上海地区电力光纤到户建设实用化分析

郑 健

(上海市电力公司,上海 200122)

智能电网是目前全球电力行业共同关注的发展方向,中美两国更是不约而同地将建设智能电网提高到了国家发展战略的地位。根据国家电网公司建设统一坚强智能电网的相关内容和要求,整个智能电网的建设涵盖了发电、输电、变电、配电、用电和调度六大环节。在智能用电建设中,用户信息采集系统是需要首先解决的基础问题;而建设光纤通信网络,实现电力光纤到户,则是搭建用户信息采集系统的前提条件[1-3]。

1 电力光纤到户基本建设方案

电力光纤到户(Pow er Fiber To The Home, PFTTH)是指在低压通信接入网中,采用光纤复合低压电缆(OPLC),将光纤随低压电力线敷设,实现到表到户;配合无源光网络技术,承载用电信息采集、智能用电双向交互、“三网融合”等业务。PFTTH解决了信息高速公路“最后一公里”问题,可满足智能电网用电环节信息化、自动化和互动化的需求。在提供电力的同时,实现电信网、广播电视网、互联网的同网传输,为用户提供更加便利和现代化的生活方式[4-5]。

1.1 组网方式

电力通信网包括核心网和接入网,PFTTH在整个网络中处于接入网的位置如图1所示。图1中SN I为业务节点接口,OLT为光线路终端, ONU为光网络单元,UNI为用户网络接口。

PFTTH与其他网络实体之间的连接如图2所示。终端设备通过用户网络接口连接到PFTTH,PFTTH可以通过业务节点接口连接到业务节点(SN),PFTTH通过网络管理接口(NM I)连接网管系统。

图1 PFTTH在电力通信网中的位置

图2 PFTTH与其他网络间的连接

PFTTH是利用光纤复合低压电缆中的光纤媒质连接通信局端和用户的接入方式。PFTTH系统的基本组成,包括:光线路终端、光网络单元和光分布网络(ODN),如图3所示。

1)OLT是所有ONU接入的中心汇聚点和控制中心 OLT一方面将承载各种业务的信号在局端进行汇聚,按照一定的信号格式送入光分布网络,以便向终端用户传输,另一方面将来自终端用户的信号,按照业务类型分别送入各种业务网中。OLT通过业务节点接口连接到业务节点,为PFTTH提供网络侧的接口,并经1个或多个分配点与用户侧的ONU通信。OLT与ONU为主从通信关系,OLT负责带宽分配控制、ONU工作状态检测且与网管系统交互实现对整个PFTTH网络的管理。

图3 PFTTH系统的基本组成

2)ONU完成与OLT的用户数据与协议数据的交互 实现用户端口功能、业务的复用/解复用功能、ODN接口功能以及必须的OAM功能;负责向用户提供视频、语音、数据等业务接口;在用户网络接口点实现PFTTH用户侧的接口功能。在PFTTH应用中,ONU通过不同的接口将不同的业务送到相应的终端(比如智能电能表、配电自动化终端、分布式电源控制器、电动汽车充电控制器、电话机、电视机、计算机等)。

3)ODN是处于OLT与各ONU之间的无源光网络 无源是指ODN里面没有光放大器和再生器等器件,为OLT和ONU之间提供光传输物理通道。在PFTTH系统中,通常由光纤复合低压电缆、普通光纤光缆、光交接/配线设备、光连接器、光分路器以及安装连接这些器件的配套设备组成。单元ODN结构示意图,如图4所示。

图4 单元ODN结构

PFTTH的局端是ODN网络的起始点,通常设置在小区10 kV配电室或110 kV变电站;光缆分配点是多个用户接入点在靠近OLT局端的光纤集中汇聚点,通常设置在楼宇配电间;用户接入点是多个用户的光纤集中汇聚点,通常设置在楼宇单元内;终端是ODN网络的终点,在此连接终端设备,通常设置在楼宇单元内(连接智能电能表等)和用户家庭内部(电话机、电视机、计算机等)。因此, PFTTH的ODN网络可分为三段,即从局端机房到光缆分配点的馈线段;从光缆分配点到用户接入点的配线段;用户接入点到终端的入户段。

根据世博园区信息采集系统的建设经验和市区配电网络的实际情况,采用以太无源光网络(EPON)技术进行组网效果比较理想。目前的电力骨干网络,已满足向配网线路延伸的基本条件, EPON技术非常适合于呈带状或链状分布的配网线路,系统建设成本低,易于维护,标准 10/ 100BASE-T RJ-45以太网接口输出至终端,方便应用和扩展,也方便原有业务终端的接入。

综上所述,EPON是一种新型的光纤接入网技术,它采用点到多点结构、无源光纤传输,在以太网之上提供多种业务[6]。它在物理层采用无源光网络(PON)技术,光线路终端与光网络单元之间仅有光纤、光分路器等光无源器件,无需租用机房、无需配备电源、无需有源设备维护人员,因此,可有效节省建设和运营维护成本,尤其适应配网线路配网结构,具备通信保护能力。EPON综合了PON技术和以太网技术的优点:低成本、高带宽、扩展性强、灵活快速的服务重组以及与现有以太网相兼容,管理方便等。

1.2 试点小区范例

上海市电力公司以越富豪庭小区为示范工程,进行了智能小区的建设试点。该小区位于峨山路681弄,是以公寓楼为主的大中型高档建筑。

依据国家电网公司信息安全要求,试点小区内部分别部署了两套EPON,用于承载电力系统内网业务与公网业务,其中内网EPON系统仅接入到用户表箱,外网EPON系统接入用户家庭内部。内网OLT设备与外网OLT设备,均放置于试点小区总机房。内网OLT上联采用FE接口,连接至内网传输设备,PON口配置6个,分别连接3个单元的6个分光器。外网OLT上联采用GE光接口,连接至外网传输设备。

电力内网ONU配置RS-485接口,放置在楼层弱电竖井内,使用485线串接至强电竖井内的用户电能表;外网OUN配置FE接口,放置在楼层弱电竖井内,使用超五类线入户,其中家居层中采用光纤入户,外网ONU设备放置在户内。

民户内的家庭网络可分为智能家居与三网融合两大系统。智能家居系统以智能交互终端为核心,一方面利用窄带PLC和无线通信相结合的方式,采集家电的电压、电流、功率、功率因数进行实时保存,并将所需数据上传;另一方面,智能用电主站系统利用数据挖掘技术,将处理信息下发到智能交互终端,以实现用电信息管理、能效管理、家居管理与控制、家庭负荷分析、异常用电分析、水气表集抄、社区服务等功能;最终以ONU为核心,实现电信网、广播电视网、互联网的三网融合业务。接入终端分别为IP电话接入、数字机顶盒转接电视机和家用电脑,其构建如图5所示。

2 建设中面临的问题

在PFTTH的建设过程中,不可避免地会遇到很多实际问题的困扰,尤其是对已有小区进行PFTTH的改造建设。

2.1 光纤敷设通道

对于新建小区,可以在建设规划阶段预留光纤通道,然后按照国网公司“统一领导、统一规划、统一标准、统一组织实施”的原则,在小区建设过程中完成光纤到户的相关工作。

对于已建小区,普遍存在的问题是没有预留PFTTH通道,需要为建设光纤网络单独开辟设备空间、架设通道等规划。问题是中心城区所能提供的建设空间,一般都较为紧张,工程实施面临较大的建设用地压力。同样的,PFTTH工程的实施,涉及到对已有的电能表箱、通道和配电间的改造,来自开发商和物业部门的阻力也比较大。相对而言,施工的难度和建设成本都要增大。因此,在建设之初就需要遵照国网公司的相关标准,进行统一规划、统一实施,并安排一定的冗余量,以备日后拓展建设之用。

2.2 数据安全性

一般来说,光纤专网是最安全的通信网络,信息在封闭的自有通道上传输,可以不考虑身份伪造、信息窃听、重放攻击、信息篡改等安全隐患。但是,在实现通信光纤到户后,从物理结构上讲,存在普通用户通过光纤访问电力公司内网的可能性。因此,需要在适宜的层面(比如变电站层面)安排安全界限,设置物理间隔以提高安全性,也可以考虑将该变电站所带的K、P站数据存储在该变电站内。此外,如果对低压用户采集信息的实时性要求不高,可以考虑此部分数据通信网络仅接入内网的三/四区。但是,即使低压用户信息采集网络仅接入内网的三/四区,从理论上讲仍然存在一定的风险,即存在潜在的外网侵入点,对三/四区的机密文件安全性产生威胁。

图5 智能小区PFTTH的构建

PFTTH作为电力光纤通信网络的1个组成部分,数据安全需要从全网络的角度通盘考虑。从采集设备层、通信层、应用层和接口四大环节入手,统一规划,统一设计网络安全体系结构和安全机制,确保整个网络能够应对网络结构性风险、网络边界的入侵攻击、网络内部病毒等恶意代码的攻击、网络设备的非法使用等问题。

2.3 海量数据传输

在实现光纤到户后,从理论上讲,从380 V/ 220 V普通用户开始,到35 kV/10 kV网络,包括变电站、配电站和线路、变压器等设备在内的相关信息,都具备了实时采集传输的通信基础,可以为电力公司的调度、营销、运行等多个部门提供所需的各种数据。同时,光纤通信网络也面临着海量数据传输所带来的通信压力问题,尤其是380 V/ 220 V低压用户的相关数据,其采集点的数量比输配电网络的采集点要多几个数量级。因此,在实际建设过程中,应该首先根据不同部门的具体需求,确定不同层面数据传输的方式。

例如,调度部门对 10 kV/380 V箱变以及380 V出线的数据比较关心,要求这部分数据能够实时传输;运行部门仅需要准实时的双向数据传输,传输间隔可以适当扩大到10～30min。另外,运行部门还对设备状态监测数据的传输感兴趣;营销部门关心电量和功率数据,但是不需要实时传输,只要现场设备具备一定的数据存储能力,在营销部门需要时能够响应数据召唤,将电量数据传输上来即可。因此,在确定不同部门的不同数据需求后,可以对所采集到的数据进行分类处理,不必全部进行实时传输。然后再根据任务调度、采集前置、前置通信和数据入库不同层面的特点,对应通信主站业务流程和数据采集的不同过程,综合运用多线程处理、并行数据处理、批量数据处理、ODI技术、集群、负载均衡、分区存储等多种技术,以保证在信息采集过程中主站层、通信层和采集层之间运行协调有序,提高主站的可用性、适用性和安全性,提高数据采集、数据传输和数据处理的能力。

实际上,在PFTTH的实施工程中,所遇到的问题远远不止于此。比如,光纤终端设备的电源问题、终端设备用电计量收费、光纤通信设备使用和维护问题等。这些问题都需要电力公司各部门的相互协调与共同解决。

3 通信光纤的拓展利用

在完成包括光纤入户在内的光纤通信网络敷设后,通信光纤将遍布整个配电网络,因此还可以对光纤的拓展利用展开探索。

1)利用所敷设的光纤获取低压配电线路的拓扑结构数据,并对线路拓扑结构的自动生成展开研究,远景目标是实现低压电气接线图的自动绘制和自动更新。

2)探索利用通信光纤实现对配电电缆的温度测量,乃至绝缘性能测量评估。目前光纤测温技术比较成熟也有实际的应用工程,而如何充分利用光纤,将通信、测温甚至绝缘测量等功能组合在一起实施是非常有实用价值的研究方向。目前,美国的智能配网建设中已经开展了这方面的尝试,而在我国尚无这方面实际应用的报道。

4 结语

本文针对电力光纤到户的工程建设需要,结合上海市电力公司的实际工程范例,对光纤到户的建设目标、组网方式等进行了简要介绍。并对光纤到户建设过程中的实际问题和电力光纤的拓展应用进行了探讨。PFTTH是建设智能电网的基础工程,要实现国网公司建设统一、坚强智能电网的宏伟目标,必须切实解决光纤到户建设中面临的种种实际问题,为智能配电网络和智能用电小区的建设打下坚实的通信基础。

[1] 肖世杰.构建中国智能电网技术思考[J].电力系统自动化, 2009,33(9):1-4.

[2] 陈树勇,宋书芳,李兰欣,等.智能电网技术综述[J].电网技术,2009,33(8):1-7.

[3] 余贻鑫,栾文鹏.智能配电网概述//第一届智能电网研究学术论坛[R],2009年6月27～28日,天津:236-244.

[4] 张文亮,刘壮志,王明俊,等.智能电网的研究进展及发展趋势[J].电网技术,2009,33(13):1-11.

[5] 章鹿华,王思彤,易忠林,等.面向智能用电的家庭综合能源管理系统的设计与实现[J].电测与仪表,2010,47(537): 35-38.

[6] 何小玉.光纤接入及FTTH技术与应用分析[J].电信科学,2007,(5):21-25.