分散式DTU终端通信技术研究与应用

李 俊，丁浩川，李 莉

（南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211102）

0 引言

随着我国经济建设的飞速发展，用电负荷日益增加，用电可靠性逐渐成为电力用户最关切的问题［1-3］，而配网自动化技术的快速发展则为解决这个问题提供了有力的技术支撑［4-5］。目前的配网自动化系统主要由配电主站、配电终端以及通信网络层组成［6-8］。配电网自动化系统通过现代通信技术，对配电网实时信息进行数据处理分析，根据数据分析结果进行适当的控制操作，从而建立起稳定可靠的配电自动化系统来提升配电网络供电可靠性［9-11］。

DTU作为测控终端被广泛应用于10 kV配电网中，DTU从设计结构上分为集中式DTU和分散式DTU，集中式DTU作为电网公司早期推广的终端型式在工程应用较多，但是也存在着间隔扩充难、检修运维不灵活以及终端体积过大等不足，而分散式DTU终端能很好地弥补这些不足，因此分散式DTU终端的技术近年来发展迅猛。然而截至目前，分散式DTU终端的全业务数据如何传输到配电主站仍然没有很好的通信技术方案。在现有的通信协议架构下，本文提出了基于分散式DTU公共单元多端口透明转发的通信技术方案，能有效地解决配电主站与分散式DTU终端进行业务数据交互的问题，为分散式DTU终端的工程推广起到了关键通信技术支撑的作用。

1 配网自动化通信协议

在配网自动化系统的建设过程中，配电主站与终端之间的通信协议是非常关键的一个部分［12-13］。当前配电自动化系统主要采用《配电自动化系统应用DLT634.5101-2002实施细则》和《配电自动化系统应用DLT634.5104-2009实施细则》来实现配电主站和终端之间的通信数据交互。根据上述细则的规定，配电终端需要支持包括三遥信息、定值参数、定点、极值以及波形文件等数据上送配电主站，以实现配电主站对终端实时监控［14-15］。

2 配网自动化通信方式

配电自动化通信系统一般有稳定性、实时性、双向性和经济性四个方面的要求［16-18］。首先稳定性主要指通信系统必须工作稳定，具备良好的抗干扰能力。其次实时性主要指的是配电自动化系统对数据采集有实时性的要求，以实现对系统运行状态的实时监控。再次双向性指的是配电自动化主站除了接收来自终端的监测数据，还需要具备向终端发送指令的能力。最后经济性主要指通信系统的建设成本，在建设过程中通过优化规划设计方案和设备选型，能够降低建设运维成本，实现通信系统的经济运行［19-21］。结合配电自动化通信系统的建设要求，下面对配电通信系统中主要的通信方式进行介绍。

2.1 光纤通信

光纤通信是目前最常见的通信方式之一，主要利用光纤和光波来作为传输介质和载体。其优点主要体现在通信速度快、通信容量大、抗干扰性强、可靠性高等方面。其缺点则主要体现在初期建设成本大，光纤敷设路径选择要求高，后期维护成本和技术要求较高。光纤通信方式通常适用于对数据可靠性传输要求高、大数据远距离传输的场合。

2.2 电力线载波通信

电力线载波通信将电力线路作为信道载体，其优点是实施方便，经济性好，组网灵活，通信接口兼容性良好，与电气网连接理论上可以实现任意2个电气节点的通信。而由于电力载波具有频率选择性和使命性一些固有特征，使得电力载波通信方式存在着一些缺点，如信号容易受到干扰、易受供电线路中断影响、信号传输距离有限等。

2.3 无线公网通信

目前，我国的电信、移动等运行商是中国无线公网建设的主体，中国无线公网主要是面向公共开发的一种通信系统以及相关设备。配电通信系统中无线公网作为租用网络，具有建设维护成本低、无线公网通信技术成熟、无线通信覆盖面广等优点。无线公网在配电通信系统的建设中也存在着一些缺点。首先，无线公网的服务质量与多种因素有关，数据传输的实时性难以保证。其次，无线公网作为广泛覆盖的公共网络资源，安全防护能力较弱，需要在业务层增加有效的安全措施才能满足配电自动化业务安全需求。

2.4 无线专网通信

无线专用通信网络是在OFDM技术的基础上发展出来的，无线专网通信技术主要包括TD-LTE、McWill等通信技术。无线专网LTE技术采用多输入多输出的关键技术，能显著提升数据的传输速率，因此能保证配电通信系统数据传输的实时性。同时无线专网组网灵活，且大多属于专网专用，数据的安全性能得到更多的保障。配电自动化通信系统中建设无线专网缺点也很明显，首先无线专网建设运维成本极高，其次无线专网存在频点申请、基站选址等问题。

2.5 配网自动化通信方式选择

基于以上对各种通信方式的分析，光纤通信在实时性、可靠性、安全性及带宽等方面具有优势，但由于光纤铺设组网成本过高，适用于对于安全、可靠性有严格要求的业务。电力载波通信方式施工简单，建设成本低，但是受配电线路运行情况影响，信号传输易受干扰，适合实时性、并发性要求不敏感的业务场合。无线专网方式目前还处于试点应用阶段，频段选择、技术体质选择、建设及运维模式仍存在很多问题，需要对承载业务及部署方式进行规范。无线公网方式易于建设且覆盖面广，适合用于安全性、可靠性、实时性相对要求较低的应用场合，由于其建设运维成本低，基于现有的通信状况，是配电自动化通信系统中主要选择的一种通信方式。

3 DTU终端与主站的通信方案

在现有的配电自动化通信架构下，配电主站主要以无线公网的方式通过IEC104和IEC101通信协议对接入所辖区域内的DTU终端，并采集DTU终端的三遥信息、参数定值以及定点、极值文件等数据。接下来具体分析一下集中式DTU终端和分散式DTU终端与配电主站之间的通信方案。

3.1 集中式DTU终端与主站的通信方案

集中式DTU终端数据模型里包括了所有间隔的遥测、遥信、遥控和参数定值等，集中式DTU终端通过电缆能够直接采集配电房或环网柜内所有间隔的遥信、遥测数据，同时依据配网通信协议细则产生定点、极值以及波形文件，并将所有数据存储在DTU终端内。因此，集中式DTU终端与配电主站之间仅需要通过IEC104或者IEC101协议建立数据传输通道后即可实现与配电主站之间所有数据的交互传输。集中式DTU终端与配电主站通信方案的示意图如图1所示。

图1 集中式DTU终端与主站通信方案Fig.1 Communication plan between centralized DTU terminal and master station

3.2 分散式DTU终端与主站的通信方案

分散式DTU终端由1个公共单元终端和若干个间隔单元终端共同组成，分散式DTU终端对于配电主站而言仍然是一个整体设备，受限于配电主站前置机资源，配电主站给每个分散式DTU终端仅分配一个IP资源，即配电主站直接与公共单元终端通过IEC104或者IEC101协议建立数据交互传输通道。

分散式DTU终端中公共单元终端本体可以采集配电房或者环网柜内电源管理模块、温湿度采集器等智能二次设备的数据，并通过IEC104协议上送配电主站，同时也支持配电主站来获取本体的固有参数。分散式DTU终端中各间隔单元则独立负责各间隔遥测、遥信数据的采集以及产生定点极值等文件数据，并将所有数据存储于各间隔单元内，这就导致在现有的配电自动化通信系统架构下配电房或环网柜内各间隔的遥信、遥测、定值、文件等数据无法传递到配电主站。针对这一问题本文提出了通过公共单元与配电主站建立多端口TCP连接透明转发的方式来实现配电主站与各间隔单元进行数据交互的方案。分散式DTU终端与配电主站通信方案的示意图如图2所示。

图2 分散式DTU终端与主站通信方案Fig.2 Communication plan between centralized DTU terminal and master station

下面以6间隔的环网柜为例，假定分散式DTU终端公共单元与配网主站以IEC104协议建立数据传输通道，详细阐述该方案的具体实现过程如下：

1）公共单元与配电主站之间采用104协议通信，配电主站作为TCP客户端，公共单元作为TCP服务端，由端口透明转发模块实现同时监听2404、24041、24042、24043、24044、24045、24046共7个端口，其中2404端口TCP连接用于配电主站与公共单元本体数据交互，24041～24046端口的TCP连接用于配电主站与间隔单元1～间隔单元6的数据交互。配电主站与公共单元之间一共建立7个TCP连接。

2）公共单元与各间隔单元之间采用104协议通信，公共单元作为TCP客户端，各间隔单元作为TCP服务端，间隔单元支持104协议，间隔单元1～间隔单元6依次监听24041、24042、24043、24044、24045、24046的端口，公共单元的端口透明转发模块建立与各间隔单元的TCP连接。

3）当配电主站与公共单元通过24041端口建立TCP连接时，公共单元同时与间隔单元1通过24041端口建立对等的TCP连接；当配电主站断开与公共单元之间的24041端口的TCP连接时，公共单元同时也关掉自身与间隔单元1建立的24041端口的TCP连接。

4）当配电主站向间隔单元1发送104协议报文时，首先通过其与公共单元建立的24041端口的TCP连接向公共单元发送该104协议报文，公共单元在收到该报文后再通过自身与间隔单元1建立的24041端口的TCP连接透明转发该104协议报文至间隔单元1，由此实现了配电主站向间隔单元1下发104协议报文的功能。

5）当间隔单元1向配电主站响应或突发上送104协议报文时，首先通过其与公共单元建立的24041端口的TCP连接将该报文发送给公共单元，公共单元收到该报文后再通过自身与主站之间建立的24041端口的TCP连接将该报文透明转发给配电主站。由此实现了间隔单元1向配电主站发送104协议报文的功能。

6）该方案通过建立上下两层24041端口的TCP连接实现了配电主站与分散式DTU间隔单元1之间按照配网实施细则通信的功能。间隔单元2～间隔单元6与配电主站的整个通信实现过程与上述间隔单元1的实现过程完全一致。配电主站与各间隔单元的通信交互过程和配电主站与集中式DTU终端通信交互过程保持一致，可以按照配网实施细则实现全数据的交互。

4 工程应用

分散式DTU终端目前正在江苏、山东等省份进行工程化落地，以江苏中标的分散式DTU终端为例，中标终端厂家需要将分散式DTU终端的整个环网柜送到江苏电科院进行到货检测，江苏电科院的模拟主站测试台体已经支持本文所提出的分散式DTU终端与配电主站通信的技术方案，依据该方案分散式DTU终端可以将终端所有数据正确上送到模拟主站，成功通过了所有到货检测项目。分散式DTU终端的到货检测结果验证了本文所提方案的可行性。

5 结语

随着配网自动化技术的不断发展，配网自动化技术将逐步由集中控制向分散控制发展。文中对DTU终端与配电主站的通信技术进行了分析，针对当前分散式DTU终端间隔数据无法上送配电主站的问题，提出了基于公共单元多端口TCP连接透明转发的方案，有效地解决了分散式DTU终端与配电主站数据交互传输的问题，同时该方案可以确保配电主站仅做少量的开发工作即可全面接入分散式DTU终端，具有一定的工程应用价值。