混合組網通信在配電網故障自愈中的應用

熊杰，張家紅，束洪春，董俊，張海，王書領

(1.云南電網有限責任公司大理城區(qū)供電局，大理 671000；2.昆明理工大學電力工程學院，昆明 650051)

混合組網通信在配電網故障自愈中的應用

熊杰1，張家紅1，束洪春2，董俊2，張海1，王書領2

(1.云南電網有限責任公司大理城區(qū)供電局，大理 671000；2.昆明理工大學電力工程學院，昆明 650051)

本文提出一種混合組網通信在配電網故障自愈中的應用方法。首先分析了當前智能配電網中的通訊技術及通訊技術組網方案。然后對現(xiàn)階段配網自動化采用的有線和無線通訊方式進行了探討和總結，分析出混合組網通信方式在智能配電網中應用的優(yōu)勢，并結合混合組網通信方式對智能配電網的通信組網方案進行適應性研究，通過通信方式的多樣化特點，構建出智能配電網多通信方式的自組網方案。最后，提出一種基于EPON和GPRS無線通信的智能配電網故障自愈系統(tǒng)并進行了總結。

智能配電網；混合組網通信；組網方案；無線自組網

0 前言

智能配電網在電力系統(tǒng)建設中和電能的合理分配和使用息息相關，它是智能電網的重要組成部分。智能配電網技術有機集成和融合現(xiàn)代計算機與通信、高級傳感和測控等技術，滿足未來配電系統(tǒng)集成、互動、自愈、兼容、優(yōu)化的要求[1]。智能配電網自動化系統(tǒng)在發(fā)展過程中集合了控制技術、通信技術和計算機技術等諸多現(xiàn)代先進的技術，智能配電網自動化通過對各開關、終端實時狀態(tài)與參數的信息聚合來實現(xiàn)配電網正常運行和故障處理。智能配電網監(jiān)測、保護、控制和管理需要建立穩(wěn)定、可靠的配電網通信網絡。當前，配網自動化系統(tǒng)中在我國發(fā)展迅速，但因地區(qū)發(fā)展、地理環(huán)境條件和配電網結構等因素造成了配網通信網絡依舊存在問題。配電網絡拓撲復雜多變導致通訊光纜無法預埋，各地區(qū)之間的通信標準與模式多樣化等情況導致了配網自動化通信系統(tǒng)的建設與完善受到阻礙。

本文主要對配電終端與配電自動化系統(tǒng)主站和子站之間、多種類配電終端間構建的通信系統(tǒng)進行研究，并且通過EPON通信和無線GPRS通信相結合的通信方式來解決配網自動化系統(tǒng)中的配電網故障自愈應用中的通信問題。

1 智能配電網通信技術

1.1 有線通信技術在智能配電網的應用

電力載波通信和光纖通信是現(xiàn)階段配電網發(fā)展過程中配電網通信系統(tǒng)采用的主流的兩種通信方式。電力線載波通信作為電力系統(tǒng)特有的一種通信方式，這種通信技術利用電力線通過載波方式將模擬信號和數字信號進行高速傳輸來實現(xiàn)，其優(yōu)勢在于建設投資小，不需要重新架設專用的通信通道，但它在電網中應用時，傳輸頻帶受限，傳輸容量容量較小，線路停運檢修時通信中斷。光纖通信是一種利用光信號傳遞信息的通信方式。根據光接入設備和光傳輸設備的有源性差別，光接入網可分為利用無源分光器構架的無源光網絡(PON)和利用有源電復用器 (基于以太網、PDH、SDH或ATM等技術)實現(xiàn)的有源光網絡(AON)，作為目前電力系統(tǒng)中變電站、高壓線路通信廣泛采用的通信技術，它具有傳輸容量大、傳輸速率高、傳輸距離遠、抗電磁干擾能力強、絕緣性能好等優(yōu)勢，但光纖通信的投資大、運行維護費用高，在復雜的配網拓撲結構中通信通道建設困難。隨著光光纖技術的發(fā)展，光纖成本的不斷下降，光纖通信技術在配電網中運用的經濟效益越來越顯著。就通信EPON技術是配電網中應用廣泛的光纖通信技術。

1.2 無線通信技術在智能配電網的應用

目前，國內配電網在解決配電網中配電自動化、配網監(jiān)測、負荷控制、集中抄表等數據采集通道時已廣泛采用無線公用通信網絡。十幾年來，利用公用GPRS通訊技術建立起的配電網通訊解決方案屢見不鮮，隨著對公用無線通訊傳輸速率和可靠性的提高，3G、4G等發(fā)展成熟的公用無線通訊技術也逐步運用到了配電網終端設備的保護和測量中。與此同時，依托于短距離無線通訊技術的發(fā)展和成熟，WiFi、ZigBee和無線藍牙等短距離無線通訊技術也運用到了電力系統(tǒng)的諸多方面，從智能配電終端無線維護、故障診斷到設備的巡檢和維護，包括區(qū)域性無線抄表，實時數據查詢、定制參數配置和設備試驗都有成熟的產品問世。在網絡融合的趨勢之下，基于IEEE802.16標準的寬帶無線接入城域網 (BWAMAN)技術而發(fā)展起來的WiMAX和McWiLL等新興無線通訊技術也逐步成為電力系統(tǒng)中被認同和采納的新技術。另外，傳統(tǒng)的無限數傳電臺技術、一點多址微波通信技術以及衛(wèi)星通信等無線通訊技術仍然有在電力系統(tǒng)中發(fā)展利用的可能。如表1所示為電力系統(tǒng)使用的幾種主流無線通訊技術比較。

表1 電力系統(tǒng)使用的幾種主流無線通訊技術比較

1.3 混合組網通信方式在配電網的應用

智能配電網拓撲結構復雜，負荷分支多且分散，這種配網結構導致配電網通信結構復雜，終端節(jié)點數量多，布局分散。但配電網對通信網絡的可靠性和經濟性要求很高，單一的通信方式無法適應結構復雜的配網拓撲。因此對現(xiàn)有通信資源進行優(yōu)化整合，構建，構建可靠、統(tǒng)一、高效、多樣化的智能配電網通信網絡能有效地解決目前配電網中通信面臨的經濟性和適應性問題?；贓PON、GPRS、3G/4G、ZigBee/WiFi、WiMAX和McWiLL技術的多樣化通信方式給智能配電網的通信網絡提供了備選方案。當前，利用EPON+GPRS、EPON+McWiLL等有線和無線通信相結合的通信模式運用到配網自動化系統(tǒng)中?；旌辖M網通信方式不僅能夠減少光纖通道建設成本、減少維護費用，同時它充分利用無線通信網絡的廣覆蓋性能，實現(xiàn)快速布網，還能根據配電網絡拓撲結構和復雜的地理環(huán)境對智能配電網系統(tǒng)的通信帶寬、可靠性和安全性要求。

2 智能配電網通信組網方案

2.1 智能配電網組網基本模式

配電網的組網方案通常會兼顧方案的可靠性、實時性、可行性和經濟性等因素。在配電網無線通訊組網模式的選擇上通常有三種組網方式，如圖1(a)所示主站—終端模式是一種主站與終端直接通信，通信結構層次簡單，數據傳輸可靠，實時性高的通信模式；但這種組網模式對通信信道可靠性依賴性高，主站處理信息冗余，建設投資也較大。

圖1 主站模式

隨著配網自動化的發(fā)展，在主站和終端之間引入了子站的概念，子站用來管理區(qū)域內的終端，進行簡單的信息處理后將匯聚的信息轉發(fā)給主站，如圖1(b)這種模式稱為主站—子站—終端模式，它不僅簡化了通信通道的建設，節(jié)省了投資；同時也減輕了主站的負擔。目前，為適應智能配電網的發(fā)展需求，配電終端逐漸智能化和分布式控制化。

一種建立在智能終端間自由組網通信的主站—子站—匯聚基站—智能終端的四層模型上的組網模式得到了利用和發(fā)展，如圖1(c)這種組網模式將使智能化的配網終端實現(xiàn)數據通信的分布化，本地自組網，進行就地式智能決策，將極大限度的減少信息的遠程傳輸，減輕上級系統(tǒng)的性能和功能需求壓力，提高可靠性和及時性。

2.2 智能配電網多通信方式的自組網模式

圖2 智能配電網多通信方式的自組網網絡結構

目前，各種無線網絡接入技術在容量、覆蓋、數據速率和移動性支持能力等方面各有長短，任何一種無線網絡都不可能滿足用戶對于網絡性能的全部要求，因此多類型的網絡共存和融合是下一代通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢[1]。在傳統(tǒng)單一的有線通信 (如光纖通信)方式基礎上，結合配電網通信系統(tǒng)的分層結構和配網實際現(xiàn)場需求，無線通信技術及基于無線通信的無線自組網技術就逐漸應用到配電網中。如圖2所示，以光纖通信網和無線自組網為核心的配網自動化通信系統(tǒng)面向架空線路柱上斷路器、環(huán)網柜、臺變和開關站等配網終端設備進行監(jiān)測、控制和保護。

無線自組網技術是指綜合無線通信、分布式信息處理、傳感器及嵌入式計算技術，使整個系統(tǒng)能夠協(xié)同運作，從而實現(xiàn)數據的實時檢測并對采集的數據進行預處理的技術[2]。針對配電網中終端安裝現(xiàn)場分布復雜、環(huán)境多樣、實時性和可靠性要求高等特點，基于網狀網絡、自動組網、多跳路由、自動中繼 (無級數限制)、動態(tài)調頻等技術，無線自組網結構穩(wěn)定，環(huán)境適應能力強，能夠有效地避免干擾，具有極高的實時性和高度智能化。面向多樣化的無線通信方式，配電終端之間可以通過無線自組網方式實現(xiàn)信息的傳輸，同時，終端采集接入網絡的性能參數，根據業(yè)務需求選擇最佳的通信路由線路，另外，它可以借助其他終端功能，以中繼的方式將數據上傳至主站，主站收集各終端運行數據和采集的信息，進行處理、整合和存儲，并及時下傳至各配網子站和終端。如圖3中各終端間自組網網絡結構，終端通過網絡協(xié)議和拓撲機制智能地組建成多跳形式的無線網絡，網絡中各組織節(jié)點能夠主動適應網絡拓撲結構的相應變化，終端可以在此結構下密集部署，減少系統(tǒng)監(jiān)測盲區(qū)。

圖3 配網終端自組網網絡結構

3 智能配電網多通信結合技術應用

3.1 智能配電網故障自愈系統(tǒng)

圖4 配電線路供電區(qū)域終端配置拓撲

如圖4所示配電線路供電區(qū)域FTU(智能配電終端)和FI(故障指示器)配置拓撲圖中，配電網是呈輻射狀的網絡。在配電線路主干分段FTU-1、FTU-2和FTU-3處安裝FTU，各FTU之間建立EPON通信連接，同時，在各負荷較大的分支線路T接處裝設故障指示器FI和數據采集通信終端DCU，并以GPRS無線通信方式建立可靠、穩(wěn)定的無線通信網絡，將EPON網絡和GPRS無線網絡與配電網故障區(qū)段定位主站的通訊鏈路建立起來，這樣就構建出一個典型的配電網故障自愈系統(tǒng)。

3.2 配電網故障自愈系統(tǒng)工程應用

圖5 基于EPON和GPRS通信的配電網故障自愈系統(tǒng)

如圖5所示為基于EPON和GPRS無線通信的故障自愈系統(tǒng)通信結構圖，采用經典的主站層、通信層和終端層結構布局。終端層作為系統(tǒng)數據采集終端部分，由FTU(智能配電終端)和FI (故障指示器)及EPON和GPRS無線通訊模塊組成。FTU和FI主要負責配電網中電壓、電流、等遙測以及故障信息的采集，并通過相對應的通信通道將終端狀態(tài)數據和配電網實時運行數據上傳。通訊層通過GPRS通訊模塊進行無線撥號，建立鏈路，連接無線路由器網關，形成通訊通道后將數據傳送到配網自動化主站，EPON則是利用光纖通道進行數據上傳。主站層作為信息傳輸的終點，主要包括無線路由器、前置機、服務器、工作站及Web服務器。無線路由器將無線專網傳入的數據映射至內網的前置機上；前置機對數據進行規(guī)約處理將處理后的數據存入數據服務器中；服務器對數據進行分析處理后，將結果在工作站上進行顯示，根據故障信息完成饋線自動化FA故障區(qū)段定位功能；工作站作為配網自動化系統(tǒng)的后臺，顯示所有采集的信息 (遙測、遙信等信息)和配網拓撲結構，可以對故障信息、歷史曲線、故障錄波、小電流接地、饋線自動化FA進行查詢，并且對故障結果以短信形式通知各負責人；Web服務器允許供電局內網中的計算機以Web形式訪問配網自動化主站內的信息。

4 結束語

本文從我國智能配電網建設實際情況和特點出發(fā)，對現(xiàn)階段配網自動化采用的有線和無線通訊方式進行了探討和總結，分析出混合組網通信方式在智能配電網中應用的優(yōu)勢，并結合混合組網的通信方式對智能配電網的通信組網方案進行適應性研究，通過通信方式的多樣化特點，構建出智能配電網多通信方式的自組網方案。最后介紹一種基于EPON和GPRS無線通信的智能配電網故障自愈系統(tǒng)，以此來驗證了混合組網方式下的智能配電網通信系統(tǒng)的實用性，在這種通信模式下，有利于建設高速、雙向和集成的智能配電網通信系統(tǒng)，有利于實現(xiàn)電力流、信息流的高效率傳輸。

[1] 吳國沛，劉育權.智能配電網技術支持系統(tǒng)的研究與應用[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38(21)：162-166.

[2] 盛敏，田野，李建東.無線傳感器網絡與自組織網絡研究現(xiàn)狀，中興通訊技術，2005，4：24-27.

[3] 盛潔，唐良瑞，郝建紅.智能配電環(huán)境感知融合網絡的研究 [J].電力系統(tǒng)保護與控制，2011，39(24)：127-131.

[4] 苗世洪，易維，黃緒勇，等.電力系統(tǒng)中無線自組網軟件平臺架構研究 [J].電網技術，2007，31(8)：78-82.

[5] 顏俊，劉沛，苗世洪.自組網在變電站自動化中的應用[J]，2005，29(17)：53-57.

[6] 余南華，陳云端.通信技術 [M].北京：中國電力出版社，2012.

[7] 陳兵，曹晶，高雪生.EPON和McWiLL、GPRS混合方式組件智能配電通信網 [J].電力系統(tǒng)通信，2012，33 (239)，66-71.

[8] 林添順.基于GPRS的新型配電網自動化通信系統(tǒng)設計及適用性分析 [J].電力系統(tǒng)保護與控制，2008，36(19)，44-47.

[9] 張軍，郜士其，胡陽，等.配電通信接入網中混合通信組網的研究 [J].電力系統(tǒng)通信，2011，32(9)，36-40.

[10] 盧新波，杜瑞紅.基于GPRS的配網自動化系統(tǒng)組網方案的探討 [J].繼電器，2006，34(1)，76-78.

Application of Hybrid Communication in Distribution Network Fault Self-healing System

XIONG Jie1，ZHANG Jiahong1，SHU Hongchun2，DONG Jun2，ZHANG Hai1，WANG Shuling2
(1.Dali Power Supply Bureau，Yunnan Power Co.，Ltd.，Dali，Yunnan 671000，China；2.Kunming University of Science and Technology，Kunming 650051，China)

This paper presents an application method of hybrid network communication in distribution network fault self-healing system.Firstly，this paper analyzes smart distribution grid communication technology and networking solutions currently.Then makes a conclusion about wired and wireless communication used in distribution automation after discussing，According to the analysis of hybrid network communication applied in smart distribution network，combining advantages with hybrid networking communication，this paper researches suitability about networking solutions in smart distribution network，builds a multiple communication and wireless ad hoc network program about smart distribution network.Finally，proposes a self-healing system based on EPON and GPRS wireless communication and gives a summary.

smart distribution network；hybrid networking communication；networking solutions；wireless ad hoc network.

TM75

B

1006-7345(2015)06-0106-05

2016-01-11

熊杰 (1983)，男，工程師，云南電網有限責任公司大理城區(qū)供電局，從事變電檢修管理、配電運行、配電規(guī)劃、配電管理工作 (e-mail)84352900＠qq.com。

張家紅 (1976)，男，工程師，云南電網有限責任公司大理城區(qū)供電局，從事配電運行檢修，配電管理工作。

束洪春 (1961)，男，博士，教授，博士生導師，昆明理工大學電力工程學院，從事電力系統(tǒng)新型繼電保護與故障測距、故障錄波、數字信號處理及DSP應用等方面的教研工作 (e-mail) kmshc＠sina.com.cn。