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1、11 配电网自动化通信技术11.1 概述 （2000）11.1.1 通信网通信网连接着配电网自动化的主站系统和远方终端，是配电网自动化系统的重要组成部分，其性能与可靠性的好坏，对整个系统功能的实现及运行可靠性有着决定性的影响。事实上，许多建成的配电网自动化系统不能很好地发挥作用的主要原因就是通信网络工作不正常。因此，在设计、建设配电网自动化系统时，要认真研究通信网络的解决方案。与传统的调度自动化系统相比，配电网自动化系统的通信站点众多，大型系统的监控站点数量有上万个，一个中等规模的系统的站点数量也有数千个；此外，还有站点分散、通信距离短、站点通信数据量较小等特点；许多通信装置安装在户外，运行条
2、件比较苛刻，对可靠性要求比较高。为减少通信与系统处理的负担，配电网自动化系统一般采用“例外报告（Report by exception）”的通信机制，传输电流越限、开关变位等异常信息；而遥测数据刷新的周期则选得相对较长，往往是几分钟甚至几十分钟刷新一次，远低于调度自动化系统中数秒内就刷新一次的要求。11.1.2 通信规约目前，配电网自动化系统通信使用的规约主要有IEC 60870-5-101/104、DNP3.0等。这些规约把监控数据分为模拟量、状态量、遥控量等几种类型进行传输，没有对配电网自动化应用数据模型做出统一的规定，导致不同的厂家设备之间不能互通互联、通信系统配置调试工作量大。发展方向
3、是扩展变电站通信协议体系IEC 61860，将其推广应用到配电网自动化系统中，实现配电网自动化设备的即插即用。11.2 光纤通信技术 （5000）光纤通信技术指的是采用光纤介质的通信技术，具有传输速率高、抗干扰性能强、可靠性高的优点，在条件允许的情况下，应是分支通信网的首选。以前制约光纤通信在配电网自动化系统中应用的主要原因是投资大、敷设工程量大，而近年来随着技术的发展，光缆价格有了大幅度的下降，光端机的价格也接近其他类型的通信终端，为光纤通信的大量应用创造了条件。目前，配电网自动化系统分支通信网采用光纤通信技术有专线通道或以太网两种方式。11.2.1 光纤专线通道光纤专线通道是以光纤作为通信
4、介质的点对多点串行数据传输通道，其光端设备是一种简单的光纤数据传输收发设备，具有T和R两个光端口，与光缆连接。光端机的数据通信接口与数据终端设备（主站、子站、DRTU等）相连接，通信接口采用EIA/RS-232/485标准接口。光纤专线通道有以下配置方式：1）主从式。主从方式是环形通信系统，支持多点通信，只有一个作为主单元，如图7-2所示。这种配置方式比较适合配电系统多点、分散通信的特点。图7-2 主从式光纤通信方式2）环路通信对等配置。该配置方式物理结构与图7-2一样，但环路上各点都可以设置为主单元。不过，每次数据传输时，只能选择环路中一个单元作为主单元，其余各单元都处于从单元状态。3）双环
5、自愈网。当环路上节点比较多时，为防止光缆或光端设备故障，造成通信中断，采用双光纤环路自愈网，如图7-3所示。环网上每个站配置支持具有自愈功能的光纤收发器，该收发器具有自动切换和自愈功能。正常情况下，通信报文分别在A环和B环里传输。分站同时接收来自A环和B环的信息，光端设备只选择其中一个环路的信号传送给DRTU。主站由一个串行口发送信息，同时在A环与B环里传送，由两个串行口分别接收A环和B环的信息。当光缆出现故障时，如k点断开，两侧的光端设备只能接收到一个环路信息，经过一段延时，双环路切换控制器自动把接收的信号切换到另一个环路发送端，生成新的环路，即断点两侧的光端设备，A环和B环相互链接，自动构
6、成回路而形成双环工作，实现光纤环路自愈功能。图7-3 双环路光纤自愈环网光纤专线通道结构简单、易于实现，传输延时小并且可控，不足之处只能采用轮询的方式访问DRTU，不支持主动上报通信机制，更不能实现DRTU之间的点对点对等数据交换，不能充分发挥光纤介质的传输速率高的优点。光纤专线通道在我国早期建设的配电网自动化系统中应用比较多，现在有被光纤以太网所取代的趋势。 11.2.2 光纤工业以太网光纤以太网是以光纤为通信介质的以太网。配电网自动化系统采用以太网通信，可以充分地利用光纤带宽，提高数据传输速率与容量，更重要的是能够更好地适应配电网自动化应用特点，主动上报数据，支持“例外报告”机制。此外，接
7、到以太网上的DRTU之间能够对等交换数据，支持快速故障自愈控制等分布式智能控制应用。工业光纤以太网是面向工业现场应用的光纤以太网。工业以太网技术上与以太网（IEEE802.3标准）兼容，并在产品设计、材质选用等方面考虑了实时性、互操作性、可靠性、抗干扰等工程应用的需要。工业以太网有以下技术特点：1）交换机通过快速生成树冗余（RSTP）、环网冗余（RapidRingTM）到主干冗余（TrunkingTM）等技术可以实现光纤环网及多环耦合功能，其中环网冗余技术可以在300ms内完成自愈。2）交换机采用了工业级元器件，无风扇设计，可以在高温、强电磁辐射的环境下使用，适用能力较强。3）交换机的功耗较小
8、，双光口配置的设备功率约为6W。4）网管可在线监测网络运行状态。5）工业以太网各个厂家都有一部分私有协议，无法在环网冗余等层面上实现互联；如果要实现不同厂家之间的互联，网络只能支持到快速生成树冗余，网络自愈能力将从300ms增加到1到2min。6）用工业以太网组建网络需要严格的整体规划。环网冗余等技术应用的是数据链路层协议。根据以太网组网规定，一个二层网络，网内节点需限制在200个左右，才能很好控制网络风暴。采用工业以太网的配电网自动化通信网络如图7-4所示。图7-4 光纤工业以太网工业光纤以太网的不足之处是对一次网架结构变化的适应能力较差。当因网架结构变化，改变DRTU布局时，需要对多个节点
9、进行统一调整，配置维护工作量比较大。11.2.3 以太网无源光网络以太网无源光网络（Ethernet Passive Optical Network，EPON）是无源光网络（PON）技术中的一种，EPON采用点到多点网络结构、无源光纤传输方式，是一种能够提供多种综合业务的新型的宽带接入技术，目前已经广泛应用于宽带接入市场。作为一种拓扑灵活、支持多种业务接口的纯光介质的接入技术，EPON已在配电网自动化系统中获得应用并呈现了广阔的前景。EPON一种无源网络技术，比工业光纤以太网更加适合配电网自动化通信。因为在一个站点失去电源时，站点上的工业以太网交换机不能正常工作，可能导致整个光纤环路的通信中断
10、；而对EPON来说，仅仅是该站点无法正常通信，并不影响整个光纤环路的正常工作。我们知道，电源是目前DRTU应用的薄弱点，故障率比较高，EPON的这一优点，对于提高配电网自动化系统的可用性十分重要。1EPON系统的构成EPON系统由网络侧的光线路终端（Optical Line Terminal，OLT）、用户侧的光网络单元（Optical Network Unit，ONU）和光分配网络（Optical Distributio Network，ODN）组成，可以灵活组成树型、星型、总线型等拓扑结构。所谓“无源”指ODN中不含有任何有源电子器件。在下行方向（OLT到ONU），OLT发送的信号通过OD
11、N到达各个ONU。在上行方向（ONU到OLT），ONU发送的信号只会到达OLT，而不会到达其他ONU。为了避免数据冲突并提高网络利用效率，上行方向采用时分多址（TDMA）接入方式并对各ONU的数据发送进行仲裁。ODN由光纤和一个或多个无源光分路器和相关无源光器件等组成，在OLT和ONU间提供光传输通道。EPON系统参考结构如图7-5所示。图7-5 EPON系统参考结构按照ONU在接入网中所处位置的不同，EPON系统通常有以下几种网络应用类型：光纤到路边（FTTCurb）、光纤到楼宇/分线盒（FTTB/C）、光纤到户（FTTH）、光纤到办公室（FTTO）等。配电网自动化系统中应用的EPON光纤网
12、络主要有以下三个部分组成：1）OLT：光线路终端，是xPON网络的头端设备，负责ONU的接入汇聚功能。2）POS（Passive Opical Splitter）：光分配网络，打通OLT同ONU的通信光路。3）ONU：光网络单元，是xPON网络的终端设备，负责监控数据的采集和主站命令的下发。网络层次结构如图7-6所示。图7-6 EPON层次结构2技术特点EPON的技术优点:1）长距离，高宽带（20km，1.25G）是EPON的一大优点。光纤化的ONU/OLT，非常适合于FTTB和FTTO模式，光纤可以直接到用户，很好的解决了通信宽带最后“一公里”的问题。2）带宽分配灵活，服务有保证。EPON对
13、带宽的分配和保证都有一套完整的体系，EPON可以通过DiffServ、PQ/WFQ、WRED等来实现用户级的SLA。MS-EPON可以根据需要对每个用户甚至每个端口实现基于连接的带宽分配（区别于普通交换机的基于端口的速率限制），并可根据业务合约保证每个用户连接的通信质量（QoS）。3）节省光纤资源、对网络协议透明传输。EPON的不足之处：1）组网结构相对单一，组成树形和链型网，无法实现ONU级别的通道保护。2）对以太网之外的业务支持能力较差。对于话音业务，其QoS是无法得到保障。3）虽然理论上链路上可以实现无限次分光，但设备厂家的建议是二级分光，链路的延伸受到一定的限制。11.3 无线通信技术
14、上节介绍，配电网自动化系统应用光纤通信遇到的最大的问题，是在一些建筑密集的城市中心区施工难，此外，还存在易受外力破坏，站点布局调整工作量大的缺点；而无线通信具有安装方便、成本低、抗自然灾害能力强等优点，是对光纤通信的很好补充。对于城市郊区、农网中一些偏远的站点来说，敷设光纤成本比较高，无线通信是一种很好的替代解决方案。无线通信在国际上配电网自动化系统中应用的比较广泛。据美国Chartwell公司在2001年发布的对配电网自动化通信方式的调查结果，无线通信的应用排在第一位。近年来，光纤通信应用有所增多，但无线通信仍然占有相当大的比例。我国早期建设的配电网自动化系统主要应用光纤通信，对无线通信的应
15、用有限。近年来，一些配电网自动化系统应用了无线公网通信（GPRS）。而根据中国电监会电力二次系统安全防护（5号令）规定，不得使用无线公网进行开关的遥控操作，因此，GPRS也只是用于上传故障指示器（FPI）、配变监测终端（TTU）的数据。根据配电网自动化通信点多、分散的特点，不可能整个系统仅使用一种通信方式解决问题，应根据应用要求与站点分布情况，选择合适的通信方式。为丰富配电网自动化通信手段，应加强对无线通信在配电网自动化系统中应用的研究。无线通信按照网络性质分为无线公网和无线专网。目前应用的无线公网主要是GPRS/CDMA技术，而无线专网有窄带数据电台、扩频电台、宽带无线通信技术等几种形式。下
16、面简单介绍几种无线通信方式的原理、优缺点以及对配电网自动化通信的适用性。11.3.1 窄带数传电台窄带数传电台（简称数传电台）应用无线超短波信号传输数据，由发射、接收机与调制解调器（MODEM）三部分组成，支持点对点或点对多点串行通信方式，发射功率在150W之间，传输距离在数公里到数十公里之间，通信数率有300bps、600bps、1.2kbps、4.8kbps、9.6kbps、19.2kbps几种。我国无线电管理委员会给用于工业控制的数传电台分配的频段为223.025MHz235.000MHz与821MHz870MHz。窄带数传电台具有发射功率大、覆盖范围广、传输时延小的优点，既可用于配电网自动化系统分支通信网中配电子站与DRTU之间通信，亦可用于配电子站与配电网自动化主站之间的通信。不
