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0 引言
目前，配用电网自动化在全国展开了全面的试点工作，取得了阶段性的成果。在已完成的试点中，通信网络采用了光纤通信为主，载波和无线为辅的技术路线。这几种通信技术都存在明显的缺陷：光纤通信存在光缆铺设难度高，周期长，综合成本高等问题；无线专网存在频点申请困难，存在覆盖盲点等问题；无线公网则存在安全隐患，在线率低等问题；而载波通信存在通信质量不高，带宽低等问题。
载波通信技术具有的独特优势：无介质铺设的困难，可快速部署，专网专用，安全性更高。但是，当前传统载波通信技术主要存在如下的问题，严重影响了载波技术在智能配用电网上的推广和应用：通信质量低，误码率高，时延大；无法支持多个逻辑子网；无法跨越多级分支箱；信息安全有隐患等。
新一代载波通信技术对载波通信的协议栈进行了革新，引入业界先进成熟的通信技术，从物理层、媒体访问控制层、高级链路层到网络层，全面实现了对传统载波技术的突破和超越。
本文在描述新一代载波通信技术的原理及技术特点的基础上，提出适用于智能配用电网通信的综合解决方案模型。
1技术原理
1.1 物理层调制技术
新一代载波技术在物理层上采用OFDM调制技术。OFDM正交频分复用技术提供多个子载波，覆盖10-500khz频段。它既提供了强大的抗干扰能力，也提高了频谱利用率，能在有限的频段上提供高速速率。采用OFDM作为物理层的应用还包括：低压宽带载波、4G LTE 下行通道、ADSL、WLAN、数字音频广播DAB、数字视频广播DVB、HDTV等。
其主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。
1.2 物理层编码技术
编码技术上采用采用PSK相移键控技术，提供DBPSK、DQPSK、D8PSK调制方式，显著增强传输的抗干扰、数据的保密性及吞吐量，可针对不同的干扰强度灵活选择编码方式。此外，还支持两层FEC前向纠错功能。通过采用多个子载波、编码和纠错，更好地消除了通信中的噪音和选择性减弱。
1.3 MAC层
MAC层采用基于IEEE 802.15.4标准的CSMA/CA载波侦听多路冲突检测/回避技术。
CSMA/CA技术提供类似于以太网冲突检测的机制，且更适应于信号和干扰强度动态变化的网络，具备高扩展性，支持多个逻辑网络同时存在，无需知道电网物理结构，在Zigbee和WirelessHART等网络里已有广泛使用。
1.4 网络层
6LoWPAN技术实现了在IEEE 802.15.4链路上的Mesh路由和支持基于IPV6的通信。
Mesh网络（网状网络）也称为“多跳”网络，它是一种与传统网络完全不同的新型网络技术。 在Mesh网络中，任何設备节点都可以发送和接收信号，每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。这种结构的最大好处在于：如果最近的节点由于流量过大而导致拥塞的话，那么数据可以自动重新路由到一个通信流量较小的邻近节点进行传输。
与传统的网络相比，Mesh网络具有几个无可比拟的优势：
1）.快速部署和易于安装。安装Mesh节点非常简单，由于极大地简化了安装，用户可以很容易增加新的节点来扩大网络的覆盖范围和网络容量。因此大大降低了成本和安装时间，仅这一点带来的成本节省就是非常可观的。
2）.健壮性。实现网络健壮性通常的方法是使用多路由器来传输数据。如果某个路由器发生故障，信息由其他路由器通过备用路径传送。在单跳网络中，如果某一个节点出现故障，整个网络也就随之瘫痪。而在Mesh网络结构中，由于每个节点都有一条或几条传送数据的路径。如果最近的节点出现故障或者受到干扰，数据包将自动路由到备用路径继续进行传输，整个网络的运行不会受到影响。
3）.结构灵活。在多跳网络中，设备可以通过不同的节点同时连接到网络，因此不会导致系统性能的降低。Mesh网络还提供了更大的冗余机制和通信负载平衡功能。在Mesh网络中，每个设备都有多个传输路径可用，网络可以根据每个节点的通信负载情况动态地分配通信路由，从而有效地避免了节点的通信拥塞。
此外，网络层支持IPV6/V4双栈协议。在IPV4地址已经用尽的今天，支持IPV6已经是大势所趋。IPV6除了提供海量的地址之外，在其他很多方面做了优化，利于大规模网络的数据高效传送。而6LoWPAN技术可以很好的实现了对IP报头的压缩、分片和重组。
2 新一代载波通信技术的优势
新一代载波技术存在以下的技术优点：
·全面兼容性：基于OFDM技术，与S-FSK技术共存，兼容已有网络。
·抗强干扰：能在极其嘈杂的环境下工作，支持跨配电变压器通信。
·高速率：双向通信，最高传输速率可达近300Kbps。
·灵活组网：支持各种拓扑，自动信号中继，无站点个数限制，冲突检测和避免机制优于低效率的轮询。
·信息安全：AES-128加密引擎，EAP-PSK双向认证。
·前向兼容：支持IPv6互联网协议标准，支持基于互联网的能量管理系统。
3新一代载波通信技术应用
智能电网配用电通信接入网的层次架构，依据电压等级，主要划分为10kV、0.4kV和用户室内3个层面，如图4所示。主要业务主要包括配网自动化、低压集中抄表等。
由于接入层和用电信息层的现场情况比较复杂，特别是用电信息层低压集中抄表业务的现场结构类型较多（如表1所示），目前尚未有一种合适的方案能提供适用于不同场景的电表终端通信。
序号场景类型特点电表终端设备配置
1多层独立表箱楼层不多，各层都分布有独立的电表1集中器+1采集器
2多层集中表箱楼层不多，电表集中分布在某一层1集中器+1采集器
3高层集中表箱楼层较多，每隔几层就会有一层集中放电表的区域1集中器+每1～6层配置一台采集器
4低压工商业门面独立电表、空间上连续排布1集中器+约每10个用户配置一台采集器
5分散独立用户别墅区或农村较分散用户电表集成了集中器
新一代载波通信技术支持跨配电变压器通信，所以本文提出了基于新一代载波通信技术的适用于智能配用电业务通信的综合解决方案，拓扑结构如图5所示。110kV变电站将配置主载波机，DTU等配网自动化终端配置从载波机，通过10kV电力线为载体实现中压配网自动化业务上传至变电站；集中器和采集器分别配置载波模块，并作为模块嵌入至集中器和采集器终端里，通过380V电力线实现集中器与采集器之间的通信，采集器和电表之间采用现在已经很成熟的RS485通信。因为新一代载波通信技术支持跨配电变压器通信，所以本方案将不再在集中器配置远程通信模块，将直接通过载波模块，跨变压器实现低压集抄业务数据从集中器至变电站。
该方案经济、可靠，在不增加额外投资的情况下，实现了中压配网自动化业务和低压集中抄表业务同时共享一个专用网络，提高了低压集中抄表远程通信的可靠性。
4结束语
本文通过对新一代载波通信技术特性的分析，得出新一代载波通信系统在实现智能配用电网通信的优势，并提出了一种适用于智能配用电通信的综合解决方案。该方案在不增加额外投资的情况，提高了中压配网自动化通信专网的通道利用率，提高了低压集中抄表业务通信的可靠性，具有大规模推广的价值。
目前，配用电网自动化在全国展开了全面的试点工作，取得了阶段性的成果。在已完成的试点中，通信网络采用了光纤通信为主，载波和无线为辅的技术路线。这几种通信技术都存在明显的缺陷：光纤通信存在光缆铺设难度高，周期长，综合成本高等问题；无线专网存在频点申请困难，存在覆盖盲点等问题；无线公网则存在安全隐患，在线率低等问题；而载波通信存在通信质量不高，带宽低等问题。
载波通信技术具有的独特优势：无介质铺设的困难，可快速部署，专网专用，安全性更高。但是，当前传统载波通信技术主要存在如下的问题，严重影响了载波技术在智能配用电网上的推广和应用：通信质量低，误码率高，时延大；无法支持多个逻辑子网；无法跨越多级分支箱；信息安全有隐患等。
新一代载波通信技术对载波通信的协议栈进行了革新，引入业界先进成熟的通信技术，从物理层、媒体访问控制层、高级链路层到网络层，全面实现了对传统载波技术的突破和超越。
本文在描述新一代载波通信技术的原理及技术特点的基础上，提出适用于智能配用电网通信的综合解决方案模型。
1技术原理
1.1 物理层调制技术
新一代载波技术在物理层上采用OFDM调制技术。OFDM正交频分复用技术提供多个子载波，覆盖10-500khz频段。它既提供了强大的抗干扰能力，也提高了频谱利用率，能在有限的频段上提供高速速率。采用OFDM作为物理层的应用还包括：低压宽带载波、4G LTE 下行通道、ADSL、WLAN、数字音频广播DAB、数字视频广播DVB、HDTV等。
其主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。
1.2 物理层编码技术
编码技术上采用采用PSK相移键控技术，提供DBPSK、DQPSK、D8PSK调制方式，显著增强传输的抗干扰、数据的保密性及吞吐量，可针对不同的干扰强度灵活选择编码方式。此外，还支持两层FEC前向纠错功能。通过采用多个子载波、编码和纠错，更好地消除了通信中的噪音和选择性减弱。
1.3 MAC层
MAC层采用基于IEEE 802.15.4标准的CSMA/CA载波侦听多路冲突检测/回避技术。
CSMA/CA技术提供类似于以太网冲突检测的机制，且更适应于信号和干扰强度动态变化的网络，具备高扩展性，支持多个逻辑网络同时存在，无需知道电网物理结构，在Zigbee和WirelessHART等网络里已有广泛使用。
1.4 网络层
6LoWPAN技术实现了在IEEE 802.15.4链路上的Mesh路由和支持基于IPV6的通信。
Mesh网络（网状网络）也称为“多跳”网络，它是一种与传统网络完全不同的新型网络技术。 在Mesh网络中，任何設备节点都可以发送和接收信号，每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。这种结构的最大好处在于：如果最近的节点由于流量过大而导致拥塞的话，那么数据可以自动重新路由到一个通信流量较小的邻近节点进行传输。
与传统的网络相比，Mesh网络具有几个无可比拟的优势：
1）.快速部署和易于安装。安装Mesh节点非常简单，由于极大地简化了安装，用户可以很容易增加新的节点来扩大网络的覆盖范围和网络容量。因此大大降低了成本和安装时间，仅这一点带来的成本节省就是非常可观的。
2）.健壮性。实现网络健壮性通常的方法是使用多路由器来传输数据。如果某个路由器发生故障，信息由其他路由器通过备用路径传送。在单跳网络中，如果某一个节点出现故障，整个网络也就随之瘫痪。而在Mesh网络结构中，由于每个节点都有一条或几条传送数据的路径。如果最近的节点出现故障或者受到干扰，数据包将自动路由到备用路径继续进行传输，整个网络的运行不会受到影响。
3）.结构灵活。在多跳网络中，设备可以通过不同的节点同时连接到网络，因此不会导致系统性能的降低。Mesh网络还提供了更大的冗余机制和通信负载平衡功能。在Mesh网络中，每个设备都有多个传输路径可用，网络可以根据每个节点的通信负载情况动态地分配通信路由，从而有效地避免了节点的通信拥塞。
此外，网络层支持IPV6/V4双栈协议。在IPV4地址已经用尽的今天，支持IPV6已经是大势所趋。IPV6除了提供海量的地址之外，在其他很多方面做了优化，利于大规模网络的数据高效传送。而6LoWPAN技术可以很好的实现了对IP报头的压缩、分片和重组。
2 新一代载波通信技术的优势
新一代载波技术存在以下的技术优点：
·全面兼容性：基于OFDM技术，与S-FSK技术共存，兼容已有网络。
·抗强干扰：能在极其嘈杂的环境下工作，支持跨配电变压器通信。
·高速率：双向通信，最高传输速率可达近300Kbps。
·灵活组网：支持各种拓扑，自动信号中继，无站点个数限制，冲突检测和避免机制优于低效率的轮询。
·信息安全：AES-128加密引擎，EAP-PSK双向认证。
·前向兼容：支持IPv6互联网协议标准，支持基于互联网的能量管理系统。
3新一代载波通信技术应用
智能电网配用电通信接入网的层次架构，依据电压等级，主要划分为10kV、0.4kV和用户室内3个层面，如图4所示。主要业务主要包括配网自动化、低压集中抄表等。
由于接入层和用电信息层的现场情况比较复杂，特别是用电信息层低压集中抄表业务的现场结构类型较多（如表1所示），目前尚未有一种合适的方案能提供适用于不同场景的电表终端通信。
序号场景类型特点电表终端设备配置
1多层独立表箱楼层不多，各层都分布有独立的电表1集中器+1采集器
2多层集中表箱楼层不多，电表集中分布在某一层1集中器+1采集器
3高层集中表箱楼层较多，每隔几层就会有一层集中放电表的区域1集中器+每1～6层配置一台采集器
4低压工商业门面独立电表、空间上连续排布1集中器+约每10个用户配置一台采集器
5分散独立用户别墅区或农村较分散用户电表集成了集中器
新一代载波通信技术支持跨配电变压器通信，所以本文提出了基于新一代载波通信技术的适用于智能配用电业务通信的综合解决方案，拓扑结构如图5所示。110kV变电站将配置主载波机，DTU等配网自动化终端配置从载波机，通过10kV电力线为载体实现中压配网自动化业务上传至变电站；集中器和采集器分别配置载波模块，并作为模块嵌入至集中器和采集器终端里，通过380V电力线实现集中器与采集器之间的通信，采集器和电表之间采用现在已经很成熟的RS485通信。因为新一代载波通信技术支持跨配电变压器通信，所以本方案将不再在集中器配置远程通信模块，将直接通过载波模块，跨变压器实现低压集抄业务数据从集中器至变电站。
该方案经济、可靠，在不增加额外投资的情况下，实现了中压配网自动化业务和低压集中抄表业务同时共享一个专用网络，提高了低压集中抄表远程通信的可靠性。
4结束语
本文通过对新一代载波通信技术特性的分析，得出新一代载波通信系统在实现智能配用电网通信的优势，并提出了一种适用于智能配用电通信的综合解决方案。该方案在不增加额外投资的情况，提高了中压配网自动化通信专网的通道利用率，提高了低压集中抄表业务通信的可靠性，具有大规模推广的价值。