光通信技术在电力通信系统中的应用与组网方案研究

李 想

（国电南瑞科技股份有限公司 深圳分公司，广东 深圳 518054）

0 引 言

在电力系统构建过程中，基本要素是将其系统内部组成网络化、系统化以及规范化，并通过电力通信技术使内部主站与设备紧密连接，构建最经济和科学的发展模式。建设电力通信系统时，要坚持以用户为中心，通过技术手段降低在系统中各种影响因素的干扰，使用户能够在系统中得到稳定的供电服务，提升用户满意度。在电力通信系统构建过程中，调度网与配电网是最核心的两大部门。在其建设中，应用光通信技术能够使系统更加稳定和可靠。因此，分析如何在电力通信系统中应用光通信技术进行组网十分必要。

1 电力通信系统构建问题及分析

电力系统包含变电站、发电厂以及电力设备等多项内容，通过电力通信系统将其进行有机整合，实现发电、输电、变电、配电、用电以及调度的各项功能。根据智能电网设计计划，2020年年底基本实现世界一流的智能电力系统建设目标[1]。在新时期电力系统构建过程中，电力通信系统发挥了重要作用，是系统建设技术的重要支撑，也是实现电力系统智能控制的重要手段，满足了电力系统各项功能需求。目前，电力系统电压等级分为低压、中压以及特高压3个级别。在电力系统建设过程中，光通信技术提供了信息交流枢纽，也是实现智能电网建设的基础。电力通信系统建设过程中虽然已经应用了大量先进技术，但在通信系统构建过程中仍然存在问题。

1.1 调度网

1.1.1 通信现状

调度网主要完成电力调动工作，开展不同电压等级的电力调度。调度网电压工作范围为35～500 kV。电压等级越高，在电网调度过程中就越接近核心层。在构建电网系统时，220 kV被称为汇聚层，而低压层面则被称为接入层，常见组网方法如图1所示。目前，电力调度网基本以地理大区域为划分方法，各自统筹辖域内电网调度工作，能够节省一部分的电力资源。各区域在开展电力调度工作时，将调度网作为指令传输媒介，从而为电力调度提供必要的基础。

配电网建设是按照电压等级和功能区域进行划分。按照电压可以分为高压配电网（110 kV/35 kV）、中压配电网（10 kV）和低压配电网（380 V/220 V）。电力配电通信网将主电站和各个下级供电客户端相连，实现系统化控制。因此，在电力通信系统构建中，调度网占据重要地位，是光通信技术的应用重点。

1.1.2 通信问题

随着电力通信系统规模的不断扩大，电力通信系统具备的功能越来越多，产生的信息越来越多，网络负荷不断增大，使得传统电力通信系统结构无法满足实际需求。在应用光通信技术构建电力通信系统时，要考虑MSTP设备在系统通信能力和网络速率需求等方面存在的问题，从而根据具体情况为不同信息输入与输出提供合适的宽带升级服务。

图1 调度网常用组网结构

1.2 配电网

1.2.1 通信现状

配电工作在电力系统中处于弱势。电力企业将更多资源投入发电系统，忽视了对电能配置的管理，导致电能资源配置不合理，浪费了大量电力资源，且无法满足用户实际需求，削弱了电力系统的资源配置能力。随着电力能源可持续发展理念的树立，越来越多电力企业认识到电力配电的重要性，否则不利于系统建设，也无法实现能源科学调配管理目标。

从组网层级来看，配电系统属于接入层级，在通信系统中的主要功能是进行电能分配。配电网可以根据电压能级进行划分。大型城市低压电网建设过程中也会设置配电网，精细化开展电力系统配电工作。用户网络是配电网直接的下一层级，也是用户接触电力系统的基础层级，直接影响用户的用电体验感。如果配电网系统中自动化程度不高，网架结构不够稳定，会导致频繁发生间断停电事件，给电力系统造成重要影响，导致用户对电力系统的满意度下降。在智能化电网构建过程中，需要系统稳定性≥99.97%。因此，电力企业需要改变传统的配电网构建现状[2]。

目前，配电网自动化水平已经处于快速发展的高级阶段。其自动化建设主要分为5个步骤。第一，网架规划。网架是网络建设基础与框架，基本决定了网络建设后的可拓展性。在实际建设过程中，应该考虑标准化、负荷转移、阶段分设以及富裕容量等多方面需求，增强网架与配电网系统的适应性。第二，馈线自动化。线路是配电网系统连接基础，在建设过程中需要考虑到经济、维护以及使用等各项因素，通过入地布设的方式逐渐代替架空线路。第三，配电设备。配电设备自动化建设主要分为一次设备建设和二次设备建设两个部分。一次设备主要包括分段器和熔断器等，用于改造分配和输送设备，可以通过手拉手方式进行组网。二次设备建设主要包括环网柜、开关以及监控设备等，主要目的是增强电网应用能力，满足一次设备自动化控制需求，并在系统出现故障时及时做出有效动作。第四，构建通信系统。借助有限电缆、无限扩频以及光纤通信技术，完成电力通信系统构建，为电力系统自动化运行提供必要的通信基础。第五，主站建设。在构建通信系统后，要加强系统中控能力，利用配电网主站进行系统化管理。配电网主站管理过程中会在系统内部搭载不同的软件，以实现各项功能，通过特定的运算程序给出最佳指令配置和处理办法，从而为电力系统遥测和遥信等技术构建基础平台。电力通信系统5大阶段完成后，基本可以实现通信系统构建，从而保障系统管理的稳定性，并以通信系统网络为基础进行智能化和规范化升级。

在配电网系统建设过程中，需要结合功能需求进行系统化建设。配电网的数据主要具备系统状态运行信息、系统测量信息（电流、频率、电压等）、系统控制信息（遥调、遥控等控制命令）以及其他业务数据（电能质量）等特征。配电网系统组网时，需要考虑到数据建设需求，确保信息数据能够有效传播，将各级设备进行紧密结合，以保障系统建设的安全性和可靠性。

1.2.2 通信问题

配电网系统建设过程中，MSTP/SDH是通信骨干网络，能够支持多种结构，可以将不同等级的配电网系统进行综合性组网，完成“省调→地调→县调”配电目标，达成电力系统通信目的[3]。MSTP技术可以为系统提供链接和环状的网络框架。框架中设备能够接入多种接口，采集各项数据信息，通过以太网的功能进行封包和解包，从而更加方便和便捷地维护系统运行。综合来看，由MSTP/SDH技术构建的通信网络系统结构，业务层次较为分明，基本能够实现统一化网络管理。但是，在实际应用过程中发现，配网系统拓扑结构不完善，没有将所有设备纳入其中，构建环状系统将会导致MSTP/SDH技术浪费，增大系统运行成本。从实际情况考虑，将MSTP/SDH技术应用于高等级配电网中更加合适和经济。高等级配电网系统拓扑结构更加完善，基本已成环状，MSTP/SDH技术应用性价比高。

2 光通信技术分析

2.1 光传送网介绍

在系统构建过程中，主要应用配电网技术完成电力分配与调度工作。配电网技术是电力系统智能化与自动化发展的基础。在电力系统构建大背景下，光传送网的发展趋势呈现出5点特征。第一，大容量发展。随着电力系统中信息业务的激增，人们对网络信息传输效率、能力以及速度均提出了全新要求，网络建设将朝向大容量发展，其中光通信技术是其主要发展方向。第二，MSTP业务接入。在系统建设过程中，信息数据传输业务不断增多，各项通信技术不断融合，使得电力通信平台具备多项功能，能够实现各种业务。第三，分级管理。随着电力系统规模的扩大，管理内容增多，需要将网络管理平台进行分级管理才能够规范系统建设。第四，系统兼容。随着电力系统的智能化和自动化发展，系统可以兼容DNI和MSP等多种技术体制，保护网络结构。第五，全光化发展。随着电力通信系统成熟度的不断提升，它的全球化和智能化发展趋势也在不断完整。图2为光传送网结构[4]。

图2 光传送网结构

2.2 光传送网体制

2.2.1 ASON技术

随着智能化和自动化电力系统构建要求的提出，ASON技术得到了大范围应用。目前，电力系统中光网络能够提升的业务配置效率并不高，因此提升系统安全性和可靠性已经成为必然选择。ASON技术是指利用信令网控制技术实现自动化功网络连接与业务分配的新型网络，能够按照用户的使用需求进行分配。为了加强ASON技术在电力系统中的应用效果，先后出台了多项用于系统支持与建设的技术规定。ASON技术应用便捷，可以在传输设备上直接应用自动化和智能化控制软件实现系统智能化建设需求，并能够通过多层网络结构进行分布式控制，将信息数据传输与交换综合起来。ASON协议框架主要由GMPLS、开放最短路径优化协议（OSPF）以及链路管理协议（LMP）等组成[5]。

2.2.2 OTN技术

OTN技术能够与光网中的光纤链路连接，为用户层级网络提供信号传输，本质上是专有的OTN光网传送技术。传统电力通信系统网络传输局限性强，无法通过扩大系统信息传输规模增强网络服务能力。利用OTN技术可以满足大容量业务调度工作，使用更加方便。此外，OTN技术在发展过程中采用了开销思路，因此具有OAM＆P能力，能够定义网络接口和增强线路容差，为光层概念定义提供了必要依据。

2.3 宽带接入技术

宽带接入技术能够实现系统与网络的高度连接，为系统用户提供各项服务。目前，宽带技术发展十分快速，基本解决了通信系统中的基础层通信问题。宽带接入方式主要有以太网接入、PLC电力线接入、DDN接入、WLAN接入、GPRS接入以及其他接入等。随着5G技术的不断深入研究与发展，宽带接入方式将更加立体、综合以及高效[6]。

2.4 EPON技术

EPON技术作为单纤双向传输技术，使用WDM技术进行信号传播，能够充分利用宽带光纤资源在同一根光纤上传输多个方向信号[7]。主要采用上行（TDMA技术）与下行（广播技术）复合技术，使得系统能够完成信号传输需求。EPON技术组网方式是利用接收器完成信号传输，通过点到点方式进行接入，但需要系统中配备多个接收器，如32个节点的单纤单项需要配备64条光纤，因此系统建设成本较高。其优势主要体现在组网的灵活性上，可以构建树型和链型等多种不同的网络结构，网络安全性和可靠性较高，能够结合实际组网需求扩大覆盖面。此外，它的系统维护简单，虽然初期投入成本高，但长期投入成本低，且能够简化网络层次。

3 电力通信系统应用光通信技术研究

电力系统综合系统中各项设备系统，完成电力产生与输送工作。电力通信网主要为35～500 kV，可以划分为核心层和接入层等，承担电力系统中的指令发送与信息传递媒介。光通电技术更加适用于高等级电网，能够为主电站与用户的用电使用提供技术支持，确保系统能够完成电力配电工作。

综合电力通信系统中主要应用以下几种配电网系统。第一，SDH/MSTP。主要传输介质为光纤，具有多种保护方式，适用于高压配电网，但应用成本较高。第二，工业以太网交换技术。主要传输介质为光纤，具有环网保护，适用于高压和中压配电网，但对系统要求较高，需要其拓扑结构成环。第三，光猫。传输介质为光纤，开通方式简单，能够实现环网保护，适用于低压和中压配电网。第四，PLC电力载波技术。主要传输介质为电力线，经济价值高，成本投入较低，不需要重新铺设线路，整体安全性较高，但存在抗干扰能力弱和传输效率低下等问题，适用于低压配电网。第五，GPRS。主要传输媒介为无线网，可以租用公网进行信息传输，但安全性不高，适用于低压配电网。随着我国北斗系统的建设和完善，利用其进行电力系统传输研究将成为电力通信系统发展的新方向。第六，3G/4G/5G通信技术。主要传输媒介为无线网，组网方式十分灵活，适用于电力系统的初期建设[8]。

4 结 论

光通信技术提升了社会通信水平，为各行各业发展提供了新的技术改革方向。在电力通信系统建设过程中，应用光通信技术能够有效增强系统组网能力，科学应用电力设备，将电力系统资源有效组织与构建起来，提升了电网系统稳定性，也能够有效降低电力系统成本。因此，详细分析电力通信系统现状，介绍光通信技术，探究如何利用光通信技术进行科学组网，以促进国家电力系统发展。电力企业在应用光通信技术进行电力通信系统组网时，要结合区域供电能力、电网基础情况以及组网需求等各项因素，灵活使用光通信技术，降低企业电力系统构建成本，提升国家电力发展水平。