配电自动化系统通信组网模型研究

2020-03-05崔光宇

江西电力 2020年2期

易琨，周剑，阮倩，崔光宇，陈静

（1.神龙汽车有限公司，湖北武汉 430056；2.武汉格罗夫氢能汽车有限公司，湖北武汉 430206；3.武汉市测绘研究院，湖北武汉430022；4.长城汽车股份有限公司，河北保定 071000；5.武汉兴智联科技服务有限责任公司，湖北武汉 430020）

0 引言

目前，国家电网公司正大力发展城市配电网配电自动化的建设工作，配电网供电质量和供电可靠性更高的需求是现阶段配电网发展的瓶颈，如何利用快速发展的技术解决供电可靠性的问题是研究的重点。配电自动化技术也应运而生，而配电自动化建设的关键在于配网通信网络的建设，配电通信网络组网方式与质量优劣直接影响整个配电自动化系统性能的优劣。在国家电网公司现行的骨干通信网络中，已有成熟的通信技术与组网技术应用，主要分为有线技术和无线技术两大类。其中有线技术常见的包括光纤通信、无源光网络、载波通信，无线技术包括GPRS、CDMA、3G、4G等无线公网技术以及WIMAX、230 MHZ等无线专网技术。本文对几种常用的配电自动化通信组网模型方案进行了初步探讨。

1 配电自动化系统构成简介

配电自动化系统的主要构成部分分为四大部分，一是通信系统，二是配电终端，三是配电主站，最后是配电子站，如图1所示。

图1 配电自动化系统体系结构框图

由图1配电自动化系统体系结构框图我们可以看出，配电自动化通信系统的通信网络可分类为两种，一种是接入层通信网，一种是骨干层通信网。在配电主、子站之间，一般通过骨干层进行信息交换，而在终端和配电子站之间，或者终端和配电主站之间，都是以终端接入网络进行信息的交换。对于骨干层通信网而言，最大的要求是可靠性，其负责的通信对象主要是大型电力企业、调度中心、发电厂以及变电站之间的信息传递，传递单位之间的电压较高，一般高于35 kV。

因此，保障骨干层通信网的稳定、安全、可靠的运行，对于电网整体稳定安全的运行，具有重要意义。目前，骨干层通信网的网络形式一般为光纤传输。接入层通信网的要求则没有骨干层高，一般存在于储能装置、分布式电源、开关站、环网柜、台式变压器等设备之间与配电子站进行信息交换，其通讯方式较广泛，比如无线通信、电力线载波、光纤等均可以运用到接入层通信网建设。

2 几种常用的配电自动化通信组网模型研究

在进行配电通信网设计时，10 kV通信网优先采用光纤通信技术，而0.4 kV通信网采用了几种组网方式结合的方式。为满足配电自动化的功能，在具备遥控功能的配电站点采用了专网通信方式，优选光纤专网通信，在不满足敷设光缆条件的情况下，可采用无线专网或者公网的方式作为辅助。同样在不具备遥控功能的配电站点，优选光纤通信，备选无线通信或者中压电力线载波的方式进行设计。

用电信息采集通信建设应与配电自动化光缆建设结合的区域，远程通道应充分利用光缆资源。配电自动化、用电信息采集系统建设时应统一规划、统一建设实现资源共享，避免重复投资建设。接入配电网的分布式电源、电动汽车充换电设施及储能装置站点，可采用光纤、中压电力线载波等通信专网方式就近接入10 kV通信接入网。接入用电网的分布式电源、电动汽车充换电设施和储能装置站点，可采用光纤、低压电力线载波、短距离无线等通信方式就近接入0.4 kV通信接入网。

2.1 基于EPON技术的通信组网模型研究

基于EPON技术进行组网时，其接入终端根据配电的辐射状态进行接入到终端通信接入网之中。常见的EPON组网拓扑有四种方式：单链路拓扑、双链路拓扑、环形拓扑以及星型拓扑，除双链路拓扑结构外，其他三种种方式在在进行技术组网时较为常用。（单链路拓扑、双链路拓扑以及星型拓扑具体拓扑结构见图2-图5。）

如图2。单链路拓扑组网方案的特点：单链路拓扑组网方案在最后形成的组网结构中，单链路拓扑只是运用在组网初期中的过渡阶段。

图2 单链路拓扑结构

如图3所示，双链路拓扑组网方案的特点：双链路拓扑组网方案运用在移动设备时十分方便，不影响其他设备。

图3 双链路型拓扑结构

如图4所示。环形拓扑组网方式的特点：环形拓扑组网方式在目前的电网中运用最多，其网络中若同时移动某一个ONU单元，不会对其他设备造成影响。

如图5所示。星型拓扑组网方式的特点：采用星型拓扑组网方式时，线路的辐射方式是星型的。

组网方式的选取主要根据配电网的辐射状进行选取，当10 kV配电网线路主要采用单辐射状时，大部分采用链路型的拓扑结构；当10 kV配电线路采用的是联络状时可以采用环形拓扑或者星型拓扑结构，具体根据配电线路而定。

上文提出了不同配电线路辐射形式的EPON拓扑结构。其主要针对的是终端设备接入到终端通信网部分。由图1可知，配电自动化系统的体系结构主要包括三个层次：系统应用层、网络汇聚层以及物理终端层。基于EPON技术的配电自动化通信组网在设计时，物理终端层与网络汇聚层之间的网络研究是配电自动化通信组网系统研究的重点部分。

由于目前大部分的配电网线路均采用的辐射状的架设方式，因此根据线路的布放方式，大部分的供电公司的光缆布放方式均是随配电架空线路布放，不具备光缆布放条件的一般情况是将光缆入地到城市综合管沟或者城市强电管沟。由于骨干传输网一般设计时都在系统110 kV变电站点之中，因此OLT设备一般均布放在城市周边的变电站之中。

图4 环型拓扑结构

图5 星型拓扑结构

基于EPON技术的模型一般要求就是光缆能够布放到ONU设备位置，配电自动化系统架构内的设备的自身数据接口与ONU相连接，ONU通过分光器与子站中的OLT相连接。从而实现终端设备数据的实时通信。OLT与汇聚层交换机连接通过上联板实现，上联板提供GE接口以满足通信速率的要求。通过上联板接入到骨干通信网之中，从而实现终端与配电主站之间的通信任务。

基于EPON技术的配电自动化组网模型如图6所示[1-4]。

如图6所示终端通信接入网采用EPON技术进行组网，其结构主要包括链型和星型方式，配电线路的架设方式和光缆的布放路径最终决定上述的网络结构。各个ONU为配电自动化终端提供了数据接口，ONU的光口通过尾纤与分光器相连接。根据OLT设备的应用模式，一般其一个光口出来经过15个分光器，其性能将会大大的减弱，这就需要对分光器的数量进行规划，规划分光器与线路上的终端设备需要相结合。骨干通信网在配电自动化系统中主要起到传输配电自动化业务的功能，不具备其他的业务功能。由于OLT通过GE口与骨干通信网中的交换机或者路由器相连，骨干通信网还需要将电信号进行转换为光信号才能在骨干通信网中进行传输。

图6 基于EPON技术组网模型

传输的数据最终与主站进行通信，配电架构中的主要系统包括配电自动化系统、专业网管系统、调度监控系统、各种电力应用的主要服务器。主站应用层的工作人员通过访问各种系统从而获取终端接入中的各种数据，实现相互通信和对业务的监控，为后续的故障处理提供保障。

2.2 基于工业以太网的通信组网模型研究

基于工业以太网交换机进行配电自动化通信组网的模型目前应用较少，光缆根据线路进行假设时，很少能够将各个配电终端进行环形连接，这就给以太网交换机环形组网带来难度。为什么采用以太网交换机进行组网必须是环形拓扑？其主要原因在于组网实现抗多点失效的功能。在用以太网交换机进行组网时，采用环形组网能够实现抗多点失效的功能，采用星型或者树形进行组网，无法实现该功能，不能够保证配电自动化的可靠性。

根据目前工业以太网技术在配电网组网中的应用可知，在进行环形组网时，环内工业以太网交换机的节点数量不宜超过20个节点，当超过20个节点口，其性能将大大减弱，数据通信可靠性不能满足要求。同时，工业以太网系统在接入骨干通信网中的三层交换机时，工业以太网交换机必须具备与三层交换机通信的成熟的技术体制和标准接口，从而实现与上层配电主站之间的通信。

工业以太网进行组网时，与EPON技术类似，其三层交换机通常是安装在110 kV变电站之中，远端接入点位置放置工业以太网交换机，中间通信线路由布放的光缆组成。其组网模型如图7所示[5]。

采用工业以太网交换机技术进行组网时，配电主站的应用系统与EPON技术组网的上层应用系统一样，骨干传输网中需要将二层路由器接入到SDH传输网中的光端机设备之上。在EPON组网时，则不需要安装二层交换机设备，而是直接通过OLT的GE接口与光端机的GE接口相连就行。终端通信接入层由于采用了环形组网的方式，因此其光缆架设的工作量很大，投入资金很大。

环形组网也有其好处，如图7所示。子网1、2、3、4组成环形结构，环上任意一段光缆中断后，可在20 ns内完成以太网业务切换工作，从另一个方向传送业务，子网4采用环间耦合技术，可使子网1从两条链路与上行链路连接，从而增加网络的可靠性。子网2和子网3组成相切环，使子网2上的上行链路实现冗余。变电站的三层交换机支持OSPF、RIP协议，对接入的工业以太网交换机而言，主要起到VLAN间路由广播的作用。图7中，还有一种树形组网方式，对于树形组网而言，其中与二层交换机相连接的工业以太网交换机如果发生故障，其后续连接的交换机仍然能够实现与上层的通信，但是如果主干光缆中断，整个树形结构上面的以太网交换机均无法与二层交换机进行通信，这是其最大的缺点。

图7 基于工业以太网技术组网模型

2.3 配电自动化通信组网混合模型研究

在目前的配电网中，很多时候光缆并不能布放到相关的终端节点的位置，为了实现所有的终端都能够进行配电自动化功能或者用电信息采集等功能，就对组网提出了更加高的要求，此时应该采用混合组网模型进行配电自动化通信组网，从而实现所有节点配电自动化的功能。

对于需要实现三遥（遥测、遥信、遥控）功能的配电自动化站点，对网络的安全和可靠要求严格，优选光纤通信方式，组网可以选用EPON技术或者是工业以太网技术，对于不需要遥控功能的站点，优选用光纤通信方式，在不满足敷设光缆条件的情况下，也可采用无线专网等方式。混合组网方式如图8所示。

图8 混合技术组网模型

如上图8所示，最上层的配电主站还是采用应用系统。主要差别在于骨干通信网层，这一层的设备变得十分丰富，主要包括的OLT、二层交换机。同时布放了230 MHz无线专网基站，不同的是基站直接与上层的以太网直接连接。而OLT和二层交换机需要连入到骨干通信网中才能与上层的服务器系统进行通信。

该模型最大的优势就是能够将终端接入网层的所有节点的数据通过有线或者无线的通信方式与上层进行连接，从而实现数据通信。由于目前各个城市的配电网不断的发展，单一的技术方式只能解决一些光缆敷设到位的地方，对于需要被监控但是又不能敷设光缆的节点，只能采用混合模型才能够实现数据通信，从而实现配电自动化。最典型的例子就是智能电表的用电信息采集，大部分的电表不可能直接敷设光纤到电能表的接口，采用无线的方式更好的解决上述问题。而且目前大部分的电能表不具备光通信功能，而更为灵活的无线方式是目前用电信息采集广为采用的方式。