智能电网的电力光纤入户技术及其应用

范 宏，高 亮，周利俊，李露莹，张 鑫

（1.上海电力学院 电气工程学院，上海 200090；2.上海浦海求实电力新技术有限公司，上海 200090）

0 引言

智能电网是未来电网的发展方向，各国的专家学者已经开始对智能电网的各个方面展开研究[1-5]。通信技术是智能电网研究中的关键技术之一，电力光纤入户（PFTTH）技术使电网具备了通信功能，为电网智能化发展奠定了坚实的基础。

电力光纤入户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（PON）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[6-9]。该技术解决了信息高速公路的末端接入问题，满足智能电网用电环节信息化、自动化、互动化需求，而且还可以实现网络基础设施的共建共享，大幅降低“三网融合”实施成本，提高网络运营效率，具有节能环保的优势。光纤复合电缆技术实现了电力光纤入户，支持多种智能电网应用及三网融合。该技术将原来多条通信通道合并为1条，避免了光纤重复敷设，节省了通信通道，免去了重复开挖施工，减少了后期的运行维护成本，解决了通信网络中的“最后一公里”难题，是实现智能电网和三网融合的必然选择[10-12]。

国务院出台加快推进“电信网”、“广播电视网”和“互联网”三网融合的政策之后，国家电网公司也明确提出充分利用电力通信网络的优势，支撑三网融合建设[13-14]。上海市电力公司已在多个小区全面实施了电力光纤入户试点，实现了多网融合。

1 电力光纤入户技术目标

基于光纤复合电缆的电力电缆通信接入可以实现多网融合，解决通信网络“最后一公里”的难题；为配电自动化系统、用电信息采集系统、智能用电等电力通信系统提供通信通道，并实现三网融合，同时实现水、电、煤三表集中采集。

2 电力光纤入户技术

电力光纤入户网络一般处于电力通信网络变电站到用户端的接入层网络中，其在整个电力通信网络中的位置如图1所示。电力光纤入户接入网通过业务节点接口（SNI）与核心网相连，通过用户网络接口与终端用户相连。

图1 PFTTH网络在电力通信网络中的位置Fig.1 Location of PFTTH network in power communication network

PON技术是最新发展的点到多点的光纤接入技术，主要包含ATM无源光网络（APON）、以太无源光网络（EPON）、千兆无源光网络（GPON）3 类，其中EPON以商用较早、核心芯片量产大和设备成本低的显著优势得到广泛应用[8]。本文的电力光纤入户技术基于以太网方式的EPON网络，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，在物理层采用了PON技术，在链路层使用以太网协议，利用PON的拓扑结构实现了以太网的接入。

EPON结构主要由局端的光线路终端（OLT）、用户侧的光网络单元（ONU）和光分布网络（ODN）组成，如图2所示。其中，OLT是提供语音、数据、视频业务网络的互联接口，可实现网络管理的主要功能；ODN负责连通OLT与所属的ONU；ONU负责向终端用户提供所需的业务接口。

图2 PFTTH网络的结构Fig.2 Stucture of PFTTH network

电力光纤入户网络的局端是ODN网络的起始点，通常设置在小区10kV配电室或110kV变电站；光缆分配点是多个用户接入点靠近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（连接电话机、电视机、计算机等）。因此电力光纤入户网络的ODN网络可分为3段：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；从用户接入点到终端的入户段。

2.1 电力光纤到楼

电力光纤到楼有2种方式。

a.集中器与主站通信的远程信道采用光纤通信，集中器通过FE口接入ONU设备，可实现与主站经光纤网络通信；本地信道仍使用低压电力线载波、RS-485、短距离无线通信等方式。该方式适用于采集系统比电力光纤到楼先建设的情况，系统示意图如图3所示。

图3 方案1Fig.3 Scheme 1

b.使用光纤采集器实现与主站经光纤网络直接通信，中间省去集中器设备，光纤采集器与电能表通信仍采用RS-485方式。该方式适用于采集系统与电力光纤到楼同步建设和采集系统改造时的情况，用光纤采集器替换原有采集器，并接入ONU设备。系统示意图如图4所示。

2.2 电力光纤入户

图4 方案2 Fig.4 Scheme 2

电力光纤入户方案不安装采集系统设备，直接采用光纤电能表，每块电能表都是光纤网络的单元，分配有单独的IP地址，可经光纤网络与主站直接通信。该方式适用于采集系统与电力光纤到楼同步建设的情况，系统示意图如图5所示。

图5 电力光纤入户系统的通信建设方案Fig.5 Communication construction scheme of PFTTH system

3 电力光纤入户方案设计

3.1 分光结构选取

a.中心分光结构。

每个用户均有专用的光路由用户端连接到局端，每个用户的专用光路在网络接入点通过连接或者熔接的方式连接到分配光缆，分配光缆在本地接入点通过连接或熔接连接到干线光缆，干线光缆可以用同样的方式连接到中心交换点。在这种结构中本地集中点和网络接入点仅作为网络合并点，且低芯数的光缆合并到大芯数光缆里。按照点到点的关系，每个用户连接到局端有源设备或在局端进行分光。

b.本地集中分光结构（即中心分光）。

本地集中分光结构提供每个用户由用户端到本地集中点的专用光路，每个用户的专用光路在网络接入点及分配光缆都为专用，这些专用光缆被连接到本地集中点。在这种结构中，每个网络接入点仅提供光纤合并功能，本地集中点具有分光功能。在干线光缆和分配光缆之间使用无源分光器创造点到多点的关系，分配比例最高可达1∶32。

c.分布式分光结构。

分布式分光结构利用分光器在网络接入点和本地集中点进行分光。在这种结构中，客户仅有的专用光路是由用户端到网络接入点的引入光缆。每个用户的专用引入光缆连接到网络接入点的分光器（分光比率通常是 1∶4或1∶8），一条小芯数的分配光缆将网络接入点的分光器连接到本地集中点的分光器。这种层叠式的分光方法在干线光缆和分配光缆中制造了一个点到多点的体系结构。

3.2 OPLC的选取

电力光纤入户系统组网设计还应规划网络连接各节点线缆，重点考虑线缆的种类、线缆容量（芯数）、线缆路由、施工工艺。依据节点和ODN网络基本结构，电力光纤入户系统网络线缆可分为馈线光缆、配线光缆和入户光缆3段。

电力光纤入户系统中，馈线光缆是指小区10kV配电室至楼宇光缆分配点（楼宇配电间）处的光缆，其选用OPLC，由小区10kV配电室低压侧沿电缆沟、槽敷设至楼宇光缆分配点（楼宇配电间）处；光缆芯数应按所带楼宇最大用户容量进行配置，并为新业务开展预留20%的冗余，为光纤备份保护预留20%冗余，总计预留40%的冗余。

电力光纤入户系统中配线光缆是指楼宇光缆分配点至用户接入点处的光缆[15-16]。电力光纤入户系统中，当连接的用户接入点与楼宇单元内配电电缆连接的节点位置相同时，配线光缆应选用OPLC，否则应选用普通垂直光缆。光缆由楼宇配电间沿楼宇强电井槽敷设至用户接入点处；光缆芯数应按所带用户接入点处最大用户容量进行配置，并为新业务开展预留20%的冗余，为光纤备份保护预留20%冗余，总计预留40%的冗余。

电力光纤入户系统中，入户光缆是指从用户接入点至用户终端处的光缆，宜选用皮线光缆。在楼宇电表集中安装且施工条件适合的情况下，可选用OPLC入户。入户端宜采用埋管、线槽方式入户，光缆芯数可选择单芯。

3.3 设备的配置

电力光纤入户系统网络主要设备包括OLT、ONU和光分路器（OBD），3种设备均可分为电力系统相关业务类和三网融合类。

3.3.1 OLT

a.电力系统相关业务类PON规划数量为电力系统相关业务部署的ONU数除以32后向上取整。

b.三网融合类PON规划数量为最大用户数除以32后向上取整。

c.PON口规划数可再预留5%的配置冗余数。

d.上述PON口规划数仅作为电力光纤入户系统规划用途。在工程实施时OLT设备采购部署应根据用户实际开通率进行配置，以保障设备投资。

3.3.2 ONU

a.电力系统相关业务类ONU，用于连接智能电能表、配电自动化终端、分布式电源控制器、电动汽车有序充电控制器等终端。三网融合类ONU用于连接用户家庭内部电话、电视、计算机等信息设备。

b.用于用电信息采集、配电自动化、分布式电源控制器、电动汽车有序充电控制器等电力系统相关业务的ONU，用户侧接口应配置RS-485和FE接口，其中用电信息采集ONU单个RS-485接口上串接的智能电能表不应超过32块。

c.三网融合类ONU，用户侧接口应配置FE接口，并可依据实际需求选配POTS、CATV等接口。

3.3.3 OBD

a.电力系统相关业务类OBD，采用一级的集中分光，集中部署在小区10kV配电室。

b.三网融合类OBD，根据实际需要可选择一级分光或二级分光模式，优先选用一级分光；在用户数比较分散，最大分光端口无法有效利用时，宜采用二级分光的模式。

3.4 节点位置选取

电力光纤入户系统组网设计应首先规划网络关键节点的位置。网络关键节点包括局端、光缆分配点、用户接入点和终端。

3.4.1 局端

电力光纤入户系统的局端为OLT设备的部署位置。OLT设备为大容量设备，适合集中部署，可为一片区域内的多个小区提供服务，便于设备的集中管理，同时提高设备利用率，减少设备和局端节点的数量，有效降低后期运行维护工作量。电力光纤入户系统一个局端覆盖的规划距离宜取3～5 km左右。

a.在110kV或35kV变电站至规划区域中压通信接入网已建成的情况下，宜将规划区域的电力光纤入户的局端设置在110kV变电站，此局端为整个110kV变电站供电区域提供电力光纤入户接入。

b.在110kV或35kV变电站至规划区域中压通信接入网未建成的情况下，宜将电力光纤入户系统的局端设置在小区的10kV配电室，待中压通信接入网建成后，可将其上移至变电站。

c.若小区用户数较多（1万户以上），宜将电力光纤入户系统的局端设置在小区的10kV配电室。

d.电力光纤入户系统的局端应配置光纤配线架（ODF）设备，实现OLT设备和馈线光缆的联接。

3.4.2 光缆分配点

光缆分配点是指馈线光缆和配线光缆之间的衔接的节点，可依据小区配电电缆交接点进行选择。

a.光缆分配点宜选择在楼宇的配电间处。

b.光缆分配点亦可承担用户接入点的功能，即由光缆分配点直接连接入户光缆实现就近用户的接入。

c.光缆分配点处应安装光缆交接箱，在作为馈线光缆和配线光缆的OPLC中完成光电分离的光纤接入，并完成馈线和配线光缆的连接。

3.4.3 用户接入点

用户接入点较为靠近用户，是配线光缆和入户光缆之间的衔接的节点，可依据楼宇单元内配电电缆交接点进行选择。

a.用户接入点宜选择在楼宇单元配电电缆连接的节点处，但不是楼宇单元内每个配电电缆连接的节点处都要设置用户接入点。

b.一个用户接入点所带用户数量不宜超过64户，所带楼层范围不宜超过10层。当楼宇单元内一个配电电缆连接的节点所带用户或范围超过上述容量时，应在合适楼层增加相应的用户接入点，此时用户接入点将不在楼宇单元内配电电缆连接的节点处。

c.用户接入点可完成本层及上下几层用户的接入。

d.用户接入点处应安装光纤分纤箱，在作为配线光缆的OPLC中完成光电分离，并完成配电线光缆和入户光缆的连接。

3.4.4 终端

电力光纤入户系统的终端为ONU设备的部署位置，依据ONU用途可分为用电信息采集类和三网融合类。

a.用电信息采集类ONU终端位置应选择在楼宇单元用户接入点处。

b.三网融合类ONU终端位置应选择在楼宇单元用户家庭内部。

4 案例

以规划区域楼层高度为18层，每层户数为8户的高层住宅为例进行电力光纤入户设计。

4.1 节点位置设计

4.1.1 光缆分配点

光缆分配点设置在楼宇地下室的楼宇配电间，在配电间处配置1个光缆交接箱。

4.1.2 用户接入点

楼宇1个供电区域覆盖用户数为72户。根据用户接入点规划原则应设置2个用户接入点。第1个用户接入点设置在低压楼宇配电间，与光缆分配点重合，用户接入点的光纤分纤箱可与光缆交接箱共用；第2个用户接入点设置在第10层配电电缆连接节点处，并配置1个光纤分纤箱；第1个用户接入点容量设计为32户，覆盖第1～8层用户；第2个用户接入点容量设计为40户，覆盖第9～18层用户。

4.1.3 设备配置

光分路器配置如下。

a.用电信息采集光分路器采用一级分光，使用集中部署在小区10kV配电室配置的1∶32光分路器；三网融合光分路器依据用户接入点的设置和容量进行配置。

b.用户接入点1的容量为32户，因此设置1个1∶32光分路器，采用一级分光；用户接入点2容量为40户，因此设置1个1∶32光分路器作为一级分光和1个1∶8光分路器作为二级分光。其中1∶8光分路器为第2级，将与部署在小区10kV配电室的1∶4光分路构成二级分光结构。

ONU终端配置如下。

a.用电信息采集ONU配置：楼宇1个供电区域覆盖用户数为72户，按72块电能表计算，需要配置3个ONU。用户接入点1放置1个ONU，串接第1～8层的电表；用户接入点2放置2个ONU，分别串接第9～10层和第11～18层的电表。

b.三网融合ONU配置：楼宇1个供电区域覆盖用户数为72户，需要配置72个ONU，放置在用户户内。

PON口配置如下：

用电信息采集业务占用3／32个PON口；三网融合业务应用占用3／25个PON口。

4.2 线缆

a.馈线光缆。馈线光缆为小区10kV配电间到楼宇配电间的光缆，采用三相OPLC中纤芯。由小区10kV配电间沿电缆沟、槽敷设至楼宇地下间的低压配电间；用于承载用电信息采集纤芯数为3根，承载三网融合业务纤芯数为3根，并同时考虑40%的冗余，则纤芯数为8.4根，参考OPLC纤芯规格，可配置12芯OPLC。

b.配线光缆。配线光缆为楼宇配电间到用户接入点之间的光缆。用户接入点1在楼宇配电间，与光缆分配点重合，由光缆分配点直接连接入户光缆实现就近用户的接入；用户接入点2在第10层配电电缆连接节点处。因此配线光缆采用三相OPLC中纤芯。

c.入户光缆。入户光缆为用户接入点到ONU终端的光缆。用户接入点1采用32根单芯皮线光缆，实现第1～8层用户的光纤入户；用户接入点2采用40根单芯皮线光缆，实现第9～18层用户的光纤入户。

5 南桥智能小区的电力光纤入户

南桥智能小区已实现电力光纤入户，其智能用电服务小区通信方式采用EPON技术，在用户室内配置ONU终端，与智能交互终端、智能交互机顶盒、固定电话等设备连接，实现语音、数据、有线电视的信息接入，试点整体结构如图6所示。

图6 南桥智能小区试点的PFTTH系统结构Fig.6 Structure of PFTTH system for Nanqiao smart community

新建小区采用光纤至电能表箱的方式实现了用电信息采集，再进一步将光纤延伸至用户家中，开展智能用电小区和“多网融合”业务。该小区从配电变压器至楼宇配电箱敷设三相四线OPLC；从楼宇配电箱至楼层电能表箱敷设单相两线OPLC；从电能表至用户户内闸箱敷设皮线光缆；并将各段光纤连接，实现了电力光纤入户。

6 结语

智能电网中的电力光纤入户技术是目前是智能电网的一个重要研究方向，为智能电网的建设起到积极的推动作用，该技术具有潜在的商业价值，但仍需要进一步改进和成熟。