范 宏，高 亮，周利俊，李露瑩，張 鑫

（1.上海電力學院 電氣工程學院，上海 200090；2.上海浦海求實電力新技術有限公司，上海 200090）

0 引言

智能電網(wǎng)是未來電網(wǎng)的發(fā)展方向，各國的專家學者已經(jīng)開始對智能電網(wǎng)的各個方面展開研究[1-5]。通信技術是智能電網(wǎng)研究中的關鍵技術之一，電力光纖入戶（PFTTH）技術使電網(wǎng)具備了通信功能，為電網(wǎng)智能化發(fā)展奠定了堅實的基礎。

電力光纖入戶是指在低壓通信接入網(wǎng)中采用光纖復合低壓電纜（OPLC），將光纖隨低壓電力線敷設，實現(xiàn)到表到戶，配合無源光網(wǎng)絡（PON）技術，承載用電信息采集、智能用電雙向交互、三網(wǎng)融合等業(yè)務[6-9]。該技術解決了信息高速公路的末端接入問題，滿足智能電網(wǎng)用電環(huán)節(jié)信息化、自動化、互動化需求，而且還可以實現(xiàn)網(wǎng)絡基礎設施的共建共享，大幅降低“三網(wǎng)融合”實施成本，提高網(wǎng)絡運營效率，具有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢。光纖復合電纜技術實現(xiàn)了電力光纖入戶，支持多種智能電網(wǎng)應用及三網(wǎng)融合。該技術將原來多條通信通道合并為1條，避免了光纖重復敷設，節(jié)省了通信通道，免去了重復開挖施工，減少了后期的運行維護成本，解決了通信網(wǎng)絡中的“最后一公里”難題，是實現(xiàn)智能電網(wǎng)和三網(wǎng)融合的必然選擇[10-12]。

國務院出臺加快推進“電信網(wǎng)”、“廣播電視網(wǎng)”和“互聯(lián)網(wǎng)”三網(wǎng)融合的政策之后，國家電網(wǎng)公司也明確提出充分利用電力通信網(wǎng)絡的優(yōu)勢，支撐三網(wǎng)融合建設[13-14]。上海市電力公司已在多個小區(qū)全面實施了電力光纖入戶試點，實現(xiàn)了多網(wǎng)融合。

1 電力光纖入戶技術目標

基于光纖復合電纜的電力電纜通信接入可以實現(xiàn)多網(wǎng)融合，解決通信網(wǎng)絡“最后一公里”的難題；為配電自動化系統(tǒng)、用電信息采集系統(tǒng)、智能用電等電力通信系統(tǒng)提供通信通道，并實現(xiàn)三網(wǎng)融合，同時實現(xiàn)水、電、煤三表集中采集。

2 電力光纖入戶技術

電力光纖入戶網(wǎng)絡一般處于電力通信網(wǎng)絡變電站到用戶端的接入層網(wǎng)絡中，其在整個電力通信網(wǎng)絡中的位置如圖1所示。電力光纖入戶接入網(wǎng)通過業(yè)務節(jié)點接口（SNI）與核心網(wǎng)相連，通過用戶網(wǎng)絡接口與終端用戶相連。

圖1 PFTTH網(wǎng)絡在電力通信網(wǎng)絡中的位置Fig.1 Location of PFTTH network in power communication network

PON技術是最新發(fā)展的點到多點的光纖接入技術，主要包含ATM無源光網(wǎng)絡（APON）、以太無源光網(wǎng)絡（EPON）、千兆無源光網(wǎng)絡（GPON）3 類，其中EPON以商用較早、核心芯片量產(chǎn)大和設備成本低的顯著優(yōu)勢得到廣泛應用[8]。本文的電力光纖入戶技術基于以太網(wǎng)方式的EPON網(wǎng)絡，采用點到多點結構、無源光纖傳輸，在以太網(wǎng)之上提供多種業(yè)務，在物理層采用了PON技術，在鏈路層使用以太網(wǎng)協(xié)議，利用PON的拓撲結構實現(xiàn)了以太網(wǎng)的接入。

EPON結構主要由局端的光線路終端（OLT）、用戶側的光網(wǎng)絡單元（ONU）和光分布網(wǎng)絡（ODN）組成，如圖2所示。其中，OLT是提供語音、數(shù)據(jù)、視頻業(yè)務網(wǎng)絡的互聯(lián)接口，可實現(xiàn)網(wǎng)絡管理的主要功能；ODN負責連通OLT與所屬的ONU；ONU負責向終端用戶提供所需的業(yè)務接口。

圖2 PFTTH網(wǎng)絡的結構Fig.2 Stucture of PFTTH network

電力光纖入戶網(wǎng)絡的局端是ODN網(wǎng)絡的起始點，通常設置在小區(qū)10kV配電室或110kV變電站；光纜分配點是多個用戶接入點靠近OLT局端的光纖集中匯聚點，通常設置在樓宇配電間；用戶接入點是多個用戶的光纖集中匯聚點，通常設置在樓宇單元內；終端是ODN網(wǎng)絡的終點，在此連接終端設備，通常設置在樓宇單元內（連接智能電能表等）和用戶家庭內部（連接電話機、電視機、計算機等）。因此電力光纖入戶網(wǎng)絡的ODN網(wǎng)絡可分為3段：從局端機房到光纜分配點的饋線段；從光纜分配點到用戶接入點的配線段；從用戶接入點到終端的入戶段。

2.1 電力光纖到樓

電力光纖到樓有2種方式。

a.集中器與主站通信的遠程信道采用光纖通信，集中器通過FE口接入ONU設備，可實現(xiàn)與主站經(jīng)光纖網(wǎng)絡通信；本地信道仍使用低壓電力線載波、RS-485、短距離無線通信等方式。該方式適用于采集系統(tǒng)比電力光纖到樓先建設的情況，系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

圖3 方案1Fig.3 Scheme 1

b.使用光纖采集器實現(xiàn)與主站經(jīng)光纖網(wǎng)絡直接通信，中間省去集中器設備，光纖采集器與電能表通信仍采用RS-485方式。該方式適用于采集系統(tǒng)與電力光纖到樓同步建設和采集系統(tǒng)改造時的情況，用光纖采集器替換原有采集器，并接入ONU設備。系統(tǒng)示意圖如圖4所示。

2.2 電力光纖入戶

圖4 方案2 Fig.4 Scheme 2

電力光纖入戶方案不安裝采集系統(tǒng)設備，直接采用光纖電能表，每塊電能表都是光纖網(wǎng)絡的單元，分配有單獨的IP地址，可經(jīng)光纖網(wǎng)絡與主站直接通信。該方式適用于采集系統(tǒng)與電力光纖到樓同步建設的情況，系統(tǒng)示意圖如圖5所示。

圖5 電力光纖入戶系統(tǒng)的通信建設方案Fig.5 Communication construction scheme of PFTTH system

3 電力光纖入戶方案設計

3.1 分光結構選取

a.中心分光結構。

每個用戶均有專用的光路由用戶端連接到局端，每個用戶的專用光路在網(wǎng)絡接入點通過連接或者熔接的方式連接到分配光纜，分配光纜在本地接入點通過連接或熔接連接到干線光纜，干線光纜可以用同樣的方式連接到中心交換點。在這種結構中本地集中點和網(wǎng)絡接入點僅作為網(wǎng)絡合并點，且低芯數(shù)的光纜合并到大芯數(shù)光纜里。按照點到點的關系，每個用戶連接到局端有源設備或在局端進行分光。

b.本地集中分光結構（即中心分光）。

本地集中分光結構提供每個用戶由用戶端到本地集中點的專用光路，每個用戶的專用光路在網(wǎng)絡接入點及分配光纜都為專用，這些專用光纜被連接到本地集中點。在這種結構中，每個網(wǎng)絡接入點僅提供光纖合并功能，本地集中點具有分光功能。在干線光纜和分配光纜之間使用無源分光器創(chuàng)造點到多點的關系，分配比例最高可達1∶32。

c.分布式分光結構。

分布式分光結構利用分光器在網(wǎng)絡接入點和本地集中點進行分光。在這種結構中，客戶僅有的專用光路是由用戶端到網(wǎng)絡接入點的引入光纜。每個用戶的專用引入光纜連接到網(wǎng)絡接入點的分光器（分光比率通常是 1∶4或1∶8），一條小芯數(shù)的分配光纜將網(wǎng)絡接入點的分光器連接到本地集中點的分光器。這種層疊式的分光方法在干線光纜和分配光纜中制造了一個點到多點的體系結構。

3.2 OPLC的選取

電力光纖入戶系統(tǒng)組網(wǎng)設計還應規(guī)劃網(wǎng)絡連接各節(jié)點線纜，重點考慮線纜的種類、線纜容量（芯數(shù)）、線纜路由、施工工藝。依據(jù)節(jié)點和ODN網(wǎng)絡基本結構，電力光纖入戶系統(tǒng)網(wǎng)絡線纜可分為饋線光纜、配線光纜和入戶光纜3段。

電力光纖入戶系統(tǒng)中，饋線光纜是指小區(qū)10kV配電室至樓宇光纜分配點（樓宇配電間）處的光纜，其選用OPLC，由小區(qū)10kV配電室低壓側沿電纜溝、槽敷設至樓宇光纜分配點（樓宇配電間）處；光纜芯數(shù)應按所帶樓宇最大用戶容量進行配置，并為新業(yè)務開展預留20%的冗余，為光纖備份保護預留20%冗余，總計預留40%的冗余。

電力光纖入戶系統(tǒng)中配線光纜是指樓宇光纜分配點至用戶接入點處的光纜[15-16]。電力光纖入戶系統(tǒng)中，當連接的用戶接入點與樓宇單元內配電電纜連接的節(jié)點位置相同時，配線光纜應選用OPLC，否則應選用普通垂直光纜。光纜由樓宇配電間沿樓宇強電井槽敷設至用戶接入點處；光纜芯數(shù)應按所帶用戶接入點處最大用戶容量進行配置，并為新業(yè)務開展預留20%的冗余，為光纖備份保護預留20%冗余，總計預留40%的冗余。

電力光纖入戶系統(tǒng)中，入戶光纜是指從用戶接入點至用戶終端處的光纜，宜選用皮線光纜。在樓宇電表集中安裝且施工條件適合的情況下，可選用OPLC入戶。入戶端宜采用埋管、線槽方式入戶，光纜芯數(shù)可選擇單芯。

3.3 設備的配置

電力光纖入戶系統(tǒng)網(wǎng)絡主要設備包括OLT、ONU和光分路器（OBD），3種設備均可分為電力系統(tǒng)相關業(yè)務類和三網(wǎng)融合類。

3.3.1 OLT

a.電力系統(tǒng)相關業(yè)務類PON規(guī)劃數(shù)量為電力系統(tǒng)相關業(yè)務部署的ONU數(shù)除以32后向上取整。

b.三網(wǎng)融合類PON規(guī)劃數(shù)量為最大用戶數(shù)除以32后向上取整。

c.PON口規(guī)劃數(shù)可再預留5%的配置冗余數(shù)。

d.上述PON口規(guī)劃數(shù)僅作為電力光纖入戶系統(tǒng)規(guī)劃用途。在工程實施時OLT設備采購部署應根據(jù)用戶實際開通率進行配置，以保障設備投資。

3.3.2 ONU

a.電力系統(tǒng)相關業(yè)務類ONU，用于連接智能電能表、配電自動化終端、分布式電源控制器、電動汽車有序充電控制器等終端。三網(wǎng)融合類ONU用于連接用戶家庭內部電話、電視、計算機等信息設備。

b.用于用電信息采集、配電自動化、分布式電源控制器、電動汽車有序充電控制器等電力系統(tǒng)相關業(yè)務的ONU，用戶側接口應配置RS-485和FE接口，其中用電信息采集ONU單個RS-485接口上串接的智能電能表不應超過32塊。

c.三網(wǎng)融合類ONU，用戶側接口應配置FE接口，并可依據(jù)實際需求選配POTS、CATV等接口。

3.3.3 OBD

a.電力系統(tǒng)相關業(yè)務類OBD，采用一級的集中分光，集中部署在小區(qū)10kV配電室。

b.三網(wǎng)融合類OBD，根據(jù)實際需要可選擇一級分光或二級分光模式，優(yōu)先選用一級分光；在用戶數(shù)比較分散，最大分光端口無法有效利用時，宜采用二級分光的模式。

3.4 節(jié)點位置選取

電力光纖入戶系統(tǒng)組網(wǎng)設計應首先規(guī)劃網(wǎng)絡關鍵節(jié)點的位置。網(wǎng)絡關鍵節(jié)點包括局端、光纜分配點、用戶接入點和終端。

3.4.1 局端

電力光纖入戶系統(tǒng)的局端為OLT設備的部署位置。OLT設備為大容量設備，適合集中部署，可為一片區(qū)域內的多個小區(qū)提供服務，便于設備的集中管理，同時提高設備利用率，減少設備和局端節(jié)點的數(shù)量，有效降低后期運行維護工作量。電力光纖入戶系統(tǒng)一個局端覆蓋的規(guī)劃距離宜取3～5 km左右。

a.在110kV或35kV變電站至規(guī)劃區(qū)域中壓通信接入網(wǎng)已建成的情況下，宜將規(guī)劃區(qū)域的電力光纖入戶的局端設置在110kV變電站，此局端為整個110kV變電站供電區(qū)域提供電力光纖入戶接入。

b.在110kV或35kV變電站至規(guī)劃區(qū)域中壓通信接入網(wǎng)未建成的情況下，宜將電力光纖入戶系統(tǒng)的局端設置在小區(qū)的10kV配電室，待中壓通信接入網(wǎng)建成后，可將其上移至變電站。

c.若小區(qū)用戶數(shù)較多（1萬戶以上），宜將電力光纖入戶系統(tǒng)的局端設置在小區(qū)的10kV配電室。

d.電力光纖入戶系統(tǒng)的局端應配置光纖配線架（ODF）設備，實現(xiàn)OLT設備和饋線光纜的聯(lián)接。

3.4.2 光纜分配點

光纜分配點是指饋線光纜和配線光纜之間的銜接的節(jié)點，可依據(jù)小區(qū)配電電纜交接點進行選擇。

a.光纜分配點宜選擇在樓宇的配電間處。

b.光纜分配點亦可承擔用戶接入點的功能，即由光纜分配點直接連接入戶光纜實現(xiàn)就近用戶的接入。

c.光纜分配點處應安裝光纜交接箱，在作為饋線光纜和配線光纜的OPLC中完成光電分離的光纖接入，并完成饋線和配線光纜的連接。

3.4.3 用戶接入點

用戶接入點較為靠近用戶，是配線光纜和入戶光纜之間的銜接的節(jié)點，可依據(jù)樓宇單元內配電電纜交接點進行選擇。

a.用戶接入點宜選擇在樓宇單元配電電纜連接的節(jié)點處，但不是樓宇單元內每個配電電纜連接的節(jié)點處都要設置用戶接入點。

b.一個用戶接入點所帶用戶數(shù)量不宜超過64戶，所帶樓層范圍不宜超過10層。當樓宇單元內一個配電電纜連接的節(jié)點所帶用戶或范圍超過上述容量時，應在合適樓層增加相應的用戶接入點，此時用戶接入點將不在樓宇單元內配電電纜連接的節(jié)點處。

c.用戶接入點可完成本層及上下幾層用戶的接入。

d.用戶接入點處應安裝光纖分纖箱，在作為配線光纜的OPLC中完成光電分離，并完成配電線光纜和入戶光纜的連接。

3.4.4 終端

電力光纖入戶系統(tǒng)的終端為ONU設備的部署位置，依據(jù)ONU用途可分為用電信息采集類和三網(wǎng)融合類。

a.用電信息采集類ONU終端位置應選擇在樓宇單元用戶接入點處。

b.三網(wǎng)融合類ONU終端位置應選擇在樓宇單元用戶家庭內部。

4 案例

以規(guī)劃區(qū)域樓層高度為18層，每層戶數(shù)為8戶的高層住宅為例進行電力光纖入戶設計。

4.1 節(jié)點位置設計

4.1.1 光纜分配點

光纜分配點設置在樓宇地下室的樓宇配電間，在配電間處配置1個光纜交接箱。

4.1.2 用戶接入點

樓宇1個供電區(qū)域覆蓋用戶數(shù)為72戶。根據(jù)用戶接入點規(guī)劃原則應設置2個用戶接入點。第1個用戶接入點設置在低壓樓宇配電間，與光纜分配點重合，用戶接入點的光纖分纖箱可與光纜交接箱共用；第2個用戶接入點設置在第10層配電電纜連接節(jié)點處，并配置1個光纖分纖箱；第1個用戶接入點容量設計為32戶，覆蓋第1～8層用戶；第2個用戶接入點容量設計為40戶，覆蓋第9～18層用戶。

4.1.3 設備配置

光分路器配置如下。

a.用電信息采集光分路器采用一級分光，使用集中部署在小區(qū)10kV配電室配置的1∶32光分路器；三網(wǎng)融合光分路器依據(jù)用戶接入點的設置和容量進行配置。

b.用戶接入點1的容量為32戶，因此設置1個1∶32光分路器，采用一級分光；用戶接入點2容量為40戶，因此設置1個1∶32光分路器作為一級分光和1個1∶8光分路器作為二級分光。其中1∶8光分路器為第2級，將與部署在小區(qū)10kV配電室的1∶4光分路構成二級分光結構。

ONU終端配置如下。

a.用電信息采集ONU配置：樓宇1個供電區(qū)域覆蓋用戶數(shù)為72戶，按72塊電能表計算，需要配置3個ONU。用戶接入點1放置1個ONU，串接第1～8層的電表；用戶接入點2放置2個ONU，分別串接第9～10層和第11～18層的電表。

b.三網(wǎng)融合ONU配置：樓宇1個供電區(qū)域覆蓋用戶數(shù)為72戶，需要配置72個ONU，放置在用戶戶內。

PON口配置如下：

用電信息采集業(yè)務占用3／32個PON口；三網(wǎng)融合業(yè)務應用占用3／25個PON口。

4.2 線纜

a.饋線光纜。饋線光纜為小區(qū)10kV配電間到樓宇配電間的光纜，采用三相OPLC中纖芯。由小區(qū)10kV配電間沿電纜溝、槽敷設至樓宇地下間的低壓配電間；用于承載用電信息采集纖芯數(shù)為3根，承載三網(wǎng)融合業(yè)務纖芯數(shù)為3根，并同時考慮40%的冗余，則纖芯數(shù)為8.4根，參考OPLC纖芯規(guī)格，可配置12芯OPLC。

b.配線光纜。配線光纜為樓宇配電間到用戶接入點之間的光纜。用戶接入點1在樓宇配電間，與光纜分配點重合，由光纜分配點直接連接入戶光纜實現(xiàn)就近用戶的接入；用戶接入點2在第10層配電電纜連接節(jié)點處。因此配線光纜采用三相OPLC中纖芯。

c.入戶光纜。入戶光纜為用戶接入點到ONU終端的光纜。用戶接入點1采用32根單芯皮線光纜，實現(xiàn)第1～8層用戶的光纖入戶；用戶接入點2采用40根單芯皮線光纜，實現(xiàn)第9～18層用戶的光纖入戶。

5 南橋智能小區(qū)的電力光纖入戶

南橋智能小區(qū)已實現(xiàn)電力光纖入戶，其智能用電服務小區(qū)通信方式采用EPON技術，在用戶室內配置ONU終端，與智能交互終端、智能交互機頂盒、固定電話等設備連接，實現(xiàn)語音、數(shù)據(jù)、有線電視的信息接入，試點整體結構如圖6所示。

圖6 南橋智能小區(qū)試點的PFTTH系統(tǒng)結構Fig.6 Structure of PFTTH system for Nanqiao smart community

新建小區(qū)采用光纖至電能表箱的方式實現(xiàn)了用電信息采集，再進一步將光纖延伸至用戶家中，開展智能用電小區(qū)和“多網(wǎng)融合”業(yè)務。該小區(qū)從配電變壓器至樓宇配電箱敷設三相四線OPLC；從樓宇配電箱至樓層電能表箱敷設單相兩線OPLC；從電能表至用戶戶內閘箱敷設皮線光纜；并將各段光纖連接，實現(xiàn)了電力光纖入戶。

6 結語

智能電網(wǎng)中的電力光纖入戶技術是目前是智能電網(wǎng)的一個重要研究方向，為智能電網(wǎng)的建設起到積極的推動作用，該技術具有潛在的商業(yè)價值，但仍需要進一步改進和成熟。