多种通信方式并存的配网自动化通信系统的研究

毛 弋,蒋 盈 ,李宝玉,朱晓亮,向海燕

(湖南大学电气与信息工程学院，中国 长沙 410082)

与国外英美法日等发达国家早在上世纪90年代就已经基本实现全国的配网自动化不同,我国配网自动化系统的建设直到1995年以前都处于空白阶段．通过引进国外的先进技术和经验，经过近20年的发展,我国的配网自动化系统建设取得了长足的进步，但是在配电网自动化的建设过程中，仍然存在着许多问题．而通信系统作为配网自动化系统中的重要组成部分，通信技术的发展直接制约着配电系统的发展，一直是配电网发展的“瓶颈”所在．目前，在我国绝大部分地区，都已经在35 kV及以上的变电站之间实现了光纤覆盖，可以实现变电站到主站的信息传输以及环网自愈功能，但是未建成完整的配电通信网，电力电缆沟道铺设时也没有预埋光缆，各地区配电子站与配电终端间的信息通信方式各具特色，缺乏统一的标准与模式，这在很大程度上制约着配电自动化通信系统建设的顺利实施．具体来说，通信系统分为两层，第一层是主站跟子站之间的通信；第二层是配电终端与子站之间的通信，而这一层也就是本文研究的重点．由于配电终端具有点多面广，环境多变等特点，单一的通信技术很难满足需要．针对配电网通信系统中存在的这些问题,结合中国移动南方基地的配网自动化现状,本文通过采用以EPON为主，GPRS为辅的通信方式来设计多种通信方式并存的配网自动化通信系统来解决这些问题，该通信技术的选择也符合当前的发展趋势．

1 EPON通信技术及在配网自动化系统中的可行性分析

无源光网络技术是上世纪90年代提出来的，可在多种拓扑结构下进行高速的光纤通信的一种点到多点的通信技术，不包含任何有源电子设备，是纯介质网络，只包括无源分光器等无源器件，可以有效地避免电磁干扰，具有低廉、高带宽、简洁、可靠等特点．因此，在配网通信系统中，无源光纤技术，特别是以太网无源光网络(EPON)技术被认为是未来重要的发展方向．因此本文在设计通信系统时采用以EPON技术为主的通信方式．

1.1 EPON技术原理

图1 EPON原理框图Fig.1 EPON principle block diagram

EPON系统的组成分为3个部分：OLT(光线路终端)，ONU(光网络单元)和ODN(光分配网)，其中ODN是连接OLT和ONU的由光纤和无源分光器组成的部分，具有星形、环线和总线形等结构．其原理框图如图1所示．

OLT一般放置在主站端，由主干光缆与其他部分相连，相当于路由器或交换机的作用，并且具有实时监控管理及维护的功能．无源分光器结构简单，环境适应能力强，一般具有多种分路比，还可以多级连接．ONU主要实现信息之间的光电转换以及各类业务的接入．ODN由一个或者多个无源分光器(POS)组成，主要进行下行数据的分发以及上行数据的收集．

在EPON中，从OLT传输到ONU的下行数据一般采用TDM广播模式，ODN将OLT广播出来的所有下行数据分配给每个ONU，但是每个ONU只读取出自己需要的信号．相反，从ONU传输到OLT的上行数据一般采用时分多址(TDMA)方式．所有ONU根据设备设定的时隙发送信号(即突发发射)，通过ODN进行汇、仲裁、然后再传入OLT，由OLT进行处理．在EPON技术的实际应用中，分光器的级数以及分光比的选择是一项十分重要的工作．EPON系统并没有在理论上对于分光器级数和分光比进行限制，只是规定每个ONU的光通道衰减≤24dB即可．实际应用中，当然是分光器级数越多越能节省主干光纤数量，但是级数过多同样也将带来损耗的增加，使得网络拓扑结构变复杂，因此ODN网络拓扑结构的优化就十分必要．同时，当后期累加ONU时还需考虑扩容等问题，因此需要预留出光纤通道和光功率预算．ODN的光衰减与光纤长度、分光器数量、光活动连接器数量、光缆熔接头数量等因素有关，设计通信系统时应该控制ODN的最大衰减值，并符合OLT、ONU的光功率衰减要求．ODN光通道衰减定义为最远一级的OLT和ONU之间的所有设备的衰减总和，光通道计算模型如图2所示．

图2 光通道计算模型Fig.2 The model for calculating the light channel

其衰减计算公式为：

(1)

在实际应用中应满足：

ODN衰减+Mc≤系统允许衰减.

(2)

1.2 EPON技术用于配网自动化系统的可行性分析

(1)通信介质分析.目前，我国的电网已经建成了以光纤通信为主的电力调度网，所有35 kV及以上变电站已经基本实现光纤全覆盖，不管采用的是哪种光纤，只要是单模介质，EPON系统都能应用．所以，采用EPON通信系统对现有的配网系统具有很好的兼容性．

(2)带宽及接口要求分析.目前，我国新建的配电网通信终端均以RJ-45以太口接口为主，同时，配电终端节点数目巨大，分布广泛且相互间通信距离较短，每个节点的通信数据量较小，实现性较强，而不同的配电终端对速率的要求各不相同，但是，EPON可提供1.25 Gbit/s的带宽，同时对带宽的分配有完整的体系，因此足以满足要求．

(3)组网结构分析.只有当通信系统的拓扑组网结构跟配电网络的拓扑结构相似时，才能最大程度的节约成本，不需另辟通信管道，而EPON的组网模式均适应于配电网单链式、手拉手环网式等多种接线方式，组网灵活．

除此之外，在EPON系统中，每个ONU设备均收到OLT以广播方式发送的数据，并且POS端连接的各个ONU是以并联的方式存在的，所以当分支光纤、POS端口或者ONU中任一设备发生故障时，均不会影响其他ONU的正常工作情况，具有很好的安全性．EPON还能对于配网自动化系统中不同系统的业务进行隔离，针对这些系统中的信息安全问题，EPON都能找到切实可行的解决办法．

2 GPRS无线公网通信技术及在配网自动化系统中的可行性分析

2.1 GPRS技术原理

GPRS技术是通过利用GSM网络中未使用的TDMA信道，为用户提供中速的数据传递的一种无线通信技术．与其他通信方式相比，无线公网通信无需铺设光缆，建设成本低、维护方便、覆盖范围广、能实时传输，适合在无线覆盖完整且信号优良的地方使用．但是其安全性、可靠性略显不足．不过，无线通信技术特别是GPRS技术在配电网中应用很广．现有的GPRS通信网络是在现有GSM网络中加入GGSN和SGSN来实现端到端的，广域的无线IP连接．系统总体结构可分为3个部分：端站设备、GPRS网络和终端设备，其网络结构图如图3所示．

图3 GPRS网络结构Fig.3 GPRS network structure

在图3中，端站的数据由GSM基站先传到SGSN(GPRS服务支持节点)，再由SGSN与GGSN(GPRS网关支持节点)进行通信，由GGSN对数据进行分析处理后再发送给各配电终端或下级通信网络，如Internet X2.5网络．来自配变终端的数据流则先上传给GGSN，再由GGSN转发给SGSN，继而转发给端站设备，所以SGSN在GPRS网络中相当于一个节点，起着承上启下的作用．

2.2 GPRS通信技术用于配网自动化系统的可行性分析

GPRS技术突破了GSM网只能提供电路交换的思维方式，利用现有的GSM网，通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造就能实现分组交换，减少了铺设通道建设的大量费用，投入较低．而且，后期可以由电信部门进行维护．同时，GPRS采用以数据流量的计费方式，传输速率可达115Kb/s，还支持双向传输．最重要的一点是资源丰富，覆盖范围很广，所以GPRS通信技术在配网自动化通信系统建设中有着较大的发展前景，目前也已经在我国部分地方的配网自动化系统中得到了应用．

3 多种通信方式并存的配网自动化通信系统

以中国移动南方基地的配网自动化系统通信系统的建设为例，介绍结合EPON和GPRS通信技术的多种通信方式共存的通信系统的建设．建成后基地的配网自动化水平将得到很大的提高，一个中、低压配电系统的电力状态综合实时监控平台将得以建立，保障基地安全、经济、可靠、高效的运行．

总体而言，通信系统的建设取决于配电网的整体规划，拓扑结构的复杂程度以及将要达到的预期自动化水平等，因地制宜，采用多种通信技术相配合的方式，以安全、可靠、高效、经济为目的来进行建设．具体而言，配网自动化通信系统的建设要求主要包括以下几个方面：①抗干扰能力强以及防雷，防过电压；②通信速率；③经济性；④建立备用通信通道和确保在停电或故障时能正常通信；⑤双向通信能力及其可扩展性．

3.1 中国移动南方基地配网自动化系统总体解决方案

考虑到中国移动南方基地未来的整个规划和现有的实际情况，配网自动化系统采用三层结构模式进行设计．

第一层：主站—主要负责整个基地配电系统的监控和自动化管理．

第二层：子站—由于子站一般设置在变电站中，所以分别在基地一期、二期两个自建的110 kV变电站中设置两个子站，实现变电站10 kV出线的馈线自动化，并上传下达各种信息和指令．

第三层：终端—在中国移动南方基地中主要是负责对线路、馈线开关、开闭所、环网柜、高低压开关柜、配电室以及配电变压器等主要设备进行数据的采集和监控．包括各RTU、DTU、TTU和FTU．

因此，中国移动南方基地配电网自动化系统的组成图如图4所示．

图4 中国移动南方基地配电网自动化系统组成示意图Fig.4 The distribution network automation system schematic diagram of China Mobile’s southern base

3.2 EPON通信系统设计

中国移动南方基地配网自动化通信系统分为三层即主站层、子站层和终端层，其中主站到子站作为核心层采用环网结构,利用现有的专用SDH/MSTP光纤网络进行信息传输，而分支网采用EPON技术进行通信，其中各配电终端通过TCP/IP方式接入EPON．该基地的配电网络包括了单电源供电方式，两供一备方式，开闭所方式以及环网模式等，结构众多，但是EPON通信方式都能很好的适用其中，组网灵活，其系统结构图如图5所示．

图5 中国移动南方基地EPON通信系统结构图Fig.5 The EPON communication system structure of China Mobile’s southern base

3.3 GPRS通信系统设计

由于该基地作为中国移动的总部基地之一，本身无线网建设很完善，又因该基地的特殊性，除了采用APN方式的GPRS无线通信技术外，还可以采用DDN数字数据网络将配电主站的计算机与移动公司的路由器进行专线连接，无需经过互联网，进一步保障了其通信可靠性和安全性．接下来对GPRS通信系统的建设进行简单的介绍．

图6 中国移动南方基地GPRS无线通信系统结构Fig.6 The GPRS wireless communication system structure of China Mobile’s southern base

首先需要在配电主站，子站以及每台智能配电终端中加装GPRS模块，并安装移动SIM卡，这样终端检测到的数据先通过基地内部的GPRS无线网络传输到GGSN，经过处理后再传输到移动公司路由器，最后通过DDN专线传输给配电主站，进而实现配电网的自动化监控．中国移动南方基地的GPRS无线通信系统的结构如图6所示．

3.4 配网通信综合网管系统的建设

多种通信方式并存的通信系统需要有一个结构化综合网管系统来实现对不同类型的通信设备、通信网络的监管．因而，在配电网自动化系统中建设一个能监控EPON与GPRS两种通信方式的综合网管系统就显得十分重要．该系统主要包括一体化采集平台，系统综合监视模块和通信资源模块．其软件基本结构图如图7所示． 通过该通信系统，主站能很好地实现配网自动化的“三遥”功能，实时监视线路电流、电压、有功和无功功率、电能质量以及电气设备和系统的运行状况，实现电能的分项计量，建立能耗动态数据平台，还能实现故障或扰动录波、自动故障定位与隔离的功能．

图7 配网通信综合网管系统软件结构图Fig.7 The software structure diagram of distribution network communication integrated network management system

4 结论

配网自动化系统的建设是国家电网公司发展智能电网的重要部分，目前，国内并没有形成统一的通信系统建设标准，本文通过对EPON和GPRS技术的介绍以及将其应用到中国移动南方基地配网通信系统这一实例来说明EPON通信技术在配网自动化系统中的可行性及优势所在，该技术具有广阔的发展前景．此外通过此实例也说明了建设多种通信手段并存的通信系统也是未来发展配网自动化系统的大势所趋．

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