融合EPON技術的電能信息采集系統建設

石 彪 張飛躍 繆 勇

（國網長沙市供電公司，長沙 410003）

隨著智能電網技術在現代電網建設多個領域的應用與展開，與用戶側緊密相關的電能信息采集系統也面臨著技術和管理方面的革新。智能電網中高級量測體系（AMI）將電能計量工作形成了一種系統化的概念，不僅對傳統的電能計量儀表、互感器和二次回路等有更高的要求，而且將更廣泛的通信技術、計算機技術及集成電路技術直接植入到電能計量方法中。按照中國國家電網公司“電網堅強、資產優良、服務優質、業績優秀”的目標，適時吸收新技術，建設AMI 中電能信息采集系統，實現計量裝置數據的自動采集與分析處理等功能，是一種必然的趨勢[1-2]。

EPON 技術作為一種基于以太網的無源光網絡構成的點到多點的光通信技術，在電信領域的應用中，已經實現了商業化。其高帶寬（1.25Gbit/s）、長距離傳輸（20km）、快速服務重組、兼容現有以太網和高可靠性及較強的環境適應性等特點和優勢帶來了可觀的經濟效益。目前，光網絡在35kV 及以上的變電站基本具備了MSTP 或SDH 架構平臺，配網自動化的開關和環網柜等數據傳輸也開始使用EPON 設備，也為EPON 技術融合進電能信息采集系統奠定了基礎[3]。

本文將從對電能信息采集系統分析出發，提出幾種不同的EPON 技術電能信息采集應用方案，并以長沙地區臺區試點建設為例，闡述融合進EPON技術的電能信息采集系統建設。

1 電能信息采集系統概述

圖1 電能信息采集系統結構框圖

電能信息采集系統一般是指利用計算機技術、通信技術、遠動技術、自動化技術等手段，實施電能量信息數據遠方采集、遠程控制、遠方監測、數據分析及高級應用的綜合管理信息系統。作為高級量測體系（AMI）的重要組成部分，建設堅強智能電網進一步要求該系統在電網規劃、經營管理和優質服務中全面應用，提供計量異常監測、電能質量監測、用電分析和管理、相關信息發布、分布式能源監控、智能用電設備的信息交互等功能，從最終實現全電網拓撲末梢的“全覆蓋、全采集、全費控”[4]。常見的電能信息采集系統結構如圖1所示。

從圖1可以看出，采集系統從物理結構上可根據部署位置分為主站、通信信道和采集設備三部分。主站網絡的物理結構主要由采集系統服務器，包括數據庫服務器、磁盤陣列、應用服務器、前置采集服務器（包括前置服務器、工作站、GPS 時鐘、防火墻設備）以及相關的網絡設備組成。通信信道是包括指系統主站與終端之間的遠程通信信道、采集設備和計量裝置的本地通信信道。采集設備是指安裝在現場的終端及計量設備，主要包括各類終端、具備遠程通信模塊的多功能電表、集中器、采集器以及電能表計等。

2 電能信息采集系統現行通信技術

通信信道在電能信息采集系統中是連接主站和采集終端層的紐帶，也是體現采集技術方案差別的關鍵點。按照在采集系統中的位置，將通信信道分為遠程通信信道和本地通信信道。

2.1 遠程通信信道

電能信息采集系統的遠程通信主要包括：GPRS、CDMA、230M 無線、3G 專網、光纖等，各信道技術有其自身的特點，應用范圍和環境也各不相同。

1）GPRS 技術

GPRS 是GSM 移動電話用戶可用的一種移動數據業務，是以封包（Packet）方式來傳輸，因此使用者所負擔的費用是以其傳輸資料單位計算，并非使用其整個頻道，理論上較為便宜。其優點在于覆蓋范圍廣，組網方便，設備成本低，通信速度快，支持并發通信，接入終端數量大。缺點是有時會出現通道擁堵和通信不穩定現象，需要運行費用。

2）CDMA 技術

CDMA（Code Division Multiple Access）又稱碼分多址，是在無線通信上使用的技術，CDMA 允許所有使用者同時使用全部頻帶（1.2288Mhz），且把其他使用者發出信號視為雜信，完全不必考慮到信號碰撞（collision）問題。其優點在于覆蓋范圍較廣，組網方便，設備成本低，通信速度快，支持并發通信，接入終端數量大，但是有時會出現通道擁堵、通信不穩定現象，覆蓋范圍有死角，需要運行費用。

3）230M 無線技術

無線專網是基于國家無線電管理委員會分配的專用頻段，由各省市的電力運營商自主架設無線通信網絡平臺。采集系統目前常用的230M 無線頻點一共有15 對雙工（異頻收發）和10 個半雙工（同頻收發）。優點在于通信穩定，實時性、穩定性好，無運行費用，但是抗干擾能力差，覆蓋范圍小，速度慢，所接終端有限，設備成本高。

4）光纖通信技術

優勢在于通信穩定，抗干擾能力強，無運行費用，速度快，流量大，但是光線網絡目前主要覆蓋變電站，建設成本高，目前主要應用領域在變電站抄表、230M 基站。

2.2 本地通信信道

用電信息采集系統中的本地通信指采集器/采集終端和表計之間的通信，包括 RS-485 通信、RS-232 通信、低壓載波通信、小功率無線電通信、紅外通信等。隨著物聯網技術的推廣，無線傳感器網絡（WSN）技術如Zigbee，無線HART 技術也開始應用到采集系統通信中[5]，如圖2所示。但是該技術本身尚未成熟應用，而且對許多工作環境復雜的情況效果不顯著。

3 EPON 技術及優勢

圖2 無線傳感器抄表網絡模型圖

為了克服上述通信技術的缺點，光纖專網是一種有效的解決技術。以一次側電力網分布拓撲為基 礎，電力光纖通信網按照變電站逐級延伸。這種有源光網絡主要依賴設備包括PCM 設備，光收發器，光交換機等。在用電信息采集中，數據的采集直接分布到用戶側，分布范圍廣泛，節點密集程度差異大，數據流因時間和地點變化幅度大，因此如果沿用傳統的有源光網絡，不僅會造成建設難度大，建設成本高，而且會帶來數據空間浪費，維護困難。EPON 技術基于無源光網絡，設備包括光線路終端（OLT），用戶側的光網絡單元（ONU）和分光設備（ODN）三類。典型的組網結構如圖3所示。

圖3 EPON 典型網絡圖

在采集系統中引入EPON 技術，可以適應采集終端分布的特點，解決GPRS、載波、WSN 等技術難以避免的問題，從設備到組網還具有多個方面的優勢[6]，主要體現在：

1）設備簡單，組網方便。EPON 技術只有三類規范的設備，組網上行信道既可以與傳統的遠程信道相融合，還可以借助于配網自動化也已建設好的EPON 專網。分光器設備可以做到1∶8，1∶16 或者1∶32 分光，可以組成星形、樹形或總線網等拓撲，適應多種場合的需求，且維護中沒有機房建設和電源配備成本。

2）傳輸頻帶寬，容量大，可靠性高。EPON 基于IEEE802.3ah 標準，兼容以太網技術，可提供上下對稱高速傳輸速率，且可使用SNMP 協議進行網絡管理。設備的使用壽命長，在基本的“手拉手”結構中，ONU 設備之間互為備份，可充分滿足AMI數據采集的實時性、可控性和可靠性。

3）配置冗余，適合技術擴展。EPON 組網的設備容量，信道帶寬及組網方式，在采集系統中都可以提前設計對應的級別冗余，滿足未來網絡的系統升級，業務擴充和管理。

4 地區EPON 采集系統建設

4.1 遠程通信專網

地區建設電能信息采集系統網絡重點要考慮已有的光纖骨干網絡，繼而將EPON 技術融合其中。在遠程通信中，現有的光纖網絡SDH 或MSTP 平臺已經覆蓋包括主站系統、變電站和開關站等，因此借助該基礎，需要向接入網進一步延伸，將拓展光纖專網至開閉所、環網柜、開關柜和臺區變壓器等。典型的EPON 采集系統遠程通信網絡結構如圖4所示。

圖4 基于EPON 的光纖專網遠程通信網絡圖

其中，開閉所的OLT 設備將數據匯聚后使用千兆以太網的格式將數據傳輸到變電站SDH/MSTP 的EoS 板的以太網接口。在工程實踐中，因設備代別之間的差異造成EoS 板的GE 接口不夠擴充OLT 設備使用時，可以使用二次匯聚的方式。即在OLT 與SDH/MSTP 設備之間增加一個L3 層交換機，先將多個OLT 的數據匯聚成GE 端口，再與EoS 的GE端口對接，也便于以后業務擴容。

4.2 本地通信方案

融合EPON 的采集系統本地通信方式，需要結合已經建設的前幾代技術運行方式，進行分析和檢驗，既要考慮采集性能，又要在已具規模的系統基礎上考慮改造工程的合理性，節約總體成本和維護的能效[7]。一般來說，本地通信的改造方案有如下幾種。

1）方案一：EPON+光纖智能表

這種方案從用戶側的ONU/OLT 直接通過光纖到用戶電表，實現光纖到戶的“光纖全過程通信”，將用電信息傳輸到主站。系統結構如圖5所示。這種方案實時性好，可靠性高，但是建設成本高，改造工程復雜。

圖5 EPON+光纖智能表采集結構圖

2）方案二：EPON+集中器/采集終端+光纖智能表

這種方案將用戶側的ONU 直接通過尾纖延伸到集中器/采集終端的遠程通信模塊，同時在本地通信中也使用可替代載波通信（PLC）或其他通信的模塊，引出塑料光纖連接到光纖電能表。系統結構如圖6所示。

圖6 EPON+集中器/采集終端+光纖智能表 采集結構圖

這種方案可以基于現有的集中器/采集終端，在改造時，可以將戶表和關口表上的載波或者RS485通信的模塊換成外形與插口相同且兼容的光纖模塊，將集中器/采集終端的GPRS 等通信模塊替換成兼容的尾纖通信模塊，實現“尾纖+朔料光纖”的延伸到戶，采集通信的實時性和可靠性較高。

3）方案三：EPON+ 集中器/采集終端+ 混合智能表

這種方案在ONU 與集中器/采集終端之間使用光纖通信，在集中器/采集終端與智能電表之間的本地通信保持原有的通信方式不變。系統結構如圖7所示。因此工程改造量小，成本低，但是限制了光纖通信在本地通信中的優勢發揮。

4）方案四：GPRS+集中器/采集終端+光纖智能表

考慮到部分地區實現光纖到臺區或者專變有困難，保持遠程通信方式為GPRS 不變，改造集中器/采集終端與電表之間為光纖通信，從而避免PLC、RS485 等本地通信方式的缺點，但是采集系統在實時性和可靠性方面使采集系統受制于GPRS 通信方式。

圖7 EPON+集中器/采集終端+混合智能表采集結構圖

4.3 長沙地區試點

長沙地區采集系統始建于20 世紀90年代，覆蓋面遍及城區范圍和所轄四縣局供電范圍，信息采集終端安裝覆蓋率及負荷控制能力分別達到地區電網用電負荷的100%和20%。發展至今，現有臺區10000 余個，專變2000 多戶。由于技術歷史沿革等原因，采集系統中遠程通信GPRS、230M、光纖通信并存，本地通信PLC、小功率無線、RS485 等多種方式并存。隨著采集終端維護工作的深入開展，如何合理改造，提高采集終端投運率、采集成功率等指標一直是計量人員的重大職責。本次改造中選擇長沙保利國際、美洲豹等四個臺區進行試點，結合實際臺區情況，因地制宜分別選擇四個方案，選擇一個月的測試數據分析，試點測試結果見表1。

表1 試點結果

5 結論

通過測試，四個方案的應用效果區別較為明顯。從智能電網中的AMI 系統要求出發，各個地市建立優質和堅強可靠的電能信息采集系統的意義是不言而喻的。在通信技術日新月異的時代背景下，采集系統建設技術方案也面臨著多元化的選擇。EPON技術作為其中的一種，其優勢在電力與通信網絡結合越來越緊密，“光進銅退”的趨勢下日益明顯。遵照各地區的技術基礎、民居結構和經濟水平，采用合適的方案，將EPON 技術融合進采集系統改造和建設中，可以進一步提高采集成功率，臺區線損合格率及采集系統的實時性和可靠性，也可作為推廣智能小區“四網融合”的有力借鑒。

[1] Rahman M A,Bera P.A noninvasive threat analyzer for advanced metering infrastructure in smart grid[J].Smart Grid,IEEE Transactions on,2013,4(1): 273- 287.

[2] Jiazhen Zhu,Yi R Q.Scalable distributed communication architectures to support advanced metering infrastructure in smart grid[J].Parallel and Distributed Systems,IEEE Transactions on,2012,23(9): 1632-1642.

[3] 劉年國.用電采集系統中信道建設的研究與實現[D].2011.

[4] 李力,王亮.基于智能電表的電網廣域負荷建模方法[J].電測與儀表,2012,49(561): 52-57.

[5] 石彪,林孝康,張盛.綠色傳感網中智能抄表系統設計[J].電測與儀表,2011,48(548): 1-4.

[6] 尹向東.EPON 技術在用電信息采集遠程通信中的應用[J].電力系統通信,2010,31(9): 36-40.

[7] 馬夢軒,閆舒怡,許艾明.基于EPON 技術的用電信息采集系統建設[J].電氣自動化,2013,35(1): 43-46.