王于波，张树华，赵东艳
（北京智芯微电子科技有限公司，北京 100192）
摘 要： 分析了现有配电通信方式的原理，列举了230 MHz无线局域网的原理，给出了替代GPRS的方案。针对现有配电自动化通信方式的特点，提出了合理的系统架构，并给出了相应的系统运行原理。实测结果表明替代GPRS的传输技术是配电自动化通信有力的补充手段。
0 引言
配电通信系统建设以满足配电信息交互可靠性、安全性、实时性为目的，以智能配电需求和今后扩展应用为远期发展目标，采用经济合理、先进成熟的通信技术，建设高速、双向、实时、集成的，便于管理、具有良好扩展性的配电通信系统为总体目标。
电力系统配电通信网目前采用有线和无线两种建设模式。配电网通信采用分层分级建设原则，建设配电主站、变电站、10千伏配电站点等配电网信息传送网络，首选EPON通信方式[1]，不具备光缆敷设条件的站点采用无线公网通信方式作为补充。
无线公网普遍使用GPRS公网（租用）和CDMA公网（租用）。国网多个地方电力公司已经开展了基于公网的配用电远程信息采集业务，但近期的发展速度在逐步放缓，原因是基于公网进行规模应用暴露出一些问题：如传输时延大、数据丢失现象较为严重；电力数据承载在同一张公众通信网内，存在信息安全隐患。
伴随着国网配网自动化建设力度的加大，在EPON有线通信网络末端节点形成无线局域网，利用电力频段230 MHz的广覆盖特性，原来通过GPRS方式通信的终端节点可以通过电力无线局域网接入电网EPON有线网络中，从而形成一张完整的电力通信专网，增强了电网的安全性。通过研究采用EPON有线与230 MHz无线局域网的通信平台，无线技术作为有线的延伸，有效拓宽了电力专网的覆盖范围，可以大大增强系统的可靠性与安全性，为未来坚强智能电网打好通信基础。
1 传统的配电自动化通信方式
对“三遥”实施区域的配电自动化站点建设专用光纤通信网，今后通信网将全面覆盖10千伏配电网站点，为全面实现配电网自动化调度打好基础。对“二遥”实施区域的配电自动化站点采用GPRS无线公网，并通过VPN专线、正反向隔离等措施实现安全防护。图1所示为配网通信方式示意图。
1.1 EPON通信方式
建设统一的配用电通信平台。在电力通信骨干网层，配电自动化主站至变电站的通信方式采用已建成的SDH骨干光纤传输网方案。在配用电通信网层，变电站至开关站/环网柜等配电站点选择EPON光纤专网技术为主、载波为辅的接入方案。
采用EPON通信技术时，ONU设备配置在开关站/环网柜/分支箱/柱上开关，实现相关设备信息上传至变电站。OLT设备配置在变电站内，实现变电站信息汇集上传至主站。OLT、ONU逻辑图见图2。
各变电站OLT的GE口成环,采用MSPP方式进行保护，保护倒换时间为35 ms。根据配电网网架结构的实际情况，EPON通信网主要采用单辐射、手拉手及环形网络接线方式。ONU终端设备全部选用双PON口设备，为全网最终形成手拉手及多联络自愈保护环结构预留空间。ONU设备采用工业级设备，满足较恶劣的现场运行环境。
在能够“手拉手”的站点，优先考虑“手拉手”；在不能“手拉手”的站点，优先考虑环形连接；在既不能“手拉手”又不能环回的站点，则采用链形连接。EPON OLT布设如图3所示。
1.2 公网GPRS通信方式
无线公网通信在配电网中应用模式主要包括两种：基于专线的应用模式和基于无线VPN的应用模式。基于专线的应用模式具有安全性高、经济性好等特点，是目前应用最多的一种模式，但是在该模式下通信的IP地址资源和无线资源等仍由运营商管理，可控性较差；基于VPN方式的应用模式需要建立专门的无线公网中心，在无线公用网络基础之上组成专用的无线VPN。公网GPRS OLT布设如图4所示。
配电网自动化系统的远方监控单元（DTU、FTU等）通过GPRS通信终端连接到移动运营商内部GPRS网络，再通过移动运营商与配电网自动化主站系统接入路由器之间的有线专线连接到主站系统；GPRS通信终端使用了专用的接入点名称（APN，Access Point Name）连接到GPRS网络，在通过身份认证后获得基于专线的无线GPRS网络的私有IP地址，与主站系统构成了一个广域的虚拟专用TCP/IP网络，从而提供了远方监控单元与主站系统的双向通信链路，可实现实时的远程参数设置、数据采集与分析、远程控制等操作。每个VPN链路可满足 20 000 个终端使用。
2 230 MHz无线局域网原理
在《关于印发民用超短波遥测、遥控、数据传输业务频段规划的通知》中，国家无线电管理委员会规定223~235 MHz频段作为遥测、遥控、数据传输等业务使用的频段。目前主要被能源、军队、气象、地震、水利、地矿、轻工等行业使用。该频段的特点是属于行业应用，并分配给了8个部委，其中有40个频点是分配给了电力部门用于电力负荷监控系统。230 MHz频段（223～235 MHz）频道间隔为25 kHz，每个频道占用带宽小于25 kHz，同时要求最大发送功率小于25 W，带外杂散小于-17 dBm。各个行业频点离散分布防止互相干扰。
2.1 频段特性
电力230 MHz属于低频段范围，是宝贵的频率资源，具有天然覆盖远的优势，能够大大降低组网成本，满足电力用户分散的需求特点。广阔的农村可以覆盖30 km，密集城区可以覆盖3 km，因此适合于建设广覆盖低成本系统，特别适用于配用电信息采集领域。频谱距离对比如图5所示。
2.2 系统组成
230无线局域网由230小型基站、230终端组成。其网络拓扑结构如图6所示，星型网络，每一个基站可以运行20~30个终端用户接入。
2.3 物理层标准
电力业务多样化，从营销的用电信息采集、配网自动化、输电线路检测，带宽的需求越来越高，为了提高230 MHz的频谱利用率，选用4G LTE[2]的物理层算法作为载体，充分利用了其中的核心技术——载波聚合、软件无线电，可以提高系统的带宽。
2.4 MAC层标准
230小型基站通过周期性发送信标和超帧实现与相邻节点同步，则称该网络为信标使能网络，否则为非信标使能网络。在信标使能网络中，节点采用时隙载波侦听冲突避免(CSMA-CA)信道接入机制，在非信标使能网络中，采用非时隙CSMA-CA机制接入信道。
在信标使能的网络中，采用时隙CSMA-CA机制，当节点需要发送数据帧或命令帧时，首先定位下一个时隙的边界，然后等待随机数目个时隙。等待完毕后，节点开始检测信道，如果信道忙，即信道上有其他节点传输数据，则节点需要重新等待随机数目个时隙，再检查信道，重复这个过程直到信道空闲。
在非信标使能的通信网络中，网络协调点不发送信标帧，各节点使用非时隙的CSMA-CA机制接入信道。当节点需要发送数据或者MAC命令时，首先等待一段随机长的时间，然后开始检测信道状态：如果信道空闲，则节点开始发送数据：如果信道忙节点需要重新等待一段随机时间并检测信道，直到信道空闲。
3 EPON结构下的无线局域网
目前，随着国网配网自动化建设力度的加强，各供电公司对110 kV及以上所辖区域变电站已实现骨干通信网络的全光纤通信，使用了SDH技术；对10 kV的配电网站点实施了全部接入网覆盖，使用的EPON技术。以10 kV的配电网站点作为电力无线局域网的接入点，可以把周围2~3公里内的故障指示器、集中器、采集器、负控终端接入到电力网络中。系统结构图如图7所示。
3.1 硬件组成
在新型混合式ONU中，除了传统的ONU主芯片、Flash芯片外，还增加了LTE230基带芯片、RF芯片，从而使传统的ONU具备了无线接入的能力。硬件结构如图8所示。
3.2 组网形式
EPON+230 MHz的微基站，实现了光纤与无线专网通信的有机融合，充分发挥了两种通信技术各自的长处，将电力专网延伸到配网自动化的所有终端之上。
将EPON光纤通信用于配网的主干层，将线路ONU设备升级为二遥终端信息接入点，采用230 MHz无线专网形成1 km的信号覆盖，把周边的断路器、故障指示器以及用电信息采集设备的信息都接入进来，通过EPON光纤汇聚到主站。组网形式如图9所示。
3.3 基带芯片
230终端基带芯片[3]是集中器等终端设备的核心部分，用于实现电力业务数据的汇聚和上传以及控制信息的下发。该芯片集成了主频达400 MHz的DSP处理器和高速本地存储器，可以快速高效的进行物理层数字信号处理以及MAC层协议解析；同时该芯片具有独立中频处理单元，支持中频数据信号的上下行混频、抽取、滤波等，可以自行完成中频信号的处理；芯片内部运用了高可靠性的片上集成eDRAM技术，大幅降低产品成本，提升板级调试和开发效率，保证了系统的高稳定性，进一步节省了芯片用户的PCB布板空间和制版成本。
3.4 载波聚合
高性能终端，自适应聚合不同数量的频点，满足各种数据量业务要求,提高系统和终端设备的峰值传输速率。
3.5 软件无线电
通过采用软件无线电技术，能够简单通过软件配置扩展工作带宽，最高带宽可达125 kHz，提供200 kb/s的业务传输速率。
4 系统的优势
(1)组建了一张完整的电力通信网，主干网采用SDH技术，传输网采用EPON技术，接入网采用230 MHz无线专网技术；
(2)230 MHz无线专网的使用，数据不再通过GPRS公网传输，大大增强了系统的安全性，能够有效地避免外部的攻击；
(3)公网在偏远地区的信号覆盖不够，EPON与230 MHz组成的有线无线混合局域网可以有效提升电网的数据采集、遥控成功率，提升电网的服务质量；
(4)230 MHz属于电力频段，不需要缴纳流量费，节省了电网的成本；
(5)在新疆当前特殊的反恐形势下，GPRS随时会关断，导致大量的电表芯片、配网终端等设备失联，处于失控状态，一张完整的电力通信专网可以很好地解决出现的问题；
(6)在营销业务上，营销终端如电表、集中器、采集器、负控终端的数据信息都可以接入这个网络，充分利用了EPON光纤的高带宽能力，能够达到实时采集，从而有效提升智能电网的反应速度；
(7)符合国网力主的营配贯通的原则，避免重复建设，节省国网的成本。
5 系统运行原理
在电力体系下，营销与配电自动化的协议是完全不一样的，系统需要在软件层面上进行开发，以适配各种不同的协议与终端。在通信接口方面，存在着UART、FE两种接口形式。营销系统通常使用UART，配电自动化通常使用网口。
5.1 营销系统——电表
在营销系统中，电表的数据可以通过混合式ONU直接传送到系统主站，无需经过集中器、采集器。
在UART接口形式下，电表与230数据终端的速率通常选用9600 b/s，电表传送的数据通过无线终端送入混合式ONU，ONU会进行协议转换[4]，以Q/GDW1376.1-2013的形式送入到国网主站系统。主站系统与混合式ONU之间建立起TCP/IP连接，用来传送信息。如图10所示。
5.2 营销系统——集中器、采集器
在营销系统中，通常情况下电表的数据首先会汇聚到集中器，接着集中器上的数据通过UART或者网口连接到230数据终端，然后通过230无线专网汇聚到混合式ONU，最后通过EPON方式传送到系统主站。如图11所示。
（1）FE接口
在FE接口形式下，集中器得到的数据通过无线终端送入混合式ONU，ONU以透传的方式送入到国网主站系统。主站系统与集中器之间建立起TCP/IP连接，用来传送信息。
（2）UART接口
在UART接口形式下，集中器得到的数据通过无线终端送入混合式ONU，ONU对数据进行TCP/IP封包，然后通过EPON线路送入到国网主站系统。主站系统与混合式ONU之间建立起TCP/IP连接，用来传送信息。
5.3 配电自动化系统——FTU、DTU
在配电自动化中，通常使用FE接口。FTU、DTU相关的数据通过网口传送到230数据终端，然后通过230无线专网汇聚到FTU的ONU，以透传数据的方式通过EPON线路传送到配电主站。如图12所示。
6 系统实测结果
混合ONU的性能，包含了无线覆盖距离、传输速率、信道容量、射频指标等方面。实测结果如表1所示。
7 结论
本项目的首要目标是利用配电通信中的EPON线路的末端节点，形成无线局域网，搭建完整的电力通信专网；其次，电力无线专网的组建，可以增强电力通信的安全性；再次，无线局域网可以应用到配网自动化、用电信息采集，达到营配贯通、一体化的效果，降低国网的建设成本。
参考文献
[1]王宇光.EPON在电力系统中的部署[J].电信技术，2007(8).
[2]易睿得，LTE系统原理及应用[M].北京：电子工业出版社，2012.
[3]王于波，张树华等，230MHz电力频段专用LTE基带芯片设计 [J].电子技术应用，2015(1).
[4]王文桢，基于EPON的用电信息采集系统应用研究[J].中国科技信息，2014(3).