光通信技術在電力通信系統中的應用與組網方案研究

李 想

（國電南瑞科技股份有限公司 深圳分公司，廣東 深圳 518054）

0 引 言

在電力系統構建過程中，基本要素是將其系統內部組成網絡化、系統化以及規范化，并通過電力通信技術使內部主站與設備緊密連接，構建最經濟和科學的發展模式。建設電力通信系統時，要堅持以用戶為中心，通過技術手段降低在系統中各種影響因素的干擾，使用戶能夠在系統中得到穩定的供電服務，提升用戶滿意度。在電力通信系統構建過程中，調度網與配電網是最核心的兩大部門。在其建設中，應用光通信技術能夠使系統更加穩定和可靠。因此，分析如何在電力通信系統中應用光通信技術進行組網十分必要。

1 電力通信系統構建問題及分析

電力系統包含變電站、發電廠以及電力設備等多項內容，通過電力通信系統將其進行有機整合，實現發電、輸電、變電、配電、用電以及調度的各項功能。根據智能電網設計計劃，2020年年底基本實現世界一流的智能電力系統建設目標[1]。在新時期電力系統構建過程中，電力通信系統發揮了重要作用，是系統建設技術的重要支撐，也是實現電力系統智能控制的重要手段，滿足了電力系統各項功能需求。目前，電力系統電壓等級分為低壓、中壓以及特高壓3個級別。在電力系統建設過程中，光通信技術提供了信息交流樞紐，也是實現智能電網建設的基礎。電力通信系統建設過程中雖然已經應用了大量先進技術，但在通信系統構建過程中仍然存在問題。

1.1 調度網

1.1.1 通信現狀

調度網主要完成電力調動工作，開展不同電壓等級的電力調度。調度網電壓工作范圍為35～500 kV。電壓等級越高，在電網調度過程中就越接近核心層。在構建電網系統時，220 kV被稱為匯聚層，而低壓層面則被稱為接入層，常見組網方法如圖1所示。目前，電力調度網基本以地理大區域為劃分方法，各自統籌轄域內電網調度工作，能夠節省一部分的電力資源。各區域在開展電力調度工作時，將調度網作為指令傳輸媒介，從而為電力調度提供必要的基礎。

配電網建設是按照電壓等級和功能區域進行劃分。按照電壓可以分為高壓配電網（110 kV/35 kV）、中壓配電網（10 kV）和低壓配電網（380 V/220 V）。電力配電通信網將主電站和各個下級供電客戶端相連，實現系統化控制。因此，在電力通信系統構建中，調度網占據重要地位，是光通信技術的應用重點。

1.1.2 通信問題

隨著電力通信系統規模的不斷擴大，電力通信系統具備的功能越來越多，產生的信息越來越多，網絡負荷不斷增大，使得傳統電力通信系統結構無法滿足實際需求。在應用光通信技術構建電力通信系統時，要考慮MSTP設備在系統通信能力和網絡速率需求等方面存在的問題，從而根據具體情況為不同信息輸入與輸出提供合適的寬帶升級服務。

圖1 調度網常用組網結構

1.2 配電網

1.2.1 通信現狀

配電工作在電力系統中處于弱勢。電力企業將更多資源投入發電系統，忽視了對電能配置的管理，導致電能資源配置不合理，浪費了大量電力資源，且無法滿足用戶實際需求，削弱了電力系統的資源配置能力。隨著電力能源可持續發展理念的樹立，越來越多電力企業認識到電力配電的重要性，否則不利于系統建設，也無法實現能源科學調配管理目標。

從組網層級來看，配電系統屬于接入層級，在通信系統中的主要功能是進行電能分配。配電網可以根據電壓能級進行劃分。大型城市低壓電網建設過程中也會設置配電網，精細化開展電力系統配電工作。用戶網絡是配電網直接的下一層級，也是用戶接觸電力系統的基礎層級，直接影響用戶的用電體驗感。如果配電網系統中自動化程度不高，網架結構不夠穩定，會導致頻繁發生間斷停電事件，給電力系統造成重要影響，導致用戶對電力系統的滿意度下降。在智能化電網構建過程中，需要系統穩定性≥99.97%。因此，電力企業需要改變傳統的配電網構建現狀[2]。

目前，配電網自動化水平已經處于快速發展的高級階段。其自動化建設主要分為5個步驟。第一，網架規劃。網架是網絡建設基礎與框架，基本決定了網絡建設后的可拓展性。在實際建設過程中，應該考慮標準化、負荷轉移、階段分設以及富裕容量等多方面需求，增強網架與配電網系統的適應性。第二，饋線自動化。線路是配電網系統連接基礎，在建設過程中需要考慮到經濟、維護以及使用等各項因素，通過入地布設的方式逐漸代替架空線路。第三，配電設備。配電設備自動化建設主要分為一次設備建設和二次設備建設兩個部分。一次設備主要包括分段器和熔斷器等，用于改造分配和輸送設備，可以通過手拉手方式進行組網。二次設備建設主要包括環網柜、開關以及監控設備等，主要目的是增強電網應用能力，滿足一次設備自動化控制需求，并在系統出現故障時及時做出有效動作。第四，構建通信系統。借助有限電纜、無限擴頻以及光纖通信技術，完成電力通信系統構建，為電力系統自動化運行提供必要的通信基礎。第五，主站建設。在構建通信系統后，要加強系統中控能力，利用配電網主站進行系統化管理。配電網主站管理過程中會在系統內部搭載不同的軟件，以實現各項功能，通過特定的運算程序給出最佳指令配置和處理辦法，從而為電力系統遙測和遙信等技術構建基礎平臺。電力通信系統5大階段完成后，基本可以實現通信系統構建，從而保障系統管理的穩定性，并以通信系統網絡為基礎進行智能化和規范化升級。

在配電網系統建設過程中，需要結合功能需求進行系統化建設。配電網的數據主要具備系統狀態運行信息、系統測量信息（電流、頻率、電壓等）、系統控制信息（遙調、遙控等控制命令）以及其他業務數據（電能質量）等特征。配電網系統組網時，需要考慮到數據建設需求，確保信息數據能夠有效傳播，將各級設備進行緊密結合，以保障系統建設的安全性和可靠性。

1.2.2 通信問題

配電網系統建設過程中，MSTP/SDH是通信骨干網絡，能夠支持多種結構，可以將不同等級的配電網系統進行綜合性組網，完成“省調→地調→縣調”配電目標，達成電力系統通信目的[3]。MSTP技術可以為系統提供鏈接和環狀的網絡框架。框架中設備能夠接入多種接口，采集各項數據信息，通過以太網的功能進行封包和解包，從而更加方便和便捷地維護系統運行。綜合來看，由MSTP/SDH技術構建的通信網絡系統結構，業務層次較為分明，基本能夠實現統一化網絡管理。但是，在實際應用過程中發現，配網系統拓撲結構不完善，沒有將所有設備納入其中，構建環狀系統將會導致MSTP/SDH技術浪費，增大系統運行成本。從實際情況考慮，將MSTP/SDH技術應用于高等級配電網中更加合適和經濟。高等級配電網系統拓撲結構更加完善，基本已成環狀，MSTP/SDH技術應用性價比高。

2 光通信技術分析

2.1 光傳送網介紹

在系統構建過程中，主要應用配電網技術完成電力分配與調度工作。配電網技術是電力系統智能化與自動化發展的基礎。在電力系統構建大背景下，光傳送網的發展趨勢呈現出5點特征。第一，大容量發展。隨著電力系統中信息業務的激增，人們對網絡信息傳輸效率、能力以及速度均提出了全新要求，網絡建設將朝向大容量發展，其中光通信技術是其主要發展方向。第二，MSTP業務接入。在系統建設過程中，信息數據傳輸業務不斷增多，各項通信技術不斷融合，使得電力通信平臺具備多項功能，能夠實現各種業務。第三，分級管理。隨著電力系統規模的擴大，管理內容增多，需要將網絡管理平臺進行分級管理才能夠規范系統建設。第四，系統兼容。隨著電力系統的智能化和自動化發展，系統可以兼容DNI和MSP等多種技術體制，保護網絡結構。第五，全光化發展。隨著電力通信系統成熟度的不斷提升，它的全球化和智能化發展趨勢也在不斷完整。圖2為光傳送網結構[4]。

圖2 光傳送網結構

2.2 光傳送網體制

2.2.1 ASON技術

隨著智能化和自動化電力系統構建要求的提出，ASON技術得到了大范圍應用。目前，電力系統中光網絡能夠提升的業務配置效率并不高，因此提升系統安全性和可靠性已經成為必然選擇。ASON技術是指利用信令網控制技術實現自動化功網絡連接與業務分配的新型網絡，能夠按照用戶的使用需求進行分配。為了加強ASON技術在電力系統中的應用效果，先后出臺了多項用于系統支持與建設的技術規定。ASON技術應用便捷，可以在傳輸設備上直接應用自動化和智能化控制軟件實現系統智能化建設需求，并能夠通過多層網絡結構進行分布式控制，將信息數據傳輸與交換綜合起來。ASON協議框架主要由GMPLS、開放最短路徑優化協議（OSPF）以及鏈路管理協議（LMP）等組成[5]。

2.2.2 OTN技術

OTN技術能夠與光網中的光纖鏈路連接，為用戶層級網絡提供信號傳輸，本質上是專有的OTN光網傳送技術。傳統電力通信系統網絡傳輸局限性強，無法通過擴大系統信息傳輸規模增強網絡服務能力。利用OTN技術可以滿足大容量業務調度工作，使用更加方便。此外，OTN技術在發展過程中采用了開銷思路，因此具有OAM＆P能力，能夠定義網絡接口和增強線路容差，為光層概念定義提供了必要依據。

2.3 寬帶接入技術

寬帶接入技術能夠實現系統與網絡的高度連接，為系統用戶提供各項服務。目前，寬帶技術發展十分快速，基本解決了通信系統中的基礎層通信問題。寬帶接入方式主要有以太網接入、PLC電力線接入、DDN接入、WLAN接入、GPRS接入以及其他接入等。隨著5G技術的不斷深入研究與發展，寬帶接入方式將更加立體、綜合以及高效[6]。

2.4 EPON技術

EPON技術作為單纖雙向傳輸技術，使用WDM技術進行信號傳播，能夠充分利用寬帶光纖資源在同一根光纖上傳輸多個方向信號[7]。主要采用上行（TDMA技術）與下行（廣播技術）復合技術，使得系統能夠完成信號傳輸需求。EPON技術組網方式是利用接收器完成信號傳輸，通過點到點方式進行接入，但需要系統中配備多個接收器，如32個節點的單纖單項需要配備64條光纖，因此系統建設成本較高。其優勢主要體現在組網的靈活性上，可以構建樹型和鏈型等多種不同的網絡結構，網絡安全性和可靠性較高，能夠結合實際組網需求擴大覆蓋面。此外，它的系統維護簡單，雖然初期投入成本高，但長期投入成本低，且能夠簡化網絡層次。

3 電力通信系統應用光通信技術研究

電力系統綜合系統中各項設備系統，完成電力產生與輸送工作。電力通信網主要為35～500 kV，可以劃分為核心層和接入層等，承擔電力系統中的指令發送與信息傳遞媒介。光通電技術更加適用于高等級電網，能夠為主電站與用戶的用電使用提供技術支持，確保系統能夠完成電力配電工作。

綜合電力通信系統中主要應用以下幾種配電網系統。第一，SDH/MSTP。主要傳輸介質為光纖，具有多種保護方式，適用于高壓配電網，但應用成本較高。第二，工業以太網交換技術。主要傳輸介質為光纖，具有環網保護，適用于高壓和中壓配電網，但對系統要求較高，需要其拓撲結構成環。第三，光貓。傳輸介質為光纖，開通方式簡單，能夠實現環網保護，適用于低壓和中壓配電網。第四，PLC電力載波技術。主要傳輸介質為電力線，經濟價值高，成本投入較低，不需要重新鋪設線路，整體安全性較高，但存在抗干擾能力弱和傳輸效率低下等問題，適用于低壓配電網。第五，GPRS。主要傳輸媒介為無線網，可以租用公網進行信息傳輸，但安全性不高，適用于低壓配電網。隨著我國北斗系統的建設和完善，利用其進行電力系統傳輸研究將成為電力通信系統發展的新方向。第六，3G/4G/5G通信技術。主要傳輸媒介為無線網，組網方式十分靈活，適用于電力系統的初期建設[8]。

4 結 論

光通信技術提升了社會通信水平，為各行各業發展提供了新的技術改革方向。在電力通信系統建設過程中，應用光通信技術能夠有效增強系統組網能力，科學應用電力設備，將電力系統資源有效組織與構建起來，提升了電網系統穩定性，也能夠有效降低電力系統成本。因此，詳細分析電力通信系統現狀，介紹光通信技術，探究如何利用光通信技術進行科學組網，以促進國家電力系統發展。電力企業在應用光通信技術進行電力通信系統組網時，要結合區域供電能力、電網基礎情況以及組網需求等各項因素，靈活使用光通信技術，降低企業電力系統構建成本，提升國家電力發展水平。