关于配网自动化中光纤通信技术的探讨

黄炳强

（广西电网有限责任公司贵港供电局，广西 贵港市 537100）

1 引言

我国一直以来发展电力都秉承着“重发电、轻供电”的理念，因此，供电系统中配电网的建设一直处于缓慢发展的阶段。随着社会市场经济的发展，广大电力用户对于供电的安全性、可靠性、电能质量的要求也不断提高，特别是高精密的企业，如炼钢、芯片制造、木材加工、医疗器械等对电能质量的要求也是十分苛刻，种种需求使得复杂的配电网建设面临着巨大考验；而配网自动化的全面规划和建设可以提高供电电能的质量和可靠性，有效的对用电负荷进行控制，提升配电管理效率和提高人民满意度，配电系统的运行及管理因此上升到一个新的水平。

在配网自动化建设中，通信系统的建设是核心环节。与骨干主网相比，10kV 配电网及以下电压等级网络具有电压等级多、组网结构和线路复杂、设备数量庞大、支线多、分布广、配电网数据业务分布分散、通信节点多和设备运行环境较差的特点。目前配网通信已具备基础业务的通信服务，但是通信覆盖点多、信息量巨大，仅仅依靠几百波特的传输速率根本无法满足需求。同时，配网自动化系统对于通信的要求中，可靠性这一指标显得尤为重要，在不受到恶劣环境或者天气影响的情况下，必须具备业务双向通信的能力。

本文以配网自动化为出发点，结合配网通信的特点进行阐述，通过多方面分析无线通信与有线通信方式的特点，研究有线通信方式中光纤以太网通信技术在配网通信的应用。

2 配网通信的特点及现状

目前基于电网的发展现状，骨干电网的电力专网已基本建成，但是10kV 及以下配网自动化系统仍然相对比较薄弱，大部分地区主要依靠租用公网的移动、联通、电信等运营商资源来实现配网业务传输与监测。配网自动化可以实现保障电网稳定运行的多种不同功能，它的作用主要是将配电网实时与离线信息、电力结构参数信息、用户信息和地理信息进行安全集成，构成完整的自动化及管理系统，实现配电网正常运行及故障情况下的实时监测、保护、控制和配电管理。其中，高压线路开关的远方监视控制、事故隔离分段、开关状态监视、线路切换操作等配电网数据信息对于配网运行也非常重要，监控员需对这些数据及时的做出判断和处理。用户信息包含度表的量测、电度表切换遥控、分时计费管理、负载远方控制等[1]。大体上分为两类：围绕配电网设备的监控信息和围绕用户的监控信息[2]。因此实时采集电力线路各方面信息显得至关重要。

2.1 配网自动化存在问题

全国各地区电网在电力通信网建设改造前，电力通信配电网存在诸多问题。

2.1.1 通信节点广泛、自动化程度低。目前配网自动化中的通信设备分布极广，配网仅仅在开关站采用部分自动化设备实现遥测、遥信功能, 环网柜、开关和配网变压器均未实现自动化。据统计，绝大部分环网柜和箱变常安装于路边、地下室、山地等靠近用户的地方，并且以变电站或者开闭所为核心向方圆四周辐射性的扩展建设。

2.1.2 节点通信间距离短。开闭所、环网柜、箱变中的通信设备之间, 通常在几百米到数千米范围内, 而最远的距离也不过十多千米，可有效降低设备间通信介质搭建的成本。

2.1.3 光纤资源占用大、通信节点数据量小。租用公网的移动、联通、电信等运营商资源通常采用早期传输通道，采用光Modem 接入,远动和计量业务占用资源，通信设备主要向 FTU 和TTU 等远端设备发送控制信息，并采集远端设备的状态信息，远端设备与中心 SCADA 系统通信数据量通常在几百kbit/ s 以下[3]。

2.1.4 安全性低、可维护性差。工作人员日常维护工作量大，设备无网管，无法远程维护，设备一旦出现故障，必须前往现场处理；光Modem 传输没有通道保护，经常多次因光纤断裂导致设备连接中断。

2.2 主流通信方式及特点

2.2.1 有线通信方式

在电网通信中有线方式有光纤通信、配电线路载波通信等。利用光纤来传输配电网业务具有抗干扰能力强、装载信息容量大、实时性好、可靠安全性高等特点，故障时可通过减少抢修时间来有效保证供电企业的满意度，但是工程建设周期长难度大、成本较高。配电网线路载波通信一般可分为低压窄带载波和低压宽带载波两种方式，与骨干传输网使用载波通信原理相似，它是以配电输电线路为基础作为传输媒介，信号以有线传输的方式承载于输电线路中。该方式不需要铺设独立的通信线路，将通信与电力线传输复合使用，不仅节省建设成本，而且对远方负荷进行抄表及线路数据监测都是非常有利的。载波通信既经济又方便，有效解决了“最后一公里接入问题”，同时满足双向通信的要求[4]。载波通信的优势在于技术简单；缺点是由于各生产厂家设备型号不一致，通信标准不统一、不兼容，同时受到电力线强电压电流电磁干扰影响可靠性，使用中存在一定问题。

2.2.2 无线通信方式

目前无线通信主要采用的是230M 数传电台、GPRS、CDMA 公网、宽带无线接入BWA 等技术[5]。下面以国内自主知识产权的主流BWA 技术WiMAX、McWiLL 两种技术体制分别讨论。

WiMAX 技术的提出是基于IEEE802.16 系统标准，其中基于802.16d 固定WiMAX 和802.16e移动WiMAX 已经商用。McWiLL 是我国自主创新的SCDMA 无线接入技术的宽带演进版，是一种基于CS-OFDMA 的无线接入多址方式，单频点占用5MHZ 带宽情况下，能提供15Mbps/5MHZ 吞吐量，上下行带宽可根据需要调整，充分考虑系统容量、传输速率、使用范围、组网方式等因素[6]，两者技术性能参数见表1。

表1 主流BWA 技术性能参数

3 配网系统方案设计

在配网自动化系统中，10kV 开关站、开闭所、环网柜、变压器不像主网自动化SCADA 系统那样具有节点少、范围大、距离远、信息量大等特点。主网一般需要大型通信设备，例如：SDH、ATM、ASON、PCM、微波等。这些设备虽然组网灵活、易于维护管理且稳定可靠，但节点造价太高，体积较大，需要较大的机房容纳。目前,配网通信大多采用点对点、点对多点、环网等方式[7]。

3.1 常见的光纤通信方式

3.1.1 链型（点对点）通信方式

点对点是光纤通信中常用的方式，其利用的是价格成本较低的光纤收发器（光纤调制解调器）实现业务的传输，如图1 所示。在主网通信中，也常用于距离较短（一般20km 以内）的两站之间的通信。但因为在节点较多时需要使用的光纤数量较大，资源利用率低，没有发挥光纤通信组网的优势，在电力通信中难以大规模的推广。

图1 点对点通信

3.1.2 自愈型通信方式为了最大程度的利用光纤资源，节约成本，保证业务传输的质量，研究人员效仿SDH、ATM、PCM、等方式进行了网络形式改造，如图2 所示。综合多种拓扑结构的方式组网，该组网一定程度的缩短了部分节点的业务传输距离，提高了网络的健壮性，相对的改善了网络的性能。

图2 自愈型通信

3.2 光纤以太网配网系统设计

以上所述通信方式可以实现“四遥”、通过电能采集终端采集电量、远方抄表、电量计算、功率计算、用电量统计等基本功能，但是随着智能配网通信系统业务种类和数量的增多，将对系统支持的业务类型、带宽容量、传输速度提出更高的要求[7]。需要在环网柜、开闭所、配网变压器等设备处，增加DTU、FTU、TTU 设备，这些设备的功能除了接收执行主站下发的遥控遥调命令外，还能实现大量应用数据的采集，如：三相交流电压、电流、频率、有功功率、无功功率、功率因数，以及功控、电控、购电控、防窃电功能和油温、压力等变压器运行信息，现有的通信组网方式需要逐步向智能电网方向靠拢，以适应物互联时代需求。

目前由光纤以太网组网的配网自动化系统主要由主站SCADA 测控系统、通信系统、配网远方终端组成。其中本文通信系统的构造基于电力通信研究设计院设计的一套综合型数据光端机（ISAT）设备，设备集成了传统PCM 设备的所有功能，兼容SDH 和IP 业务。ISAT 提供了4 线音频、RS-232/485、FXS（Foreign Exchange Station）,外部电话、FXO（Foreign Exchange Office)、E1 和IP 业务等接口的支持。同时支持光纤环网、链型网以及混合组网等方式，简单快速的通道保护保证了通道故障时业务快速切换。

根据所在城区配网自动化设备分布现状，推荐了一种基于ISAT 光端机实用的光纤以太网配网系统方案，如图3 所示，为了监测管理处于不同区域位置的自动化设备，需要在自动化主站、分站、开闭所（开关站）、环网柜、箱式变压器、控制器、拉手开关等配网自动化设备处各放置一台ISAT 光端机。根据各地区规模特点，按照接入层、汇聚层、核心层的组网方式，以主站和分站两类节点布置在光纤环网上，以此形成一张健壮配电通信网，从而实现相互之间的通信。主站与分站之间在该通信系统中实现了利用光纤以太网组网的配网自动化通信。除此之外，由于ISAT 光端机与主网变电站SDH 光纤网络兼容并建立链接，为配网通信提供了有效的备用通道。

图3 配网系统拓扑

该系统在各节点只需配置一台ISAT 设备，各地区还可以根据自身的需要适当增加或减少光端机的数量，从而提高整个系统的可靠性。由于这种光端机的价格便宜，比SDH 设备成本低，体积小，适用于较小的空间范围内。因此从整个网络安全及性能价格比来看是趋于合理的。与此同时，管理员及用户访客可以通过网管软件对配网中各节点进行操作和维护，实现了系统上所有站点的实时监测。

4 结语

配网通信系统的全面规划在未来一段时间将成为电网企业基础建设的重头戏，在建设配网系统过程中，安全性与可靠性仍然是研究人员考量的重要因素。为了兼容配网设备多种业务接入的要求，本文提出了基于ISAT 设备的配网通信系统，在一定程度上不仅简化配网系统的建设，还提高了当前电力通信的质量，它将多业务类型集于一体，利用光纤以太网组网技术为配网多业务方向的转型奠定基础，从而使系统的可维护性、可用性、可靠性得到有效提高，达到节约光纤资源和降低网络管理复杂度的目标。该通信系统设计兼顾目前的业务需求以及智能电网业务扩展的方向，实现了缩小停电范围和缩短用户停电时间的目标，为智能电网的发展奠定了基础。