關于配網自動化中光纖通信技術的探討

黃炳強

（廣西電網有限責任公司貴港供電局，廣西 貴港市 537100）

1 引言

我國一直以來發(fā)展電力都秉承著“重發(fā)電、輕供電”的理念，因此，供電系統(tǒng)中配電網的建設一直處于緩慢發(fā)展的階段。隨著社會市場經濟的發(fā)展，廣大電力用戶對于供電的安全性、可靠性、電能質量的要求也不斷提高，特別是高精密的企業(yè)，如煉鋼、芯片制造、木材加工、醫(yī)療器械等對電能質量的要求也是十分苛刻，種種需求使得復雜的配電網建設面臨著巨大考驗；而配網自動化的全面規(guī)劃和建設可以提高供電電能的質量和可靠性，有效的對用電負荷進行控制，提升配電管理效率和提高人民滿意度，配電系統(tǒng)的運行及管理因此上升到一個新的水平。

在配網自動化建設中，通信系統(tǒng)的建設是核心環(huán)節(jié)。與骨干主網相比，10kV 配電網及以下電壓等級網絡具有電壓等級多、組網結構和線路復雜、設備數量龐大、支線多、分布廣、配電網數據業(yè)務分布分散、通信節(jié)點多和設備運行環(huán)境較差的特點。目前配網通信已具備基礎業(yè)務的通信服務，但是通信覆蓋點多、信息量巨大，僅僅依靠幾百波特的傳輸速率根本無法滿足需求。同時，配網自動化系統(tǒng)對于通信的要求中，可靠性這一指標顯得尤為重要，在不受到惡劣環(huán)境或者天氣影響的情況下，必須具備業(yè)務雙向通信的能力。

本文以配網自動化為出發(fā)點，結合配網通信的特點進行闡述，通過多方面分析無線通信與有線通信方式的特點，研究有線通信方式中光纖以太網通信技術在配網通信的應用。

2 配網通信的特點及現狀

目前基于電網的發(fā)展現狀，骨干電網的電力專網已基本建成，但是10kV 及以下配網自動化系統(tǒng)仍然相對比較薄弱，大部分地區(qū)主要依靠租用公網的移動、聯通、電信等運營商資源來實現配網業(yè)務傳輸與監(jiān)測。配網自動化可以實現保障電網穩(wěn)定運行的多種不同功能，它的作用主要是將配電網實時與離線信息、電力結構參數信息、用戶信息和地理信息進行安全集成，構成完整的自動化及管理系統(tǒng)，實現配電網正常運行及故障情況下的實時監(jiān)測、保護、控制和配電管理。其中，高壓線路開關的遠方監(jiān)視控制、事故隔離分段、開關狀態(tài)監(jiān)視、線路切換操作等配電網數據信息對于配網運行也非常重要，監(jiān)控員需對這些數據及時的做出判斷和處理。用戶信息包含度表的量測、電度表切換遙控、分時計費管理、負載遠方控制等[1]。大體上分為兩類：圍繞配電網設備的監(jiān)控信息和圍繞用戶的監(jiān)控信息[2]。因此實時采集電力線路各方面信息顯得至關重要。

2.1 配網自動化存在問題

全國各地區(qū)電網在電力通信網建設改造前，電力通信配電網存在諸多問題。

2.1.1 通信節(jié)點廣泛、自動化程度低。目前配網自動化中的通信設備分布極廣，配網僅僅在開關站采用部分自動化設備實現遙測、遙信功能, 環(huán)網柜、開關和配網變壓器均未實現自動化。據統(tǒng)計，絕大部分環(huán)網柜和箱變常安裝于路邊、地下室、山地等靠近用戶的地方，并且以變電站或者開閉所為核心向方圓四周輻射性的擴展建設。

2.1.2 節(jié)點通信間距離短。開閉所、環(huán)網柜、箱變中的通信設備之間, 通常在幾百米到數千米范圍內, 而最遠的距離也不過十多千米，可有效降低設備間通信介質搭建的成本。

2.1.3 光纖資源占用大、通信節(jié)點數據量小。租用公網的移動、聯通、電信等運營商資源通常采用早期傳輸通道，采用光Modem 接入,遠動和計量業(yè)務占用資源，通信設備主要向 FTU 和TTU 等遠端設備發(fā)送控制信息，并采集遠端設備的狀態(tài)信息，遠端設備與中心 SCADA 系統(tǒng)通信數據量通常在幾百kbit/ s 以下[3]。

2.1.4 安全性低、可維護性差。工作人員日常維護工作量大，設備無網管，無法遠程維護，設備一旦出現故障，必須前往現場處理；光Modem 傳輸沒有通道保護，經常多次因光纖斷裂導致設備連接中斷。

2.2 主流通信方式及特點

2.2.1 有線通信方式

在電網通信中有線方式有光纖通信、配電線路載波通信等。利用光纖來傳輸配電網業(yè)務具有抗干擾能力強、裝載信息容量大、實時性好、可靠安全性高等特點，故障時可通過減少搶修時間來有效保證供電企業(yè)的滿意度，但是工程建設周期長難度大、成本較高。配電網線路載波通信一般可分為低壓窄帶載波和低壓寬帶載波兩種方式，與骨干傳輸網使用載波通信原理相似，它是以配電輸電線路為基礎作為傳輸媒介，信號以有線傳輸的方式承載于輸電線路中。該方式不需要鋪設獨立的通信線路，將通信與電力線傳輸復合使用，不僅節(jié)省建設成本，而且對遠方負荷進行抄表及線路數據監(jiān)測都是非常有利的。載波通信既經濟又方便，有效解決了“最后一公里接入問題”，同時滿足雙向通信的要求[4]。載波通信的優(yōu)勢在于技術簡單；缺點是由于各生產廠家設備型號不一致，通信標準不統(tǒng)一、不兼容，同時受到電力線強電壓電流電磁干擾影響可靠性，使用中存在一定問題。

2.2.2 無線通信方式

目前無線通信主要采用的是230M 數傳電臺、GPRS、CDMA 公網、寬帶無線接入BWA 等技術[5]。下面以國內自主知識產權的主流BWA 技術WiMAX、McWiLL 兩種技術體制分別討論。

WiMAX 技術的提出是基于IEEE802.16 系統(tǒng)標準，其中基于802.16d 固定WiMAX 和802.16e移動WiMAX 已經商用。McWiLL 是我國自主創(chuàng)新的SCDMA 無線接入技術的寬帶演進版，是一種基于CS-OFDMA 的無線接入多址方式，單頻點占用5MHZ 帶寬情況下，能提供15Mbps/5MHZ 吞吐量，上下行帶寬可根據需要調整，充分考慮系統(tǒng)容量、傳輸速率、使用范圍、組網方式等因素[6]，兩者技術性能參數見表1。

表1 主流BWA 技術性能參數

3 配網系統(tǒng)方案設計

在配網自動化系統(tǒng)中，10kV 開關站、開閉所、環(huán)網柜、變壓器不像主網自動化SCADA 系統(tǒng)那樣具有節(jié)點少、范圍大、距離遠、信息量大等特點。主網一般需要大型通信設備，例如：SDH、ATM、ASON、PCM、微波等。這些設備雖然組網靈活、易于維護管理且穩(wěn)定可靠，但節(jié)點造價太高，體積較大，需要較大的機房容納。目前,配網通信大多采用點對點、點對多點、環(huán)網等方式[7]。

3.1 常見的光纖通信方式

3.1.1 鏈型（點對點）通信方式

點對點是光纖通信中常用的方式，其利用的是價格成本較低的光纖收發(fā)器（光纖調制解調器）實現業(yè)務的傳輸，如圖1 所示。在主網通信中，也常用于距離較短（一般20km 以內）的兩站之間的通信。但因為在節(jié)點較多時需要使用的光纖數量較大，資源利用率低，沒有發(fā)揮光纖通信組網的優(yōu)勢，在電力通信中難以大規(guī)模的推廣。

圖1 點對點通信

3.1.2 自愈型通信方式為了最大程度的利用光纖資源，節(jié)約成本，保證業(yè)務傳輸的質量，研究人員效仿SDH、ATM、PCM、等方式進行了網絡形式改造，如圖2 所示。綜合多種拓撲結構的方式組網，該組網一定程度的縮短了部分節(jié)點的業(yè)務傳輸距離，提高了網絡的健壯性，相對的改善了網絡的性能。

圖2 自愈型通信

3.2 光纖以太網配網系統(tǒng)設計

以上所述通信方式可以實現“四遙”、通過電能采集終端采集電量、遠方抄表、電量計算、功率計算、用電量統(tǒng)計等基本功能，但是隨著智能配網通信系統(tǒng)業(yè)務種類和數量的增多，將對系統(tǒng)支持的業(yè)務類型、帶寬容量、傳輸速度提出更高的要求[7]。需要在環(huán)網柜、開閉所、配網變壓器等設備處，增加DTU、FTU、TTU 設備，這些設備的功能除了接收執(zhí)行主站下發(fā)的遙控遙調命令外，還能實現大量應用數據的采集，如：三相交流電壓、電流、頻率、有功功率、無功功率、功率因數，以及功控、電控、購電控、防竊電功能和油溫、壓力等變壓器運行信息，現有的通信組網方式需要逐步向智能電網方向靠攏，以適應物互聯時代需求。

目前由光纖以太網組網的配網自動化系統(tǒng)主要由主站SCADA 測控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、配網遠方終端組成。其中本文通信系統(tǒng)的構造基于電力通信研究設計院設計的一套綜合型數據光端機（ISAT）設備，設備集成了傳統(tǒng)PCM 設備的所有功能，兼容SDH 和IP 業(yè)務。ISAT 提供了4 線音頻、RS-232/485、FXS（Foreign Exchange Station）,外部電話、FXO（Foreign Exchange Office)、E1 和IP 業(yè)務等接口的支持。同時支持光纖環(huán)網、鏈型網以及混合組網等方式，簡單快速的通道保護保證了通道故障時業(yè)務快速切換。

根據所在城區(qū)配網自動化設備分布現狀，推薦了一種基于ISAT 光端機實用的光纖以太網配網系統(tǒng)方案，如圖3 所示，為了監(jiān)測管理處于不同區(qū)域位置的自動化設備，需要在自動化主站、分站、開閉所（開關站）、環(huán)網柜、箱式變壓器、控制器、拉手開關等配網自動化設備處各放置一臺ISAT 光端機。根據各地區(qū)規(guī)模特點，按照接入層、匯聚層、核心層的組網方式，以主站和分站兩類節(jié)點布置在光纖環(huán)網上，以此形成一張健壯配電通信網，從而實現相互之間的通信。主站與分站之間在該通信系統(tǒng)中實現了利用光纖以太網組網的配網自動化通信。除此之外，由于ISAT 光端機與主網變電站SDH 光纖網絡兼容并建立鏈接，為配網通信提供了有效的備用通道。

圖3 配網系統(tǒng)拓撲

該系統(tǒng)在各節(jié)點只需配置一臺ISAT 設備，各地區(qū)還可以根據自身的需要適當增加或減少光端機的數量，從而提高整個系統(tǒng)的可靠性。由于這種光端機的價格便宜，比SDH 設備成本低，體積小，適用于較小的空間范圍內。因此從整個網絡安全及性能價格比來看是趨于合理的。與此同時，管理員及用戶訪客可以通過網管軟件對配網中各節(jié)點進行操作和維護，實現了系統(tǒng)上所有站點的實時監(jiān)測。

4 結語

配網通信系統(tǒng)的全面規(guī)劃在未來一段時間將成為電網企業(yè)基礎建設的重頭戲，在建設配網系統(tǒng)過程中，安全性與可靠性仍然是研究人員考量的重要因素。為了兼容配網設備多種業(yè)務接入的要求，本文提出了基于ISAT 設備的配網通信系統(tǒng)，在一定程度上不僅簡化配網系統(tǒng)的建設，還提高了當前電力通信的質量，它將多業(yè)務類型集于一體，利用光纖以太網組網技術為配網多業(yè)務方向的轉型奠定基礎，從而使系統(tǒng)的可維護性、可用性、可靠性得到有效提高，達到節(jié)約光纖資源和降低網絡管理復雜度的目標。該通信系統(tǒng)設計兼顧目前的業(yè)務需求以及智能電網業(yè)務擴展的方向，實現了縮小停電范圍和縮短用戶停電時間的目標，為智能電網的發(fā)展奠定了基礎。