通信技術(shù)在配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用

李樹成

（山西大同大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 大同 037009）

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的全面發(fā)展，電力供應(yīng)日益緊張，電網(wǎng)規(guī)模日益增大，電網(wǎng)數(shù)據(jù)冗余繁雜，為電網(wǎng)的管理及高效運(yùn)行造成極大壓力。如何對(duì)我國(guó)龐大的電網(wǎng)進(jìn)行高效運(yùn)營(yíng)與管理，已成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點(diǎn)話題。在信息化背景下，采用先進(jìn)的電力通信手段提升電力公司的管理效能已成為不可扭轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，智能電網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生。

1 配網(wǎng)自動(dòng)化概述

配電自動(dòng)化是指綜合運(yùn)用電子計(jì)算機(jī)、控制芯片、數(shù)據(jù)傳輸以及數(shù)據(jù)庫(kù)等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)的采集監(jiān)控，從而高效可靠地完成對(duì)配電網(wǎng)的設(shè)備和運(yùn)行的管理?？紤]到低壓端設(shè)備數(shù)量巨大、維護(hù)困難的特性，配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)通常只在中低壓配電網(wǎng)內(nèi)應(yīng)用。配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)屬于復(fù)雜度較高的綜合性自動(dòng)化系統(tǒng)，向下又可分為配電網(wǎng)運(yùn)行自動(dòng)化系統(tǒng)和配電網(wǎng)管理自動(dòng)化系統(tǒng)兩個(gè)子系統(tǒng)[1]。

1.1 配電網(wǎng)運(yùn)行自動(dòng)化系統(tǒng)

配電網(wǎng)運(yùn)行自動(dòng)化系統(tǒng)作為配網(wǎng)自動(dòng)化的重要組成部分，承擔(dān)著設(shè)備狀態(tài)參數(shù)收集、電力變換、變電饋線、負(fù)荷監(jiān)控以及調(diào)整等一系列復(fù)雜的運(yùn)行監(jiān)視和控制任務(wù)，是配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的控制樞紐和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可對(duì)配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的可靠運(yùn)行起到基礎(chǔ)性和根本性的保障作用。

1.2 配電網(wǎng)管理自動(dòng)化系統(tǒng)

與配電網(wǎng)運(yùn)行自動(dòng)化系統(tǒng)不同，配電網(wǎng)管理自動(dòng)化系統(tǒng)主要用于協(xié)調(diào)與管理配電網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)管理者與現(xiàn)場(chǎng)配電終端設(shè)備之間的交互，同樣是配電自動(dòng)化系統(tǒng)的重要組成部分。為實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)的監(jiān)控與分析，配電網(wǎng)管理自動(dòng)化系統(tǒng)包含大量管理功能模塊，可高效處理數(shù)據(jù)，為配電工作的管理提供決策依據(jù)。配電網(wǎng)管理自動(dòng)化系統(tǒng)主要由繪圖模塊、設(shè)備監(jiān)控模塊、GIS模塊、用戶管理模塊以及應(yīng)急管理模塊組成，大大節(jié)省了人力勞動(dòng)，提高了配電效率和管理水平。

2 電力通信新技術(shù)

配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶厥庖螅偈闺娏νㄐ判录夹g(shù)的應(yīng)用成為必然。在當(dāng)前配電網(wǎng)中，ASON、EPON、軟交換技術(shù)、統(tǒng)一通信以及數(shù)字化變電站等先進(jìn)通信技術(shù)已得到較廣泛應(yīng)用[2]，且性能在不斷提升，成為智能電網(wǎng)建設(shè)的重要技術(shù)保障。

2.1 光通信網(wǎng)絡(luò)

光通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用是配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)升級(jí)的重要方面，采用光網(wǎng)絡(luò)替代傳統(tǒng)的電路網(wǎng)絡(luò)，可以取得更大的通信容量和更快的傳輸速度，減少電網(wǎng)內(nèi)光轉(zhuǎn)設(shè)備的數(shù)量。光網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用是傳統(tǒng)電網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域的一次革命，但其應(yīng)用尚不夠成熟，有望在配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用需求推動(dòng)下取得突破。

2.2 無線接入技術(shù)

無線接入技術(shù)使網(wǎng)內(nèi)設(shè)備的互聯(lián)更加方便。當(dāng)前，電力通信接入網(wǎng)主要通過三種方式實(shí)現(xiàn)，即4G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、PLC電力電纜網(wǎng)絡(luò)和專用局域網(wǎng)[3]。其中，采用4G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸大量的數(shù)據(jù)雖可以滿足速度上的要求，但成本往往達(dá)不到要求；采用電力電纜組建通信網(wǎng)則需要大量的前期實(shí)施工作，人力成本不能滿足要求。未來的電力通信技術(shù)將廣泛采用EPON接入技術(shù)。

2.3 電力統(tǒng)一通信

電力統(tǒng)一通信技術(shù)在近年來取得了較快的發(fā)展，它可以將各類不同的業(yè)務(wù)集成在統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)內(nèi)，并允許用戶隨時(shí)隨地接入。電力統(tǒng)一通信技術(shù)較傳統(tǒng)的IP通信更加先進(jìn)，在精減系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的同時(shí)，進(jìn)一步提高了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的集成度，為用戶提供豐富的接入模式，可滿足不同用戶的個(gè)性化需求。

3 通信技術(shù)在配電網(wǎng)中的應(yīng)用要求

電力通信技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用，最典型、最基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)是配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的通信部分。根據(jù)未來智能電網(wǎng)的建設(shè)要求，配網(wǎng)的主網(wǎng)可直接采用原先的SDH網(wǎng)絡(luò)及綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，將新的電力通信系統(tǒng)植入其中。智能電網(wǎng)作為重要的國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施，且長(zhǎng)期工作在高溫、低溫、大溫差、灰塵、電磁干擾、震動(dòng)以及大負(fù)荷等惡劣環(huán)境中，其通信系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性必須優(yōu)于普通家用通信標(biāo)準(zhǔn)。因此，在通信設(shè)備選型時(shí)應(yīng)做到高度重視，在控制成本的前提下，充分考慮設(shè)備的各項(xiàng)性能指標(biāo)，確保與未來智能電網(wǎng)的運(yùn)行效率相適應(yīng)。當(dāng)前，采用較多的硬件是各類工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備，軟件則多采用TCP /IP 協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，且具備數(shù)據(jù)校驗(yàn)和故障重傳等通信保障機(jī)制，促使智能電網(wǎng)中電力通信系統(tǒng)的安全性能進(jìn)一步提升。

4 當(dāng)前配網(wǎng)中通信網(wǎng)存在的問題

盡管配電網(wǎng)中的通信技術(shù)應(yīng)用已有不少案例，且相關(guān)技術(shù)日益成熟。但目前仍存在不少問題，對(duì)我國(guó)配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的快速發(fā)展造成一定的阻礙。

一方面，當(dāng)前配電通信網(wǎng)的結(jié)構(gòu)與電力系統(tǒng)的發(fā)展方向不相符，大部分電力通信公司設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以星形為主，星形結(jié)構(gòu)在一定程度上降低了實(shí)施的難度，但也大大降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性和資源的共享性，導(dǎo)致故障現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。此外，星形結(jié)構(gòu)會(huì)給整個(gè)電力通信網(wǎng)的管理帶來極大的不便，由銅線組建的通信網(wǎng)層次較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可維護(hù)性和可擴(kuò)展性都很低。

另一方面，我國(guó)電力通信網(wǎng)絡(luò)存在傳輸可靠性低的問題。對(duì)電力數(shù)據(jù)傳輸而言，通信數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性異常關(guān)鍵，影響著整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行效率。若數(shù)據(jù)在傳輸過程中出現(xiàn)失真，會(huì)對(duì)電網(wǎng)的運(yùn)行造成極為嚴(yán)重的影響。電力通信網(wǎng)質(zhì)量差的原因有很多，例如網(wǎng)線之間的互擾、DSH節(jié)點(diǎn)過多以及通信設(shè)備性能低下等。此外，當(dāng)前我國(guó)電力系統(tǒng)中采用的網(wǎng)線多為不帶屏蔽層的單股銅線型網(wǎng)線，受力后容易斷裂，且銅芯面積過小，使數(shù)據(jù)的傳輸距離受到較大的局限。

5 配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用

5.1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)主要由客戶端、服務(wù)端、WEB端、數(shù)據(jù)庫(kù)和各種現(xiàn)場(chǎng)采集設(shè)備構(gòu)成。為保證系統(tǒng)可靠性和容錯(cuò)性，重要設(shè)備需按冗余方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。在總體架構(gòu)方面，系統(tǒng)采用由配電主站和配電終端構(gòu)成的兩層集中主站架構(gòu)。其中，主站主要用于采集和分析處理配電網(wǎng)內(nèi)各配電終端的狀態(tài)參數(shù)，其采集邏輯由遠(yuǎn)程工作站統(tǒng)一進(jìn)行調(diào)度。這種現(xiàn)場(chǎng)采集與遠(yuǎn)程監(jiān)控相分離的系統(tǒng)架構(gòu)在管理上非常方便，數(shù)據(jù)一致性和準(zhǔn)確性也得到了最充分保證。系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

需要注意的是，此配電自動(dòng)化系統(tǒng)架構(gòu)在應(yīng)用層面上的功能劃分更加細(xì)致，把運(yùn)行自動(dòng)化系統(tǒng)和配電網(wǎng)管理自動(dòng)化系統(tǒng)兩個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)一步細(xì)化為地區(qū)調(diào)度系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)四個(gè)子系統(tǒng)。

圖1 配電自動(dòng)化系統(tǒng)架構(gòu)

5.2 主站設(shè)計(jì)

主站在配電自動(dòng)化系統(tǒng)中占據(jù)核心地位，起著對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度作用，是網(wǎng)內(nèi)通信數(shù)據(jù)的交換樞紐?？紤]到主站結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜性以及在通信過程中所處地位的重要性，筆者采用標(biāo)準(zhǔn)化和通用化設(shè)計(jì)方法對(duì)主站結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行設(shè)計(jì)。為方便日后的系統(tǒng)維護(hù)與規(guī)模擴(kuò)展，同時(shí)預(yù)留有標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)交換接口。主站的設(shè)計(jì)充分運(yùn)用當(dāng)前的眾多先進(jìn)技術(shù)，通信過程與國(guó)際IEC61970/61968完全兼容，具有較強(qiáng)的可靠性、高效性、穩(wěn)定性、兼容性以及可擴(kuò)展性。

5.3 終端配置

在我國(guó)規(guī)模龐大的電網(wǎng)中，各種類型的電網(wǎng)終端設(shè)備數(shù)不勝數(shù)，由于其在電網(wǎng)中的功能各不相同，采集到的數(shù)據(jù)類型也多種多樣。同時(shí)，這些終端設(shè)備長(zhǎng)期工作在室外惡劣環(huán)境中，可靠性和可維護(hù)性已成為配網(wǎng)自動(dòng)化設(shè)計(jì)過程中的重點(diǎn)。由于終端設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議各不相同，一般多采用串口通信模式，筆者先使用單片機(jī)芯片對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)一控制，然后再由單片機(jī)負(fù)責(zé)與配電通信網(wǎng)進(jìn)行統(tǒng)一數(shù)據(jù)交換，大大簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)潔，易于維護(hù)。

5.4 組網(wǎng)方案

為保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性，在骨干網(wǎng)中采用環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，并充分利用工業(yè)以太網(wǎng)先進(jìn)設(shè)備，搭建一套冗余光纖環(huán)網(wǎng)通信體系。環(huán)網(wǎng)相當(dāng)于網(wǎng)絡(luò)的備份，各網(wǎng)絡(luò)之間具有多條通信線路用以交換數(shù)據(jù)，當(dāng)其中某條鏈路出現(xiàn)問題時(shí)，數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)切換到其他正常鏈路繼續(xù)保持通信系統(tǒng)的正常運(yùn)行。采用工業(yè)以太網(wǎng)的主要原因是配電網(wǎng)對(duì)故障的恢復(fù)速度要求較高，而一般的局域網(wǎng)在故障發(fā)生到成功恢復(fù)至少需要半分鐘，會(huì)對(duì)配電網(wǎng)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)傳輸造成影響，甚至丟失數(shù)據(jù)。從后期維護(hù)的角度來考慮，環(huán)網(wǎng)方案也是最佳的選擇。

接入網(wǎng)主要運(yùn)用無源光網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)（EPON），這是因?yàn)榻K端設(shè)備采集的數(shù)據(jù)量大且位于骨干網(wǎng)附近的區(qū)域，物理線路的布設(shè)并不復(fù)雜，而需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量又較大，與EPON技術(shù)的特點(diǎn)相符?？紤]到實(shí)際施工環(huán)境的復(fù)雜性，筆者使用了24芯單模光纖、性能可靠的分光器和直流電源裝置。

6 結(jié) 論

配網(wǎng)自動(dòng)化的實(shí)施對(duì)我國(guó)電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展有著重要意義，在未來幾十年內(nèi)，我國(guó)將全面普及配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)，電網(wǎng)供電可靠性也會(huì)大大提高。隨著電路理論、控制理論與網(wǎng)絡(luò)通信等基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展以及相應(yīng)實(shí)踐的加深，配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)本身也將會(huì)有很大的進(jìn)步，系統(tǒng)性能不斷提升，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)潔。國(guó)家近年出臺(tái)相應(yīng)的政策，分階段實(shí)施智能電網(wǎng)的建設(shè)工作，同時(shí)提出堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)的新愿景。不難預(yù)測(cè)，新通信技術(shù)的應(yīng)用將為我國(guó)配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)、智能電網(wǎng)以及堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)的建設(shè)帶來更廣闊的發(fā)展前景。