OPLC电缆构建智能用电小区通信网络的研究

张新伦 袁维贵 卜宪德 石秋生

（1.江苏南瑞银龙电缆有限公司，江苏 徐州 221700；2. 大屯煤电公司，江苏 徐州 2213003.国网电力科学研究院，南京 221300）

随着社会经济水平的不断发展和科学技术水平的不断提高，先进的通信、信息和控制技术渗入到人类生活的各个领域，触及到生活的方方面面，改变了生活理念，影响了生活习惯，提高了生活品质。同时，随着时代的变迁、社会的进步以及环保意识的增强，人们的居住观念也发生了较大的转变，对于居住条件的要求也不再局限于居住面积、周围环境以及交通便捷，开始追求智能化、信息化、人文化的居住环境，营造安全、舒适、高效、便捷的绿色住宅。在这种形势下，智能用电小区应运而生。

智能用电小区[1]是采用智能表计、用户智能交互终端等技术，建立用户与电网之间实时连接、互动、开放的数字网络，实现全采集、全覆盖、全费控功能。它可以降低人工成本、降低窃电损失、提高计量精度，减少人为差错、促进营销管理机制创新、安全可靠供电、实行阶梯电价，推动节能减排、指导社会科学合理用电。其业务覆盖用电信息采集、小区配电自动化、电力光纤到户实现三网融合、智能用电服务互动平台、光伏发电系统、智能家居服务、实现水电气集中抄表等。

1 国内外建设情况

1.1 美国建设情况

2008年美国宣布在Boulder建设智能用电小区，为每户家庭都安装了智能电能表，使人们能合理安排用电。同时智能用电小区帮助人们优先使用风电和太阳能等清洁能源，变电站通过收集每家每户的用电情况，一旦有问题出现，可以重新配备电力。Xcel Energy电力公司计划在Boulder对智能电网相关的多项智能技术和业务模式进行尝试，包括AMI实施、分布式能源接入、电动汽车接入、智能变电站改造、智能用电等多项内容。

1.2 荷兰建设情况

2008年阿姆斯特丹启动了智能城市的建设工作，目标是在2015年实现CO2排放零增长。整个建设工作从可持续的生活、可持续的工作、可持续的市政管理和可持续的交通四方面组织开展。建设内容包括智能供用电、LED路灯改造、智能建筑、智能表计、电动汽车(船舶)充电站、太阳能屋顶/幕墙等17项试点工作。

1.3 日本建设情况

日本结合自身国情，决定构建以新能源接入为主的智能用电小区。九州电力与冲绳电力公司在九州、冲绳的岛屿地区，对利用太阳能等可再生能源的“岛屿微电网”进行试验，主要验证在大规模利用太阳能发电的情况下，如何统一控制剩余电力和频率波动及蓄电池应用等课题。日本经济产业省近期计划将试验进一步推广至城市。

1.4 韩国建设情况

智能用电技术是韩国未来 20年发展绿色技术主动投资计划的一部分，目的是把绿色技术比例从现在的2.4%提高到11%。韩国电力公司（Kepco）希望以电表作为家庭网关，利用电力线宽带通信技术和家庭用电显示终端实现居民直接参与用电管理。韩国还计划2011年在济州岛建设一个样板智能电网示范项目，其用电侧的智能电网计划2020年完成，至2030年将在全国实现应用。

1.5 我国建设情况

国家电网公司积极开展智能用电小区相关的各类技术研究，以及商业推广和市场应用，并已经建立了若干智能用电小区的试点。2010年，公司组织相关科研单位对智能用电小区通信网络建设进行了标准化工作，制定了包含了施工、设备、运行维护等13个相关标准，推进多网融合和新能源的利用。并开始在全国范围内开展智能用电小区试点建设。

2 智能用电小区的通信网络

智能用电小区通信网络承载智能电网、电动汽车控制，双向互动、“三网融合”等业务，实现网络基础设施的共建共享，构建智能用电小区最重要的基础设施。不仅可以为用户提供前所未有的宽带业务，而且符合当前建设和谐社会的“绿色”“低碳”“环保”等主题，节约网络投资费用，将来还能为用户提供物联网高级服务。

通信网络建设目的在于实现电力光纤到户，即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，并为配网自动化提供保障。

智能用电小区通信网络的建设从逻辑上分为电力专用通信子网和公共通信子网两个业务上独立的网络。在电力专用通信子网承载的业务有配电自动化系统、用电信息采集系统、智能用能系统、分布式电源管理子系统和电动汽车有序充电监控系统等；在电力公共通信子网承载的业务系统有 95598门户网站、物业主站、智能家居系统等。

3 基本原理和关键技术

3.1 基本原理

在分析智能用电业务需求基础上，对通信系统的架构进行分析，将核心功能和扩展功能分别融入各个子系统，从逻辑上将通信网络分为设备层、通信层和业务层，系统架构图如图1所示。

图1 电力光纤到户逻辑架构图

设备层包含电力光纤到户小区所有接入电力光纤网络的终端设备，如：智能电能、智能家电、安防传感器、高清电视、IP电话、互联网设备、水表、气表等。

通信层是基于EPON技术的电力光纤网。EPON是一种采用点到多点结构的单纤双向光接入网络，由网络侧的光线路局端（OLT）、用户侧的光网络单元（ONU）和光分配网络（ODN）组成。

业务层是智能用电小区承载的所有业务系统。

3.2 关键技术

1）电力光纤复合电缆技术

光纤复合低压电缆（OPLC）产品[2]，是在传统的低压电缆中融合光单元，是一种具有低压电力和光通信双重传输能力的复合电缆。OPLC主要适用于 0.6/1kV及以下电压等级，是解决低压配网、用户网所需要的先进、可靠通信介质。

光纤复合低压电缆整合电网资源，实现网络基础设施的“共建共享”， 可解决电线、网线、电话线、有线电视线等多条线路的多次施工南通，避免重复建设造成的干扰区群众正常生活。电缆结构如图2所示。

图2 电力光纤复合电缆

电力光纤复合电缆比传统低压电缆成本增加不到10%～20%，利用OPLC建设智能用电小区通信网络的综合成本降低40%左右。

2）EPON技术

EPON是一种采用点到多点网络结构、无源光纤传输、基于以太网和 TDM 时分复用的 MAC（Media Access Control）媒体访问控制方式、提供多种综合业务的宽带接入技术[3]。

EPON系统由光线路单元（OLT：Optical Line Terminal）、光网络单元（ONU：Optical Network Unit）和光分配网络（ODN：Optical Division Network）组成。OLT兼具交换机的接入功能和汇聚等路由交换功能，是一个多业务交换平台，提供面向无源光纤的接口，该设备一般放在中心机房；ONU放在用户端附近或与其合为一体；ODN是无源光纤分支器，是一个一点到多点的连接一个OLT和多个ONU的无源设备，分发下行数据，集中汇聚上行数据。EPON使用单芯双向光纤，在一根芯上转送上下行两个波，防止相互干扰[4]。

4 建设方案

4.1 建设方案

通信网络建设分为电力专网通信子网和公网通信子网两部分。电力专用为通信网为用电信息采集提供通信支撑网络，各采集点均实现了光纤接入，提供宽带通信网络。公共通信网络为小区用户实现IPTV、Internet、电话等业务提供通信网络平台，两种网络分别建立一套光纤网络，采用同缆不同芯的方式建设两套EPON系统，使两种业务实现物理隔离，保证数据传输安全、稳定[5]。

下面给出了一种典型的智能用电小区通信网络建设方案，该方案从物理上分为三部分，即主干、馈线、配线，其中主干部分采用普通光缆，通过架空、管道地埋等方式连接局中心到光交接点（一般多为光交箱）；馈线部分采用馈线光缆（或称引入光缆），通过架空、管道、路面浅埋等方式连接光交接点至光分支点（指小区或是大楼的集中点）；配线部分采用配线光缆，连接光分支点至用户；而用户家庭内部可采用入户光缆（也称室内光缆）。各电信运营商可采用EPON/GPON技术将设备进行接入，实现宽带业务的部署。

其网络拓扑图如图3所示。

图3 通信网络的建设方案

4.2 通信网络的安全分析

智能用电小区的通信网络主要存在如下的安全隐患。

1）未经授权的非法接入。

2）传输数据的非法拦截与篡改。

3）恶意代码攻击、拒绝服务攻击等威胁。

4）网络设备配置的篡改。

智能用电小区通信网络的安全防护应从网络环境、主机系统、应用系统3个层次进行安全防护设计，以实现层层递进，纵深防御。防止电力光纤到户网络瘫痪、应用系统破坏、业务数据丢失、篡改网络数据、确保各项业务数据安全、控制安全。因此，智能用电小区两个通信子网采用严格物理隔离，对信息系统进行数据采集、控制、交互等操作时，采用网络加密系统保证远程数据传输的安全性和完整性，对接入终端或用户身份进行严格认证，保证用户身份的惟一性和真实性。

5 结论

智能用电小区智能电网用电环节的重要组成部分，是实现电网与用户之间实时交互响应，增强电网综合服务能力，满足互动营销需求，提升服务水平的重要手段。智能用电建设对智能用电技术的发展和完善具有重要的促进作用，对加强居民小区能效管理、提高公司客户服务能力、让社会直观体验智能电网的建设成果，具有重要的意义。

智能用电建设需要政府提供相关支持性政策，提高智能用电小区建设各方投资和运维的积极性。建设智能用电小区，除了解决技术难题，最重要就是要协调电力行业与政府、住户、房地产商、物业、服务提供商、通信运营商等多方面、多部门的利益，让相关各方在智能用电建设中都能得益，实现多赢，使投资主体多元化。

加强智能用电小区建设推广的力度，可实现最优化的社会经济效益。除此之外，还需协调相关运营商与电力部门，共同制定智能用电小区光纤通信网络运行维护管理办法，协调相关市政服务企业（水、电、气）共同制定集中抄表运行维护方案，协调相关市政服务企业探索构建统一的服务缴费平台，保证智能用电小区建设的各系统正常运行，并降低运行维护总体成本、提高运维效率。

[1]邓桂平,陈俊.智能用电小区及其关键技术[J].湖北电力,2010(S1).

[2]李希,杨建华,齐小伟等.光纤复合电缆的应用分析与探讨[J].电力系统通信,2011(7):24-27.

[3]张浩,卜宪德,郭经红.EPON技术在用电信息采集系统中的应用[J].电力系统通信,2010(7):42-45.

[4]刘年国,刘东,杨事正.EPON技术在智能用电小区建设中的应用[J].华东电力,2011(3).

[5]丁佳,孙继成.智能用电小区中通信平台建设研究[J].供用电,2010(6):8-12.