配电网自动化系统通信技术探讨

2012-06-15朱吉然冷华荀吉辉薛玮李大公

湖南电力 2012年5期

朱吉然，冷华，荀吉辉，薛玮，李大公

(湖南省电力公司科学研究院，湖南长沙 410007)

配电自动化通信系统作为连接配电主站、子站和终端的桥梁，是配电自动化成功实施的关键环节。稳定可靠的通信系统担负着配电终端快速上传配网设备运行状态信息和配电主站可靠下达控制指令的任务。因此，对不同类型的配网通信技术进行对比分析，选取最佳通信模式，是配电网自动化系统建设的技术保障。

1 智能配电网通信系统的特点和要求

配电自动化作为智能电网在配电领域的支撑系统，具有配电终端数量大、范围广、现场运行条件恶劣等特点，使得配电自动化通信系统与传统的输变电通信系统存在较大区别:

1.1 节点数量大位置分散

有别于传统输变电通信系统相对固定的站点和数量，配电自动化系统中配电终端数量大，位置分散且变动性较大。以长沙河西麓谷配电自动化工程为例，覆盖面积达32.1 km2，涉及4座110 kV和220 kV变电站，35条10 kV配电线路，配电终端共计252台。

1.2 传输数据容量差异大

10 kV线路上的配电终端，如DTU，FTU等传输数据量较小，甚至小于10 B/s，但节点数多。配电主站和子站以及配电主站之间的数据交换量大，达到1 kB/s数量级以上。

1.3 开放式通信接口标准

智能配电网系统中涉及不同厂家终端，各厂家采用的通信标准不一致，对同一标准的理解程度也有差别，因此要求配电自动化通信系统接口采取开放性原则，确保不同厂家设备兼容。

1.4 对通信可靠性要求高

配电自动化系统通信设备大多位于室外或安装在环网柜内，面临恶劣的自然环境和高压电磁干扰，对通信设备可靠性要求高，并要求发生通信故障时，能够快速重启信道或切换通道恢复正常工作。

2 智能配电网通信方式

智能配电网主要通信方式包括有线和无线2种通信方式。有线通信包括:光纤通信、音频电缆通信、电力线载波通信等;无线通信包括:微波通信、无线电通信、GPRS(CDMA)通信、无线专网通信等。以下对常用通信方式进行详细介绍。

2.1 光纤通信

光纤通信是智能配电网通信的主干通信方式，具有传输数据容量大、可靠性高等优点，常见有工业以太网交换机组网和EPON(以太网无源光网络)组网2种形式。

2.1.1 工业以太网交换机组网

早期电力光纤通信采用工业以太网交换机组网，通过在终端位置布放交换机进行光纤连接，组建基于EAPS协议的光纤以太环网〔1〕，采用链形或环形组网方式，具有高带宽、环网保护等优点。

以太网交换机组网对光纤布置、交换机数量要求较高，成本高。智能配电网终端数量庞大，以长沙市为例，仅箱式变便可达5 000台以上，考虑到架空设备、站房的二次终端等，数量可达数万之多。因此，工业以太网交换机的高成本不适合配电网通信网络建设。

2.1.2 EPON

近年，EPON(Ethernet Passive Optical Network)作为成熟的光纤通信技术，代表着智能配电网光纤通信技术的主流方向。EPON系统由局端OLT(光线路终端)、用户侧ONU(光网络单元)以及它们之间的ODN(光分配网)组成，ODN主要包括分光设备POS(无源光分路)和传输光纤。

2.1.2.1 EPON的主要技术特点

1)P2MP:EPON采用P2MP结构，利用波分复用技术实现单纤双向数据通信，下行采用广播方式，上行采用时分多址技术 (TDMA)。ONU之间属物理隔离，可确保某些ONU节点故障时不影响系统中其他ONU的正常工作。

2)无源分光:EPON为无源分光，免维护且不受外界电磁辐射影响，工作稳定可靠。

3)DBA机制:DBA(动态带宽分配)是一种能在微秒或毫秒级时间内完成带宽动态分配的机制〔2〕。DBA根据各ONU设备的业务容量和服务质量情况，实时动态地调整分配带宽，充分利用光纤资源。

2.1.2.2 配网通信中EPON组网模式

配网常见网络结构有单电源辐射网、手拉手环网。由于光纤沿电缆沟布线，因此EPON组网模式与配网组网拓扑一致。

单电源辐射网为多级POS(1∶2非均分分光器)相连的链形结构，拓扑图如图1所示。在配电子站布放OLT设备，通过OLT的一个PON口级联多个POS，POS和ONU可放置于DTU或FTU二次箱体内。

图1 EPON单电源辐射组网拓扑图

针对配电网中常用的“手拉手环网”，EPON组建“手拉手环网”如图2所示。

图2 EPON手拉手环网拓扑图

在配电子站A，B分别布放光方向相对的2个OLT;POS，ONU设备的布放与单电源辐射网络一致;每个ONU的上行链路都实现双PON口链路冗余保护，当出现分支光纤中断、PON口损坏、ONU设备死机或掉电等故障时，可实现通道切换，不影响其他ONU正常工作，保证网络稳定运行。

2.2 音频电缆通信

音频电缆通信具有造价较低、易于实现的特点，但容易受外界环境的干扰。尤其与10 kV线路同杆架设时，当线路发生短路时，短路电流会在音频电缆中产生很高的感应电压，甚至能达到1.5 kV〔2〕，严重损害通信终端设备运行。因此，音频电缆通信正在逐渐淡出配电网通信建设舞台。

2.3 配电载波通信 (DLC)

配电载波通信 (DLC-Distribution Line Carrier)是将需传输的数据调制成载波信号，通过耦合器将信号耦合到配电线路或屏蔽层上，利用现有配电线路作为通信信道的一种通信方式，无须新建信道，具有投资小、覆盖广的优点。

配电载波通信接入配电自动化主站系统拓扑图如图3所示。在变电站布放具有信息汇总功能的主载波机，配电站房安装从载波机负责配电终端信息采集。主载波机负责配电终端运行信息的上传，同时通过载波机将主站的控制命令下发至配电终端。实际应用中，DLC面临以下难点问题需要解决:

图3 DLC典型接入配电自动化主站拓扑图

1)信号通道:线路由于故障或检修，配电开关断开形成断点，需解决线路断开时配电载波通信信道问题。

2)信号衰减:配电线路复杂，不同点之间的信道传输衰耗幅度差别大。主要衰耗包括:分支线路的分支衰耗、配电变压器的泄漏衰耗、故障情况下的故障附加衰耗等〔3〕。

3)阻抗匹配问题:配电线路的输入阻抗随频率、时间和位置变化大，且分支线路对阻抗影响较大，基本无法做到阻抗匹配〔4〕。

近年来，国内科研机构、厂家加大科研力度，针对以上问题给出了不同解决方案，DLC在多个省份配电网建设中得到较为成功的应用，具有较好的发展前景。

2.4 微波扩频通信

微波扩频通信技术是在微波载波信息的基础上进行扩频调制，将信号频带展宽成比信息带宽大得多的宽频信息进行传输的一种通信方式〔5〕。扩频通信技术抗干扰性强、功率谱密度低，在输变电调度自动化和变电站综合自动化系统中得到广泛应用。

对于智能配电网建设而言，微波扩频的通信设备和工程初期投资较大，后期运维成本较高，且城市中高楼林立，往往出现信号屏蔽的现象。因此，智能配电网通信系统中应慎重选择微波通信。

2.5 230 MHz无线电台通信

230 MHz无线电台通信是国家无线电委员会分配给电力专用的无线频点，相邻频点的间隔为50 ～150 kHz，带宽为 25 kHz〔6〕。电台通信具有安装方便、覆盖范围广的优势，但同时存在不足:仅支持点对点的通信，采用数据轮询传输方式，无法满足实时数据上传要求;透明传输模式，缺乏纠错和加密功能;在高层建筑较多或者山区使用时，信号易受干扰。

此外，电台通信速率较低、无线电终端设备价格高等方面的原因也制约了其在配网中的应用。

2.6 无线公网GPRS(CDMA)

GPRS即通用分组无线业务 (General Packet Radio Service)，是在现有GSM系统上发展出来的一种新型的无线数据业务。GPRS提供P2P、外围设备与中心节点之间的通信方式，适合于突发分散、高频小流量数据传输，在配电自动化系统中得到广泛应用。

GPRS典型应用如图4所示。配电终端通过GPRS通信模块将设备信息上传至数据通信中心，经由VPN无线专网传输至配电自动化主站系统。GPRS通信具有以下特点:

图4 GPRS通信系统典型应用

1)技术成熟度高、覆盖面广，目前国内GPRS网络在全国的覆盖率达95%〔7〕，绝大部分配电自动化终端均能得到GPRS网络的覆盖。

2)采用GPRS通信无需进行基础设施建设，虽增加了数据流量费用，但随着网络带宽、技术的提升，数据流量价格日趋便宜，相比日常的运维费用，GPRS经济效益显著。

3)GPRS以语音运营为主，优先保证语音业务，当网络中语音业务繁忙时，会出现电力业务连通率低、甚至中断情况，无法保证数据及时传输。

4)GPRS作为无线公网传输通道，通过建立VPN的方式与其它网络业务隔离，数据保密性较差。对此，国家电网公司发布《中低压配电网自动化系统安全防护补充》规定以暂停公网遥控功能。所以，目前GPRS主要应用于实时性要求不高的“两遥”节点的改造。

2.7 无线专网技术

无线专网技术能够提供高带宽、高速率通信业务，可广泛应用于配电自动化系统中，典型拓扑图如图5所示。国内主流的无线专网技术包括McWiLL(多载波无线信息本地环路，Multi-carrier Wireless information Local Loop)和WiMAX(全球微波互联接入，Worldwide interoperability for Microwave Access)两大方式。

图5 无线专网技术应用典型拓扑

在国内，工信部规定WiMAX由于未经中国标准委员会审定，不能作为国标使用，WiMAX在国内发展前景不明朗。

McWiLL作为SCDMA无线接入技术的宽带演进版，是国内某公司自主研发的移动BWA系统，拥有自主知识产权，得到国家大力扶持，具有国家无线电委员会划分的工作频段:1 785～1 805 MHz和3 300 MHz〔8〕。以McWiLL为例，介绍无线专网技术的特点:

1)双向宽带通信。采用窝组网架构，支持P2P和P2MP的双向数据传输;信道带宽大，吞吐量高，可确保配电自动化相关业务的顺利开展。

2)动态带宽分配。根据业务服务质量要求，动态分配带宽，更好地保证配电自动化不同业务、不同终端对带宽的要求。

3)信号覆盖范围广。McWiLL基站覆盖3～4 km(1.8G 城区)，最大 30 km(LoS 环境)〔9〕。可灵活覆盖分布的通信节点，通过信号交叉覆盖方式确保数据的可靠传输。

4)安全性能保证。与无线公网相比，McWiLL专网独立运行，通过防火墙、MAC地址绑定等一系列策略来保证传输信息的安全，支持端到端的数据加密。

McWiLL具有的带宽大、覆盖广、安全性能好等特点，适合配电网建设的需求，但McWiLL在配网中应用正处起步阶段，能否大规模推广，需在实际中进一步验证。

3 长沙配电自动化系统通信方式

3.1 总体通信网络建设原则

根据长沙市电力通信网络建设的总体原则和试点区域的具体情况，长沙河西麓谷配电自动化系统电力通信接入网采用了EPON和McWiLL 2种技术相结合的方式，如图6所示。采用以“光纤通信为主，无线专网通信为辅”的建设原则，具体为:

图6 长沙配电自动化系统通信网络架构

1)10 kV主干线路采用EPON光纤通信解决方案，组建光纤专用网络，各采集点数据通过EPON系统汇聚到变电站。

2)10 kV大分支线路、重要用户配电间、配变设施和用电集抄优先采用光纤通信，光纤铺设困难情况，辅以无线专网通信覆盖全部试点区域。

3)各信息点通信终端提供的业务接入方式为IP，RS232，RS485(根据配电终端需求确定)。

3.2 EPON网络设计

长沙配电自动化试点采用三遥终端和两遥终端相结合的方式。所有三遥终端采用光纤通信，大部分两遥终端采用无线通信。终端共计252台，其中无线方式 (CPE)198台，有线方式 (ONU)54台。

3.2.1 网络设计思路

根据试点区域配电线路和终端分布情况，基本采用“手拉手环网”结构，与图2一致。考虑未来网络的改造、升级需要，预留部分光功率裕量。

3.2.2 网元设置

3.2.2.1 SDH传输设备的设置

新增OLT站点均配置有长沙地网SDH设备，望城坡变通信站ALCATEL SDH传输设备上配置1块8FE+1GE的ISA－ES4接口板，其余各站利用现有以太网板。长沙电业局配置2台与信息中心接口的网络交换机和网络防火墙1台，望城坡变、金南变、麓谷变、枫林变均配置网络交换机1台。

3.2.2.2 OLT的设置

根据10 kV配电线路终端和光缆敷设情况，在望城坡变、枫林变、麓谷变、金南变共4个站各布置OLT 1套。OLT通过GE或FE接口接入各站配置的ALCATEL 1662SMC/1660SM5 SDH设备。OLT侧采用主干/分支线配电终端PON口区分，便于PON口管理和ONU的故障定位。

3.2.2.3 ONU的设置

ONU的设置综合考虑供电电源、配电终端分布情况，原则上ONU设置在配电终端附近，有条件的情况下与配电终端共箱体，以方便取电。该工程ONU设备采用配网二次设备24 V蓄电池直流供电方式。

3.2.3 多级分光ODN

根据长沙试点范围内10 kV配网主干线路情况，工程ODN结构采用多级分光方案，与图1拓扑一致。在OLT局端和用户接入点处均放置光分路器，主要采用1∶2分光器。第1级分光器设置在变电站配线架内OLT侧;由于大部分主干线长度为8～10 km，其余多级分光器设置在合适的主干线路配电终端ONU附近，光缆连接按照就近原则收敛于该分光器。