基于光纤复合中压电缆的城域配电网设计和应用

何文栋 王晓锋 吴金秋 冯学斌 符丁中 刘彬

摘   要： 为了提高城市核心区配电网可靠性和供电质量，对城域配电网通信现状、特点及优势进行分析，提出以光纤复合中压电缆（OPMC）为基础的城域配电网，实现了基于OPMC的配电网通信方案和以太网无源光网络（EPON）的通信组网方案。研究表明，OPMC的应用充分改善了通信局限，优化了网架结构，为提高城市核心区配电网可靠性和供电质量、建设具备“安全可靠、优质高效、绿色低碳、智能互动”特征的城域配电网提供了技术支撑。

关键词： 光纤复合中压电缆（OPMC）;城域配电网;综合用能设备;以太网无源光网络;安全分区

引言

在新基建浪潮下，充电桩等综合用能设备陆续接入配电网[1]。只有优先解决各环节电力设备的通信通道及接入接口问题，才能更加顺畅地开展智能、互动、服务式的数据传输及信息集成业务[2]。结合新一代通信技术、人工智能技术等前沿信息技术，采用大容量的、可靠的通信组网应用技术，构建一套使配电网自动化系统实现各环节设备互联、人机交互，使配电网具有状态全面感知、信息高效处理、应用便捷灵活等特征的智慧互动服务系统，是大势所趋[3]。

本文以能源网、通信网、互联网深度融合业务变革为导向，以高速、实时、可靠实现全面感知和智慧互动为建设目标，针对特大城市、大城市、中等城市核心区配电网线路的通信容量及通信的泛在性、开放性、多样性、互动性、智能性、安全性要求，提出成熟的新技术方案和设计指引，构建一套以光纤复合中压电缆（Optical Fiber Composite Medium-voltage Cable，OPMC）为基础的城域配电网设计方案和实施方法，以大幅提升信息通信对城域配电网业务的支撑能力，为提高城市核心区配电网可靠性和供电质量、建设具备“安全可靠、优质高效、绿色低碳、智能互动”特征的城域配电网提供技术支撑。

1 配电网通信现状、特点及优势分析

1.1 配电网通信现状

随着社会经济的发展，经过多年来的建设，配电网供电可靠性和稳定性指标不断提高，电力骨干通信网建设与电力骨干网建设同步前进，效果明显，已形成世界一流的骨干通信专网体系，为我国能源跨区域输送和能源互联网建设提供了可靠的通信保障。然而，在配电网建设上，“重一次、轻二次”的观念以及受限的相关产品技术认知，造成大部分地区通信投入相对不足，普遍无法满足电力自动化业务的通信需求。

对于电力骨干通信网，由于其网架结构统一、线路长分支节点少，因此只需要进一步对光纤扩容或者对闲置光纤二次配置，就可满足数据洪流及流量带宽拓展问题。而对于配电网，由于结构相对较为复杂，地域覆盖较广，终端设备庞大且种类繁杂，所形成的感知方式和信息采集需求也有所不同，因此需要引进多种混合型通信接入网建设，这就应当根据配电网运行的实际状况来建设多种组网形式，以选择能源互联网场景下的最佳通信接入方案[4]。

依托运营商无线公共3G/4G网络，是近几年配电网通信传输的主要形式，对配电网运行质量发挥了一定作用，然而单一的通信网络无法解决安全性和可靠性问题，普适性差，适用场合非常有限。

隨着配电网自动化规模的不断扩大，现有设备已经完全不能承载配电网自动化和综合用能建设要求，未来一段时期，对具有灵活改造能力、大容量的通信技术的需求将越来越明确、越来越紧迫。

1.2 配电网通信特点

配电网电力设备大多运行于户外等环境比较差的场地，对通信方式和通信设备选型时，要注意考虑设备未来是否便于维护保养这一因素。

当前配电网自动化系统中所采用的通信载体一般有电力无线载波、电话线、双绞线、光纤及通信电缆等。光纤是稳定性和可靠性最高的，同时带宽也最大，但是施工也相对复杂;通信电缆刚好相反，其施工简单，成本低，但其缺点是线路损耗严重，通信距离有限，可靠性不足[5]。

配电网通信承载主站与主站之间、主站与配电单元之间、配电单元之间的通信业务，一旦中断，可能会造成配电网重大故障。在通信网架设计过程中，必须结合当地实际来选择最佳的方法;同时，也应该对电力管廊资源进行有效运用，通过对老旧设备进行改造、采取混合通信的方法来提高配电网自动化效率、灵活组网能力、接入拓展能力和建设成本效益。另一方面，在城域内，配电网和移动互联网的使用热点高度吻合，动态能耗高的区域也是人员集中区域，这也为我们的设计与建设提供了新的参考。

1.3 光通信在城域配电网的应用优势

提高配电网通信质量和合理设计通信网架结构，将成为智能配电网、能源互联网建设以及综合用能充电桩、5G基站等新基建的前提，是为城域智能配电网提供可靠的实践基础和应用平台的重要支撑。

将光通信单元融入电力电缆，可充分发挥线缆的工程集中应用优势。鉴于光纤传输和电力传输属于两种不同的传输方式，传输过程中不会发生相互干扰，因此可避免在城市基建尤其突出的频率资源、路由协调、电磁兼容、管道资源等方面发生矛盾。特别是应用于智能电网的中低压电力线路，为城域配电网通信提供了新的通信组网形式，可促进电力传输网络与光纤传输网络的同步建设[6]。

2 光纤复合中压电缆技术优势及应用状况

2.1 光纤复合中压电缆技术成熟度分析

光纤复合中压电缆（OPMC）是一种用于中压电力线路的新型特种电力光缆，具有传统中压电缆和通信光缆的功能。OPMC不改变原有电缆的外径、电气性能和机械性能指标，却极大地加强了机械防护能力。OPMC典型结构如图1所示，主要由导体、导体屏蔽、绝缘及屏蔽、绕包层、外护层、可能存在的铠装层和内衬层等部分组成。

2012年，国家电网公司发布了企业标准Q/GDW 1765-2012《光纤复合中压电缆》[7]，开启了国内OPMC建设应用序幕，为之后的一系列工程提供了技术指引。

2015年4月，国家能源局发布了行业标准NB/T 42050-2015《光纤复合中压电缆》[8]，规定了产品的规格、技术要求、试验方法，进一步为工程应用提供了技术依据。

2.2 光纤复合中压电缆技术优势分析

采用OPMC替代传统电力电缆，可以实现管道中电力及通信光缆集成一体化，避免二次布线，降低重复建设，发挥较强的机械性能，充分提高通信光缆防护能力，有效降低通信运维的风险和费用，从而提高线路可靠性和稳定性，为实现管道线路资源集中共享创造条件。在满足电力通信业务需求的基础上，还可以开展多种业务类型，适应性强，扩展性强，适应面广，助力电网企业参与5G基础设施建设和信息技术应用。

相比单纯的电缆工程，采用OPMC进行管道通信覆盖，可以将工程造价的增加幅度控制在10%以内，在不改变线路基础工程、箱台设备，且不增加施工费、设计费的基础上，可以方便快捷地进行融合，减少管道资源占用，综合建设成本因而降低，具有极高经济可行性和广泛的社会效益。

2.3 光纤复合中压电缆应用状况

在工程实践上，国家电网公司和中国南方电网公司都进行了大量的OPMC工程试点和应用。2010年，国家电网公司对外展示了智能电网应用光纤复合中压电缆、光纤复合低压电缆（Optic fiber composite low-voltage cable，OPLC）、光纤复合相线（Optic fiber composite overhead phase conductor，OPPC）等系列产品;2014年，国网浙江省电力公司在某地云数据处理中心中率先规模化应用OPMC，为“云”、CSN等信息化系统提供通信技术支撑。目前，相关技术已经在北京、上海、河北、辽宁、浙江、贵州等10余个省（区、市）进行了推广应用。

综上，无论是产品技术成熟度、技术优势，还是试点应用情况，光纤复合中压电缆都具备了批量大规模应用的先决条件，也为工程应用设计提供了可参考的依据和可借鉴的案例。

3 光纤复合中压电缆线路通信设计

3.1 配电网通信建设目标

配电网通信建设目标是，通过配电网自动化控制设备的应用，提高配电网自动化水平和综合用能建设水平，提高供电服务可靠性，提升供电质量，降低供电损耗，提升管理效率和服务水平，使故障快速定位与隔离，缩短故障恢复时间，实现用户与电网之间互动，实现能源并网，为国家发展风能、太阳能等绿色能源和推进电动汽车等技术的应用提供技术保障，使电网企业为管道资源共享共建的5G基站提供光纤管线通道和站址节点，为国家能源互联提供战略支撑。

同时，建设具备“安全可靠、优质高效、绿色低碳、智能互动”特征的城域配电网，全力支撑经济发展和服务社会民生，为我国电网发展方式转变和运营管理水平提升积累经验、提供示范[9]。

3.2  城域配电网主站信息管理系统设计

配电网的数据类型主要分为以下几种：

（1）状态信息。主要包含开关分合状态、设备运行状态、配电网运行状态和故障信息。

（2）测量信息。指通过采样等手段获得的线路电压、电流信息以及功率、频率等派生变量。

（3）控制信息。包含由控制中心下发的遥控、遥调、设点等控制命令。

（4）其他业务数据。包含计量的电能质量、监测数据等。

根据IEC61970/61968在电力企业管理信息系统中的应用，推荐将配电网状态信息归口于地调自动化系统（EMS），其数据存储于安全Ⅰ区;将配电网测量信息归口于配变监测与综合分析系统，其数据存储于安全Ⅲ区;将配电网控制信息归口于生产管理系统（PMS），其数据存储于安全Ⅲ区;其他业务数据归口于配电自动化系统，其数据存储于安全Ⅱ区，具体如图2所示。

每一安全分区应设置防火墙、数据服务器、网络服务器，数据应通过磁盘阵列的形式进行备份。

3.3 城域配电网光纤复合中压电缆线路通信设计

基于OPMC的配电网通信网架建设工程应用，以无源光网络技术作为主要技术，助力中心城域配电网的智能化建设和应用水平大幅提高，进一步为城乡供电可靠性和电压合格率指标提升建立体系标准。以无线公网技术作为替补方案，同时探究并实践10 kV配电网通信组网设计、信息网架接入部署、运维管理模式探索等内容，开展“配电网+多网融合技术，践行管道资源共享、配电终端单元（Distribution Terminal Unit，DTU）数据回传、电缆运行数据实时监测、大容量通信等智能多业态应用。

城域配电网应用OPMC和OPLC等光电复合技术，不仅支持配电“三遥”、集中集抄、四网融合、充电桩设备、5G基站布点等业务，也可以进一步实现对电缆、配电设备等进行智能温度湿度监测、局放监测和外力破坏预警等功能，真正实现配电网自动化和综合用能建设要求。一方面，保证故障的准确实时测量识别;另一方面，保证在没有或少量人工干预下，能够快速隔离故障、自我恢复，避免大面积停电事故的发生[10]。

基于OPMC的配电网通信方案如图3所示，具体实施方法如下：

（1）主网变电站引出的OPMC线路通过光电复合，在管廊内集成共享，到开关柜、环网柜、对接箱处进行光电分离和分支与汇聚。

（2）对环网柜以及分支開关采用无源光网络技术，使其满足光网络单元（Optical Network Unit，ONU）接入应用，使DTU通信联网达到“三遥”要求;设置分光器进行光网络分支，以满足分支线路光网络拓展要求，实现从主变到用户变的全光网络覆盖，为用户端四网融合管道资源共享提供条件，也为电力远程抄表业务的开展提供通道;必要时，进一步拓展无线网络站址布设条件和接口接入条件。

（3）在管道线路上的中间接头处，采用模塑中间接头技术（Molded Intermediate Joint ，MMJ）实现光电贯通。

（4）在变电站内设置光线路终端（Optical Line Terminal，OLT）、交换机、数据服务器，形成完整的以太网无源光网络（Ethernet Passive Optical Network，EPON）信息管理系统平台。

（5）在设备上搭载物联网传感器，收集设备运行参数、测量设备运行状态，为进一步的边缘计算和泛在电力互联网实施提供条件。

3.4  基于EPON技术的配电网通信组网设计

通过OPMC的应用，实现基于EPON的通信组网方案，实现主站对设备DTU、分支线路的设置，以及四网融合的综合通信，如图4所示。

具体实施方式如下：

（1）在主站通信机房配置光缆交接箱（Optical Distribution Frame，ODF），用于线路终端光纤跳接;配置三层光交换机，用于通信光电转换及网络建设;配置机架式数据服务器，用于保存自动化系统实时数据及历史数据;配置通信综合机柜，用于放置线路通信光纤设备及机架式服务器。

（2）在环网柜处按配电网自动化要求配置智能分布式DTU模块，并配置光纤配线箱，OPMC在环网柜处进行光电分离、光电分支、光纤配线，具体为：进线OPMC及出线OPMC从电缆沟进入环网柜后，使用OPMC冷缩户内终端接头实现光电分离，铜端子用T型插拔头接入环网柜相应接口，实现电气分支，两边的光缆引入环网柜光纤配线箱中，进行光纤分配;一部分光纤与DTU中配置的ONU连接，实现DTU数据光纤通信;一部分光纤与设置的分光器连接，实现光纤分支，供分支线路使用;一部分光纤与其余交换机实现预留口给其他设备，如物联网（The Internet of Things，IOT）设备、无线终端（Wi-Fi）、无线基站（4G/5G）等;其余光纤对接，供线路他用。

（3）在线路对接箱处，配置对接箱用光纖接头盒，OPMC在对接箱处进行光电分离、电气对接、光纤对接，具体实施方式为：进线OPMC及出线OPMC从电缆沟进入对接箱后，使用OPMC冷缩户内终端接头实现光电分离;电气使用铜排对接;光纤依次按色谱顺序使用对接箱用光纤接头盒对接。

（4）在线路电缆井中间接头处，进入OPMC光缆，先进行护套及铠装层开剥，实现光电分离，按操作要求预留光缆长度（应大于铜导体长度0.8 m），优先对铜导体进行模塑中间接头，当完成导体屏蔽后，开始对光缆进行光纤对接，光纤按色谱顺序依次对接，完成后使用防水带包封紧固。

（5）在线路上设置ONU可数据透传，横向互通在OLT上实现：TTU/RTU/FTU属于同一网段，在OLT上配置VLAN，实现ONU互通;不属于同一网段的，在OLT上配置L3功能，实现3层互通;同一个OLT下，OLT到ONU实测< 3 ms，满足<5 ms要求;纵向的“三遥”数据，每5 s发送一次，时延要求低。

4  光纤复合中压电缆施工及运维

OPMC施工布线时，进、出管道口一般都是大转角，故严禁直接拉入进出管道，必须采用转向导向导轮进行弯曲防护，避免改变方向过程的折弯。如果无转向导轮，可能造成OPMC外层护套刮擦破损，产生光缆、电缆过度弯折，以及铠装折弯、光纤断纤等不安全施工故障。

一般来讲，配电网自动化系统的规模覆盖面积比较大，其使用的电力设备种类繁多，形成的各种数据信息也相当庞杂，因此在管理的过程中存在很多难点问题，必须要依靠电力企业各个部门进行综合科学管理。在配电网运行过程中，通常要对电力调度、配电、通信等阶段进行实时管控，确保配电网自动化系统运行效率。

在管理人员的培养和任用上，首先，应该优先选择管理经验丰富、熟悉自动化技术的专业人员，让他们从事技术含量比较高的技术业务工作[11];其次，应该组织开展管理维护人员的培训活动，打造一支具有较高专业化水平和综合素质的管理维护人员队伍，使他们能够胜任配电网自动化系统的维护、故障处理等工作[12];最后，要建立完善的配电网自动化管理机制，确保配电网自动化系统运行更加规范[13-14]。

5  结语

本文结合当前实际，依据配电网自动化、综合用能以及配电网末端设备通信接入等技术的发展趋势，通过分析当前配电网通信现状、配电网自动化和综合用能建设要求，提出以光纤复合中压电缆为基础的配电网自动化通信组网建设实施方案，实现以光纤通信为主，面向业务、面向数据的，充分改善接入端局限的多种组网接入形式，为配电网自动化和综合用能在城市核心区配电网的建设及拓展提供技术支撑，供行业专家参考。

基于光纤复合中压电缆的通信组网技术，为城域配电网自动化提供了安全可靠的通信网络服务，也为电力管道资源共享和通信建设提供了网络接入接口，是配电网自动化和综合用能在配电网中加以实践的有力落脚点和切入点，具有广泛的、科学的、经济的推广价值。

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