長沙配網(wǎng)自動(dòng)化通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

楊阜，譚智，劉建華，華丁劍，郭軍昌

(1.長沙電業(yè)局，湖南 長沙 410002;2.長沙理工大學(xué)，湖南 長沙 410114)

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及人民生活水平的提高，人們對(duì)供電質(zhì)量提出了更高要求，對(duì)供電可靠性提出了更高標(biāo)準(zhǔn)。因此，發(fā)展城市配網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)自動(dòng)化是供電網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢(shì)。建設(shè)配網(wǎng)自動(dòng)化必需具備三大條件:相對(duì)完善的智能化配電網(wǎng)絡(luò)、性能穩(wěn)定的配網(wǎng)主站和可靠的配電通信系統(tǒng)。由此可見，建設(shè)配網(wǎng)通信系統(tǒng)對(duì)實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)自動(dòng)化具有極端的重要性和迫切性。本文結(jié)合長沙配網(wǎng)自動(dòng)化工程，對(duì)這一問題進(jìn)行了探討［1］。

2 配網(wǎng)通信組網(wǎng)總體模式

配網(wǎng)通信所涉及到的節(jié)點(diǎn)類型可分為通信主站、通信子站、通信終端，并根據(jù)配電網(wǎng)規(guī)模采用骨干層、(匯聚)接入層的分層結(jié)構(gòu)。目前，長沙配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)中的通信系統(tǒng)按照此模式已初步建成并投入使用［2］。

(1)通信主站。負(fù)責(zé)將通信子站傳送的信息送到配電網(wǎng)自動(dòng)化主站系統(tǒng)(包含配電主站與區(qū)調(diào)分站系統(tǒng))，一般設(shè)置在地調(diào)或區(qū)調(diào)分局。

(2)通信子站。一般設(shè)置在110kV或220kV變電站。通信子站設(shè)備作為通信中繼，負(fù)責(zé)匯聚接入層的數(shù)據(jù)，完成傳輸數(shù)據(jù)所必要的控制功能、錯(cuò)誤檢測(cè)和同步、路由選擇、傳輸安全等功能。因此通信子站設(shè)備需要具備支持多介質(zhì)和多協(xié)議的能力。

(3)通信終端。與配電終端設(shè)置在一起，直接接受配電終端的數(shù)據(jù)，通常設(shè)置在開關(guān)站、配電房、戶外開關(guān)箱、環(huán)網(wǎng)柜等。

(4)配網(wǎng)通信骨干層。指各通信子站與通信主站之間的通信網(wǎng)絡(luò)。

(5)配網(wǎng)通信接入層。指通信終端與通信子站之間的通信網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)接入配電點(diǎn)的數(shù)量，可以考慮增加匯聚層。

3 配網(wǎng)自動(dòng)化對(duì)通信系統(tǒng)的要求

通信系統(tǒng)是配電自動(dòng)化系統(tǒng)的關(guān)鍵之一。配電系統(tǒng)自動(dòng)化程度的重要標(biāo)志是通信是否符合自動(dòng)化的要求，它擔(dān)負(fù)著設(shè)備及用戶與自動(dòng)化的聯(lián)絡(luò)，起著紐帶作用，擔(dān)負(fù)著信息的處理、命令的發(fā)送和返回以及所有數(shù)據(jù)的傳遞。顯然，沒有可靠有效的通信，配電網(wǎng)將無法與自動(dòng)化相聯(lián)系。配電自動(dòng)化對(duì)通信系統(tǒng)的要求有如下幾個(gè)方面［3］:

(1)通信的可靠性

配電系統(tǒng)的通信設(shè)備大多安裝在戶外，這意味著要長期經(jīng)受噪聲、電磁場(chǎng)和惡劣天氣等的考驗(yàn)。因此，在設(shè)計(jì)配電自動(dòng)化通信系統(tǒng)時(shí)，必須要考慮這些因素。

(2)數(shù)據(jù)傳輸速率

在配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)中，對(duì)通信速率功能要求從高到低分3個(gè)層次:①電源進(jìn)線監(jiān)視、10kV開閉所及配電變電站監(jiān)控、饋線自動(dòng)化;②公用配變的巡檢和復(fù)合監(jiān)控系統(tǒng);③遠(yuǎn)方抄表和計(jì)費(fèi)自動(dòng)化;在選擇通信方式時(shí)，一方面應(yīng)根據(jù)不同層次選擇合適的通信速率，另一方面，設(shè)計(jì)上應(yīng)留有足夠的帶寬，以滿足今后發(fā)展的需要。

(3)通信的實(shí)時(shí)性要求

配電自動(dòng)化系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)實(shí)時(shí)性要求極高，特別是系統(tǒng)故障時(shí)，實(shí)時(shí)性是保證系統(tǒng)快速確定故障、完成故障隔離、恢復(fù)供電的基礎(chǔ)條件。

(4)通信不受停電、故障的影響

故障時(shí)停電區(qū)域通信仍能正常進(jìn)行，配電自動(dòng)化的饋線自動(dòng)化功能要求能通過通信系統(tǒng)對(duì)停電區(qū)域的開關(guān)進(jìn)行操作，提高供電可靠性。

(5)經(jīng)濟(jì)性

配電自動(dòng)化通信系統(tǒng)是一個(gè)龐大的工程，在預(yù)算時(shí)，應(yīng)將通信技術(shù)的先進(jìn)性、功能、設(shè)備造價(jià)、長期使用維護(hù)的費(fèi)用等諸多因素綜合考慮，追求最佳的性價(jià)比。

(6)使用維護(hù)的易操作性

盡量選擇具有通用性標(biāo)準(zhǔn)化程度高的設(shè)備，選擇標(biāo)準(zhǔn)的通信規(guī)約，不僅可以提高系統(tǒng)兼容性，方便今后的擴(kuò)展，還便于使用和維護(hù)。

(7)雙向通信能力

配電自動(dòng)化系統(tǒng)中，除負(fù)荷控制可以是單向通信，由控制中心向被控負(fù)荷發(fā)送投運(yùn)或停運(yùn)命令外，其他系統(tǒng)基本都需要具備雙向通信功能，來完成數(shù)據(jù)的上傳和控制命令的下達(dá)。

(8)可擴(kuò)展性

通信系統(tǒng)除了能滿足目前的需要，還應(yīng)考慮將來增長的需要，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮足夠的容量以及系統(tǒng)的開放性要求。

4 長沙配網(wǎng)自動(dòng)化通信系

長沙配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的通訊方式選擇充分考慮了配電自動(dòng)化系統(tǒng)可靠性、實(shí)時(shí)性和安全性的需要，主要采用光纖網(wǎng)絡(luò)方式，采用SDH光纖網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)配電自動(dòng)化主站與子站間通訊、利用EPON實(shí)現(xiàn)配電子站與配電終端間的通訊;同時(shí)對(duì)部分暫不方便改造的配網(wǎng)區(qū)域采用McWill無線專網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)故障指示器或配網(wǎng)終端與子站間的通訊。以下為長沙電力配電通信網(wǎng)建設(shè)架構(gòu)，如圖1所示。

第一層為電力通信主干網(wǎng)——覆蓋所有35kV及以上變電站、調(diào)度中心、電力企業(yè)各級(jí)組織，負(fù)責(zé)變電站的所有業(yè)務(wù)。本層在整個(gè)通信網(wǎng)中處于核心地位，可靠性、實(shí)時(shí)性要求極高，具備雙路由，自愈時(shí)間小于50ms。

圖1 配電通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

第二層為電力通信接入網(wǎng)——包括10kV配電通信網(wǎng)，即主網(wǎng)變電站低壓出線側(cè)各條10kV主干線路及其分段互聯(lián)開關(guān)、環(huán)網(wǎng)柜等。電力通信接入網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)自動(dòng)化的主要通信支撐。此次長沙配網(wǎng)自動(dòng)化工程的電力通信接入網(wǎng)主要采用“光纖通信為主，無線通信為輔”的建設(shè)原則。

4.1 接入網(wǎng)通信方式的選擇與實(shí)現(xiàn)

4.1.1 光纖通信

光纖通信是70年代發(fā)展起來的通信方式，采用光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的主要優(yōu)點(diǎn)是:通信速率高、可靠性高，并有很強(qiáng)的抗干擾能力，它可以沿架空線架設(shè)或與電力電纜一起敷設(shè)，是一種良好的配電自動(dòng)化通信方式。光纖通信的不足之處是投資大。光纖是目前計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中最有發(fā)展前途的傳輸介質(zhì)，它的傳輸速率可高達(dá)1000Mbps甚至更高。目前光纖通信技術(shù)已經(jīng)成熟，并且已經(jīng)在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，是目前認(rèn)為最有前途的一種有線通信方式［4］。

配用電通信網(wǎng)的設(shè)計(jì)需要根據(jù)各種配電網(wǎng)業(yè)務(wù)的需要，結(jié)合通信技術(shù)的發(fā)展，合理選擇技術(shù)成熟、經(jīng)濟(jì)、安全、實(shí)用的通信方式。其中，無源光網(wǎng)絡(luò)(Passive Optical Network，PON)技術(shù)是一種點(diǎn)到多點(diǎn)的光纖通信接入技術(shù)。而基于以太網(wǎng)的無源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［5］(Ethernet Passive Optical Network，EPON)的提出，主要是為了滿足人們對(duì)接入網(wǎng)低價(jià)格和高帶寬的追求。它是一種新的接入技術(shù)，其典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括樹型、星型、總線型和環(huán)型。它主要有光線路終端(Optical Line Termination，OLT)、光網(wǎng)絡(luò)單元(Optical Network Unit，ONU)和無源光分路器(Passive Optical Splitter，POS)三部分組成。圖2是長沙配網(wǎng)自動(dòng)化工程中的SDH+EPON通信組網(wǎng)圖。在配用電通信網(wǎng)中，配電自動(dòng)化主站系統(tǒng)至變電站采用已建成的電力專用SDH/MSTP光纖網(wǎng)絡(luò)，而變電站至終端將采用EPON技術(shù)。此方案的EPON網(wǎng)絡(luò)建設(shè)僅考慮目前試點(diǎn)區(qū)域內(nèi)兩座已建的110kV變電站所帶的10kV配電線路。該通信方式完全滿足該地區(qū)配網(wǎng)自動(dòng)化的功能要求。

圖2 SDH+EPON通信組網(wǎng)

4.1.2 無線通信

無線電通信系統(tǒng)，具有投資少、組網(wǎng)方便、易于安裝、覆蓋面大等優(yōu)點(diǎn)，而且具有雙向通信的功能。無線電通信在配電自動(dòng)化系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。實(shí)踐證明，就我國城市條件，采用甚高頻無線電信道構(gòu)成配電自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸通道是可行的。只要合理地布置天線并保證一定的無線信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)，避開和控制電磁場(chǎng)干擾，就可以滿足配電自動(dòng)化系統(tǒng)的要求。

寬帶無線接入技術(shù)作為當(dāng)前智能配電網(wǎng)智能終端的通信接入是比較合適的一種選擇。由于配電網(wǎng)絡(luò)呈面狀分布，且密度大，終端數(shù)量較多，而寬帶無線接入技術(shù)基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)，十分適合建立區(qū)域性的專用無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋［6］。在網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域以內(nèi)，智能終端，智能傳感設(shè)備等均可實(shí)現(xiàn)信息的接入，然后通過電力光纖網(wǎng)絡(luò)完成信息的主干傳輸。McWill技術(shù)作為一種先進(jìn)的無線寬帶通信技術(shù)能夠滿足電力系統(tǒng)未來應(yīng)用需求，專網(wǎng)部署也能夠滿足安全性方面的要求。McWill技術(shù)是我國自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，得到國家政策方面的支持，McWill頻率申請(qǐng)也是開放的。這符合智能電網(wǎng)中無線網(wǎng)絡(luò)的安全性、數(shù)據(jù)傳輸?shù)莫?dú)立性等特點(diǎn)。圖3為長沙配網(wǎng)自動(dòng)化工程中的McWiLL寬帶無線專網(wǎng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖。

圖3 McWiLL寬帶無線專網(wǎng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

McWiLL寬帶無線接入系統(tǒng)，采用國際最先進(jìn)的碼擴(kuò)正交頻分多址(CS－OFDMA)、智能天線、空間零陷、聯(lián)合檢測(cè)等無線通信技術(shù)，其基于IP分組交換網(wǎng)絡(luò)以及軟交換核心網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)，符合下一代網(wǎng)絡(luò)(NGN)的技術(shù)特征。McWiLL具有如下技術(shù)特點(diǎn):

(1)網(wǎng)絡(luò)帶寬寬大、覆蓋廣;

(2)支持非視距傳輸;

(3)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、通信安全可靠;

McWiLL無線專網(wǎng)建成后，除滿足本區(qū)域內(nèi)配用電系統(tǒng)所需通信帶寬外，還能滿足配電線路視頻監(jiān)控、內(nèi)部移動(dòng)電話、移動(dòng)辦公等智能新業(yè)務(wù)接入，節(jié)約大量公網(wǎng)信息費(fèi)用。能為長沙將來電力系統(tǒng)各種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的流量匯聚和多業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)的綜合承載打下良好的基礎(chǔ)。因此，本項(xiàng)目實(shí)施后也將產(chǎn)生資源共享、提高企業(yè)信息安全性等多種間接效益功能。

由于配網(wǎng)通信具有點(diǎn)多、面廣、單點(diǎn)信息量小的特點(diǎn)，全部采用光纖作為傳送通道，通信費(fèi)用太高，也不現(xiàn)實(shí);全部采用無線網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)信息及時(shí)性和安全性又無法保證。所以長沙配網(wǎng)自動(dòng)化工程根據(jù)實(shí)際情況和建設(shè)難度采用了以“光纖通信為主，寬帶無線通信為輔”的配網(wǎng)通信建設(shè)原則。該方案很好的實(shí)現(xiàn)了長沙配網(wǎng)自動(dòng)化工程的通信要求和功能。

5 結(jié)論

配網(wǎng)自動(dòng)化通信系統(tǒng)包括骨干網(wǎng)通信和接入網(wǎng)通信，其中接入網(wǎng)通信是配網(wǎng)自動(dòng)化的重要組成部分。通信系統(tǒng)的安全與可靠是實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)自動(dòng)化的重要保障，針對(duì)不同層次和系統(tǒng)的配網(wǎng)自動(dòng)化通信，可選擇不同的通信方式。這樣，既能夠滿足系統(tǒng)通信需要，又減少了投資，實(shí)用性強(qiáng)。配網(wǎng)自動(dòng)化的通信方式應(yīng)該首選光纖，特別是中心城區(qū)和重要負(fù)荷等可靠性要求高的終端。在光纖不易到達(dá)的地區(qū)，實(shí)時(shí)性相對(duì)要求不高，且不需要進(jìn)行相互間的瞬間動(dòng)作配合時(shí)，可選用無線網(wǎng)絡(luò)通信。

［1］唐愛紅，程時(shí)杰.配電網(wǎng)自動(dòng)化通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)［J］.電工技術(shù)雜志，2004，(10):1 －4.

［2］張嵐，高鵬，王澄.南方電網(wǎng)配網(wǎng)自動(dòng)化通信系統(tǒng)的建設(shè)［J］.電力系統(tǒng)通信，2010，31(217):1 －5.

［3］龔靜.配電網(wǎng)綜合自動(dòng)化技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008:8.

［4］戴新文.配網(wǎng)自動(dòng)化中兩種常用通信方式選型探討［J］.福建電力與電工，2007，27(1):1 －3.

［5］王華偉，胡寶華，楊淑雯.新一代無源光網(wǎng)絡(luò)—EPON［J］.深圳大學(xué)學(xué)報(bào)理工版，2004，21(1):1 －2.

［6］梁明，宋晉冀，張亞明，等.無線專網(wǎng)技術(shù)及其在配電自動(dòng)化中的應(yīng)用［J］.電工技術(shù)雜志，2004，7:1 －5.