不同配电网自动化通信方案比较及应用研究
崔子倜
摘要：在配电网自动化系统中，通信是重要组成部分之一，是配电网自动化系统不可或缺的组成部分，许多功能有赖于其的实现。可以说，通信问题解决的好坏，直接影响到配电自动化系统的发展。文章研究了配电自动化系统通信需求，比较了不同通信方案的优劣性，并提出了配电网自动化系统通信方案构建对策和措施。
关键词：通信；配电网；自动化；光纤
配电网自动化系统融合了多种现代科技，例如自动化技术、网络通信技术、计算机技术以及集成技术等，是上述技术在电力行业的深度利用的体现。同传统电网调度自动化系统相比，配电网自动化系统具有诸多优势：例如通信终端节点分布广泛、通信节点网络完善、通信距离更长、节点通信数据流量大等。另一方面，由于配电网自动化系统站点数量较多，对通信系统功能和性能提出了更高的要求，目前尚未有任何一种通信方案能够完全满足其通信需要，而是要根据实际情况灵活选择多种通信手段搭配，组成综合性通信解决方案，以满足配电网自动化系统多样化通信需要。
1配电网自动化系统通信需求分析
1.1稳定性
配电网自动化通信系统线路和设备大多分布在户外环境，其通信功能容易受到气候环境和地质条件因素影响和干扰，另外，在存在电磁辐射、噪声扰动情况下，通信系统也容易出现信号消失、通信服务中断的情况。因此，配电网自动化通信系统必须要具备良好的抗干扰能力。
1.2实时性
配电网自动化在运行过程中，要保证能够随时监控系统运行状态、即时进行数据交换和传输，对通信系统的实时传输提出了较高的要求。配电网自动化通信系统不仅要及时更新FTU/TTU，还要保证在遇到系统故障时能够第一时间传输相关情况信息。
1.3双向性
配电自动化系统内部每个节点都有双向通信需求，对主通信网站来说，不仅要向各通信节点发送操作指令，还要接收各终端反馈的数据。因此，通信系统要具备双向信息交互功能，能够保证在不同通信终端之间顺利进行信息交换和传播。
1.4灵活性
配电自动化系统通信网络覆盖范围较广，涉及多种通信手段、设备和软件系统。要满足整个配电网自动化正常通信需求，通信系统必须要具备良好的灵活性，能够在不同设备型号、通信标准和数据接口之间进行自由切换，切实提高通信系统维护、调试和稳定水平。
1.5经济性
企业配电网自动化通信系统建设需要投入大笔资金预算，要在满足基本通信要求基础上，最大程度降低通信网络建设和维护成本。因此在选择通信方案、设备和运营方式时，要对不同方案经济成本进行比较，采用性价比最高的通信方案。
2不同通信方式性能比较分析
随着信息技术不断发展和进步，通信方式可选择面不断拓宽，一般可以将通信方案分为两种，即有线和无线通信方案。其中，有线通信方式主要包括：拨号电话、光纤通信、现场总线、配电线载波等；无线通信方式主要包括GPRS通信、无线扩频通信、卫星通信等。接下来将介绍几种常用的通信技术。
2.1现场总线通信技术
现场总线通信技术主要应用于大型生产设备系统、自动化设备控制系统内，通过实现内部控制系统不同节点之间的数字信号和信息交换，来实现总台控制不同设备运行的目的。因此现场总线通信是一种开放式、数字化、多节点通信网络。一般来说，其主要有以下几方面特点：（1）统一、通用的通信技术标准；（2）具有良好的交互性和替换性；（3）能够实现统一误差纠错和信号算法即时调整；（4）现场总线具备良好的通信网络拓展性，具有成熟稳定的全分散性控制结构；（5）通信系统功能和网络可根据具体通信需求灵活设计，能够满足不同通信环境通信需要，具有良好的鲁棒性。
目前，在配电网自动化系统通信解决方案中，主要利用现场总线技术来解决FTU和近距离通信需求问题，另外发电站内部设备之间的通信也可以采用这种技术实现。
2.2光纤通信技术
一般来说，光纤通信主要有以下几方面优点：（1）传播信号流量较大。目前光纤信道容量一般在140Mbit/s水平，采用单模信道还可以进一步扩充通信流量；（2）信号传输过程中衰减小，可支持超远距离通信。如果光波长度为018-019um，最长通信距离可达10公里；如果光波长度为110-116um，则最长通信距离可达100公里；如果光波长度超过210u-，最长通信距离可达1000公里，因此其可以实现远距离跨区域配电网自动化通信；（3）光纤管道直径小、重量轻，有良好的弯折性，网络铺设施工简单快捷；（4）输入输出信号采用分离处理，可以有效提高抗电磁干扰能力；（5）保密性效果好，不会出现信号缺失和失真问题；（6）通信网络物理性能稳定，有良好的抗腐蚀性和抗酸碱性。
光纤通信主要不足有：（1）建设投资规模较大，网络铺设技术要求高，这直接限制了光纤通信的推广应用；（2）光纤故障排查难度较大，后期维护保养技术要求高；（3）网络维护成本高。
光纤通信一般适用于以下范围：城区通信；主站与子站通信；高标准通信领域，例如配电网自动化系统、工业自动化控制系统等。
2.3配电线载波技术
配电线载波通信综合了移频监控、跳频技术，其通信信道采用6-10KV配电线路，配置了最新DSP数字信号模拟分析器和电路集成化技术，采用数字虚拟信号实现通信。该通信方案投资规模较小、稳定性较高，通常与电网建设同步推进，在电网企业应用比较多。
配电线载波通信主要有以下几个特点：（1）安装方便、操作便捷；（2）可以灵活建网；（3）具有良好的网络兼容性，能够与不同通信标准对接，例如可支持RS-232、Rs-422、Rs-455等不同型号的通信终端设备；（4）同时结合了快速调频技术和FSK调制技术，能够有效提高通信信号传播稳定性，通信系统鲁棒性较好；（5）由于配电线载波通信网络与电气网络同步建设和直接连接，通信网络可以与配电站内任何一个节点进行即时通信；（6）通信信道稳定性较高，抗干扰能力强。
配电线载波主要缺点：（1）在三相电网通信环境下容易出现信号失真；（2）由于载波通信信号容易受到电磁干扰；（3）载波通信信息孤岛较多；（4）由于与电网密切联系，信道通信容易受到电路中断影响。
载波通信主要适用范围：高空铺设网络结构，供电稳定，对即时通信要求较低、可以接受电路中断通信的情况。例如具有间歇性、阶段性运行特点的自动化系统。
2.4无线扩频通信技术
无线扩频通信主要特点：（1）鲁棒性好；（2）抗外部干扰性较强；（3）可以支持码分多址。无线扩频通信技术主要适用于以下情况：小型变电站、形成IOKV的开闭所或区域性控制中心与配电站之间的通信联系。对于具有较多数量的分散测控点通信环境，由于无线扩频通信网络建设成本较高，因此通常不考虑采用。
2.5基于GPRS通信技术
GPRS是通信运营建立的基于GSM网络的无线信号通信系统，通过移动网络实现移动终端之间的数据通信，可为用户提供即时无线通信服务。
在配电网自动化系统通信中采用GPRS技术，主要有以下几点：（1）通信便捷。用户只要利用移动通信终端就可以随时随地与GPRS网络连接，能够在短时间内建立通信联系；（2）有效提高频率资源利用率；（3）信号传输效率高；（4）通信成本低。利用现有的通信基站即可实现通信，不需要单独建设通信网络，只需支付一定流量费用；（5）通信网络覆盖范围较广。GPRS网络利用通信运营商完善的基站网络，可以在移动信号覆盖的地方进行即时通信；（6）安全性高。采用SIM卡实现数据交换，可以有效增强防范数据被复制或泄露能力。
3不同通信技术优劣性比较
如表1所示，文章给出了上述5种通信技术优劣性对比情况，以便于根据实际情况灵活选择最佳通信方案。
4配电网自动化通信系统基本架构
当前，配电网自动化通信系统主要有两种架构：一是三层结构，即通信网络由主站、子站和终端三部分组成，一般适用于大型配电网，特别是变电站数量较多、线路复杂的情况。三层结构通信网络内部各系统独立性较高，能够满足恶劣环境下通信需要；二是两层结构，即由主站和终端两部分组成的通信网络，一般适用于小型配电网，这类通信系统内部结构简单、功能单一。文章拟设计三层结构的配电网通信系统。
4.1主站层
主站层负责配电网运行状态监控、检测和运行分析任务，对整个配电网运行情况进行实时监控和管理，并提供人际沟通接口，管理员可以通过输入操作指令完成各种系统操作，例如系统故障检测、设备优化、软件升级、信号输出、数据打印以及系统间交互等。可以说，主站层是配电网通信系统的骨架。
4.2子站层
一般来说，配电网内部有多个设备节点，配电网主站不可能与所有监控设备进行直接连接，而是要设置一个中间缓冲层也就是子站层来完成这个任务。子站层不仅要负责监控站点与主站之间的数据交互任务，而且还要提供系统故障检测、故障隔离和功能替换等支持。如果主站出现故障或者运行瘫痪，子站可以扮演主站角色，对其监控站点进行通信指挥和管理。
4.3配电网终端层
配电终端是配电网的末梢组成单元，其主要负责柱搜集上开关、环网开关、箱式变、变压器、遥感器、子系统等运行数据和信息，并将监控信息反馈给子站层和主站层。
5配电网自动化通信方案设计
当前，随着信息技术不断发展和进步，配电网自动化通信方案的选择也日益丰富，比较常见的有GPRS、光纤、载波、微波、双绞线等。但是单独采用某一种通信方案显然不能全面兼顾经济性、技术性和合理性等要求，因此可以考虑多种通信组合的方式。
一般来说，主站层与子站层之间交换的数据容量较大，对信号稳定性、保密性和通信即时性要求较高，因此采用光纤通信技术比较合理。为提高通信系统稳定性和可靠性，增强通信系统抗干扰能力，可构建双环光纤线路自愈网络，在一条光纤通信中断的情况下，另一条光纤依然可以保证通信顺畅。
双环光纤自愈网主要用于主站层与子站层之间、子站与城区之间的配电网络通信，可以提高整个配电自动化系统通信稳定性和时效性。双环光纤自愈网可以支持三层交换机与配电主站系统的通信连接。可以采用GPRS实现子站层与远距离配电终端的通信，这样不仅可以提高通信效率，还可以提高通信网运行经济性。短距离通信则可以考虑现场总线通信技术。
6结语
配电网自动化系统有利于提高电力企业供电稳定性和可靠性，这是电力行业未来发展趋势之一。而通信技术直接影响到配电网自动化系统综合运行效率，它负责电网运营中心与电网设备和用户之间的信息交换和传播，是整个电力网络的中枢神经，直接影响到配电网的总体正常运营情况，可以说，没有一套功能完善的通信网络支持，配电网自动化功能就无法保证和实现。
