不同配電網(wǎng)自動化通信方案比較及應(yīng)用研究

崔子倜

摘要：在配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)中，通信是重要組成部分之一，是配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)不可或缺的組成部分，許多功能有賴于其的實現(xiàn)?？梢哉f，通信問題解決的好壞，直接影響到配電自動化系統(tǒng)的發(fā)展。文章研究了配電自動化系統(tǒng)通信需求，比較了不同通信方案的優(yōu)劣性，并提出了配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)通信方案構(gòu)建對策和措施。

關(guān)鍵詞：通信；配電網(wǎng)；自動化；光纖

配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)融合了多種現(xiàn)代科技，例如自動化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、計算機技術(shù)以及集成技術(shù)等，是上述技術(shù)在電力行業(yè)的深度利用的體現(xiàn)。同傳統(tǒng)電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)相比，配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)具有諸多優(yōu)勢：例如通信終端節(jié)點分布廣泛、通信節(jié)點網(wǎng)絡(luò)完善、通信距離更長、節(jié)點通信數(shù)據(jù)流量大等。另一方面，由于配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)站點數(shù)量較多，對通信系統(tǒng)功能和性能提出了更高的要求，目前尚未有任何一種通信方案能夠完全滿足其通信需要，而是要根據(jù)實際情況靈活選擇多種通信手段搭配，組成綜合性通信解決方案，以滿足配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)多樣化通信需要。

1配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)通信需求分析

1.1穩(wěn)定性

配電網(wǎng)自動化通信系統(tǒng)線路和設(shè)備大多分布在戶外環(huán)境，其通信功能容易受到氣候環(huán)境和地質(zhì)條件因素影響和干擾，另外，在存在電磁輻射、噪聲擾動情況下，通信系統(tǒng)也容易出現(xiàn)信號消失、通信服務(wù)中斷的情況。因此，配電網(wǎng)自動化通信系統(tǒng)必須要具備良好的抗干擾能力。

1.2實時性

配電網(wǎng)自動化在運行過程中，要保證能夠隨時監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)、即時進行數(shù)據(jù)交換和傳輸，對通信系統(tǒng)的實時傳輸提出了較高的要求。配電網(wǎng)自動化通信系統(tǒng)不僅要及時更新FTU/TTU，還要保證在遇到系統(tǒng)故障時能夠第一時間傳輸相關(guān)情況信息。

1.3雙向性

配電自動化系統(tǒng)內(nèi)部每個節(jié)點都有雙向通信需求，對主通信網(wǎng)站來說，不僅要向各通信節(jié)點發(fā)送操作指令，還要接收各終端反饋的數(shù)據(jù)。因此，通信系統(tǒng)要具備雙向信息交互功能，能夠保證在不同通信終端之間順利進行信息交換和傳播。

1.4靈活性

配電自動化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍較廣，涉及多種通信手段、設(shè)備和軟件系統(tǒng)。要滿足整個配電網(wǎng)自動化正常通信需求，通信系統(tǒng)必須要具備良好的靈活性，能夠在不同設(shè)備型號、通信標準和數(shù)據(jù)接口之間進行自由切換，切實提高通信系統(tǒng)維護、調(diào)試和穩(wěn)定水平。

1.5經(jīng)濟性

企業(yè)配電網(wǎng)自動化通信系統(tǒng)建設(shè)需要投入大筆資金預(yù)算，要在滿足基本通信要求基礎(chǔ)上，最大程度降低通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和維護成本。因此在選擇通信方案、設(shè)備和運營方式時，要對不同方案經(jīng)濟成本進行比較，采用性價比最高的通信方案。

2不同通信方式性能比較分析

隨著信息技術(shù)不斷發(fā)展和進步，通信方式可選擇面不斷拓寬，一般可以將通信方案分為兩種，即有線和無線通信方案。其中，有線通信方式主要包括：撥號電話、光纖通信、現(xiàn)場總線、配電線載波等；無線通信方式主要包括GPRS通信、無線擴頻通信、衛(wèi)星通信等。接下來將介紹幾種常用的通信技術(shù)。

2.1現(xiàn)場總線通信技術(shù)

現(xiàn)場總線通信技術(shù)主要應(yīng)用于大型生產(chǎn)設(shè)備系統(tǒng)、自動化設(shè)備控制系統(tǒng)內(nèi)，通過實現(xiàn)內(nèi)部控制系統(tǒng)不同節(jié)點之間的數(shù)字信號和信息交換，來實現(xiàn)總臺控制不同設(shè)備運行的目的。因此現(xiàn)場總線通信是一種開放式、數(shù)字化、多節(jié)點通信網(wǎng)絡(luò)。一般來說，其主要有以下幾方面特點：（1）統(tǒng)一、通用的通信技術(shù)標準；（2）具有良好的交互性和替換性；（3）能夠?qū)崿F(xiàn)統(tǒng)一誤差糾錯和信號算法即時調(diào)整；（4）現(xiàn)場總線具備良好的通信網(wǎng)絡(luò)拓展性，具有成熟穩(wěn)定的全分散性控制結(jié)構(gòu)；（5）通信系統(tǒng)功能和網(wǎng)絡(luò)可根據(jù)具體通信需求靈活設(shè)計，能夠滿足不同通信環(huán)境通信需要，具有良好的魯棒性。

目前，在配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)通信解決方案中，主要利用現(xiàn)場總線技術(shù)來解決FTU和近距離通信需求問題，另外發(fā)電站內(nèi)部設(shè)備之間的通信也可以采用這種技術(shù)實現(xiàn)。

2.2光纖通信技術(shù)

一般來說，光纖通信主要有以下幾方面優(yōu)點：（1）傳播信號流量較大。目前光纖信道容量一般在140Mbit/s水平，采用單模信道還可以進一步擴充通信流量；（2）信號傳輸過程中衰減小，可支持超遠距離通信。如果光波長度為018-019um，最長通信距離可達10公里；如果光波長度為110-116um，則最長通信距離可達100公里；如果光波長度超過210u-，最長通信距離可達1000公里，因此其可以實現(xiàn)遠距離跨區(qū)域配電網(wǎng)自動化通信；（3）光纖管道直徑小、重量輕，有良好的彎折性，網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)施工簡單快捷；（4）輸入輸出信號采用分離處理，可以有效提高抗電磁干擾能力；（5）保密性效果好，不會出現(xiàn)信號缺失和失真問題；（6）通信網(wǎng)絡(luò)物理性能穩(wěn)定，有良好的抗腐蝕性和抗酸堿性。

光纖通信主要不足有：（1）建設(shè)投資規(guī)模較大，網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)技術(shù)要求高，這直接限制了光纖通信的推廣應(yīng)用；（2）光纖故障排查難度較大，后期維護保養(yǎng)技術(shù)要求高；（3）網(wǎng)絡(luò)維護成本高。

光纖通信一般適用于以下范圍：城區(qū)通信；主站與子站通信；高標準通信領(lǐng)域，例如配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)、工業(yè)自動化控制系統(tǒng)等。

2.3配電線載波技術(shù)

配電線載波通信綜合了移頻監(jiān)控、跳頻技術(shù)，其通信信道采用6-10KV配電線路，配置了最新DSP數(shù)字信號模擬分析器和電路集成化技術(shù)，采用數(shù)字虛擬信號實現(xiàn)通信。該通信方案投資規(guī)模較小、穩(wěn)定性較高，通常與電網(wǎng)建設(shè)同步推進，在電網(wǎng)企業(yè)應(yīng)用比較多。

配電線載波通信主要有以下幾個特點：（1）安裝方便、操作便捷；（2）可以靈活建網(wǎng)；（3）具有良好的網(wǎng)絡(luò)兼容性，能夠與不同通信標準對接，例如可支持RS-232、Rs-422、Rs-455等不同型號的通信終端設(shè)備；（4）同時結(jié)合了快速調(diào)頻技術(shù)和FSK調(diào)制技術(shù)，能夠有效提高通信信號傳播穩(wěn)定性，通信系統(tǒng)魯棒性較好；（5）由于配電線載波通信網(wǎng)絡(luò)與電氣網(wǎng)絡(luò)同步建設(shè)和直接連接，通信網(wǎng)絡(luò)可以與配電站內(nèi)任何一個節(jié)點進行即時通信；（6）通信信道穩(wěn)定性較高，抗干擾能力強。

配電線載波主要缺點：（1）在三相電網(wǎng)通信環(huán)境下容易出現(xiàn)信號失真；（2）由于載波通信信號容易受到電磁干擾；（3）載波通信信息孤島較多；（4）由于與電網(wǎng)密切聯(lián)系，信道通信容易受到電路中斷影響。

載波通信主要適用范圍：高空鋪設(shè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，供電穩(wěn)定，對即時通信要求較低、可以接受電路中斷通信的情況。例如具有間歇性、階段性運行特點的自動化系統(tǒng)。

2.4無線擴頻通信技術(shù)

無線擴頻通信主要特點：（1）魯棒性好；（2）抗外部干擾性較強；（3）可以支持碼分多址。無線擴頻通信技術(shù)主要適用于以下情況：小型變電站、形成IOKV的開閉所或區(qū)域性控制中心與配電站之間的通信聯(lián)系。對于具有較多數(shù)量的分散測控點通信環(huán)境，由于無線擴頻通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本較高，因此通常不考慮采用。

2.5基于GPRS通信技術(shù)

GPRS是通信運營建立的基于GSM網(wǎng)絡(luò)的無線信號通信系統(tǒng)，通過移動網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)移動終端之間的數(shù)據(jù)通信，可為用戶提供即時無線通信服務(wù)。

在配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)通信中采用GPRS技術(shù)，主要有以下幾點：（1）通信便捷。用戶只要利用移動通信終端就可以隨時隨地與GPRS網(wǎng)絡(luò)連接，能夠在短時間內(nèi)建立通信聯(lián)系；（2）有效提高頻率資源利用率；（3）信號傳輸效率高；（4）通信成本低。利用現(xiàn)有的通信基站即可實現(xiàn)通信，不需要單獨建設(shè)通信網(wǎng)絡(luò)，只需支付一定流量費用；（5）通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍較廣。GPRS網(wǎng)絡(luò)利用通信運營商完善的基站網(wǎng)絡(luò)，可以在移動信號覆蓋的地方進行即時通信；（6）安全性高。采用SIM卡實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，可以有效增強防范數(shù)據(jù)被復(fù)制或泄露能力。

3不同通信技術(shù)優(yōu)劣性比較

如表1所示，文章給出了上述5種通信技術(shù)優(yōu)劣性對比情況，以便于根據(jù)實際情況靈活選擇最佳通信方案。

4配電網(wǎng)自動化通信系統(tǒng)基本架構(gòu)

當前，配電網(wǎng)自動化通信系統(tǒng)主要有兩種架構(gòu)：一是三層結(jié)構(gòu)，即通信網(wǎng)絡(luò)由主站、子站和終端三部分組成，一般適用于大型配電網(wǎng)，特別是變電站數(shù)量較多、線路復(fù)雜的情況。三層結(jié)構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部各系統(tǒng)獨立性較高，能夠滿足惡劣環(huán)境下通信需要；二是兩層結(jié)構(gòu)，即由主站和終端兩部分組成的通信網(wǎng)絡(luò)，一般適用于小型配電網(wǎng)，這類通信系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單、功能單一。文章擬設(shè)計三層結(jié)構(gòu)的配電網(wǎng)通信系統(tǒng)。

4.1主站層

主站層負責配電網(wǎng)運行狀態(tài)監(jiān)控、檢測和運行分析任務(wù)，對整個配電網(wǎng)運行情況進行實時監(jiān)控和管理，并提供人際溝通接口，管理員可以通過輸入操作指令完成各種系統(tǒng)操作，例如系統(tǒng)故障檢測、設(shè)備優(yōu)化、軟件升級、信號輸出、數(shù)據(jù)打印以及系統(tǒng)間交互等。可以說，主站層是配電網(wǎng)通信系統(tǒng)的骨架。

4.2子站層

一般來說，配電網(wǎng)內(nèi)部有多個設(shè)備節(jié)點，配電網(wǎng)主站不可能與所有監(jiān)控設(shè)備進行直接連接，而是要設(shè)置一個中間緩沖層也就是子站層來完成這個任務(wù)。子站層不僅要負責監(jiān)控站點與主站之間的數(shù)據(jù)交互任務(wù)，而且還要提供系統(tǒng)故障檢測、故障隔離和功能替換等支持。如果主站出現(xiàn)故障或者運行癱瘓，子站可以扮演主站角色，對其監(jiān)控站點進行通信指揮和管理。

4.3配電網(wǎng)終端層

配電終端是配電網(wǎng)的末梢組成單元，其主要負責柱搜集上開關(guān)、環(huán)網(wǎng)開關(guān)、箱式變、變壓器、遙感器、子系統(tǒng)等運行數(shù)據(jù)和信息，并將監(jiān)控信息反饋給子站層和主站層。

5配電網(wǎng)自動化通信方案設(shè)計

當前，隨著信息技術(shù)不斷發(fā)展和進步，配電網(wǎng)自動化通信方案的選擇也日益豐富，比較常見的有GPRS、光纖、載波、微波、雙絞線等。但是單獨采用某一種通信方案顯然不能全面兼顧經(jīng)濟性、技術(shù)性和合理性等要求，因此可以考慮多種通信組合的方式。

一般來說，主站層與子站層之間交換的數(shù)據(jù)容量較大，對信號穩(wěn)定性、保密性和通信即時性要求較高，因此采用光纖通信技術(shù)比較合理。為提高通信系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性，增強通信系統(tǒng)抗干擾能力，可構(gòu)建雙環(huán)光纖線路自愈網(wǎng)絡(luò)，在一條光纖通信中斷的情況下，另一條光纖依然可以保證通信順暢。

雙環(huán)光纖自愈網(wǎng)主要用于主站層與子站層之間、子站與城區(qū)之間的配電網(wǎng)絡(luò)通信，可以提高整個配電自動化系統(tǒng)通信穩(wěn)定性和時效性。雙環(huán)光纖自愈網(wǎng)可以支持三層交換機與配電主站系統(tǒng)的通信連接。可以采用GPRS實現(xiàn)子站層與遠距離配電終端的通信，這樣不僅可以提高通信效率，還可以提高通信網(wǎng)運行經(jīng)濟性。短距離通信則可以考慮現(xiàn)場總線通信技術(shù)。

6結(jié)語

配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)有利于提高電力企業(yè)供電穩(wěn)定性和可靠性，這是電力行業(yè)未來發(fā)展趨勢之一。而通信技術(shù)直接影響到配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)綜合運行效率，它負責電網(wǎng)運營中心與電網(wǎng)設(shè)備和用戶之間的信息交換和傳播，是整個電力網(wǎng)絡(luò)的中樞神經(jīng)，直接影響到配電網(wǎng)的總體正常運營情況，可以說，沒有一套功能完善的通信網(wǎng)絡(luò)支持，配電網(wǎng)自動化功能就無法保證和實現(xiàn)。