配网自动化通信技术.docx

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配网自动化通信技术

11配电网自动化通信技术

11.1概述（2000）

11.1.1通信网

通信网连接着配电网自动化的主站系统和远方终端，是配电网自动化系统的重要组成部分，其性能与可靠性的好坏，对整个系统功能的实现及运行可靠性有着决定性的影响。

事实上，许多建成的配电网自动化系统不能很好地发挥作用的主要原因就是通信网络工作不正常。

因此，在设计、建设配电网自动化系统时，要认真研究通信网络的解决方案。

与传统的调度自动化系统相比，配电网自动化系统的通信站点众多，大型系统的监控站点数量有上万个，一个中等规模的系统的站点数量也有数千个；此外，还有站点分散、通信距离短、站点通信数据量较小等特点；许多通信装置安装在户外，运行条件比较苛刻，对可靠性要求比较高。

为减少通信与系统处理的负担，配电网自动化系统一般采用“例外报告（Reportbyexception）”的通信机制，传输电流越限、开关变位等异常信息；而遥测数据刷新的周期则选得相对较长，往往是几分钟甚至几十分钟刷新一次，远低于调度自动化系统中数秒内就刷新一次的要求。

11.1.2通信规约

目前，配电网自动化系统通信使用的规约主要有IEC60870-5-101/104、DNP3.0等。

这些规约把监控数据分为模拟量、状态量、遥控量等几种类型进行传输，没有对配电网自动化应用数据模型做出统一的规定，导致不同的厂家设备之间不能互通互联、通信系统配置调试工作量大。

发展方向是扩展变电站通信协议体系IEC61860，将其推广应用到配电网自动化系统中，实现配电网自动化设备的即插即用。

11.2光纤通信技术（5000）

光纤通信技术指的是采用光纤介质的通信技术，具有传输速率高、抗干扰性能强、可靠性高的优点，在条件允许的情况下，应是分支通信网的首选。

以前制约光纤通信在配电网自动化系统中应用的主要原因是投资大、敷设工程量大，而近年来随着技术的发展，光缆价格有了大幅度的下降，光端机的价格也接近其他类型的通信终端，为光纤通信的大量应用创造了条件。

目前，配电网自动化系统分支通信网采用光纤通信技术有专线通道或以太网两种方式。

11.2.1光纤专线通道

光纤专线通道是以光纤作为通信介质的点对多点串行数据传输通道，其光端设备是一种简单的光纤数据传输收发设备，具有T和R两个光端口，与光缆连接。

光端机的数据通信接口与数据终端设备（主站、子站、DRTU等）相连接，通信接口采用EIA/RS-232/485标准接口。

光纤专线通道有以下配置方式：

1）主从式。

主从方式是环形通信系统，支持多点通信，只有一个作为主单元，如图7-2所示。

这种配置方式比较适合配电系统多点、分散通信的特点。

图7-2主从式光纤通信方式

2）环路通信对等配置。

该配置方式物理结构与图7-2一样，但环路上各点都可以设置为主单元。

不过，每次数据传输时，只能选择环路中一个单元作为主单元，其余各单元都处于从单元状态。

3）双环自愈网。

当环路上节点比较多时，为防止光缆或光端设备故障，造成通信中断，采用双光纤环路自愈网，如图7-3所示。

环网上每个站配置支持具有自愈功能的光纤收发器，该收发器具有自动切换和自愈功能。

正常情况下，通信报文分别在A环和B环里传输。

分站同时接收来自A环和B环的信息，光端设备只选择其中一个环路的信号传送给DRTU。

主站由一个串行口发送信息，同时在A环与B环里传送，由两个串行口分别接收A环和B环的信息。

当光缆出现故障时，如k点断开，两侧的光端设备只能接收到一个环路信息，经过一段延时，双环路切换控制器自动把接收的信号切换到另一个环路发送端，生成新的环路，即断点两侧的光端设备，A环和B环相互链接，自动构成回路而形成双环工作，实现光纤环路自愈功能。

图7-3双环路光纤自愈环网

光纤专线通道结构简单、易于实现，传输延时小并且可控，不足之处只能采用轮询的方式访问DRTU，不支持主动上报通信机制，更不能实现DRTU之间的点对点对等数据交换，不能充分发挥光纤介质的传输速率高的优点。

光纤专线通道在我国早期建设的配电网自动化系统中应用比较多，现在有被光纤以太网所取代的趋势。

11.2.2光纤工业以太网

光纤以太网是以光纤为通信介质的以太网。

配电网自动化系统采用以太网通信，可以充分地利用光纤带宽，提高数据传输速率与容量，更重要的是能够更好地适应配电网自动化应用特点，主动上报数据，支持“例外报告”机制。

此外，接到以太网上的DRTU之间能够对等交换数据，支持快速故障自愈控制等分布式智能控制应用。

工业光纤以太网是面向工业现场应用的光纤以太网。

工业以太网技术上与以太网（IEEE802.3标准）兼容，并在产品设计、材质选用等方面考虑了实时性、互操作性、可靠性、抗干扰等工程应用的需要。

工业以太网有以下技术特点：

1）交换机通过快速生成树冗余（RSTP）、环网冗余（RapidRingTM）到主干冗余（TrunkingTM）等技术可以实现光纤环网及多环耦合功能，其中环网冗余技术可以在300ms内完成自愈。

2）交换机采用了工业级元器件，无风扇设计，可以在高温、强电磁辐射的环境下使用，适用能力较强。

3）交换机的功耗较小，双光口配置的设备功率约为6W。

4）网管可在线监测网络运行状态。

5）工业以太网各个厂家都有一部分私有协议，无法在环网冗余等层面上实现互联；如果要实现不同厂家之间的互联，网络只能支持到快速生成树冗余，网络自愈能力将从300ms增加到1到2min。

6）用工业以太网组建网络需要严格的整体规划。

环网冗余等技术应用的是数据链路层协议。

根据以太网组网规定，一个二层网络，网内节点需限制在200个左右，才能很好控制网络风暴。

采用工业以太网的配电网自动化通信网络如图7-4所示。

图7-4光纤工业以太网

工业光纤以太网的不足之处是对一次网架结构变化的适应能力较差。

当因网架结构变化，改变DRTU布局时，需要对多个节点进行统一调整，配置维护工作量比较大。

11.2.3以太网无源光网络

以太网无源光网络（EthernetPassiveOpticalNetwork，EPON）是无源光网络（PON）技术中的一种，EPON采用点到多点网络结构、无源光纤传输方式，是一种能够提供多种综合业务的新型的宽带接入技术，目前已经广泛应用于宽带接入市场。

作为一种拓扑灵活、支持多种业务接口的纯光介质的接入技术，EPON已在配电网自动化系统中获得应用并呈现了广阔的前景。

EPON一种无源网络技术，比工业光纤以太网更加适合配电网自动化通信。

因为在一个站点失去电源时，站点上的工业以太网交换机不能正常工作，可能导致整个光纤环路的通信中断；而对EPON来说，仅仅是该站点无法正常通信，并不影响整个光纤环路的正常工作。

我们知道，电源是目前DRTU应用的薄弱点，故障率比较高，EPON的这一优点，对于提高配电网自动化系统的可用性十分重要。

1．EPON系统的构成

EPON系统由网络侧的光线路终端（OpticalLineTerminal，OLT）、用户侧的光网络单元（OpticalNetworkUnit，ONU）和光分配网络（OpticalDistributioNetwork，ODN）组成，可以灵活组成树型、星型、总线型等拓扑结构。

所谓“无源”指ODN中不含有任何有源电子器件。

在下行方向（OLT到ONU），OLT发送的信号通过ODN到达各个ONU。

在上行方向（ONU到OLT），ONU发送的信号只会到达OLT，而不会到达其他ONU。

为了避免数据冲突并提高网络利用效率，上行方向采用时分多址（TDMA）接入方式并对各ONU的数据发送进行仲裁。

ODN由光纤和一个或多个无源光分路器和相关无源光器件等组成，在OLT和ONU间提供光传输通道。

EPON系统参考结构如图7-5所示。

图7-5EPON系统参考结构

按照ONU在接入网中所处位置的不同，EPON系统通常有以下几种网络应用类型：

光纤到路边（FTTCurb）、光纤到楼宇/分线盒（FTTB/C）、光纤到户（FTTH）、光纤到办公室（FTTO）等。

配电网自动化系统中应用的EPON光纤网络主要有以下三个部分组成：

1）OLT：

光线路终端，是xPON网络的头端设备，负责ONU的接入汇聚功能。

2）POS（PassiveOpicalSplitter）：

光分配网络，打通OLT同ONU的通信光路。

3）ONU：

光网络单元，是xPON网络的终端设备，负责监控数据的采集和主站命令的下发。

网络层次结构如图7-6所示。

图7-6EPON层次结构

2．技术特点

EPON的技术优点:

1）长距离，高宽带（20km，1.25G）是EPON的一大优点。

光纤化的ONU/OLT，非常适合于FTTB和FTTO模式，光纤可以直接到用户，很好的解决了通信宽带最后“一公里”的问题。

2）带宽分配灵活，服务有保证。

EPON对带宽的分配和保证都有一套完整的体系，EPON可以通过DiffServ、PQ/WFQ、WRED等来实现用户级的SLA。

MS-EPON可以根据需要对每个用户甚至每个端口实现基于连接的带宽分配（区别于普通交换机的基于端口的速率限制），并可根据业务合约保证每个用户连接的通信质量（QoS）。

3）节省光纤资源、对网络协议透明传输。

EPON的不足之处：

1）组网结构相对单一，组成树形和链型网，无法实现ONU级别的通道保护。

2）对以太网之外的业务支持能力较差。

对于话音业务，其QoS是无法得到保障。

3）虽然理论上链路上可以实现无限次分光，但设备厂家的建议是二级分光，链路的延伸受到一定的限制。

11.3无线通信技术

上节介绍，配电网自动化系统应用光纤通信遇到的最大的问题，是在一些建筑密集的城市中心区施工难，此外，还存在易受外力破坏，站点布局调整工作量大的缺点；而无线通信具有安装方便、成本低、抗自然灾害能力强等优点，是对光纤通信的很好补充。

对于城市郊区、农网中一些偏远的站点来说，敷设光纤成本比较高，无线通信是一种很好的替代解决方案。

无线通信在国际上配电网自动化系统中应用的比较广泛。

据美国Chartwell公司在2001年发布的对配电网自动化通信方式的调查结果，无线通信的应用排在第一位。

近年来，光纤通信应用有所增多，但无线通信仍然占有相当大的比例。

我国早期建设的配电网自动化系统主要应用光纤通信，对无线通信的应用有限。

近年来，一些配电网自动化系统应用了无线公网通信（GPRS）。

而根据中国电监会电力二次系统安全防护（5号令）规定，不得使用无线公网进行开关的遥控操作，因此，GPRS也只是用于上传故障指示器（FPI）、配变监测终端（TTU）的数据。

根据配电网自动化通信点多、分散的特点，不可能整个系统仅使用一种通信方式解决问题，应根据应用要求与站点分布情况，选择合适的通信方式。

为丰富配电网自动化通信手段，应加强对无线通信在配电网自动化系统中应用的研究。

无线通信按照网络性质分为无线公网和无线专网。

目前应用的无线公网主要是GPRS/CDMA技术，而无线专网有窄带数据电台、扩频电台、宽带无线通信技术等几种形式。

下面简单介绍几种无线通信方式的原理、优缺点以及对配电网自动化通信的适用性。

11.3.1窄带数传电台

窄带数传电台（简称数传电台）应用无线超短波信号传输数据，由发射、接收机与调制解调器（MODEM）三部分组成，支持点对点或点对多点串行通信方式，发射功率在1～50W之间，传输距离在数公里到数十公里之间，通信数率有300bps、600bps、1.2kbps、4.8kbps、9.6kbps、19.2kbps几种。

我国无线电管理委员会给用于工业控制的数传电台分配的频段为223.025MHz～235.000MHz与821MHz～870MHz。

窄带数传电台具有发射功率大、覆盖范围广、传输时延小的优点，既可用于配电网自动化系统分支通信网中配电子站与DRTU之间通信，亦可用于配电子站与配电网自动化主站之间的通信。

不足之处是电台发射功率大，需要向无线电管理委员会申请频点。

此外，它只能采用查询式通信规约，不支持主动上报功能，更不能支持点对点对等（Peer-to-Peer）数据传输。

尽管安装比较方便，但需要根据通信距离、两个通信站点的之间障碍物情况，对电台的发射功率、工作频率以及天线的安装位置与方向，进行合理的配置与选择，否则将达不到应有的通信效果。

参数的配置与天线的安装，需要专业人士来完成并且要有一个调试的过程。

这可能是除了需要申请频点外，影响输出电台应用的重要障碍。

11.3.2扩频电台

常规无线通信，其载波频谱宽度集中在其载频附近的窄的带宽内，而扩频通信采用专门的调制技术，将调制后的信息扩展到很宽的频带上去传输，然后在接收端采用与发送端相同的扩频码进行解调，还原出发送的数据信息。

扩频通信特点主要有：

1）扩频电台发射功率大都在1W以内，不用申请无线频点。

2）扩频电台具有网络（IP）与串行（RS-232）通信接口，支持点对点、点对多点、点对点对等通信方式。

3）通信速率高，达数百bps。

4）通信距离数km到数十km。

5）具有网络自愈功能，可靠性高。

若干个扩频电台构成一个网络。

网络中的每一个电台既是一个数据收发终端，也同时起到中继器的作用，向其他电台转发数据。

数据传输的路径是动态的，当一个电台出现故障时，可以重新建立传输路径，防止通信中断。

6）采用扩频码调制，信噪比大为提高，抗干扰能力强，保密性好。

扩频通信可用于配电网自动化系统分支通信网与主干通信通道。

由于不用申请频点，且组网灵活，因而扩频通信在配电网自动化系统的应用多于窄带电台。

其不足之处，也是参数配置与调试工作量大。

11.3.3宽带无线通信

目前应用的比较多的宽带无线通信技术是WiMAX，它是基于IEEE802.16标准的一项无线城域网技术，可提供最后一公里的固定和移动宽带无线接入。

目前已经发布的802.16系列标准有802.16、802.16a、802.16c、802.16d和802.16e，其中802.16d标准（发布名称为IEEE802.16-2004）是802.16、802.16a和802.16c的整合和修订版本，主要对工作于2～66GHz频段的固定无线接入系统空中接口的物理层（PHY）和媒质接入层（MAC）进行规范，是目前最成熟和最具实用性的一个标准；而802.16e标准（发布名称为IEEE802.16-2005）则是为了支持移动性而制定的标准，它增加了对小于6GHz许可频段移动无线接入的支持，支持用户站以120km/h的车辆速度移动，支持基站或扇区间的高层切换功能。

除以上版本外，正在发展和计划发展的802.16系列标准还包括802.16f、802.16g、802.16h、802.16i、802.16k、802.16m等版本，基于这些标准的WiMAX技术也将逐步被完善。

WiMAX技术支持ATM和IP两种数据接口，主要应用于高速传输的数据业务，但它同时也支持语音、视频等多媒体业务的传输。

802.16d系统在采用OFDM调制方式和20MHz信道带宽下，最大传输速率可达75Mbit/s，最大的覆盖范围可达50km，典型的覆盖半径为5～15km，因此已成为解决接入网“最后一公里”瓶颈的有效手段。

而802.16e系统在5MHz的信道带宽下，也可以实现15Mbit/s的数据传输速率，它的典型覆盖范围为几公里。

WiMAX技术优点：

1）提供距离最远至50km的无线信号传输，只要建设少量的基站就能实现全城覆盖。

2）最大带宽75Mbit/s,具备QoS保证能力。

可用WiMAX无线网络辅助电力光纤网络，实现便捷、经济的网络覆盖。

3）电力系统的微波塔、变电站可作为基站的设置资源，网络建设周期短。

WiMAX不足之处：

1）WiMAX的产业规模以及技术和设备的成熟性还难以与现有的无线公网相比，相应的安全管理等经验不足。

2）使用3.5G频段，需要向无委会申请。

3）一次性投资较大。

4）网络的维护需要专业人员，成本较大。

WiMAX被认为是一种有前途的智能配电网通信技术。

国外有供电企业在尝试使用它完成配电网自动化系统与智能电表通信。

我国目前还没有这方面的应用报道。

11.3.4无线公网通信

无线公网通信技术有全球移动通信系统（GSM）与码分多址系统（CMDA）两种。

目前，在配电网自动化系统中应用的主要是GSM中的GPRS。

GPRS（GeneralPacketRadioService）是在现有GSM网络上开通的一种新型分组数据传输技术，具有永远在线、快速登陆、按数据流量计费、自如切换、高速传送、安全可靠等优点。

GPRS通信网络能够满足可持续传送业务数据的需求，并且能够进行实时的交互数据传送，业务数据以数据包为单位，每个数据包的大小不超过1024字节，通信网络传送一包数据的时延不超过1500ms。

GPRS通信网络能够满足可持续传送业务数据的需求，并且能够进行实时的交互数据传送，业务数据以数据包为单位，每个数据包的大小不超过1024字节，通信网络传送一包数据的时延不超过1500ms。

使用GPRS可以实现点对点以及点对多点的数据传输。

GPRS通信技术在传输速率，信号覆盖范围等方面有突出的优势，比较适合远程电能抄表，远程变压器监控，远程仪表监控等领域的通信要求。

对于一些分散在边远地区的配电网监控点来说，建设专用的通信通道投资比较大，使用社会上电信运营商提供的GPRS通信服务是一种比较合适的选择。

相对于其他通信方式，GPRS的不足之处是传输延迟较大，有“掉线”现象，但能够满足大部分配电网自动化应用要求，是可以接受的。

我国一些城市配电网自动化工程实际运行结果表明，GPRS通信的在线率可以达到95%以上。

考虑到安全防护要求，GPRS网络和配电网自动化系统主网络之间需要加入物理隔离装置。

根据电监会5号令《电力二次系统安全防护规定》，作为公网的GPRS不能用于遥控场合，在我国GPRS只能用于“一遥”、“二遥”终端的通信。

5号令主要是针对变电站监控制定的，至于中压配电网控制是否有必要这样要求，还有待于探讨。

事实上，国际上很多DA工程都使用公共电话或移动通信网，在采取适当的防护措施后，其安全性是有保证的。

11.4配电线载波技术（3000）

11.4.1常规载波通信的问题

电力线路载波（PowerLineCarrier，PLC）利用电力线路作为信号传输通道，具有投资小、覆盖面广的优点，被认为是一种理想的电力系统通信方式。

尽管PLC在高压与超高压线路中有着广泛的应用，但将其用于配电线路却有着许多实际的困难：

1）出于成本等方面的考虑，配电线路载波（DistributionLineCarrier，DLC）不像在输电线路中那样使用阻波器将信号的传播限制在线路两端之间，载波信号受电源、分支线与负荷的影响，衰减比较大。

2）配电网结构多变，对信号耦合与传播有影响。

分段开关打开后造成信号通路断开，需在开关两侧安装信号耦合中继设备。

3）信号经过变压器时的衰减大。

4）信号在线路端点或阻抗不匹配点产生反射，反射信号与入射信号相互叠加可能造成“陷波”现象，使得一些点处于信号的波谷位置，信号幅值很小，影响检测灵敏度。

5）线路故障影响通信可靠性。

鉴于以上原因，利用配电线路导体的DLC难以满足配电网监控对可靠性与实时性的要求，因此在配电网自动化系统中应用的较少。

目前，DLC主要用于自动读表系统中，解决用户电表到安装公共配电变压器处的数据集中器之间的通信问题。

11.4.2电缆屏蔽层载波

城市配电网中大量使用电力电缆，而利用电缆的绝缘屏蔽层（外屏蔽层）在电缆两端进行载波通信，信号在屏蔽层与大地（金属护套）之间传播，减少了电源、负荷等因素的影响，提高了通信可靠性。

典型的三相统包型中压交联聚乙烯电缆的结构如图7-7所示，各导体线芯绝缘外为分相铜丝或铜皮屏蔽层，用于将电缆电场限制在电缆内部与保护电缆免受外部电场干扰作用；缠绕铜屏蔽的三个线芯与填充料放置在一起，由内绝缘护层（套）统一包裹，内绝缘护层的材料为塑料，起到防水、防潮作用；内绝缘护层外为钢带或钢丝铠装，称为金属护层，起到保护电缆免受外力破坏的作用；金属护层外为外绝缘护层（套）。

可见，铜屏蔽层与金属护层之间有一层绝缘与防水性能都较好的内绝缘护层，这样在铜屏蔽层与金属护层之间就构成了一个良好的信号回路，可用来传输载波信号。

图7-7三芯中压交联聚乙烯电缆的典型结构

利用电缆屏蔽层的DLC有两种信号耦合方式：

1）注入式耦合，如图7-8（a）所示。

载波信号通过一耦合变压器注入到电缆屏蔽层与大地之间回路中。

电缆正常运行时，三个线芯的屏蔽层和金属护套都是接地的。

安装耦合设备时，需把屏蔽层的接地解开，将耦合变压器接在屏蔽层与大地之间。

注入式耦合的信号耦合效果好，但安全起见，安装时需要停电。

2）卡接式耦合。

卡接式耦合器的铁芯采用开合式结构，安装时卡在电缆上，铁芯上的装有高频线圈用于将载波信号耦合到电缆上去。

这种耦合方式的信号耦合效果相对较差，好处是安装时不需要停电，施工方便。

实际工程中，耦合器往往直接卡接到电缆金属护层外面，如图7-8（b）所示，这样信号实际上是在屏蔽层、金属护层（二者均在电缆头处接地）与大地之间传播的，受护层绝缘不良、大地导电率等因素的影响，传输距离有限。

（a）（b）

图7-8电缆屏蔽层DLC系统

（a）注入式耦合方式（b）卡接式耦合方式

屏蔽层载波一般用于一段电缆两端之间的通信，当跨越两段电缆时，则需要使用信号耦合网桥进行通信连接，如图7-9所示。

网桥对载波信号的衰减较大，当级数较多时（如三级以后），可能因为信号衰减过大而无法可靠通信。

必要时，可使用载波中继技术，进行分级组网。

图7-9卡接式耦合网桥实现两段电缆之间的通信连接

电缆屏蔽层载波具有投资小、易于实施，受外力破坏的机会较小的优点，对于光缆施工困难的场合，是一种很好的替代通信方案，因此，在我国的配电网自动化工程中有着一定量的应用。

其不足之处是通信受一次系统电压、电流变化的干扰影响，易出现误码。

11.5配电子站（2000）

11.5.1功能和作用

配电子站是一个安装在变电站或开闭所内，收集处理一个供电小区内DRTU数据的站端装置。

按照其实现的功能可以通信子站和监控子站两类。

1）通信子站，称为通信处理机，作为配网自动化主站与DRTU之间的中间连接节点，能够汇集小区内DRTU数据，进行规约转换与数据转发。

2）监控子站，在完成通信处理机功能的基础上，增加FLISR控制功能，并能提供必要的人机界面，完成一些基本的运行监控与系统调试维护功能。

设置配电子站可以减少实时测量数据与控制命令的传输处理层次，能够不依赖于上级主站进行FLISR，提高了控制速度与可靠性。

在开展配网自动化工作的初期，出于对主站的处理大量数据能力与稳定性的担心，不少供电企业选择了由配电子站进行FLISR的做法，但设置配电子站也带来了管理层次增加、系统的总体投资与管理维护工作量加大等问题。

目前，配网自动化主站技术日趋成熟，其数据处理能力与可靠性大为提高；另一方面可以采用基于对等通信的分布式智能控制（见本手册3.4节的介绍）提高FLISR速度。

因此，现在新建的配网自动化系统一般不再使用具有监控功能的配电子站，而只是在采用串行通道时设置通信子站，用以优化配网自动化通信通道结构（详细见第7章“配网自动化通信技术”的介绍）。

此外，对一些规模不太大的配电网（如县级配电网），监控点不是很多，使用一个配电子站即可构成一个小型的FA系统，完成FLISR控制。

配电网的SCADA功能由调度自动化系统完成，配电子站与调度自动化系统通信，交换监控数据。

这种方式易于建设，投资少，特别适用于在已有调度自动化系统基础上扩展FA功能。

据有关资料介绍，韩国就在农村小城镇配电网投运了200多套这种小规模的配网自动化系统。

11.5.2构成

11.6通信网设计（400