黎 洋，陳 曦，孟 宇，劉 倩

(國(guó)網(wǎng)四川省電力公司德陽(yáng)供電公司，四川 德陽(yáng) 618000)

配電自動(dòng)化系統(tǒng)通信網(wǎng)組網(wǎng)探討

黎 洋，陳 曦，孟 宇，劉 倩

(國(guó)網(wǎng)四川省電力公司德陽(yáng)供電公司，四川 德陽(yáng) 618000)

配電自動(dòng)化系統(tǒng)通信網(wǎng)作為網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的主要結(jié)構(gòu)，對(duì)信號(hào)傳輸?shù)目煽啃院蜁r(shí)效性有重要要求。就配電自動(dòng)化系統(tǒng)通信網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)、典型組網(wǎng)結(jié)構(gòu)、保護(hù)組網(wǎng)方式進(jìn)行了闡述，并結(jié)合實(shí)際，提出了新的融合組網(wǎng)方式，為配電自動(dòng)化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提供參考。

配電自動(dòng)化系統(tǒng)；通信網(wǎng)絡(luò)；EPON技術(shù)；組網(wǎng)方式

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，配電網(wǎng)不斷向配電自動(dòng)化結(jié)構(gòu)演進(jìn)；作為配電自動(dòng)化的神經(jīng)，配電網(wǎng)通信網(wǎng)的作用愈發(fā)重要?，F(xiàn)實(shí)要求配電網(wǎng)通信網(wǎng)應(yīng)具備實(shí)時(shí)、高效、可靠的搜集、傳輸以及下達(dá)各項(xiàng)控制指令的能力。這對(duì)配電網(wǎng)通信網(wǎng)的設(shè)備和結(jié)構(gòu)而言，是一個(gè)重大的挑戰(zhàn)。

1 配電自動(dòng)化系統(tǒng)通信網(wǎng)結(jié)構(gòu)

配電自動(dòng)化系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)的運(yùn)行監(jiān)測(cè)和控制的自動(dòng)化系統(tǒng)，其通信網(wǎng)由配電通信主站、配電通信子站、配電通信終端和通信通道構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 配電自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

其中，配電通信主站是配電自動(dòng)化系統(tǒng)通信網(wǎng)的中樞，是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，其由服務(wù)器、工作站等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及硬件配套組成。配電通信主站接收配電通信子站匯聚傳輸?shù)男畔ⅲ⑦M(jìn)行分析處理，使運(yùn)維人員能夠迅速直觀地掌握電網(wǎng)運(yùn)行狀況。同時(shí)，配電通信主站能夠?qū)ε潆娋W(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)操作，由配電主站通過(guò)通信網(wǎng)下發(fā)命令至配電通信子站，配電通信子站分析命令并下達(dá)至配電通信終端，完成對(duì)配電網(wǎng)的控制。

配電通信子站是配電通信主站的下端設(shè)備，主要用于匯聚配電通信終端的信息、遙控配電通信終端，并能夠與其他配電通信子站通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)連接，形成冗余保護(hù)。配電通信子站是配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的中間層，保障配電通信主站的高效穩(wěn)定運(yùn)行。

配電通信終端是配電網(wǎng)自動(dòng)化的末端設(shè)備，也是安裝在一次設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)的自動(dòng)化裝置，用于完成對(duì)一次設(shè)備工況信息的采集上傳和執(zhí)行配電主站下達(dá)的操作命令。根據(jù)實(shí)際情況，一般柱上開(kāi)關(guān)及聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)采用饋線終端(FTU)，環(huán)網(wǎng)柜開(kāi)閉所采用站所終端(DTU)。

通信通道是連接配電通信子站、配電通信主站及配電通信終端之間傳輸自動(dòng)化信息的神經(jīng)系統(tǒng)，其分布在配電自動(dòng)化系統(tǒng)各個(gè)需要通信的設(shè)備之間。通信通道負(fù)責(zé)上傳各配電終端采集的工況信息，下達(dá)控制命令，對(duì)實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的“三遙”(遙信、遙測(cè)、遙控)起重要作用。

2 配電自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的要求

配電自動(dòng)化系統(tǒng)承載的業(yè)務(wù)包括配電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng)(SCADA)、GIS地理信息系統(tǒng)、遠(yuǎn)程抄表等各項(xiàng)生產(chǎn)管理類(lèi)業(yè)務(wù)以及可被承載的視頻監(jiān)控等其他管理信息類(lèi)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)傳輸。因此，對(duì)配電自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，主要有以下幾點(diǎn)要求。

(1) 通信可靠性。城市配電情況復(fù)雜且設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間裸露在外，因此要求通信網(wǎng)絡(luò)抗干擾能力強(qiáng)，能正確可靠地傳輸業(yè)務(wù)信息，同時(shí)具備獨(dú)立性。

(2) 傳輸時(shí)效性。配電自動(dòng)化系統(tǒng)是一個(gè)要求信息時(shí)效的監(jiān)控系統(tǒng)，能夠正確實(shí)時(shí)地傳輸各配電終端的工況信息，是保證能夠快速確定及隔離故障、恢復(fù)供電、提高優(yōu)質(zhì)供電服務(wù)的基礎(chǔ)條件。

(3) 拓展性。配電自動(dòng)化系統(tǒng)除了滿足當(dāng)前需要，也應(yīng)當(dāng)具備強(qiáng)拓展性，以便隨著城區(qū)配電網(wǎng)的拓展，能持續(xù)保障配電網(wǎng)自動(dòng)化區(qū)域的全面覆蓋。

(4) 傳輸容量大。配電自動(dòng)化系統(tǒng)的配電終端較多，業(yè)務(wù)傳輸量實(shí)時(shí)性要求高，在保證傳輸速率的情況下，傳輸容量也是對(duì)配電自動(dòng)化通信網(wǎng)的一個(gè)要求。

根據(jù)以上幾個(gè)要求，配電自動(dòng)化系統(tǒng)采用主用光纖，在部分地區(qū)輔以無(wú)線公網(wǎng)或?qū)＞W(wǎng)的方式，保證配電自動(dòng)化系統(tǒng)的可靠、高效運(yùn)行。

3 無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)簡(jiǎn)介

當(dāng)前，配電自動(dòng)化系統(tǒng)通信技術(shù)在全國(guó)范圍內(nèi)以大容量的光纖通信為主，在少部分敷設(shè)光纜困難的地區(qū)采用電力載波或無(wú)線通信技術(shù)。光纖通信的方式較為實(shí)用的為以太網(wǎng)無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(ethernet passive optical network，EPON)技術(shù)，結(jié)合了光纖傳輸和以太網(wǎng)組網(wǎng)模式，對(duì)配電網(wǎng)通信網(wǎng)的組建來(lái)說(shuō)，具備較強(qiáng)的靈活性和拓展性。對(duì)于當(dāng)下配電自動(dòng)化終端，集中采集終端都具備以太網(wǎng)接入方式。

EPON是一點(diǎn)到多點(diǎn)的光接入網(wǎng)絡(luò)，其2層采用802.3以太網(wǎng)幀來(lái)承載業(yè)務(wù)的無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，主要組成包括有中心局點(diǎn)的光線路終端(OLT)、用戶(hù)終端的光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU)，由光纖將系統(tǒng)緊密連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)DTU，F(xiàn)TU的“三遙”功能。

4 EPON組網(wǎng)方式

4.1 EPON的典型組網(wǎng)方式

EPON在物理層采用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在OLT與ONU之間由分光器和光纖組成。對(duì)于EPON技術(shù)，其典型的組網(wǎng)方式分為鏈狀組網(wǎng)、星型組網(wǎng)、樹(shù)型組網(wǎng)、環(huán)狀組網(wǎng)。

(1) 鏈狀組網(wǎng)。鏈狀組網(wǎng)是一種多級(jí)分光器組網(wǎng)方案，分光器分布在各個(gè)ONU位置，每個(gè)ONU分10 %的主光，剩余90 %送至下一級(jí)，較為適合鏈狀或帶狀的10 kV線路，如圖2所示。在鏈狀組網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，光衰耗計(jì)算問(wèn)題是尤為重要的。

(2) 星型組網(wǎng)。星型組網(wǎng)結(jié)構(gòu)為典型的多路分光器結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單清晰，不需要計(jì)算光衰耗，每路ONU直接與多路分光器相連，適合業(yè)務(wù)較為密集的供電區(qū)域，如圖3所示。

圖3 星型組網(wǎng)示意

(3) 樹(shù)型組網(wǎng)。樹(shù)型組網(wǎng)是整合星型組網(wǎng)和鏈狀組網(wǎng)的一種組網(wǎng)方式，可整合多路分光器和多級(jí)分光器，與實(shí)際電網(wǎng)一次結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合，能夠減少建造施工量，同時(shí)樹(shù)型組網(wǎng)結(jié)構(gòu)也有利于后期的配網(wǎng)拓展工作，如圖4所示。

圖4 樹(shù)型組網(wǎng)示意

(4) 環(huán)型組網(wǎng)。環(huán)型組網(wǎng)是配電網(wǎng)通信網(wǎng)組建最為常用的結(jié)構(gòu)，采用多級(jí)分光器組網(wǎng)方式。多級(jí)串聯(lián)成環(huán)，具備其他結(jié)構(gòu)所沒(méi)有的鏈路保護(hù)機(jī)制，可以抵抗單點(diǎn)冗余失效、通道一點(diǎn)斷開(kāi)等故障，提高通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性，保障配電自動(dòng)化系統(tǒng)的業(yè)務(wù)安全。其邏輯結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 環(huán)型組網(wǎng)示意

配電自動(dòng)化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的選用應(yīng)當(dāng)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況相適應(yīng)，從成本、需求等方面綜合考慮。

4.2 EPON的典型保護(hù)組網(wǎng)方式

隨著EPON技術(shù)的不斷發(fā)展，配電網(wǎng)通信的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也在不斷完善。單一鏈路結(jié)構(gòu)和單根光纖收發(fā)方式并不能保證通信的可靠性，因此在配電網(wǎng)上采用了冗余保護(hù)組網(wǎng)方式。在保護(hù)方式上又分為以下幾種：?jiǎn)蜗螂p分光器冗余樹(shù)狀保護(hù)結(jié)構(gòu)、鏈路雙向手拉手鏈狀保護(hù)結(jié)構(gòu)、雙鏈路同向雙光纖T型拉手保護(hù)結(jié)構(gòu)及環(huán)形雙向保護(hù)結(jié)構(gòu)。

(1) 單向雙分光器冗余樹(shù)狀保護(hù)結(jié)構(gòu)是基于多路分光器組網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建的保護(hù)組網(wǎng)方式。由1個(gè)OLT與2個(gè)多路分光器連接，形成冗余保護(hù)，多路分光器與下端每個(gè)ONU形成樹(shù)狀方式交錯(cuò)相連，使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)形成保護(hù)，如圖6所示。

圖6 單向雙分光器冗余樹(shù)狀保護(hù)結(jié)構(gòu)示意

(2) 鏈路雙向手拉手保護(hù)結(jié)構(gòu)是基于多路分光器組網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建的保護(hù)組網(wǎng)方式。在兩端站點(diǎn)均放置OLT設(shè)備，兩端各用1根光纖進(jìn)行傳輸；每個(gè)ONU接收正向、反向的2組信號(hào)，雙PON口形成1+1冗余保護(hù)結(jié)構(gòu)，能夠較好地抵抗通道一點(diǎn)斷開(kāi)的故障，可很好地適應(yīng)于城區(qū)鏈狀結(jié)構(gòu)的10 kV線路，如圖7所示。

圖7 鏈路雙向手拉手保護(hù)結(jié)構(gòu)

(3) 鏈路同向雙光纖T型拉手保護(hù)結(jié)構(gòu)是基于多路分光器組網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建的保護(hù)組網(wǎng)方式。與鏈路雙向手拉手保護(hù)結(jié)構(gòu)不同的是，OLT設(shè)備在同一站點(diǎn)；相同的是使用2根光纖進(jìn)行正向反向串接ONU，形成保護(hù)，如圖8所示。

圖8 鏈路同向雙光纖T型拉手保護(hù)結(jié)構(gòu)

(4) 環(huán)形雙向保護(hù)結(jié)構(gòu)是通過(guò)單OLT設(shè)備，利用鏈路形成環(huán)狀，ONU雙PON構(gòu)建1+1保護(hù)，正向反向雙光纖連接與上、下節(jié)點(diǎn)相連，實(shí)現(xiàn)鏈路冗余保護(hù)，如圖9所示。

圖9 環(huán)形雙向保護(hù)結(jié)構(gòu)示意

4.3 光通道衰耗的計(jì)算

OLT上行采用1 310 nm波長(zhǎng)，下行采用1 490 nm波長(zhǎng)，其中1 310 nm波長(zhǎng)每千米衰耗為0.36 dB，1 490 nm波長(zhǎng)每千米衰耗為0.22 dB。設(shè)備PON口采用PX20光模塊，發(fā)送功率為(+2)-(+7)dBm，接收靈敏度為(-24)-(-27)dBm；ONU發(fā)光功率為(-1)-(+4)dBm，接收光靈敏度為(-24)-(-30)dBm，則上行方向最大光功率預(yù)算為24 dBm，下行方向最大光功率預(yù)算為26 dBm。

光通道衰耗公式如下：

其中，AT表示總體衰耗值，AL為光纜衰減，AC為光連接器損耗，AF為分光器插入損耗，AM為熔接損耗。

分光器插入損耗與分光比有關(guān)，其插入典型值如表1所示。

表1 分光器插入損耗 dB

在配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)中選用分光比為1:9的分光器，故插入損耗典型值為0.9 dB/個(gè)。

在計(jì)算中要考慮以下3個(gè)方面。

(1) 光纖接頭損耗。光纖接頭損耗分為光連接器損耗和熔接損耗。光連接器損耗為0.5 dB/個(gè)，熔接損耗一般按照0.2 dB/個(gè)進(jìn)行計(jì)算。

(2) 光纜的富余度。在光纜正常使用中，需要考慮一定的光纜富余度，以保證通道的正常運(yùn)行，富余度具體值應(yīng)與傳輸距離相匹配。在確定傳輸距離后，光纜富余度將會(huì)計(jì)入光通道衰耗中。光纜富余度與傳輸距離之間的關(guān)系如表2所示。

表2 光纜富余度與傳輸距離關(guān)系

(3) 根據(jù)衰耗公式，AT的值應(yīng)當(dāng)小于上行及下行方向的最大光功率預(yù)算。光通道衰耗的計(jì)算，主要對(duì)規(guī)劃OLT每個(gè)PON口所能夠?qū)?yīng)的ONU的數(shù)量起指導(dǎo)作用。

根據(jù)光通道衰耗計(jì)算的公式，可以推斷當(dāng)ONU數(shù)量為9個(gè)時(shí)，光連接器損耗為9 dB(1個(gè)點(diǎn)2個(gè)光連接器，故每個(gè)點(diǎn)有1 dB的損耗)，分光器的衰耗為8.1 dB，熔接衰耗為1.8 dB。此時(shí)，光衰耗已達(dá)到18.9 dB;OLT上行波長(zhǎng)為1 310 nm，每千米衰耗為0.36 dB，上行最大光功率預(yù)算為24 dBm，減掉光纜富余度后，可計(jì)算出光纜長(zhǎng)度為8.6 km。當(dāng)ONU數(shù)量為10個(gè)時(shí)，光連接器衰耗為10 dB，熔接衰耗為2 dB，分光器衰耗為9 dB，考慮光纜富余度，光纜長(zhǎng)度應(yīng)該小于5 km。通過(guò)計(jì)算得出光纜長(zhǎng)度為2.1 km，不能滿足配電網(wǎng)通信網(wǎng)建設(shè)的需求。因此，可以得出ONU的數(shù)量不能大于9個(gè)。

5 通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的建設(shè)方案

針對(duì)實(shí)際選擇通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是必要的。在某市的配電自動(dòng)化通信網(wǎng)建設(shè)中，規(guī)劃在城區(qū)內(nèi)采用3種不同的結(jié)構(gòu)。

5.1 啞鈴狀組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

在該市城建密集地區(qū)，電力一次線路呈現(xiàn)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，通信網(wǎng)選擇路由較多也較為靈活。同時(shí)，由于城區(qū)內(nèi)業(yè)務(wù)較多、數(shù)據(jù)量大、重要性高，因此需要采用保護(hù)方式較為合理的結(jié)構(gòu)。采用啞鈴狀組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，即在2個(gè)子站點(diǎn)附近采用環(huán)形組網(wǎng)，環(huán)形與環(huán)形交叉，形成鏈狀組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，如圖10所示。

啞鈴狀組網(wǎng)方案對(duì)于城建密集地區(qū)較為適宜。在站點(diǎn)附近采用環(huán)形組網(wǎng)方式主要考慮兩端點(diǎn)的距離較遠(yuǎn)，配電終端較多，分級(jí)多導(dǎo)致光損耗過(guò)大無(wú)法正常通信，利用環(huán)形組網(wǎng)能夠保障通道損耗在可控范圍內(nèi)。

圖10 啞鈴狀組網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意

利用這種結(jié)構(gòu)，根據(jù)光通道的計(jì)算，每個(gè)PON口下該市只下帶不超過(guò)5個(gè)點(diǎn)位，保證通道的正常運(yùn)作。光衰耗的要求是制約可帶終端的主要因素。因此，啞鈴狀的組網(wǎng)方式是較為可行的。

5.2 雙樹(shù)型結(jié)構(gòu)交叉組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

在新規(guī)劃開(kāi)發(fā)區(qū)域，隨著投資量增大，電力需求不斷增大，采用雙樹(shù)型結(jié)構(gòu)交叉組網(wǎng)方式具有強(qiáng)拓展性，其組網(wǎng)方式如圖11所示。

圖11 雙樹(shù)型交叉組網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意

在雙樹(shù)型結(jié)構(gòu)中，每個(gè)點(diǎn)位都有可以拓展的方向，也具備保護(hù)的冗余性，且拓展后可以組成啞鈴狀的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)適用于新開(kāi)發(fā)地區(qū)，對(duì)一次線路的要求不高，也能保障通信通道的可靠性。

5.3 鏈狀組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

在電網(wǎng)發(fā)展成熟的地區(qū)，采用雙鏈狀保護(hù)結(jié)構(gòu)，配電子站位于兩端，線路上遇到枝椏處采用“幾”字型進(jìn)行串聯(lián)。該保護(hù)結(jié)構(gòu)上采用雙向手拉手方式，接入兩端OLT設(shè)備，能有效抵抗1點(diǎn)斷開(kāi)的故障。在該地區(qū)，使用鏈狀組網(wǎng)結(jié)構(gòu)主要考慮配電一次結(jié)構(gòu)已經(jīng)固定，拓展性小于穩(wěn)定性，對(duì)穩(wěn)定性要求高，因此需建設(shè)可靠穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，保障通道的正常運(yùn)作。其組網(wǎng)方式如圖12所示。

圖12 鏈狀組網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意

對(duì)于鏈狀結(jié)構(gòu)，該市每個(gè)PON口采用不超過(guò)7個(gè)終端，以保證光通道的富余和設(shè)備上傳下發(fā)的穩(wěn)定。

6 結(jié)束語(yǔ)

目前，我國(guó)的配電自動(dòng)化系統(tǒng)正在全國(guó)范圍內(nèi)逐步建設(shè)，二級(jí)城市的發(fā)展具有區(qū)域性，其組網(wǎng)方案也較為靈活。通過(guò)融合多種組網(wǎng)方式，提出優(yōu)化的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，應(yīng)對(duì)各類(lèi)地區(qū)的需求，對(duì)配電自動(dòng)化系統(tǒng)通信網(wǎng)組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建設(shè)提供一定的參考。

在建設(shè)智能電網(wǎng)的城市配電中，就拓展而言，智能小區(qū)等采用的智能化設(shè)備，均可以采用光纖以太網(wǎng)技術(shù)組建配電自動(dòng)化系統(tǒng)通信網(wǎng)，既可實(shí)現(xiàn)當(dāng)下各種業(yè)務(wù)的穩(wěn)定傳輸，也給以后的業(yè)務(wù)拓展提供通道基礎(chǔ)。

1 張 亮．智能變電站通信安全策略研究[J]．電力安全技術(shù)，2015，17(1):6-8．

2 劉 浩，袁偉民．小區(qū)變電站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)及通信規(guī)約的研究[J]．電力安全技術(shù)，2013，15(12):42-44．

3 秦 吉，黃方能．電磁環(huán)網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)分析[J]．電力安全技術(shù)，2011，13(12):26-28．

2016-07-14。

黎 洋(1990-)，男，助理工程師，主要從事通信專(zhuān)業(yè)技術(shù)工作，email：chenxi_dy@163.com。

陳 曦(1973-)，女，高級(jí)工程師，主要從事電網(wǎng)運(yùn)行管理工作。

孟 宇(1982-)，男，工程師，主要從事通信專(zhuān)業(yè)技術(shù)工作。

劉 倩(1985-)，女，工程師，主要從事通信專(zhuān)業(yè)技術(shù)工作。