黃炳強(qiáng)

（廣西電網(wǎng)有限責(zé)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(wǎng)的建設(shè)一直處于緩慢發(fā)展的階段。隨著社會市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，廣大電力用戶對于供電的安全性、可靠性、電能質(zhì)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(zhì)量的要求也是十分苛刻，種種需求使得復(fù)雜的配電網(wǎng)建設(shè)面臨著巨大考驗(yàn)；而配網(wǎng)自動(dòng)化的全面規(guī)劃和建設(shè)可以提高供電電能的質(zhì)量和可靠性，有效的對用電負(fù)荷進(jìn)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(yùn)行及管理因此上升到一個(gè)新的水平。

在配網(wǎng)自動(dòng)化建設(shè)中，通信系統(tǒng)的建設(shè)是核心環(huán)節(jié)。與骨干主網(wǎng)相比，10kV 配電網(wǎng)及以下電壓等級網(wǎng)絡(luò)具有電壓等級多、組網(wǎng)結(jié)構(gòu)和線路復(fù)雜、設(shè)備數(shù)量龐大、支線多、分布廣、配電網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)分布分散、通信節(jié)點(diǎn)多和設(shè)備運(yùn)行環(huán)境較差的特點(diǎn)。目前配網(wǎng)通信已具備基礎(chǔ)業(yè)務(wù)的通信服務(wù)，但是通信覆蓋點(diǎn)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(shí)，配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)對于通信的要求中，可靠性這一指標(biāo)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(wù)雙向通信的能力。

本文以配網(wǎng)自動(dòng)化為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合配網(wǎng)通信的特點(diǎn)進(jìn)行闡述，通過多方面分析無線通信與有線通信方式的特點(diǎn)，研究有線通信方式中光纖以太網(wǎng)通信技術(shù)在配網(wǎng)通信的應(yīng)用。

2 配網(wǎng)通信的特點(diǎn)及現(xiàn)狀

目前基于電網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀，骨干電網(wǎng)的電力專網(wǎng)已基本建成，但是10kV 及以下配網(wǎng)自動(dòng)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(wǎng)的移動(dòng)、聯(lián)通、電信等運(yùn)營商資源來實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)業(yè)務(wù)傳輸與監(jiān)測。配網(wǎng)自動(dòng)化可以實(shí)現(xiàn)保障電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的多種不同功能，它的作用主要是將配電網(wǎng)實(shí)時(shí)與離線信息、電力結(jié)構(gòu)參數(shù)信息、用戶信息和地理信息進(jìn)行安全集成，構(gòu)成完整的自動(dòng)化及管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)正常運(yùn)行及故障情況下的實(shí)時(shí)監(jiān)測、保護(hù)、控制和配電管理。其中，高壓線路開關(guān)的遠(yuǎn)方監(jiān)視控制、事故隔離分段、開關(guān)狀態(tài)監(jiān)視、線路切換操作等配電網(wǎng)數(shù)據(jù)信息對于配網(wǎng)運(yùn)行也非常重要，監(jiān)控員需對這些數(shù)據(jù)及時(shí)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(shí)計(jì)費(fèi)管理、負(fù)載遠(yuǎn)方控制等[1]。大體上分為兩類：圍繞配電網(wǎng)設(shè)備的監(jiān)控信息和圍繞用戶的監(jiān)控信息[2]。因此實(shí)時(shí)采集電力線路各方面信息顯得至關(guān)重要。

2.1 配網(wǎng)自動(dòng)化存在問題

全國各地區(qū)電網(wǎng)在電力通信網(wǎng)建設(shè)改造前，電力通信配電網(wǎng)存在諸多問題。

2.1.1 通信節(jié)點(diǎn)廣泛、自動(dòng)化程度低。目前配網(wǎng)自動(dòng)化中的通信設(shè)備分布極廣，配網(wǎng)僅僅在開關(guān)站采用部分自動(dòng)化設(shè)備實(shí)現(xiàn)遙測、遙信功能, 環(huán)網(wǎng)柜、開關(guān)和配網(wǎng)變壓器均未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。據(jù)統(tǒng)計(jì)，絕大部分環(huán)網(wǎng)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(kuò)展建設(shè)。

2.1.2 節(jié)點(diǎn)通信間距離短。開閉所、環(huán)網(wǎng)柜、箱變中的通信設(shè)備之間, 通常在幾百米到數(shù)千米范圍內(nèi), 而最遠(yuǎn)的距離也不過十多千米，可有效降低設(shè)備間通信介質(zhì)搭建的成本。

2.1.3 光纖資源占用大、通信節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)量小。租用公網(wǎng)的移動(dòng)、聯(lián)通、電信等運(yùn)營商資源通常采用早期傳輸通道，采用光Modem 接入,遠(yuǎn)動(dòng)和計(jì)量業(yè)務(wù)占用資源，通信設(shè)備主要向 FTU 和TTU 等遠(yuǎn)端設(shè)備發(fā)送控制信息，并采集遠(yuǎn)端設(shè)備的狀態(tài)信息，遠(yuǎn)端設(shè)備與中心 SCADA 系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)量通常在幾百kbit/ s 以下[3]。

2.1.4 安全性低、可維護(hù)性差。工作人員日常維護(hù)工作量大，設(shè)備無網(wǎng)管，無法遠(yuǎn)程維護(hù)，設(shè)備一旦出現(xiàn)故障，必須前往現(xiàn)場處理；光Modem 傳輸沒有通道保護(hù)，經(jīng)常多次因光纖斷裂導(dǎo)致設(shè)備連接中斷。

2.2 主流通信方式及特點(diǎn)

2.2.1 有線通信方式

在電網(wǎng)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(wǎng)業(yè)務(wù)具有抗干擾能力強(qiáng)、裝載信息容量大、實(shí)時(shí)性好、可靠安全性高等特點(diǎn)，故障時(shí)可通過減少搶修時(shí)間來有效保證供電企業(yè)的滿意度，但是工程建設(shè)周期長難度大、成本較高。配電網(wǎng)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(wǎng)使用載波通信原理相似，它是以配電輸電線路為基礎(chǔ)作為傳輸媒介，信號以有線傳輸?shù)姆绞匠休d于輸電線路中。該方式不需要鋪設(shè)獨(dú)立的通信線路，將通信與電力線傳輸復(fù)合使用，不僅節(jié)省建設(shè)成本，而且對遠(yuǎn)方負(fù)荷進(jìn)行抄表及線路數(shù)據(jù)監(jiān)測都是非常有利的。載波通信既經(jīng)濟(jì)又方便，有效解決了“最后一公里接入問題”，同時(shí)滿足雙向通信的要求[4]。載波通信的優(yōu)勢在于技術(shù)簡單；缺點(diǎn)是由于各生產(chǎn)廠家設(shè)備型號不一致，通信標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、不兼容，同時(shí)受到電力線強(qiáng)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(shù)傳電臺、GPRS、CDMA 公網(wǎng)、寬帶無線接入BWA 等技術(shù)[5]。下面以國內(nèi)自主知識產(chǎn)權(quán)的主流BWA 技術(shù)WiMAX、McWiLL 兩種技術(shù)體制分別討論。

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

表1 主流BWA 技術(shù)性能參數(shù)

3 配網(wǎng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

在配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)中，10kV 開關(guān)站、開閉所、環(huán)網(wǎng)柜、變壓器不像主網(wǎng)自動(dòng)化SCADA 系統(tǒng)那樣具有節(jié)點(diǎn)少、范圍大、距離遠(yuǎn)、信息量大等特點(diǎn)。主網(wǎng)一般需要大型通信設(shè)備，例如：SDH、ATM、ASON、PCM、微波等。這些設(shè)備雖然組網(wǎng)靈活、易于維護(hù)管理且穩(wěn)定可靠，但節(jié)點(diǎn)造價(jià)太高，體積較大，需要較大的機(jī)房容納。目前,配網(wǎng)通信大多采用點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)、環(huán)網(wǎng)等方式[7]。

3.1 常見的光纖通信方式

3.1.1 鏈型（點(diǎn)對點(diǎn)）通信方式

點(diǎn)對點(diǎn)是光纖通信中常用的方式，其利用的是價(jià)格成本較低的光纖收發(fā)器（光纖調(diào)制解調(diào)器）實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的傳輸，如圖1 所示。在主網(wǎng)通信中，也常用于距離較短（一般20km 以內(nèi)）的兩站之間的通信。但因?yàn)樵诠?jié)點(diǎn)較多時(shí)需要使用的光纖數(shù)量較大，資源利用率低，沒有發(fā)揮光纖通信組網(wǎng)的優(yōu)勢，在電力通信中難以大規(guī)模的推廣。

圖1 點(diǎn)對點(diǎn)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(wù)傳輸?shù)馁|(zhì)量，研究人員效仿SDH、ATM、PCM、等方式進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)形式改造，如圖2 所示。綜合多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的方式組網(wǎng)，該組網(wǎng)一定程度的縮短了部分節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)傳輸距離，提高了網(wǎng)絡(luò)的健壯性，相對的改善了網(wǎng)絡(luò)的性能。

圖2 自愈型通信

3.2 光纖以太網(wǎng)配網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以上所述通信方式可以實(shí)現(xiàn)“四遙”、通過電能采集終端采集電量、遠(yuǎn)方抄表、電量計(jì)算、功率計(jì)算、用電量統(tǒng)計(jì)等基本功能，但是隨著智能配網(wǎng)通信系統(tǒng)業(yè)務(wù)種類和數(shù)量的增多，將對系統(tǒng)支持的業(yè)務(wù)類型、帶寬容量、傳輸速度提出更高的要求[7]。需要在環(huán)網(wǎng)柜、開閉所、配網(wǎng)變壓器等設(shè)備處，增加DTU、FTU、TTU 設(shè)備，這些設(shè)備的功能除了接收執(zhí)行主站下發(fā)的遙控遙調(diào)命令外，還能實(shí)現(xiàn)大量應(yīng)用數(shù)據(jù)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(shù)，以及功控、電控、購電控、防竊電功能和油溫、壓力等變壓器運(yùn)行信息，現(xiàn)有的通信組網(wǎng)方式需要逐步向智能電網(wǎng)方向靠攏，以適應(yīng)物互聯(lián)時(shí)代需求。

目前由光纖以太網(wǎng)組網(wǎng)的配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)主要由主站SCADA 測控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、配網(wǎng)遠(yuǎn)方終端組成。其中本文通信系統(tǒng)的構(gòu)造基于電力通信研究設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的一套綜合型數(shù)據(jù)光端機(jī)（ISAT）設(shè)備，設(shè)備集成了傳統(tǒng)PCM 設(shè)備的所有功能，兼容SDH 和IP 業(yè)務(wù)。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(wù)等接口的支持。同時(shí)支持光纖環(huán)網(wǎng)、鏈型網(wǎng)以及混合組網(wǎng)等方式，簡單快速的通道保護(hù)保證了通道故障時(shí)業(yè)務(wù)快速切換。

根據(jù)所在城區(qū)配網(wǎng)自動(dòng)化設(shè)備分布現(xiàn)狀，推薦了一種基于ISAT 光端機(jī)實(shí)用的光纖以太網(wǎng)配網(wǎng)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(dòng)化設(shè)備，需要在自動(dòng)化主站、分站、開閉所（開關(guān)站）、環(huán)網(wǎng)柜、箱式變壓器、控制器、拉手開關(guān)等配網(wǎng)自動(dòng)化設(shè)備處各放置一臺ISAT 光端機(jī)。根據(jù)各地區(qū)規(guī)模特點(diǎn)，按照接入層、匯聚層、核心層的組網(wǎng)方式，以主站和分站兩類節(jié)點(diǎn)布置在光纖環(huán)網(wǎng)上，以此形成一張健壯配電通信網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)相互之間的通信。主站與分站之間在該通信系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了利用光纖以太網(wǎng)組網(wǎng)的配網(wǎng)自動(dòng)化通信。除此之外，由于ISAT 光端機(jī)與主網(wǎng)變電站SDH 光纖網(wǎng)絡(luò)兼容并建立鏈接，為配網(wǎng)通信提供了有效的備用通道。

圖3 配網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)?/p>

該系統(tǒng)在各節(jié)點(diǎn)只需配置一臺ISAT 設(shè)備，各地區(qū)還可以根據(jù)自身的需要適當(dāng)增加或減少光端機(jī)的數(shù)量，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。由于這種光端機(jī)的價(jià)格便宜，比SDH 設(shè)備成本低，體積小，適用于較小的空間范圍內(nèi)。因此從整個(gè)網(wǎng)絡(luò)安全及性能價(jià)格比來看是趨于合理的。與此同時(shí)，管理員及用戶訪客可以通過網(wǎng)管軟件對配網(wǎng)中各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行操作和維護(hù)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)上所有站點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

4 結(jié)語

配網(wǎng)通信系統(tǒng)的全面規(guī)劃在未來一段時(shí)間將成為電網(wǎng)企業(yè)基礎(chǔ)建設(shè)的重頭戲，在建設(shè)配網(wǎng)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(wǎng)設(shè)備多種業(yè)務(wù)接入的要求，本文提出了基于ISAT 設(shè)備的配網(wǎng)通信系統(tǒng)，在一定程度上不僅簡化配網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)，還提高了當(dāng)前電力通信的質(zhì)量，它將多業(yè)務(wù)類型集于一體，利用光纖以太網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)為配網(wǎng)多業(yè)務(wù)方向的轉(zhuǎn)型奠定基礎(chǔ)，從而使系統(tǒng)的可維護(hù)性、可用性、可靠性得到有效提高，達(dá)到節(jié)約光纖資源和降低網(wǎng)絡(luò)管理復(fù)雜度的目標(biāo)。該通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)兼顧目前的業(yè)務(wù)需求以及智能電網(wǎng)業(yè)務(wù)擴(kuò)展的方向，實(shí)現(xiàn)了縮小停電范圍和縮短用戶停電時(shí)間的目標(biāo)，為智能電網(wǎng)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。