網絡基礎設施的共建共享，構建智能用電小區最重要的基礎設施。不僅可以為用戶提供前所未有的寬帶業務，而且符合當前建設和諧社會的“綠色”“低碳”“環保”等主題，節約網絡投資費用，將來還能為用戶提供物聯網高級服務。

通信網絡建設目的在于實現電力光纖到戶，即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，并為配網自動化提供保障。

智能用電小區通信網絡的建設從邏輯上分為電力專用通信子網和公共通信子網兩個業務上獨立的網絡。在電力專用通信子網承載的業務有配電自動化系統、用電信息采集系統、智能用能系統、分布式電源管理子系統和電動汽車有序充電監控系統等；在電力公共通信子網承載的業務系統有 95598門戶網站、物業主站、智能家居系統等。

3 基本原理和關鍵技術

3.1 基本原理

在分析智能用電業務需求基礎上，對通信系統的架構進行分析，將核心功能和擴展功能分別融入各個子系統，從邏輯上將通信網絡分為設備層、通信層和業務層，系統架構圖如圖1所示。

圖1 電力光纖到戶邏輯架構圖

設備層包含電力光纖到戶小區所有接入電力光纖網絡的終端設備，如：智能電能、智能家電、安防傳感器、高清電視、IP電話、互聯網設備、水表、氣表等。

通信層是基于EPON技術的電力光纖網。EPON是一種采用點到多點結構的單纖雙向光接入網絡，由網絡側的光線路局端（OLT）、用戶側的光網絡單元（ONU）和光分配網絡（ODN）組成。

業務層是智能用電小區承載的所有業務系統。

3.2 關鍵技術

1）電力光纖復合電纜技術

光纖復合低壓電纜（OPLC）產品[2]，是在傳統的低壓電纜中融合光單元，是一種具有低壓電力和光通信雙重傳輸能力的復合電纜。OPLC主要適用于 0.6/1kV及以下電壓等級，是解決低壓配網、用戶網所需要的先進、可靠通信介質。

光纖復合低壓電纜整合電網資源，實現網絡基礎設施的“共建共享”， 可解決電線、網線、電話線、有線電視線等多條線路的多次施工南通，避免重復建設造成的干擾區群眾正常生活。電纜結構如圖2所示。

圖2 電力光纖復合電纜

電力光纖復合電纜比傳統低壓電纜成本增加不到10%～20%，利用OPLC建設智能用電小區通信網絡的綜合成本降低40%左右。

2）EPON技術

EPON是一種采用點到多點網絡結構、無源光纖傳輸、基于以太網和 TDM 時分復用的 MAC（Media Access Control）媒體訪問控制方式、提供多種綜合業務的寬帶接入技術[3]。

EPON系統由光線路單元（OLT：Optical Line Terminal）、光網絡單元（ONU：Optical Network Unit）和光分配網絡（ODN：Optical Division Network）組成。OLT兼具交換機的接入功能和匯聚等路由交換功能，是一個多業務交換平臺，提供面向無源光纖的接口，該設備一般放在中心機房；ONU放在用戶端附近或與其合為一體；ODN是無源光纖分支器，是一個一點到多點的連接一個OLT和多個ONU的無源設備，分發下行數據，集中匯聚上行數據。EPON使用單芯雙向光纖，在一根芯上轉送上下行兩個波，防止相互干擾[4]。

4 建設方案

4.1 建設方案

通信網絡建設分為電力專網通信子網和公網通信子網兩部分。電力專用為通信網為用電信息采集提供通信支撐網絡，各采集點均實現了光纖接入，提供寬帶通信網絡。公共通信網絡為小區用戶實現IPTV、Internet、電話等業務提供通信網絡平臺，兩種網絡分別建立一套光纖網絡，采用同纜不同芯的方式建設兩套EPON系統，使兩種業務實現物理隔離，保證數據傳輸安全、穩定[5]。

下面給出了一種典型的智能用電小區通信網絡建設方案，該方案從物理上分為三部分，即主干、饋線、配線，其中主干部分采用普通光纜，通過架空、管道地埋等方式連接局中心到光交接點（一般多為光交箱）；饋線部分采用饋線光纜（或稱引入光纜），通過架空、管道、路面淺埋等方式連接光交接點至光分支點（指小區或是大樓的集中點）；配線部分采用配線光纜，連接光分支點至用戶；而用戶家庭內部可采用入戶光纜（也稱室內光纜）。各電信運營商可采用EPON/GPON技術將設備進行接入，實現寬帶業務的部署。

其網絡拓撲圖如圖3所示。

圖3 通信網絡的建設方案

4.2 通信網絡的安全分析

智能用電小區的通信網絡主要存在如下的安全隱患。

1）未經授權的非法接入。

2）傳輸數據的非法攔截與篡改。

3）惡意代碼攻擊、拒絕服務攻擊等威脅。

4）網絡設備配置的篡改。

智能用電小區通信網絡的安全防護應從網絡環境、主機系統、應用系統3個層次進行安全防護設計，以實現層層遞進，縱深防御。防止電力光纖到戶網絡癱瘓、應用系統破壞、業務數據丟失、篡改網絡數據、確保各項業務數據安全、控制安全。因此，智能用電小區兩個通信子網采用嚴格物理隔離，對信息系統進行數據采集、控制、交互等操作時，采用網絡加密系統保證遠程數據傳輸的安全性和完整性，對接入終端或用戶身份進行嚴格認證，保證用戶身份的惟一性和真實性。

5 結論

智能用電小區智能電網用電環節的重要組成部分，是實現電網與用戶之間實時交互響應，增強電網綜合服務能力，滿足互動營銷需求，提升服務水平的重要手段。智能用電建設對智能用電技術的發展和完善具有重要的促進作用，對加強居民小區能效管理、提高公司客戶服務能力、讓社會直觀體驗智能電網的建設成果，具有重要的意義。

智能用電建設需要政府提供相關支持性政策，提高智能用電小區建設各方投資和運維的積極性。建設智能用電小區，除了解決技術難題，最重要就是要協調電力行業與政府、住戶、房地產商、物業、服務提供商、通信運營商等多方面、多部門的利益，讓相關各方在智能用電建設中都能得益，實現多贏，使投資主體多元化。

加強智能用電小區建設推廣的力度，可實現最優化的社會經濟效益。除此之外，還需協調相關運營商與電力部門，共同制定智能用電小區光纖通信網絡運行維護管理辦法，協調相關市政服務企業（水、電、氣）共同制定集中抄表運行維護方案，協調相關市政服務企業探索構建統一的服務繳費平臺，保證智能用電小區建設的各系統正常運行，并降低運行維護總體成本、提高運維效率。

[1]鄧桂平,陳俊.智能用電小區及其關鍵技術[J].湖北電力,2010(S1).

[2]李希,楊建華,齊小偉等.光纖復合電纜的應用分析與探討[J].電力系統通信,2011(7):24-27.

[3]張浩,卜憲德,郭經紅.EPON技術在用電信息采集系統中的應用[J].電力系統通信,2010(7):42-45.

[4]劉年國,劉東,楊事正.EPON技術在智能用電小區建設中的應用[J].華東電力,2011(3).

[5]丁佳,孫繼成.智能用電小區中通信平臺建設研究[J].供用電,2010(6):8-12.