电力光载无线通信技术在电力接入网中的应用

第30卷第2期2014年6月金陵科技学院学报J OURNAL OF JINLING INSTITUTE OF TECHNOLOGY Vol. 30, No. 2June , 2014

电力光载无线通信技术在电力接入网中的应用

(南京交通职业技术学院电子信息工程系, 江苏 南京 211188)

摘 要:分析了电力接入网技术中光纤接入㊁ 电力线载波通信㊁ 无线公网接入㊁ 提230电台接入等技术的优缺点,

出了建立高速㊁ 双向㊁ 实时㊁ 集成的电力通信网络是实现智能电网基础的观点, 并最大限度地利用电力光载无线

通信技术, 设计了电力光载无线通信技术模式原理图, 构建了输变电在线监测无线通信系统网络架构以及配用

电无线通信系统网络架构㊂

关键词:智能电网; 电力接入网; 电力无线通信

中图分类号:TN92 文献标识码:A 文章编号:1672-755X (2014) 02-0029-06郑 莹

The A pp lication of ROF Technolo gy in Power Access Network

(Nan j in g Communications Institute of Technolo gy , NanJin g 211188, China )

Abstract :The p a p er anal y zes the advanta g es and disadvanta g es of fiber access , p ower line carrier communications , wireless p ublic network access , and 230radio access technolo g ies in ZHENG Yin g

. p ower distribution and consum p tion in wireless communications s y stem Ke y words :smart g rid ; p ower access network ; p ower wireless communications o gy . The model of p ower ROF technolo gy is desi g ned , and the network architecture of p ower transmission with online monitorin g wireless communications s y stem is built , as well as of It is p ro p osed that hi g h -s p eed , two -wa y , real -time , inte g rated communi -p ower access network. cations network is the foundation for smart g rid , with the maximize use of p ower ROF technol -

基于我国经济社会发展的阶段性特征㊁ 能源可持续发展的内在要求㊁ 电网发展的客观规律, 确定了建设智能电网的发展战略目标㊂ 由于智能电网得以实现的重要技术基础是通信网络建设, 所以充分利用现有通信领域的先进技术, 实现通信的技术创新和应用创新, 必将影响我国智能电网能否实现电力系统清洁㊁ 高效㊁ 安全㊁ 可靠的目标㊂

电力通信网络由骨干传输网和接入网组成, 见图1㊂ 电力通信网高效运营与电网安全和企业管理的关系日益密切, 企业现代化建设及电网智能化发展对电力通信网的发展提出了更高的要求, 同时, 由于通信网络的复杂性及脆弱性, 电力通信网的安全运行将对现代化电网企业的顺利运作及智能电网的安全稳定产生更大的影响, 因此需要不断探索电力通信网技术, 为电网运行和企业建设提供更加可靠的通信服务保障, 目标是达到电力行业国际领先水平㊂ 在这一新形势下, 电力通信网面临着前所未有的新机遇和新挑战, 需要最大限度地利用先进通信技术, 支撑电网系统的智能化转变㊂

1]建立高速㊁ 双向㊁ 实时㊁ 集成的电力通信网络[是实现智能电网的基础, 将支撑智能电网成为一个动态

收稿日期:2013-10-20, 作者简介:郑莹(女, 山东泰安人, 讲师, 硕士, 主要从事通信技术研究㊂ 1975-)

30金 陵 科 技 学 院 学 报第30卷稳定的㊁ 实时信息和电力交换互动的大型基础设施, 提高电网的供电可靠性和资产的利用率, 抵御电网受到的攻击, 提升电网价值㊂ 因此, 加强电力通信网络建设非常重要

㊂

图1 智能电网通信网络架构

Fi g .1 The communications network architecture of smart g rid

1 电力通信接入网现状分析

智能电网中的很多应用系统都需要依赖接入网实现, 在输变电领域有输变电状态监测系统, 在配用电领域有配网自动化系统和用电信息采集系统等㊂

在输变电领域, 输电线路和变电站是电力输送和转换的物理通道, 是坚强智能电网建设环节的重要组成部分, 具有地域分布广泛㊁ 运行条件复杂㊁ 易受自然环境影响和外力破坏㊁ 巡检维护工作量大等特点㊂ 目前在输电线路上可采用不同的传感器对包括微风振动㊁ 风偏㊁ 线路舞动㊁ 线路温度㊁ 线路覆冰㊁ 杆塔倾斜等输电线路状态, 对环境温度㊁ 风速㊁ 障碍物距离㊁ 危险接近等环境状态等综合信息采集, 但如何将这些采集数据汇总到监测中心进行处理, 需要有可靠的通信支持㊂ 虽然500kV ㊁ 甚至有些110kV 输电线220kV ㊁ 路已经实现OPGW 光纤覆盖, 但是相应的光缆分接箱并没有覆盖到每个输电杆塔, 甚至大多数杆塔都没有光纤接入点; 另外, 在长距离的输电线上, 每个通信节点上的电源供给也有很大的问题㊂

在智能配用电领域, 国家电网公司在大力推进配电自动化系统和用户用电信息采集系统的建设, 具有高度自动化和互动化的智能配用电网络对于通信系统提出了更高的要求㊂ 与输电环节相同, 智能配用电网通信系统的建设是智能配用电系统的关键㊂ 我国的配电网是一种分布式网络结构, 网络复杂, 具有通信点多㊁ 分布分散㊁ 单个通信点信息量少㊁ 通信设备工作环境差等特点, 目前, 对于智能配用电侧的业务需求还缺乏很好的通信支撑手段予以支撑, 单一的通信方式包括光纤通信方式无法满足配用电侧的所有通信需求㊂ 需要深入研究无线通信技术与光通信技术复合组网技术, 科学构建通信网络, 合理解决通信的实时性㊁ 可靠性和无线通信网络组网等技术问题, 以满足智能配用电领域的业务需求㊂

第2期郑莹:电力光载无线通信技术在电力接入网中的应用312 现有电力接入技术分析

/目前电力部门沿着电网建立了以OPGW 基本覆盖ADSS 电力特种光缆为主的电力骨干光传输网,

但终端通信接入网络是待建网络, 总体上具有骨干通信网络强㊁ 接入网络弱的特征㊂ 110kV 以上变电站,

在接入网建设中, 无论是光纤通信, 电力线载波通信, 都不能230MHz 电台无线通信还是无线公网,

利用率较低㊁ 无法实现全覆盖的问题㊂ 1) 光纤通信存在建设困难㊁ 信道建设困难, 无法实现全覆盖㊂ 光纤的铺设成本很高, 很多时候在城市配网通信通道铺设的时候都很好满足现在的需要㊂ 即使综合应用多种通信技术, 也存在部署困难, 技术繁多, 管理不便等缺点㊂ 主要原因分析如下㊂

需要进行地埋的处理, 导致铺设成本很高, 甚至因为城建规划的要求不能够进行开挖铺设㊂ 因此, 在很多场合光纤通信的信道铺设难度很大, 成本很高㊂

系统资源浪费严重, 利用率低㊂ 如果铺设光纤, 由于成本很大程度上是铺设成本, 因此为了减少今后的铺设工作, 尽量一步到位, 需要铺设很多芯的光缆, 光缆资源一时无法充分利用, 短期内很难见到经济效益㊂ 另一方面, 光纤通信速率很高, 配用电领域和输变电领域很多应用的带宽很低, 很多时候光纤通信的带宽没有得到很好的利用, 有一定程度的浪费㊂

可靠性差的问题㊂ 2) 电力线载波通信存在挑线路㊁ 2]电力线载波[通信的可靠性不高, 由于电力线是传输电能的线路, 而非专用通信线路, 信道条件极其

恶劣, 信道容量很低, 很多对可靠性和误码率有较高要求的业务都不能由电力线载波通信承载㊂ 更重要的是当通信节点较多的时候, 有些线路上无法开通业务㊂

传输速率低的问题㊂ 3) 230MHz 电台无线通信存在通信技术落后㊁

其利用率较低㊂ 230MHz 电台通信系230MHz 频段被划分为若干个单工通信频段和双工通信频段,

统属于传统的无线通信的技术, 没有充分利用230MHz 的宝贵的电力无线资源, 系统容量很低, 在终端数目较多的时候, 每个通信终端所分得的通信带宽很低, 无法满足智能电网将来对无线通信系统的需求㊂

安全性低㊁ 边远覆盖差㊁ 紧急状况下可用性无法保障的问题㊂ 4) 公网无线通信存在实时性低㊁ 无线公网的性能指标和技术体制的选择主要是为了满足用户在移动通信方面的需求, 并且首先需要因此, 虽然光纤通信仍然是接入网的主要通信方式, 但由于上述原因, 还需要其他通信方式作为补充㊂

保证的话音业务, 视频通信业务, 短信业务和数据下载业务㊂ 这些业务一般采用上下行均等的数据带宽, 或者下行速率高于上行速率㊂ 而电力系统的业务主要是以非移动㊁ 固定数据业务为主, 对上行通信带宽的需求远远大于对下行带宽的需求㊂ 例如, 电力上行以遥测㊁ 遥信㊁ 遥视数据为主, 数据量较大, 实时性㊁ 可靠性要求较高; 下行以遥控㊁ 遥调数据为主, 可靠性㊁ 安全性要求较高, 数据量较小㊂ 因此, 无线公网系统在很多时候不能满足一些对数据速率和通信延时有一定要求的业务应用㊂

无线公网的安全性较差㊂ 无线公网的运营和维护掌握在公网运营商的手中, 并且允许各种各样的用户进行接入, 虽然其本身采用了一定的安全措施㊂ 但是其安全性无法和专用的网络比较, 尤其是在电网规模逐步增大, 信息安全难以得到保障㊂ 无线公网在设计的时候是为了满足人们在语音和数据方面的通信需求, 一般系统基站布置在人居密集的地方, 并不会根据电力系统的网架结构来布置基站㊂ 因此, 无线公网系统对偏远地区的输电线路往往无法覆盖㊂

综合以上光纤通信, 电力线载波通信, 可以得出230MHz 电台无线通信还是公网无线通信的局限性,

这样一个结论:需要一套为电力应用服务的电力无线通信系统㊂ 综上所述, 建立一套为电力系统应用定制的无线通信系统是非常有意义的, 可以加强电力接入通信网络的建设, 更好地满足电力应用的需求㊂ 3 电力光载无线通信技术

随着智能电500kV 及以上变电站光纤覆盖率为100%, 220kV 覆盖率为99.2%, 110kV 覆盖率为93%, 电力通信网络的光纤传输网络十分发达, 电力行业具有丰富的电力特种光纤㊁ 管道㊁ 杆塔资源,

32金 陵 科 技 学 院 学 报第30卷网的推进, 中低压配电网中的光纤资源也越来越多㊂ 在建立电力无线通信网络时, 充分利用电力系统现有的光纤资源, 将会节约大量的成本, 起到更好的经济效益㊂

电力光载无线通信技术的原理如图2所示, 可以充分利用电力行业丰富的光缆资源, 以及光纤传输低损耗㊁ 高带宽特性, 代替传统的基带数据处理模块和射频发射天线模块间的射频线缆, 改变传统基站中基带与射频信号集中处理的方式, 将基站的无线信号和基带信号在不同的地理位置上处理, 传统的基站系统被分拆为基带处理(中心基站) 与射频传输(远端基站) 两部分, 二者放置在不同的物理位置㊂ 远端基站仅实现简单的光电转换功能, 而复杂昂贵的设备集中到中心基站, 让多个远端基站共享这些设备㊂ 和传统的无线通信方式相比, 采用电力光载无线通信技术具有如下优点㊂

充分利用现有的光缆资源, 将无线通信技术和光纤通1) 覆盖范围扩大㊂ 适应智能电网的网架结构, 信技术相结合, 扩大传统光纤通信和无线通信的覆盖范围, 减少传统无线通信方式的覆盖盲区㊂

在简化远端基站的同时, 也2) 建网成本降低㊂ 基站的无线覆盖小区可由多个分散放置的天线组成, 可以在中心基站实现功能的集中㊁ 器件设备的共享以及频谱带宽资源的动态分配, 从而大幅度降低整个宽

带无线接入系统的成本㊂

远端基站功耗低, 部署灵活, 可以适应输3) 部署方式灵活㊂ 基站系统被拆分为中心基站和远端基站, 配电领域通信覆盖范围大, 环境恶劣的特点㊂

布设密度可相应提高, 在带宽一定的情况下, 可以获得更大4) 提升容量㊂ 由于远端基站的成本较低, 的信道容量

㊂

图2 电力光载无线通信技术模式示意

Fi g .2 The model of p ower ROF technolo gy

4 电力光载无线通信技术输变电应用设计

如图3所示, 输变电在线监测无线通信系统可分为3个层次, 分别为终端层㊁ 网络通信层和主站层㊂ 终端层负责将底层传感器节点搜集到的信息发送给网络接入层㊂ 网络通信层则将终端信息通过骨干网系统, 发送给输变电系统主站㊂ 主站层负责对终端设施和网络接入设备的在线监测㊁ 状态信息的搜集以及控制命令的发送㊂ 输变电无线与光纤集成通信系统位于网络通信层㊂ 位于变电站的中心站通过电力特种光缆与部署在输电线路杆塔上的远端单元相连㊂ 中心站也可通过链式自组网的模式实现彼此之间的逐跳通信㊂ 通过输变电中心站设备和远端单元组成逐跳连接的无线与光纤集成通信系统, 实现底层终端信息的汇集, 并通过远距离逐跳传输方式将信息汇集到输变电系统主站㊂

在输变电应用场景中, 采用分布式中心站与链式逐跳自组网相结合的组网模式, 充分利用输电线路已有的电力光缆资源, 实现光纤与无线自组网的融合通信㊂

第2期郑莹:

电力光载无线通信技术在电力接入网中的应用33图3 输变电在线监测无线通信系统网络架构

Fi g .3 The network architecture of p ower transmission with online monitorin g wireless communications s y stem

3]传统的多跳无线自组网多基于载波侦听[和冲突避免方式进行资源分配, 这种资源分配方式实时性

较差, 导致系统对流媒体的支持能力不足, 特别是在输变电在线监测这种链式拓扑结构条件下, 传统载波

4]侦听和冲突避免方式造成极大的网络时延, 无法实现流媒体传输的全面支持㊂ 输变电应用系统[需要具

备载波侦听与时分复用机制的融合技术, 实现节点的链路拓扑维护与多跳的数据传输; 针对输变电线路链式结构, 具备链路的自适应调整与维护问题能力, 提升系统的鲁棒性能和容错性能; 同时输电线路监控应用对于系统的传输时延也提出了较高要求㊂

由于输电线路的链式拓扑结构, 传统路由协议无法直接应用; 系统需要具备在链式结构下高效路由的能力发㊂ 同时无线系统中为了进一步提升系统性能, 需要事先通信系统MAC 层与网络层的融合, 通过将路由核心部分与Mac 层信道分配机制的融合, 进一步降低系统时延, 提升传输效率㊂

输电线路链式拓扑结构节点的损毁将导致系统整条无线链路的失效, 因此需要针对网络异常处理与网络恢复技术进行专门处理㊂ 主要技术包括链式结构中网络异常情况监测技术, 实现异常情况的实时捕获; 系统的链路恢复与拓扑重构技术, 实现异常状态下的错误恢复; 基于链路维护技术进行专门容错技术研究, 使系统具备抗损毁能力, 以及灾害条件下通信能力㊂ 研究功率汇聚技术, 在连续多个节点失效的极端条件下, 保证系统的应急通信能力㊂

5 电力光载无线通信技术配用电应用设计

如图4所示, 配用电自动化无线通信系统应用中, 无线与光纤集成通信系统位于系统网络通信层, 借助无线与光纤集成通信系统, 实现了底层终端设备和主站应用之间的数据双向互通㊂ 中心站设备可以部属在主站的局端大楼或者变电站㊂ 通过电力系统已有的特种光缆资源实现远端单元的光纤拉远㊂ 远端单元通过电力专用频段与终端设备相连, 终端设备通过多种方式(以太网, 与配用电专用wifi , zi g bee 等技术)

设备相连㊂ 针对配用电无线与光纤集成通信系统中对组网模式的特殊需求, 采用分布式基站和光纤拉远技术, 充分利用配用电线路已有的电力特种光缆资源, 实现光纤与无线通信系统的融合通信㊂

34金 陵 科 技 学 院 学 报第30

卷

图4 配用电无线通信系统网络架构

Fi g .4 The network architecture of p ower distribution and consum p tion in wireless communications s y stem

5]针对配用电应用需求[的不同, 需要使系统具备智能自适应的链路传输能力㊂ 系统需要具备流量实

时监测技术实现系统性能(数据传输速率㊁ 延迟㊁ 丢包率等) 的动态感知㊂ 基于系统实时监测技术, 进行流量控制技术研究, 使链路传输能够动态适应网络系统的实时变化㊂

配用电应用中, 需要终端数量极大, 海量终端同时在线对于基站系统压力巨大, 因此系统需要具备海量终端同时接入的能力㊂ 同时基站系统调度算法需要满足终端用户对数据传输实时性和公平性的要求㊂ 6 结 语

针对智能电网骨干网强㊁ 接入网弱的特点, 本文对比分析了电力接入网领域各种通信技术手段的优缺点㊂ 提出了电力光载无线通信技术在电力接入网领域的应用㊂ 构建了电力光载无线通信技术在智能电网输变电㊁ 配用电领域的应用架构㊂ 随着智能电网的不断发展, 电力光载无线通信技术必将在智能电网接入网通信领域中发挥更大的作用㊂

参考文献:

[:高晓娟, 钟联炯, 周利华. 军用应急通信网互连方式的研究与设计[计算机工程与应用, 1]容晓峰, J ]. 2002(6) 32-34[:唐立梅. 电力线载波通信方案设计[电测与仪表, 2]鲍卫兵, J ]. 2003, 40(450) 32-35[:盛新富. 低压电力线载波通信技术的研究[电测与仪表, 3]樊建学, J ]. 2005, 42(470) 36-38[:低压电力线载波通信技术的研究及应用[电力系统通信, 4]俞庆. J ]. 2002(1) 17-20[:贺小玲. 输电线路野外作业无线通信系统设计研究[计算机工程与应用, 5]姜国松, J ]. 2011, 47(33) 229-231

(责任编辑:马金玉)

电力光载无线通信技术在电力接入网中的应用

作者：

作者单位：

刊名：

英文刊名：

年，卷(期)：郑莹， ZHENG Ying南京交通职业技术学院电子信息工程系,江苏 南京,211188金陵科技学院学报Journal of Jinling Institute of Technology2014(2)

1. 容晓峰;高晓娟;钟联炯;周利华 军用应急通信网互连方式的研究与设计 2002(06)

2. 鲍卫兵;唐立梅 电力线载波通信方案设计 2003(450)

3. 樊建学;盛新富 低压电力线载波通信技术的研究 2005(470)

4. 俞庆 低压电力线载波通信技术的研究及应用 2002(01)

5. 姜国松;贺小玲 输电线路野外作业无线通信系统设计研究 2011(33)

引用本文格式：郑莹. ZHENG Ying 电力光载无线通信技术在电力接入网中的应用[期刊论文]-金陵科技学院学报 2014(2)