论文部分内容阅读
摘 要：文章分析了配电自动化系统建设对通信的要求，对光纤通信、配电线路载波通信、无线公网通信、无线专网通信几种主要通信方式进行比较和建议，最后介绍了南京电网配电自动化系统通信方式的选择和实践情况。
关键词：配电自动化；通信方式；通信网络
配电自动化是提高供电可靠性和供电质量、扩大供电能力、实现配电网高效经济运行的重要手段，也是实现智能电网的重要基础之一。配电自动化通信系统作为配电自动化系统的一个重要组成部分，需要选择合适的配电自动化通信方式，探讨出一种能够满足配网自动化要求的技术先进、性能可靠、价格合理，并适合配电网应用的通信技术及结构模式。
1 配电网自动化对通信的要求
配电系统自动化程度的重要标志是通信是否符合自动化的要求，因此通信是配网自动化系统的关键之一。它担负着设备及用户与自动化的联络、信息的处理、命令的发送和返回以及所有数据的传递。配网自动化对通信的总体要求有如下几个方面：
1.1 满足通信可靠性需求
配电网自动化的通信系统一般安装在户外，要求通信系统必须能在恶劣的运行环境下可靠工作。此外配电网自动化的通信系统将在较强的电磁干扰（EMI）下工作，间隔放电、电晕、谐波干扰、雷电、故障、涌流等电磁干扰会对通信的可靠性产生很大的影响，因而通信系统要具有很高抗干扰能力。
1.2 满足数据传输速率需求
配电自动化系统中，在选择通信方式时，一方面应根据不同层次选择合适的通信速率，另一方面应留有足够的带宽，以满足今后发展的需要。
1.3 满足通信实时性要求
配电自动化系统是一个实时监控系统，对实时性要求极高，特别是系统故障时，实时性是保证系统快速确定故障、完成故障隔离、恢复供电的基础条件。
1.4 满足通信不受停电、故障的影响
配电自动化的馈线自动化功能要求能通过通信系统对停电区域的开关进行操作，提高供电可靠性，因此要保障故障发生时停电区域仍能正常进行通信。
1.5 满足通信经济性要求
在选择配电网自动化的通信系统时，不仅要考虑当前通信系统的造价，还应考虑通信系统长期使用和维护的费用。所以应根据实际情况选择技术先进、经济性较好的通信方式，以节省建设和运行费用。
1.6 满足维护的易操作性要求
尽量选择具有通用性标准化程度高的设备，选择标准的通信规约，不仅可以提高系统兼容性，方便今后的扩展，还便于使用和维护。
2 配电自动化系统的主要通信方式
配电自动化可选的通信技术主要包括光纤通信、配电线路载波通信、无线公网通信、无线专网通信几种方式：
2.1 光纤通信
光纤通信是以光波作为信息载体，以光导纤维作为传输介质的通信方式。主要特点是速率高、稳定性好、抗干扰能力强、保密性好、组网方式灵活，可以实现综合数据传输。光纤通信的缺点是，一次性建设投资大、施工架设比较困难、维护费用高。基于EPON（以太无源光网络）技术的配电自动化通信系统，采用点到多点结构、无源光纤传输，综合了PON技术和以太网技术低成本、高带宽、扩展性强、灵活快速的服务重组的优点。
2.2 配电线路载波通信
配电线路载波通信借助电力线传输载波信号，为配电站内终端设备与主站系统之间提供“最后一公里”数据通信通道，可作为光纤通信的重要补充手段，模拟载波向数字载波通信使中压电力线载波通信机性能得到大幅提升。中压载波通信技术的优点是除信号耦合器及二次通信电缆外不需要在通信线路上更多地投入，缺点是其研发与应用一直以来都受到传输衰减、噪声干扰及复杂时变特性等诸多关键技术难题的困扰。
2.3 无线公网通信
无线公网通信技术主要有GPRS/CDMA、3G、4G等。
GPRS是GSM网络的演变形式，是在演变进程中推出的一项高速数据服务业务，将移动通信技术与IP技术有机结合，组成了移动IP网络。GPRS采用分组交换技术，适合突发、频繁、间断、少量数据传送，也适于偶尔的大量数据传输，具有传输率高且可靠、网络资源利用率高、经济性好、网络接入速度快等特点。
3G（第三代移动通信系统）主要有W-CDMA、CDMA2000和TD-SCDMA等3G标准。3G技术的主要优点是能极大地增加系统容量、提高通信质量和数据传输速率。此外利用在不同网络间的无缝漫游技术，可将无线通信系统和Internet连接起来，从而可对移动终端用户提供更多更高级的服务。
4G是第四代移动通信及其技术的简称。4G LTE系统能够以100Mbps的速度下载，比拨号上网快50倍，上传的速度也能达到50Mbps，并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。4G可以在DSL和有线电视调制解调器没有覆盖的地方部署，有着不可比拟的优越性。
2.4 无线专网通信
目前在城市配电网中应用的无线专网通信技术主要包括230M无线电台、Mobitex、Wimax和McWiLL等。
WiMax（即全球微波互联接入）是一项新兴的宽带无线接入技术，能提供面向互联网的高速连接，数据传输距离最远可达50km，具有QoS保障、传输速率高、业务丰富多样等优点。Mobitex、Wimax和McWiLL的最大问题是很难获得国家无线电管理委员会对专用无线频段的使用权。
230MHz数传电台使用国家无线电管理委员分配给电力专用的无线频点（包括15个双频频点和10个单频频点），具有响应速度快、通信时延短、技术成熟并其具有建网成本低等优势，但也存在着通道利用率低的不足。南京地区现有频点主要供负荷管理系统使用。
3 配电网自动化系统通信方式比较及建议 各种通信方式均有其优缺点，根据不同通信方式的特点，结合具体配电网自动化系统结构和现实条件，合理选择，最大限度地利用各种有利条件，是建设优良配电网自动化系统的前提条件。混合通信方式是较好的选择，能以比较经济的方式满足配电网的具体要求，不同层次采用不同的通信方式。建议如下：
⑴应根据通信规划、现有通信条件和配电自动化及管理系统的需求，按分层配置、资源共享的原则予以确定。根据配电网自动化通信网所采用的分层架构，即主干通道与分支通道的通信网络结构，主干道宜采用光纤、无线扩频、数字微波等方式与主站通信；分支则选用配电线载波、无线、电话线等方式通信。
⑵根据不同站点实现一遥、二遥、三遥业务的差异，选择不同的通信方式。一遥、二遥站点采用成本最低的无线通信，三遥站点采用光纤或电力载波通信。
⑶对于开闭所、开关站、柱上断路器等需要实现“遥控”功能的重点站点，建议首先选择光纤网络通信方式，系统对可靠性要求较高的场合，可使用星形结构或具有自愈能力的光纤双环网。在光缆不能达到的区域，可以采用配电线载波通信方式作为补充。
⑷对于不需要实现遥控功能的站点，在光缆不易铺设或光缆铺设成本过大的区域，可以采用无线（专网、公网）通信方式。
⑸对于实时监测要求不高且量大面广的数据采集，如大部分架空线路的配电设备和数量众多的配电变压器，也可以采用无线（专网、公网）通信方式。
4 南京电网配电自动化通信方式的选择和通信系统建设
4.1 南京电网配电自动化通信方式的选择
南京配电自动化二期建设于2013年6月开始建设，建设范围涉及南京市西南板块的278条配电线路。共改造371座环网柜、95座开闭所、383台柱开，更换30台看门狗功能断路器，加装879套配电终端，敷设光纤351公里。
新街口中心区、奥体中心区、青奥保电线路这三个核心区域的线路设备采用“三遥”与“两遥”相结合的配电自动化建设模式。对于“三遥”方式改造的开关站、环网柜、柱上开关等设备，采用光纤通信为主。对于“两遥”方式改造的设备，采用3G无线通信方式。板桥-铁心桥新城区的郊区线路共约有57条线路215台柱上开关通过加装带无线通讯功能的故障指示器实现“两遥”功能，可采集电流和故障信息，采用3G无线通信方式。
4.2 主站至变电站的通信网络建设
主站至变电站的配电通信网络采用光纤传输网方式，架构如图1所示，变电站汇集的信息以IP方式通过专用路由器接入到SDH/MSTP通信网络。
4.2 变电站至配电终端的通信网络建设
变电站至开闭所、环网柜配电终端的通信网络，采用光纤专网实现。配电通信网接入层主要采用EPON（以太无源光网络）技术，它采用点到多点结构无源光纤传输，通信接入层网架如图2所示。结合此次试点配电线路的实际走向，基本采用“手拉手”型保护组网方式，OLT1和OLT2分别安装在不同的110kV/35kV变电所，ONU设备安装在配电终端处，光缆中断或OLT设备失效时均能实现保护，由ONU设备选择接入不同的OLT。
4.3 无线系统组网结构
根据南京配电自动化工程选点及改造方案的实际情况，部分“两遥点”将使用无线3G公网通信方式。鉴于“二遥点”涉及配电设备及配电网安全运行，南京配网自动化采用通信运营商提供的无线 VPDN 专网业务，为配电自动化独立开辟专用接入点名称（APN），在无线网络上与运营商其他数据业务相隔离。
典型无线VPDN专网结构主要包括无线通信模块、无线接入网、AAA服务器及VPDN接入设备等网元。无线通信模块使用专用APN名称接入VPDN专网，在AAA服务器身份认证后获取固定IP地址，以建立可靠连接将采集数据信息在运营商数据中心汇聚，然后经光纤专线传送至配电主站。
根据国家电网公司《配电自动化技术导则》规定，在采用无线公网通信方式时应符合电力二次系统安全防护规定要求。VPDN设备接入侧和配电主站交互侧应配置相应的安全机制，如防火墙、单向物理隔离装置等安防措施。
5 结束语
配电通信设备工作环境恶劣、分布广泛、数量众多、系统复杂，考虑配电网通信系统的可靠性、实时性、安全性、可扩展性、可管理性、设备自身的监控性及建设费用等多方面的因素，必须因地制宜选择合适的通信方式才能适应配电网自动化的发展，发挥最大的经济效益。南京供电公司采用光纤结合无线公网的通信方式来开展配电自动化建设，实践效果较好。
关键词：配电自动化；通信方式；通信网络
配电自动化是提高供电可靠性和供电质量、扩大供电能力、实现配电网高效经济运行的重要手段，也是实现智能电网的重要基础之一。配电自动化通信系统作为配电自动化系统的一个重要组成部分，需要选择合适的配电自动化通信方式，探讨出一种能够满足配网自动化要求的技术先进、性能可靠、价格合理，并适合配电网应用的通信技术及结构模式。
1 配电网自动化对通信的要求
配电系统自动化程度的重要标志是通信是否符合自动化的要求，因此通信是配网自动化系统的关键之一。它担负着设备及用户与自动化的联络、信息的处理、命令的发送和返回以及所有数据的传递。配网自动化对通信的总体要求有如下几个方面：
1.1 满足通信可靠性需求
配电网自动化的通信系统一般安装在户外，要求通信系统必须能在恶劣的运行环境下可靠工作。此外配电网自动化的通信系统将在较强的电磁干扰（EMI）下工作，间隔放电、电晕、谐波干扰、雷电、故障、涌流等电磁干扰会对通信的可靠性产生很大的影响，因而通信系统要具有很高抗干扰能力。
1.2 满足数据传输速率需求
配电自动化系统中，在选择通信方式时，一方面应根据不同层次选择合适的通信速率，另一方面应留有足够的带宽，以满足今后发展的需要。
1.3 满足通信实时性要求
配电自动化系统是一个实时监控系统，对实时性要求极高，特别是系统故障时，实时性是保证系统快速确定故障、完成故障隔离、恢复供电的基础条件。
1.4 满足通信不受停电、故障的影响
配电自动化的馈线自动化功能要求能通过通信系统对停电区域的开关进行操作，提高供电可靠性，因此要保障故障发生时停电区域仍能正常进行通信。
1.5 满足通信经济性要求
在选择配电网自动化的通信系统时，不仅要考虑当前通信系统的造价，还应考虑通信系统长期使用和维护的费用。所以应根据实际情况选择技术先进、经济性较好的通信方式，以节省建设和运行费用。
1.6 满足维护的易操作性要求
尽量选择具有通用性标准化程度高的设备，选择标准的通信规约，不仅可以提高系统兼容性，方便今后的扩展，还便于使用和维护。
2 配电自动化系统的主要通信方式
配电自动化可选的通信技术主要包括光纤通信、配电线路载波通信、无线公网通信、无线专网通信几种方式：
2.1 光纤通信
光纤通信是以光波作为信息载体，以光导纤维作为传输介质的通信方式。主要特点是速率高、稳定性好、抗干扰能力强、保密性好、组网方式灵活，可以实现综合数据传输。光纤通信的缺点是，一次性建设投资大、施工架设比较困难、维护费用高。基于EPON（以太无源光网络）技术的配电自动化通信系统，采用点到多点结构、无源光纤传输，综合了PON技术和以太网技术低成本、高带宽、扩展性强、灵活快速的服务重组的优点。
2.2 配电线路载波通信
配电线路载波通信借助电力线传输载波信号，为配电站内终端设备与主站系统之间提供“最后一公里”数据通信通道，可作为光纤通信的重要补充手段，模拟载波向数字载波通信使中压电力线载波通信机性能得到大幅提升。中压载波通信技术的优点是除信号耦合器及二次通信电缆外不需要在通信线路上更多地投入，缺点是其研发与应用一直以来都受到传输衰减、噪声干扰及复杂时变特性等诸多关键技术难题的困扰。
2.3 无线公网通信
无线公网通信技术主要有GPRS/CDMA、3G、4G等。
GPRS是GSM网络的演变形式，是在演变进程中推出的一项高速数据服务业务，将移动通信技术与IP技术有机结合，组成了移动IP网络。GPRS采用分组交换技术，适合突发、频繁、间断、少量数据传送，也适于偶尔的大量数据传输，具有传输率高且可靠、网络资源利用率高、经济性好、网络接入速度快等特点。
3G（第三代移动通信系统）主要有W-CDMA、CDMA2000和TD-SCDMA等3G标准。3G技术的主要优点是能极大地增加系统容量、提高通信质量和数据传输速率。此外利用在不同网络间的无缝漫游技术，可将无线通信系统和Internet连接起来，从而可对移动终端用户提供更多更高级的服务。
4G是第四代移动通信及其技术的简称。4G LTE系统能够以100Mbps的速度下载，比拨号上网快50倍，上传的速度也能达到50Mbps，并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。4G可以在DSL和有线电视调制解调器没有覆盖的地方部署，有着不可比拟的优越性。
2.4 无线专网通信
目前在城市配电网中应用的无线专网通信技术主要包括230M无线电台、Mobitex、Wimax和McWiLL等。
WiMax（即全球微波互联接入）是一项新兴的宽带无线接入技术，能提供面向互联网的高速连接，数据传输距离最远可达50km，具有QoS保障、传输速率高、业务丰富多样等优点。Mobitex、Wimax和McWiLL的最大问题是很难获得国家无线电管理委员会对专用无线频段的使用权。
230MHz数传电台使用国家无线电管理委员分配给电力专用的无线频点（包括15个双频频点和10个单频频点），具有响应速度快、通信时延短、技术成熟并其具有建网成本低等优势，但也存在着通道利用率低的不足。南京地区现有频点主要供负荷管理系统使用。
3 配电网自动化系统通信方式比较及建议 各种通信方式均有其优缺点，根据不同通信方式的特点，结合具体配电网自动化系统结构和现实条件，合理选择，最大限度地利用各种有利条件，是建设优良配电网自动化系统的前提条件。混合通信方式是较好的选择，能以比较经济的方式满足配电网的具体要求，不同层次采用不同的通信方式。建议如下：
⑴应根据通信规划、现有通信条件和配电自动化及管理系统的需求，按分层配置、资源共享的原则予以确定。根据配电网自动化通信网所采用的分层架构，即主干通道与分支通道的通信网络结构，主干道宜采用光纤、无线扩频、数字微波等方式与主站通信；分支则选用配电线载波、无线、电话线等方式通信。
⑵根据不同站点实现一遥、二遥、三遥业务的差异，选择不同的通信方式。一遥、二遥站点采用成本最低的无线通信，三遥站点采用光纤或电力载波通信。
⑶对于开闭所、开关站、柱上断路器等需要实现“遥控”功能的重点站点，建议首先选择光纤网络通信方式，系统对可靠性要求较高的场合，可使用星形结构或具有自愈能力的光纤双环网。在光缆不能达到的区域，可以采用配电线载波通信方式作为补充。
⑷对于不需要实现遥控功能的站点，在光缆不易铺设或光缆铺设成本过大的区域，可以采用无线（专网、公网）通信方式。
⑸对于实时监测要求不高且量大面广的数据采集，如大部分架空线路的配电设备和数量众多的配电变压器，也可以采用无线（专网、公网）通信方式。
4 南京电网配电自动化通信方式的选择和通信系统建设
4.1 南京电网配电自动化通信方式的选择
南京配电自动化二期建设于2013年6月开始建设，建设范围涉及南京市西南板块的278条配电线路。共改造371座环网柜、95座开闭所、383台柱开，更换30台看门狗功能断路器，加装879套配电终端，敷设光纤351公里。
新街口中心区、奥体中心区、青奥保电线路这三个核心区域的线路设备采用“三遥”与“两遥”相结合的配电自动化建设模式。对于“三遥”方式改造的开关站、环网柜、柱上开关等设备，采用光纤通信为主。对于“两遥”方式改造的设备，采用3G无线通信方式。板桥-铁心桥新城区的郊区线路共约有57条线路215台柱上开关通过加装带无线通讯功能的故障指示器实现“两遥”功能，可采集电流和故障信息，采用3G无线通信方式。
4.2 主站至变电站的通信网络建设
主站至变电站的配电通信网络采用光纤传输网方式，架构如图1所示，变电站汇集的信息以IP方式通过专用路由器接入到SDH/MSTP通信网络。
4.2 变电站至配电终端的通信网络建设
变电站至开闭所、环网柜配电终端的通信网络，采用光纤专网实现。配电通信网接入层主要采用EPON（以太无源光网络）技术，它采用点到多点结构无源光纤传输，通信接入层网架如图2所示。结合此次试点配电线路的实际走向，基本采用“手拉手”型保护组网方式，OLT1和OLT2分别安装在不同的110kV/35kV变电所，ONU设备安装在配电终端处，光缆中断或OLT设备失效时均能实现保护，由ONU设备选择接入不同的OLT。
4.3 无线系统组网结构
根据南京配电自动化工程选点及改造方案的实际情况，部分“两遥点”将使用无线3G公网通信方式。鉴于“二遥点”涉及配电设备及配电网安全运行，南京配网自动化采用通信运营商提供的无线 VPDN 专网业务，为配电自动化独立开辟专用接入点名称（APN），在无线网络上与运营商其他数据业务相隔离。
典型无线VPDN专网结构主要包括无线通信模块、无线接入网、AAA服务器及VPDN接入设备等网元。无线通信模块使用专用APN名称接入VPDN专网，在AAA服务器身份认证后获取固定IP地址，以建立可靠连接将采集数据信息在运营商数据中心汇聚，然后经光纤专线传送至配电主站。
根据国家电网公司《配电自动化技术导则》规定，在采用无线公网通信方式时应符合电力二次系统安全防护规定要求。VPDN设备接入侧和配电主站交互侧应配置相应的安全机制，如防火墙、单向物理隔离装置等安防措施。
5 结束语
配电通信设备工作环境恶劣、分布广泛、数量众多、系统复杂，考虑配电网通信系统的可靠性、实时性、安全性、可扩展性、可管理性、设备自身的监控性及建设费用等多方面的因素，必须因地制宜选择合适的通信方式才能适应配电网自动化的发展，发挥最大的经济效益。南京供电公司采用光纤结合无线公网的通信方式来开展配电自动化建设，实践效果较好。