王于波，張樹華，趙東艷
（北京智芯微電子科技有限公司，北京 100192）
摘 要： 分析了現有配電通信方式的原理，列舉了230 MHz無線局域網的原理，給出了替代GPRS的方案。針對現有配電自動化通信方式的特點，提出了合理的系統架構，并給出了相應的系統運行原理。實測結果表明替代GPRS的傳輸技術是配電自動化通信有力的補充手段。
0 引言
配電通信系統建設以滿足配電信息交互可靠性、安全性、實時性為目的，以智能配電需求和今后擴展應用為遠期發展目標，采用經濟合理、先進成熟的通信技術，建設高速、雙向、實時、集成的，便于管理、具有良好擴展性的配電通信系統為總體目標。
電力系統配電通信網目前采用有線和無線兩種建設模式。配電網通信采用分層分級建設原則，建設配電主站、變電站、10千伏配電站點等配電網信息傳送網絡，首選EPON通信方式[1]，不具備光纜敷設條件的站點采用無線公網通信方式作為補充。
無線公網普遍使用GPRS公網（租用）和CDMA公網（租用）。國網多個地方電力公司已經開展了基于公網的配用電遠程信息采集業務，但近期的發展速度在逐步放緩，原因是基于公網進行規模應用暴露出一些問題：如傳輸時延大、數據丟失現象較為嚴重；電力數據承載在同一張公眾通信網內，存在信息安全隱患。
伴隨著國網配網自動化建設力度的加大，在EPON有線通信網絡末端節點形成無線局域網，利用電力頻段230 MHz的廣覆蓋特性，原來通過GPRS方式通信的終端節點可以通過電力無線局域網接入電網EPON有線網絡中，從而形成一張完整的電力通信專網，增強了電網的安全性。通過研究采用EPON有線與230 MHz無線局域網的通信平臺，無線技術作為有線的延伸，有效拓寬了電力專網的覆蓋范圍，可以大大增強系統的可靠性與安全性，為未來堅強智能電網打好通信基礎。
1 傳統的配電自動化通信方式
對“三遙”實施區域的配電自動化站點建設專用光纖通信網，今后通信網將全面覆蓋10千伏配電網站點，為全面實現配電網自動化調度打好基礎。對“二遙”實施區域的配電自動化站點采用GPRS無線公網，并通過VPN專線、正反向隔離等措施實現安全防護。圖1所示為配網通信方式示意圖。
1.1 EPON通信方式
建設統一的配用電通信平臺。在電力通信骨干網層，配電自動化主站至變電站的通信方式采用已建成的SDH骨干光纖傳輸網方案。在配用電通信網層，變電站至開關站/環網柜等配電站點選擇EPON光纖專網技術為主、載波為輔的接入方案。
采用EPON通信技術時，ONU設備配置在開關站/環網柜/分支箱/柱上開關，實現相關設備信息上傳至變電站。OLT設備配置在變電站內，實現變電站信息匯集上傳至主站。OLT、ONU邏輯圖見圖2。
各變電站OLT的GE口成環,采用MSPP方式進行保護，保護倒換時間為35 ms。根據配電網網架結構的實際情況，EPON通信網主要采用單輻射、手拉手及環形網絡接線方式。ONU終端設備全部選用雙PON口設備，為全網最終形成手拉手及多聯絡自愈保護環結構預留空間。ONU設備采用工業級設備，滿足較惡劣的現場運行環境。
在能夠“手拉手”的站點，優先考慮“手拉手”；在不能“手拉手”的站點，優先考慮環形連接；在既不能“手拉手”又不能環回的站點，則采用鏈形連接。EPON OLT布設如圖3所示。
1.2 公網GPRS通信方式
無線公網通信在配電網中應用模式主要包括兩種：基于專線的應用模式和基于無線VPN的應用模式。基于專線的應用模式具有安全性高、經濟性好等特點，是目前應用最多的一種模式，但是在該模式下通信的IP地址資源和無線資源等仍由運營商管理，可控性較差；基于VPN方式的應用模式需要建立專門的無線公網中心，在無線公用網絡基礎之上組成專用的無線VPN。公網GPRS OLT布設如圖4所示。
配電網自動化系統的遠方監控單元（DTU、FTU等）通過GPRS通信終端連接到移動運營商內部GPRS網絡，再通過移動運營商與配電網自動化主站系統接入路由器之間的有線專線連接到主站系統；GPRS通信終端使用了專用的接入點名稱（APN，Access Point Name）連接到GPRS網絡，在通過身份認證后獲得基于專線的無線GPRS網絡的私有IP地址，與主站系統構成了一個廣域的虛擬專用TCP/IP網絡，從而提供了遠方監控單元與主站系統的雙向通信鏈路，可實現實時的遠程參數設置、數據采集與分析、遠程控制等操作。每個VPN鏈路可滿足 20 000 個終端使用。
2 230 MHz無線局域網原理
在《關于印發民用超短波遙測、遙控、數據傳輸業務頻段規劃的通知》中，國家無線電管理委員會規定223~235 MHz頻段作為遙測、遙控、數據傳輸等業務使用的頻段。目前主要被能源、軍隊、氣象、地震、水利、地礦、輕工等行業使用。該頻段的特點是屬于行業應用，并分配給了8個部委，其中有40個頻點是分配給了電力部門用于電力負荷監控系統。230 MHz頻段（223～235 MHz）頻道間隔為25 kHz，每個頻道占用帶寬小于25 kHz，同時要求最大發送功率小于25 W，帶外雜散小于-17 dBm。各個行業頻點離散分布防止互相干擾。
2.1 頻段特性
電力230 MHz屬于低頻段范圍，是寶貴的頻率資源，具有天然覆蓋遠的優勢，能夠大大降低組網成本，滿足電力用戶分散的需求特點。廣闊的農村可以覆蓋30 km，密集城區可以覆蓋3 km，因此適合于建設廣覆蓋低成本系統，特別適用于配用電信息采集領域。頻譜距離對比如圖5所示。
2.2 系統組成
230無線局域網由230小型基站、230終端組成。其網絡拓撲結構如圖6所示，星型網絡，每一個基站可以運行20~30個終端用戶接入。
2.3 物理層標準
電力業務多樣化，從營銷的用電信息采集、配網自動化、輸電線路檢測，帶寬的需求越來越高，為了提高230 MHz的頻譜利用率，選用4G LTE[2]的物理層算法作為載體，充分利用了其中的核心技術——載波聚合、軟件無線電，可以提高系統的帶寬。
2.4 MAC層標準
230小型基站通過周期性發送信標和超幀實現與相鄰節點同步，則稱該網絡為信標使能網絡，否則為非信標使能網絡。在信標使能網絡中，節點采用時隙載波偵聽沖突避免(CSMA-CA)信道接入機制，在非信標使能網絡中，采用非時隙CSMA-CA機制接入信道。
在信標使能的網絡中，采用時隙CSMA-CA機制，當節點需要發送數據幀或命令幀時，首先定位下一個時隙的邊界，然后等待隨機數目個時隙。等待完畢后，節點開始檢測信道，如果信道忙，即信道上有其他節點傳輸數據，則節點需要重新等待隨機數目個時隙，再檢查信道，重復這個過程直到信道空閑。
在非信標使能的通信網絡中，網絡協調點不發送信標幀，各節點使用非時隙的CSMA-CA機制接入信道。當節點需要發送數據或者MAC命令時，首先等待一段隨機長的時間，然后開始檢測信道狀態：如果信道空閑，則節點開始發送數據：如果信道忙節點需要重新等待一段隨機時間并檢測信道，直到信道空閑。
3 EPON結構下的無線局域網
目前，隨著國網配網自動化建設力度的加強，各供電公司對110 kV及以上所轄區域變電站已實現骨干通信網絡的全光纖通信，使用了SDH技術；對10 kV的配電網站點實施了全部接入網覆蓋，使用的EPON技術。以10 kV的配電網站點作為電力無線局域網的接入點，可以把周圍2~3公里內的故障指示器、集中器、采集器、負控終端接入到電力網絡中。系統結構圖如圖7所示。
3.1 硬件組成
在新型混合式ONU中，除了傳統的ONU主芯片、Flash芯片外，還增加了LTE230基帶芯片、RF芯片，從而使傳統的ONU具備了無線接入的能力。硬件結構如圖8所示。
3.2 組網形式
EPON+230 MHz的微基站，實現了光纖與無線專網通信的有機融合，充分發揮了兩種通信技術各自的長處，將電力專網延伸到配網自動化的所有終端之上。
將EPON光纖通信用于配網的主干層，將線路ONU設備升級為二遙終端信息接入點，采用230 MHz無線專網形成1 km的信號覆蓋，把周邊的斷路器、故障指示器以及用電信息采集設備的信息都接入進來，通過EPON光纖匯聚到主站。組網形式如圖9所示。
3.3 基帶芯片
230終端基帶芯片[3]是集中器等終端設備的核心部分，用于實現電力業務數據的匯聚和上傳以及控制信息的下發。該芯片集成了主頻達400 MHz的DSP處理器和高速本地存儲器，可以快速高效的進行物理層數字信號處理以及MAC層協議解析；同時該芯片具有獨立中頻處理單元，支持中頻數據信號的上下行混頻、抽取、濾波等，可以自行完成中頻信號的處理；芯片內部運用了高可靠性的片上集成eDRAM技術，大幅降低產品成本，提升板級調試和開發效率，保證了系統的高穩定性，進一步節省了芯片用戶的PCB布板空間和制版成本。
3.4 載波聚合
高性能終端，自適應聚合不同數量的頻點，滿足各種數據量業務要求,提高系統和終端設備的峰值傳輸速率。
3.5 軟件無線電
通過采用軟件無線電技術，能夠簡單通過軟件配置擴展工作帶寬，最高帶寬可達125 kHz，提供200 kb/s的業務傳輸速率。
4 系統的優勢
(1)組建了一張完整的電力通信網，主干網采用SDH技術，傳輸網采用EPON技術，接入網采用230 MHz無線專網技術；
(2)230 MHz無線專網的使用，數據不再通過GPRS公網傳輸，大大增強了系統的安全性，能夠有效地避免外部的攻擊；
(3)公網在偏遠地區的信號覆蓋不夠，EPON與230 MHz組成的有線無線混合局域網可以有效提升電網的數據采集、遙控成功率，提升電網的服務質量；
(4)230 MHz屬于電力頻段，不需要繳納流量費，節省了電網的成本；
(5)在新疆當前特殊的反恐形勢下，GPRS隨時會關斷，導致大量的電表芯片、配網終端等設備失聯，處于失控狀態，一張完整的電力通信專網可以很好地解決出現的問題；
(6)在營銷業務上，營銷終端如電表、集中器、采集器、負控終端的數據信息都可以接入這個網絡，充分利用了EPON光纖的高帶寬能力，能夠達到實時采集，從而有效提升智能電網的反應速度；
(7)符合國網力主的營配貫通的原則，避免重復建設，節省國網的成本。
5 系統運行原理
在電力體系下，營銷與配電自動化的協議是完全不一樣的，系統需要在軟件層面上進行開發，以適配各種不同的協議與終端。在通信接口方面，存在著UART、FE兩種接口形式。營銷系統通常使用UART，配電自動化通常使用網口。
5.1 營銷系統——電表
在營銷系統中，電表的數據可以通過混合式ONU直接傳送到系統主站，無需經過集中器、采集器。
在UART接口形式下，電表與230數據終端的速率通常選用9600 b/s，電表傳送的數據通過無線終端送入混合式ONU，ONU會進行協議轉換[4]，以Q/GDW1376.1-2013的形式送入到國網主站系統。主站系統與混合式ONU之間建立起TCP/IP連接，用來傳送信息。如圖10所示。
5.2 營銷系統——集中器、采集器
在營銷系統中，通常情況下電表的數據首先會匯聚到集中器，接著集中器上的數據通過UART或者網口連接到230數據終端，然后通過230無線專網匯聚到混合式ONU，最后通過EPON方式傳送到系統主站。如圖11所示。
（1）FE接口
在FE接口形式下，集中器得到的數據通過無線終端送入混合式ONU，ONU以透傳的方式送入到國網主站系統。主站系統與集中器之間建立起TCP/IP連接，用來傳送信息。
（2）UART接口
在UART接口形式下，集中器得到的數據通過無線終端送入混合式ONU，ONU對數據進行TCP/IP封包，然后通過EPON線路送入到國網主站系統。主站系統與混合式ONU之間建立起TCP/IP連接，用來傳送信息。
5.3 配電自動化系統——FTU、DTU
在配電自動化中，通常使用FE接口。FTU、DTU相關的數據通過網口傳送到230數據終端，然后通過230無線專網匯聚到FTU的ONU，以透傳數據的方式通過EPON線路傳送到配電主站。如圖12所示。
6 系統實測結果
混合ONU的性能，包含了無線覆蓋距離、傳輸速率、信道容量、射頻指標等方面。實測結果如表1所示。
7 結論
本項目的首要目標是利用配電通信中的EPON線路的末端節點，形成無線局域網，搭建完整的電力通信專網；其次，電力無線專網的組建，可以增強電力通信的安全性；再次，無線局域網可以應用到配網自動化、用電信息采集，達到營配貫通、一體化的效果，降低國網的建設成本。
參考文獻
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[2]易睿得，LTE系統原理及應用[M].北京：電子工業出版社，2012.
[3]王于波，張樹華等，230MHz電力頻段專用LTE基帶芯片設計 [J].電子技術應用，2015(1).
[4]王文楨，基于EPON的用電信息采集系統應用研究[J].中國科技信息，2014(3).