配電自動(dòng)化系統(tǒng)通信組網(wǎng)模型研究

易 琨，周 劍，阮 倩，崔光宇，陳 靜

（1.神龍汽車(chē)有限公司，湖北 武漢 430056；2.武漢格羅夫氫能汽車(chē)有限公司，湖北武漢 430206；3.武漢市測(cè)繪研究院，湖北武漢430022；4.長(zhǎng)城汽車(chē)股份有限公司，河北保定 071000；5.武漢興智聯(lián)科技服務(wù)有限責(zé)任公司，湖北武漢 430020）

0 引言

目前，國(guó)家電網(wǎng)公司正大力發(fā)展城市配電網(wǎng)配電自動(dòng)化的建設(shè)工作，配電網(wǎng)供電質(zhì)量和供電可靠性更高的需求是現(xiàn)階段配電網(wǎng)發(fā)展的瓶頸，如何利用快速發(fā)展的技術(shù)解決供電可靠性的問(wèn)題是研究的重點(diǎn)。配電自動(dòng)化技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生，而配電自動(dòng)化建設(shè)的關(guān)鍵在于配網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，配電通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式與質(zhì)量?jī)?yōu)劣直接影響整個(gè)配電自動(dòng)化系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。在國(guó)家電網(wǎng)公司現(xiàn)行的骨干通信網(wǎng)絡(luò)中，已有成熟的通信技術(shù)與組網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用，主要分為有線技術(shù)和無(wú)線技術(shù)兩大類(lèi)。其中有線技術(shù)常見(jiàn)的包括光纖通信、無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)、載波通信，無(wú)線技術(shù)包括GPRS、CDMA、3G、4G等無(wú)線公網(wǎng)技術(shù)以及WIMAX、230 MHZ等無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)技術(shù)。本文對(duì)幾種常用的配電自動(dòng)化通信組網(wǎng)模型方案進(jìn)行了初步探討。

1 配電自動(dòng)化系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)介

配電自動(dòng)化系統(tǒng)的主要構(gòu)成部分分為四大部分，一是通信系統(tǒng)，二是配電終端，三是配電主站，最后是配電子站，如圖1所示。

圖1 配電自動(dòng)化系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)框圖

由圖1配電自動(dòng)化系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)框圖我們可以看出，配電自動(dòng)化通信系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)可分類(lèi)為兩種，一種是接入層通信網(wǎng)，一種是骨干層通信網(wǎng)。在配電主、子站之間，一般通過(guò)骨干層進(jìn)行信息交換，而在終端和配電子站之間，或者終端和配電主站之間，都是以終端接入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息的交換。對(duì)于骨干層通信網(wǎng)而言，最大的要求是可靠性，其負(fù)責(zé)的通信對(duì)象主要是大型電力企業(yè)、調(diào)度中心、發(fā)電廠以及變電站之間的信息傳遞，傳遞單位之間的電壓較高，一般高于35 kV。

因此，保障骨干層通信網(wǎng)的穩(wěn)定、安全、可靠的運(yùn)行，對(duì)于電網(wǎng)整體穩(wěn)定安全的運(yùn)行，具有重要意義。目前，骨干層通信網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)形式一般為光纖傳輸。接入層通信網(wǎng)的要求則沒(méi)有骨干層高，一般存在于儲(chǔ)能裝置、分布式電源、開(kāi)關(guān)站、環(huán)網(wǎng)柜、臺(tái)式變壓器等設(shè)備之間與配電子站進(jìn)行信息交換，其通訊方式較廣泛，比如無(wú)線通信、電力線載波、光纖等均可以運(yùn)用到接入層通信網(wǎng)建設(shè)。

2 幾種常用的配電自動(dòng)化通信組網(wǎng)模型研究

在進(jìn)行配電通信網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)，10 kV通信網(wǎng)優(yōu)先采用光纖通信技術(shù)，而0.4 kV通信網(wǎng)采用了幾種組網(wǎng)方式結(jié)合的方式。為滿(mǎn)足配電自動(dòng)化的功能，在具備遙控功能的配電站點(diǎn)采用了專(zhuān)網(wǎng)通信方式，優(yōu)選光纖專(zhuān)網(wǎng)通信，在不滿(mǎn)足敷設(shè)光纜條件的情況下，可采用無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)或者公網(wǎng)的方式作為輔助。同樣在不具備遙控功能的配電站點(diǎn)，優(yōu)選光纖通信，備選無(wú)線通信或者中壓電力線載波的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

用電信息采集通信建設(shè)應(yīng)與配電自動(dòng)化光纜建設(shè)結(jié)合的區(qū)域，遠(yuǎn)程通道應(yīng)充分利用光纜資源。配電自動(dòng)化、用電信息采集系統(tǒng)建設(shè)時(shí)應(yīng)統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一建設(shè)實(shí)現(xiàn)資源共享，避免重復(fù)投資建設(shè)。接入配電網(wǎng)的分布式電源、電動(dòng)汽車(chē)充換電設(shè)施及儲(chǔ)能裝置站點(diǎn)，可采用光纖、中壓電力線載波等通信專(zhuān)網(wǎng)方式就近接入10 kV通信接入網(wǎng)。接入用電網(wǎng)的分布式電源、電動(dòng)汽車(chē)充換電設(shè)施和儲(chǔ)能裝置站點(diǎn)，可采用光纖、低壓電力線載波、短距離無(wú)線等通信方式就近接入0.4 kV通信接入網(wǎng)。

2.1 基于EPON技術(shù)的通信組網(wǎng)模型研究

基于EPON技術(shù)進(jìn)行組網(wǎng)時(shí)，其接入終端根據(jù)配電的輻射狀態(tài)進(jìn)行接入到終端通信接入網(wǎng)之中。常見(jiàn)的EPON組網(wǎng)拓?fù)溆兴姆N方式：?jiǎn)捂溌吠負(fù)洹㈦p鏈路拓?fù)?、環(huán)形拓?fù)湟约靶切屯負(fù)洌p鏈路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)外，其他三種種方式在在進(jìn)行技術(shù)組網(wǎng)時(shí)較為常用。（單鏈路拓?fù)?、雙鏈路拓?fù)湟约靶切屯負(fù)渚唧w拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2-圖5。）

如圖2。單鏈路拓?fù)浣M網(wǎng)方案的特點(diǎn)：?jiǎn)捂溌吠負(fù)浣M網(wǎng)方案在最后形成的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，單鏈路拓?fù)渲皇沁\(yùn)用在組網(wǎng)初期中的過(guò)渡階段。

圖2 單鏈路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

如圖3所示，雙鏈路拓?fù)浣M網(wǎng)方案的特點(diǎn)：雙鏈路拓?fù)浣M網(wǎng)方案運(yùn)用在移動(dòng)設(shè)備時(shí)十分方便，不影響其他設(shè)備。

圖3 雙鏈路型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

如圖4所示。環(huán)形拓?fù)浣M網(wǎng)方式的特點(diǎn)：環(huán)形拓?fù)浣M網(wǎng)方式在目前的電網(wǎng)中運(yùn)用最多，其網(wǎng)絡(luò)中若同時(shí)移動(dòng)某一個(gè)ONU單元，不會(huì)對(duì)其他設(shè)備造成影響。

如圖5所示。星型拓?fù)浣M網(wǎng)方式的特點(diǎn)：采用星型拓?fù)浣M網(wǎng)方式時(shí)，線路的輻射方式是星型的。

組網(wǎng)方式的選取主要根據(jù)配電網(wǎng)的輻射狀進(jìn)行選取，當(dāng)10 kV配電網(wǎng)線路主要采用單輻射狀時(shí)，大部分采用鏈路型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；當(dāng)10 kV配電線路采用的是聯(lián)絡(luò)狀時(shí)可以采用環(huán)形拓?fù)浠蛘咝切屯負(fù)浣Y(jié)構(gòu)，具體根據(jù)配電線路而定。

上文提出了不同配電線路輻射形式的EPON拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其主要針對(duì)的是終端設(shè)備接入到終端通信網(wǎng)部分。由圖1可知，配電自動(dòng)化系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)主要包括三個(gè)層次：系統(tǒng)應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)匯聚層以及物理終端層?；贓PON技術(shù)的配電自動(dòng)化通信組網(wǎng)在設(shè)計(jì)時(shí)，物理終端層與網(wǎng)絡(luò)匯聚層之間的網(wǎng)絡(luò)研究是配電自動(dòng)化通信組網(wǎng)系統(tǒng)研究的重點(diǎn)部分。

由于目前大部分的配電網(wǎng)線路均采用的輻射狀的架設(shè)方式，因此根據(jù)線路的布放方式，大部分的供電公司的光纜布放方式均是隨配電架空線路布放，不具備光纜布放條件的一般情況是將光纜入地到城市綜合管溝或者城市強(qiáng)電管溝。由于骨干傳輸網(wǎng)一般設(shè)計(jì)時(shí)都在系統(tǒng)110 kV變電站點(diǎn)之中，因此OLT設(shè)備一般均布放在城市周邊的變電站之中。

圖4 環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖5 星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

基于EPON技術(shù)的模型一般要求就是光纜能夠布放到ONU設(shè)備位置，配電自動(dòng)化系統(tǒng)架構(gòu)內(nèi)的設(shè)備的自身數(shù)據(jù)接口與ONU相連接，ONU通過(guò)分光器與子站中的OLT相連接。從而實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)通信。OLT與匯聚層交換機(jī)連接通過(guò)上聯(lián)板實(shí)現(xiàn)，上聯(lián)板提供GE接口以滿(mǎn)足通信速率的要求。通過(guò)上聯(lián)板接入到骨干通信網(wǎng)之中，從而實(shí)現(xiàn)終端與配電主站之間的通信任務(wù)。

基于EPON技術(shù)的配電自動(dòng)化組網(wǎng)模型如圖6所示[1-4]。

如圖6所示終端通信接入網(wǎng)采用EPON技術(shù)進(jìn)行組網(wǎng)，其結(jié)構(gòu)主要包括鏈型和星型方式，配電線路的架設(shè)方式和光纜的布放路徑最終決定上述的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。各個(gè)ONU為配電自動(dòng)化終端提供了數(shù)據(jù)接口，ONU的光口通過(guò)尾纖與分光器相連接。根據(jù)OLT設(shè)備的應(yīng)用模式，一般其一個(gè)光口出來(lái)經(jīng)過(guò)15個(gè)分光器，其性能將會(huì)大大的減弱，這就需要對(duì)分光器的數(shù)量進(jìn)行規(guī)劃，規(guī)劃分光器與線路上的終端設(shè)備需要相結(jié)合。骨干通信網(wǎng)在配電自動(dòng)化系統(tǒng)中主要起到傳輸配電自動(dòng)化業(yè)務(wù)的功能，不具備其他的業(yè)務(wù)功能。由于OLT通過(guò)GE口與骨干通信網(wǎng)中的交換機(jī)或者路由器相連，骨干通信網(wǎng)還需要將電信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換為光信號(hào)才能在骨干通信網(wǎng)中進(jìn)行傳輸。

圖6 基于EPON技術(shù)組網(wǎng)模型

傳輸?shù)臄?shù)據(jù)最終與主站進(jìn)行通信，配電架構(gòu)中的主要系統(tǒng)包括配電自動(dòng)化系統(tǒng)、專(zhuān)業(yè)網(wǎng)管系統(tǒng)、調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)、各種電力應(yīng)用的主要服務(wù)器。主站應(yīng)用層的工作人員通過(guò)訪問(wèn)各種系統(tǒng)從而獲取終端接入中的各種數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)相互通信和對(duì)業(yè)務(wù)的監(jiān)控，為后續(xù)的故障處理提供保障。

2.2 基于工業(yè)以太網(wǎng)的通信組網(wǎng)模型研究

基于工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)進(jìn)行配電自動(dòng)化通信組網(wǎng)的模型目前應(yīng)用較少，光纜根據(jù)線路進(jìn)行假設(shè)時(shí)，很少能夠?qū)⒏鱾€(gè)配電終端進(jìn)行環(huán)形連接，這就給以太網(wǎng)交換機(jī)環(huán)形組網(wǎng)帶來(lái)難度。為什么采用以太網(wǎng)交換機(jī)進(jìn)行組網(wǎng)必須是環(huán)形拓?fù)?？其主要原因在于組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)抗多點(diǎn)失效的功能。在用以太網(wǎng)交換機(jī)進(jìn)行組網(wǎng)時(shí)，采用環(huán)形組網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)抗多點(diǎn)失效的功能，采用星型或者樹(shù)形進(jìn)行組網(wǎng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)該功能，不能夠保證配電自動(dòng)化的可靠性。

根據(jù)目前工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)在配電網(wǎng)組網(wǎng)中的應(yīng)用可知，在進(jìn)行環(huán)形組網(wǎng)時(shí)，環(huán)內(nèi)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量不宜超過(guò)20個(gè)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)超過(guò)20個(gè)節(jié)點(diǎn)口，其性能將大大減弱，數(shù)據(jù)通信可靠性不能滿(mǎn)足要求。同時(shí)，工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)在接入骨干通信網(wǎng)中的三層交換機(jī)時(shí)，工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)必須具備與三層交換機(jī)通信的成熟的技術(shù)體制和標(biāo)準(zhǔn)接口，從而實(shí)現(xiàn)與上層配電主站之間的通信。

工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行組網(wǎng)時(shí)，與EPON技術(shù)類(lèi)似，其三層交換機(jī)通常是安裝在110 kV變電站之中，遠(yuǎn)端接入點(diǎn)位置放置工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，中間通信線路由布放的光纜組成。其組網(wǎng)模型如圖7所示[5]。

采用工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)技術(shù)進(jìn)行組網(wǎng)時(shí)，配電主站的應(yīng)用系統(tǒng)與EPON技術(shù)組網(wǎng)的上層應(yīng)用系統(tǒng)一樣，骨干傳輸網(wǎng)中需要將二層路由器接入到SDH傳輸網(wǎng)中的光端機(jī)設(shè)備之上。在EPON組網(wǎng)時(shí)，則不需要安裝二層交換機(jī)設(shè)備，而是直接通過(guò)OLT的GE接口與光端機(jī)的GE接口相連就行。終端通信接入層由于采用了環(huán)形組網(wǎng)的方式，因此其光纜架設(shè)的工作量很大，投入資金很大。

環(huán)形組網(wǎng)也有其好處，如圖7所示。子網(wǎng)1、2、3、4組成環(huán)形結(jié)構(gòu)，環(huán)上任意一段光纜中斷后，可在20 ns內(nèi)完成以太網(wǎng)業(yè)務(wù)切換工作，從另一個(gè)方向傳送業(yè)務(wù)，子網(wǎng)4采用環(huán)間耦合技術(shù)，可使子網(wǎng)1從兩條鏈路與上行鏈路連接，從而增加網(wǎng)絡(luò)的可靠性。子網(wǎng)2和子網(wǎng)3組成相切環(huán)，使子網(wǎng)2上的上行鏈路實(shí)現(xiàn)冗余。變電站的三層交換機(jī)支持OSPF、RIP協(xié)議，對(duì)接入的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)而言，主要起到VLAN間路由廣播的作用。圖7中，還有一種樹(shù)形組網(wǎng)方式，對(duì)于樹(shù)形組網(wǎng)而言，其中與二層交換機(jī)相連接的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)如果發(fā)生故障，其后續(xù)連接的交換機(jī)仍然能夠?qū)崿F(xiàn)與上層的通信，但是如果主干光纜中斷，整個(gè)樹(shù)形結(jié)構(gòu)上面的以太網(wǎng)交換機(jī)均無(wú)法與二層交換機(jī)進(jìn)行通信，這是其最大的缺點(diǎn)。

圖7 基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)組網(wǎng)模型

2.3 配電自動(dòng)化通信組網(wǎng)混合模型研究

在目前的配電網(wǎng)中，很多時(shí)候光纜并不能布放到相關(guān)的終端節(jié)點(diǎn)的位置，為了實(shí)現(xiàn)所有的終端都能夠進(jìn)行配電自動(dòng)化功能或者用電信息采集等功能，就對(duì)組網(wǎng)提出了更加高的要求，此時(shí)應(yīng)該采用混合組網(wǎng)模型進(jìn)行配電自動(dòng)化通信組網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)所有節(jié)點(diǎn)配電自動(dòng)化的功能。

對(duì)于需要實(shí)現(xiàn)三遙（遙測(cè)、遙信、遙控）功能的配電自動(dòng)化站點(diǎn)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的安全和可靠要求嚴(yán)格，優(yōu)選光纖通信方式，組網(wǎng)可以選用EPON技術(shù)或者是工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，對(duì)于不需要遙控功能的站點(diǎn)，優(yōu)選用光纖通信方式，在不滿(mǎn)足敷設(shè)光纜條件的情況下，也可采用無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)等方式?；旌辖M網(wǎng)方式如圖8所示。

圖8 混合技術(shù)組網(wǎng)模型

如上圖8所示，最上層的配電主站還是采用應(yīng)用系統(tǒng)。主要差別在于骨干通信網(wǎng)層，這一層的設(shè)備變得十分豐富，主要包括的OLT、二層交換機(jī)。同時(shí)布放了230 MHz無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)基站，不同的是基站直接與上層的以太網(wǎng)直接連接。而OLT和二層交換機(jī)需要連入到骨干通信網(wǎng)中才能與上層的服務(wù)器系統(tǒng)進(jìn)行通信。

該模型最大的優(yōu)勢(shì)就是能夠?qū)⒔K端接入網(wǎng)層的所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通過(guò)有線或者無(wú)線的通信方式與上層進(jìn)行連接，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。由于目前各個(gè)城市的配電網(wǎng)不斷的發(fā)展，單一的技術(shù)方式只能解決一些光纜敷設(shè)到位的地方，對(duì)于需要被監(jiān)控但是又不能敷設(shè)光纜的節(jié)點(diǎn)，只能采用混合模型才能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)通信，從而實(shí)現(xiàn)配電自動(dòng)化。最典型的例子就是智能電表的用電信息采集，大部分的電表不可能直接敷設(shè)光纖到電能表的接口，采用無(wú)線的方式更好的解決上述問(wèn)題。而且目前大部分的電能表不具備光通信功能，而更為靈活的無(wú)線方式是目前用電信息采集廣為采用的方式。

3 結(jié)語(yǔ)

本文首先介紹了配電自動(dòng)化通系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，然后最后對(duì)幾種的常用的配電自動(dòng)化通信組網(wǎng)模型進(jìn)行了詳細(xì)的研究，為配電自動(dòng)化通信系統(tǒng)的工程實(shí)踐提供理論參考。