混合组网通信在配电网故障自愈中的应用

熊杰，张家红，束洪春，董俊，张海，王书领

(1.云南电网有限责任公司大理城区供电局，大理 671000；2.昆明理工大学电力工程学院，昆明 650051)

混合组网通信在配电网故障自愈中的应用

熊杰1，张家红1，束洪春2，董俊2，张海1，王书领2

(1.云南电网有限责任公司大理城区供电局，大理 671000；2.昆明理工大学电力工程学院，昆明 650051)

本文提出一种混合组网通信在配电网故障自愈中的应用方法。首先分析了当前智能配电网中的通讯技术及通讯技术组网方案。然后对现阶段配网自动化采用的有线和无线通讯方式进行了探讨和总结，分析出混合组网通信方式在智能配电网中应用的优势，并结合混合组网通信方式对智能配电网的通信组网方案进行适应性研究，通过通信方式的多样化特点，构建出智能配电网多通信方式的自组网方案。最后，提出一种基于EPON和GPRS无线通信的智能配电网故障自愈系统并进行了总结。

智能配电网；混合组网通信；组网方案；无线自组网

0 前言

智能配电网在电力系统建设中和电能的合理分配和使用息息相关，它是智能电网的重要组成部分。智能配电网技术有机集成和融合现代计算机与通信、高级传感和测控等技术，满足未来配电系统集成、互动、自愈、兼容、优化的要求[1]。智能配电网自动化系统在发展过程中集合了控制技术、通信技术和计算机技术等诸多现代先进的技术，智能配电网自动化通过对各开关、终端实时状态与参数的信息聚合来实现配电网正常运行和故障处理。智能配电网监测、保护、控制和管理需要建立稳定、可靠的配电网通信网络。当前，配网自动化系统中在我国发展迅速，但因地区发展、地理环境条件和配电网结构等因素造成了配网通信网络依旧存在问题。配电网络拓扑复杂多变导致通讯光缆无法预埋，各地区之间的通信标准与模式多样化等情况导致了配网自动化通信系统的建设与完善受到阻碍。

本文主要对配电终端与配电自动化系统主站和子站之间、多种类配电终端间构建的通信系统进行研究，并且通过EPON通信和无线GPRS通信相结合的通信方式来解决配网自动化系统中的配电网故障自愈应用中的通信问题。

1 智能配电网通信技术

1.1 有线通信技术在智能配电网的应用

电力载波通信和光纤通信是现阶段配电网发展过程中配电网通信系统采用的主流的两种通信方式。电力线载波通信作为电力系统特有的一种通信方式，这种通信技术利用电力线通过载波方式将模拟信号和数字信号进行高速传输来实现，其优势在于建设投资小，不需要重新架设专用的通信通道，但它在电网中应用时，传输频带受限，传输容量容量较小，线路停运检修时通信中断。光纤通信是一种利用光信号传递信息的通信方式。根据光接入设备和光传输设备的有源性差别，光接入网可分为利用无源分光器构架的无源光网络(PON)和利用有源电复用器 (基于以太网、PDH、SDH或ATM等技术)实现的有源光网络(AON)，作为目前电力系统中变电站、高压线路通信广泛采用的通信技术，它具有传输容量大、传输速率高、传输距离远、抗电磁干扰能力强、绝缘性能好等优势，但光纤通信的投资大、运行维护费用高，在复杂的配网拓扑结构中通信通道建设困难。随着光光纤技术的发展，光纤成本的不断下降，光纤通信技术在配电网中运用的经济效益越来越显著。就通信EPON技术是配电网中应用广泛的光纤通信技术。

1.2 无线通信技术在智能配电网的应用

目前，国内配电网在解决配电网中配电自动化、配网监测、负荷控制、集中抄表等数据采集通道时已广泛采用无线公用通信网络。十几年来，利用公用GPRS通讯技术建立起的配电网通讯解决方案屡见不鲜，随着对公用无线通讯传输速率和可靠性的提高，3G、4G等发展成熟的公用无线通讯技术也逐步运用到了配电网终端设备的保护和测量中。与此同时，依托于短距离无线通讯技术的发展和成熟，WiFi、ZigBee和无线蓝牙等短距离无线通讯技术也运用到了电力系统的诸多方面，从智能配电终端无线维护、故障诊断到设备的巡检和维护，包括区域性无线抄表，实时数据查询、定制参数配置和设备试验都有成熟的产品问世。在网络融合的趋势之下，基于IEEE802.16标准的宽带无线接入城域网 (BWAMAN)技术而发展起来的WiMAX和McWiLL等新兴无线通讯技术也逐步成为电力系统中被认同和采纳的新技术。另外，传统的无限数传电台技术、一点多址微波通信技术以及卫星通信等无线通讯技术仍然有在电力系统中发展利用的可能。如表1所示为电力系统使用的几种主流无线通讯技术比较。

表1 电力系统使用的几种主流无线通讯技术比较

1.3 混合组网通信方式在配电网的应用

智能配电网拓扑结构复杂，负荷分支多且分散，这种配网结构导致配电网通信结构复杂，终端节点数量多，布局分散。但配电网对通信网络的可靠性和经济性要求很高，单一的通信方式无法适应结构复杂的配网拓扑。因此对现有通信资源进行优化整合，构建，构建可靠、统一、高效、多样化的智能配电网通信网络能有效地解决目前配电网中通信面临的经济性和适应性问题。基于EPON、GPRS、3G/4G、ZigBee/WiFi、WiMAX和McWiLL技术的多样化通信方式给智能配电网的通信网络提供了备选方案。当前，利用EPON+GPRS、EPON+McWiLL等有线和无线通信相结合的通信模式运用到配网自动化系统中。混合组网通信方式不仅能够减少光纤通道建设成本、减少维护费用，同时它充分利用无线通信网络的广覆盖性能，实现快速布网，还能根据配电网络拓扑结构和复杂的地理环境对智能配电网系统的通信带宽、可靠性和安全性要求。

2 智能配电网通信组网方案

2.1 智能配电网组网基本模式

配电网的组网方案通常会兼顾方案的可靠性、实时性、可行性和经济性等因素。在配电网无线通讯组网模式的选择上通常有三种组网方式，如图1(a)所示主站—终端模式是一种主站与终端直接通信，通信结构层次简单，数据传输可靠，实时性高的通信模式；但这种组网模式对通信信道可靠性依赖性高，主站处理信息冗余，建设投资也较大。

图1 主站模式

随着配网自动化的发展，在主站和终端之间引入了子站的概念，子站用来管理区域内的终端，进行简单的信息处理后将汇聚的信息转发给主站，如图1(b)这种模式称为主站—子站—终端模式，它不仅简化了通信通道的建设，节省了投资；同时也减轻了主站的负担。目前，为适应智能配电网的发展需求，配电终端逐渐智能化和分布式控制化。

一种建立在智能终端间自由组网通信的主站—子站—汇聚基站—智能终端的四层模型上的组网模式得到了利用和发展，如图1(c)这种组网模式将使智能化的配网终端实现数据通信的分布化，本地自组网，进行就地式智能决策，将极大限度的减少信息的远程传输，减轻上级系统的性能和功能需求压力，提高可靠性和及时性。

2.2 智能配电网多通信方式的自组网模式

图2 智能配电网多通信方式的自组网网络结构

目前，各种无线网络接入技术在容量、覆盖、数据速率和移动性支持能力等方面各有长短，任何一种无线网络都不可能满足用户对于网络性能的全部要求，因此多类型的网络共存和融合是下一代通信系统的发展趋势[1]。在传统单一的有线通信 (如光纤通信)方式基础上，结合配电网通信系统的分层结构和配网实际现场需求，无线通信技术及基于无线通信的无线自组网技术就逐渐应用到配电网中。如图2所示，以光纤通信网和无线自组网为核心的配网自动化通信系统面向架空线路柱上断路器、环网柜、台变和开关站等配网终端设备进行监测、控制和保护。

无线自组网技术是指综合无线通信、分布式信息处理、传感器及嵌入式计算技术，使整个系统能够协同运作，从而实现数据的实时检测并对采集的数据进行预处理的技术[2]。针对配电网中终端安装现场分布复杂、环境多样、实时性和可靠性要求高等特点，基于网状网络、自动组网、多跳路由、自动中继 (无级数限制)、动态调频等技术，无线自组网结构稳定，环境适应能力强，能够有效地避免干扰，具有极高的实时性和高度智能化。面向多样化的无线通信方式，配电终端之间可以通过无线自组网方式实现信息的传输，同时，终端采集接入网络的性能参数，根据业务需求选择最佳的通信路由线路，另外，它可以借助其他终端功能，以中继的方式将数据上传至主站，主站收集各终端运行数据和采集的信息，进行处理、整合和存储，并及时下传至各配网子站和终端。如图3中各终端间自组网网络结构，终端通过网络协议和拓扑机制智能地组建成多跳形式的无线网络，网络中各组织节点能够主动适应网络拓扑结构的相应变化，终端可以在此结构下密集部署，减少系统监测盲区。

图3 配网终端自组网网络结构

3 智能配电网多通信结合技术应用

3.1 智能配电网故障自愈系统

图4 配电线路供电区域终端配置拓扑

如图4所示配电线路供电区域FTU(智能配电终端)和FI(故障指示器)配置拓扑图中，配电网是呈辐射状的网络。在配电线路主干分段FTU-1、FTU-2和FTU-3处安装FTU，各FTU之间建立EPON通信连接，同时，在各负荷较大的分支线路T接处装设故障指示器FI和数据采集通信终端DCU，并以GPRS无线通信方式建立可靠、稳定的无线通信网络，将EPON网络和GPRS无线网络与配电网故障区段定位主站的通讯链路建立起来，这样就构建出一个典型的配电网故障自愈系统。

3.2 配电网故障自愈系统工程应用

图5 基于EPON和GPRS通信的配电网故障自愈系统

如图5所示为基于EPON和GPRS无线通信的故障自愈系统通信结构图，采用经典的主站层、通信层和终端层结构布局。终端层作为系统数据采集终端部分，由FTU(智能配电终端)和FI (故障指示器)及EPON和GPRS无线通讯模块组成。FTU和FI主要负责配电网中电压、电流、等遥测以及故障信息的采集，并通过相对应的通信通道将终端状态数据和配电网实时运行数据上传。通讯层通过GPRS通讯模块进行无线拨号，建立链路，连接无线路由器网关，形成通讯通道后将数据传送到配网自动化主站，EPON则是利用光纤通道进行数据上传。主站层作为信息传输的终点，主要包括无线路由器、前置机、服务器、工作站及Web服务器。无线路由器将无线专网传入的数据映射至内网的前置机上；前置机对数据进行规约处理将处理后的数据存入数据服务器中；服务器对数据进行分析处理后，将结果在工作站上进行显示，根据故障信息完成馈线自动化FA故障区段定位功能；工作站作为配网自动化系统的后台，显示所有采集的信息 (遥测、遥信等信息)和配网拓扑结构，可以对故障信息、历史曲线、故障录波、小电流接地、馈线自动化FA进行查询，并且对故障结果以短信形式通知各负责人；Web服务器允许供电局内网中的计算机以Web形式访问配网自动化主站内的信息。

4 结束语

本文从我国智能配电网建设实际情况和特点出发，对现阶段配网自动化采用的有线和无线通讯方式进行了探讨和总结，分析出混合组网通信方式在智能配电网中应用的优势，并结合混合组网的通信方式对智能配电网的通信组网方案进行适应性研究，通过通信方式的多样化特点，构建出智能配电网多通信方式的自组网方案。最后介绍一种基于EPON和GPRS无线通信的智能配电网故障自愈系统，以此来验证了混合组网方式下的智能配电网通信系统的实用性，在这种通信模式下，有利于建设高速、双向和集成的智能配电网通信系统，有利于实现电力流、信息流的高效率传输。

[1] 吴国沛，刘育权.智能配电网技术支持系统的研究与应用[J].电力系统保护与控制，2010，38(21)：162-166.

[2] 盛敏，田野，李建东.无线传感器网络与自组织网络研究现状，中兴通讯技术，2005，4：24-27.

[3] 盛洁，唐良瑞，郝建红.智能配电环境感知融合网络的研究 [J].电力系统保护与控制，2011，39(24)：127-131.

[4] 苗世洪，易维，黄绪勇，等.电力系统中无线自组网软件平台架构研究 [J].电网技术，2007，31(8)：78-82.

[5] 颜俊，刘沛，苗世洪.自组网在变电站自动化中的应用[J]，2005，29(17)：53-57.

[6] 余南华，陈云端.通信技术 [M].北京：中国电力出版社，2012.

[7] 陈兵，曹晶，高雪生.EPON和McWiLL、GPRS混合方式组件智能配电通信网 [J].电力系统通信，2012，33 (239)，66-71.

[8] 林添顺.基于GPRS的新型配电网自动化通信系统设计及适用性分析 [J].电力系统保护与控制，2008，36(19)，44-47.

[9] 张军，郜士其，胡阳，等.配电通信接入网中混合通信组网的研究 [J].电力系统通信，2011，32(9)，36-40.

[10] 卢新波，杜瑞红.基于GPRS的配网自动化系统组网方案的探讨 [J].继电器，2006，34(1)，76-78.

Application of Hybrid Communication in Distribution Network Fault Self-healing System

XIONG Jie1，ZHANG Jiahong1，SHU Hongchun2，DONG Jun2，ZHANG Hai1，WANG Shuling2
(1.Dali Power Supply Bureau，Yunnan Power Co.，Ltd.，Dali，Yunnan 671000，China；2.Kunming University of Science and Technology，Kunming 650051，China)

This paper presents an application method of hybrid network communication in distribution network fault self-healing system.Firstly，this paper analyzes smart distribution grid communication technology and networking solutions currently.Then makes a conclusion about wired and wireless communication used in distribution automation after discussing，According to the analysis of hybrid network communication applied in smart distribution network，combining advantages with hybrid networking communication，this paper researches suitability about networking solutions in smart distribution network，builds a multiple communication and wireless ad hoc network program about smart distribution network.Finally，proposes a self-healing system based on EPON and GPRS wireless communication and gives a summary.

smart distribution network；hybrid networking communication；networking solutions；wireless ad hoc network.

TM75

B

1006-7345(2015)06-0106-05

2016-01-11

熊杰 (1983)，男，工程师，云南电网有限责任公司大理城区供电局，从事变电检修管理、配电运行、配电规划、配电管理工作 (e-mail)84352900＠qq.com。

张家红 (1976)，男，工程师，云南电网有限责任公司大理城区供电局，从事配电运行检修，配电管理工作。

束洪春 (1961)，男，博士，教授，博士生导师，昆明理工大学电力工程学院，从事电力系统新型继电保护与故障测距、故障录波、数字信号处理及DSP应用等方面的教研工作 (e-mail) kmshc＠sina.com.cn。