鄭州高新區(qū)配電網(wǎng)自動(dòng)化通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

陳 良，薛保星，黃傳金

CHEN Liang1,XUE Bao-xing2,HUANG Chuan-jin1

（1. 中州大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，鄭州 450044；2. 鄭州供電公司，鄭州 450000）

0 引言

2009年5月，國家電網(wǎng)公司向社會(huì)公布了“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”的發(fā)展計(jì)劃。根據(jù)此項(xiàng)計(jì)劃，國家電網(wǎng)公司提出了建設(shè)以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、各級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)為基礎(chǔ)，利用先進(jìn)的通信、信息和控制技術(shù)，構(gòu)建以信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化為特征的自主創(chuàng)新、國際領(lǐng)先的統(tǒng)一堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的戰(zhàn)略發(fā)展目標(biāo)。隨著我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康發(fā)展和人民生活水平不斷提高，社會(huì)對堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)建設(shè)、電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行、電能質(zhì)量和優(yōu)質(zhì)服務(wù)水平也提出了更高要求。

鄭州高新區(qū)是河南省唯一的國家級高新技術(shù)開發(fā)區(qū)，高新區(qū)內(nèi)共有2座220kV變電站，4座110kV變電站，建成區(qū)內(nèi)10KV配電線路28條，線路總長度254.15公里，電纜化率為34.39%。中低壓配電網(wǎng)架空線路主要采用供電可靠性較高的分段接線方式；電纜線路以雙環(huán)網(wǎng)為主，目前環(huán)網(wǎng)比例已達(dá)到100%，具備實(shí)施配電自動(dòng)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基礎(chǔ)。

1 配電通信系統(tǒng)選擇

1.1 現(xiàn)有通信系統(tǒng)基礎(chǔ)及存在問題

鄭州高新區(qū)現(xiàn)有通信設(shè)備較落后，已不能滿足未來對配電網(wǎng)的運(yùn)行要求，主要存在的問題有：

1）光纖損壞

配電網(wǎng)通信系統(tǒng)光纜采用的為普通光纜，芯數(shù)為8芯。由于配電自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)早，經(jīng)過長期運(yùn)行，隨部分終端失效，光纖也隨之停用，損壞較多。

2）光纖覆蓋范圍不夠

原有光纖的鋪設(shè)是滿足當(dāng)時(shí)配電自動(dòng)化建設(shè)的需要，隨配電自動(dòng)化范圍的擴(kuò)大，光纖的覆蓋范圍已經(jīng)不能滿足本次配電自動(dòng)化試點(diǎn)建設(shè)和未來配電網(wǎng)運(yùn)行的要求。

3）光設(shè)備不能使用

原有光纖通信采用光MODEM方式。受當(dāng)時(shí)通信技術(shù)水平限制，光設(shè)備功能簡單，不能具備遠(yuǎn)程網(wǎng)管等多種功能。從技術(shù)壽命角度考慮，光設(shè)備壽命已到期，不能繼續(xù)使用。

1.2 技術(shù)體系和技術(shù)選擇

本期配用電通信網(wǎng)建設(shè)的重點(diǎn)在于接入層，對應(yīng)于城市配電網(wǎng)絡(luò)中壓層面。中壓層面的配用電通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)結(jié)合本地現(xiàn)有條件，可供選擇的通信方式有光纖專網(wǎng)、中壓電力線載波、無線等。光纖專網(wǎng)方式因其傳輸容量大、安全性及可靠性高等優(yōu)勢，在條件許可時(shí)應(yīng)優(yōu)先采用；無線專網(wǎng)方式無需有線介質(zhì)，組網(wǎng)靈活，傳輸速率也可滿足要求，非常適合于老舊線路多、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且變動(dòng)頻繁、光纜架設(shè)困難等地區(qū)，但存在實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)少、須申請使用頻段等缺點(diǎn)，且在城區(qū)基站選址建設(shè)有一定難度，終端設(shè)備的安裝方式也受到一些影響；中壓電力線載波技術(shù)建設(shè)方便，節(jié)省介質(zhì)投資，但使用效果較差，在架空線路安裝較困難，運(yùn)行維護(hù)工作量大，網(wǎng)管能力較弱，作為專網(wǎng)通信方式之一，在不便采用光纖的情況下，可以作為補(bǔ)充。

雖然配用電通信網(wǎng)情況復(fù)雜，單純采用一種或兩種通信方式無法滿足需要，但同一地區(qū)內(nèi)如采取過多的通信方式，首先會(huì)增加變電站端的主設(shè)備類型和數(shù)量；其次需要建設(shè)多種設(shè)備類型的網(wǎng)管系統(tǒng)；然后設(shè)備種類增多將造成同類設(shè)備數(shù)量的減少，在設(shè)備招標(biāo)時(shí)單價(jià)將升高，最后對于運(yùn)行維護(hù)人員的技術(shù)水平和工作量都將提出更高的要求。綜上所述，在滿足使用要求的前提下，同一區(qū)域內(nèi)所采用的通信方式應(yīng)相對統(tǒng)一，以獲取更好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和運(yùn)行效果。

綜合各種通信方式的優(yōu)缺點(diǎn)以及建設(shè)成本，各終端通信接入方式在光纖（EPON）、電力線載波（中壓PLC）和無線公網(wǎng)（GPRS）等三種方式中選擇。

選用EPON設(shè)備組網(wǎng)時(shí)，采用光路全保護(hù)冗余方式建設(shè)，任何一個(gè)終端設(shè)備出現(xiàn)故障都不會(huì)影響其他終端設(shè)備，雙PON（Passive Optical Network，即無源光纖網(wǎng)絡(luò)）口的ONU(Optical Network Unit，即光節(jié)點(diǎn))設(shè)備，ODN（Optical Distribution Node，即光配線網(wǎng)）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以環(huán)形和總線結(jié)構(gòu)為主，分光級數(shù)不超過6級。

采用電力線載波方式時(shí)，電纜線路優(yōu)先選擇卡接式電感耦合方式，架空線路優(yōu)先選擇相-相電容耦合方式，載波機(jī)優(yōu)先選擇一對多的系統(tǒng)。

采用GPRS無線公網(wǎng)通信方式時(shí)，公司與運(yùn)營商側(cè)采用高可靠的APN通道互聯(lián)，在公司配置網(wǎng)絡(luò)鑒權(quán)、授權(quán)與計(jì)帳系統(tǒng)(AAA系統(tǒng))，實(shí)現(xiàn)終端接入鑒權(quán)。

采用多種通信方式時(shí)應(yīng)實(shí)現(xiàn)多種方式的統(tǒng)一接入、統(tǒng)一接口規(guī)范和統(tǒng)一管理，所采用的通信設(shè)備/終端應(yīng)支持以太網(wǎng)和標(biāo)準(zhǔn)串行通信接口。

配用電通信網(wǎng)絡(luò)的分層結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 通信網(wǎng)絡(luò)層面及通信方式圖

1.3 技術(shù)指標(biāo)

表1 通信系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

2 配用電一體化通信系統(tǒng)

2.1 配用電一體化通信主平臺(tái)

配用電一體化通信主平臺(tái)主要由統(tǒng)一接入集群、統(tǒng)一網(wǎng)管系統(tǒng)和維護(hù)工作站組成。如圖2所示。

其主要功能是接入和集中管理各種通信方式的輸入信息，通過統(tǒng)一的接口與主站系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)“統(tǒng)一接入、統(tǒng)一接口、統(tǒng)一管理”的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

其中的統(tǒng)一網(wǎng)管系統(tǒng)由各網(wǎng)管子系統(tǒng)組成，各網(wǎng)管子系統(tǒng)的功能是顯示各類型通信設(shè)備及終端設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、故障告警、數(shù)據(jù)信息的采集處理及遠(yuǎn)程配置管理，并通過統(tǒng)一接口互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)信息交換和共享。

2.2 配用電一體化通信子平臺(tái)

就該系統(tǒng)而言，在各110kV變電站設(shè)置配用電一體化通信子平臺(tái)，主要是完成各站點(diǎn)所轄區(qū)域內(nèi)各終端的有線通信接入，并將信息匯集送往配用電一體化通信主平臺(tái)。主要組成部分有匯聚交換機(jī)、集中協(xié)議接口轉(zhuǎn)換器、各類型通信主設(shè)備。主要功能是實(shí)現(xiàn)所轄區(qū)域內(nèi)各種通信方式的集中接入，負(fù)責(zé)所轄區(qū)域內(nèi)配電自動(dòng)化終端相關(guān)信息的匯集、處理與轉(zhuǎn)發(fā)。

3 配用電通信網(wǎng)建設(shè)

3.1 配用電通信網(wǎng)骨干層建設(shè)

在瑞達(dá)變、玉蘭變、百爐屯變、春藤變、冬青變分別設(shè)置一體化配用電通信接入子平臺(tái)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)配置集中型多PON口OLT，通過各站的傳輸設(shè)備與鄭州供電公司的配用電通信接入主平臺(tái)聯(lián)系，滿足各10kV站點(diǎn)配用電通信設(shè)備接入需求。

瑞達(dá)變、玉蘭變、百爐屯變、春藤變、冬青變均為鄭州地區(qū)規(guī)劃的MSTP（Multi-Service Transmission Platform，即多業(yè)務(wù)傳輸平臺(tái)）光纖傳輸網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具備自愈功能。其中春藤變、冬青變傳輸設(shè)備為MSTP設(shè)備，瑞達(dá)變、玉蘭變、百爐屯變傳輸設(shè)備目前為SDH（Synchronous Digital Hierarchy，即同步數(shù)字體系）設(shè)備，鄭州供電公司“十二五”通信規(guī)劃擬將MSTP傳輸網(wǎng)覆蓋到所有110kV變電站。

3.2 配用電通信網(wǎng)接入層建設(shè)

3.2.1 光纜建設(shè)

中壓配電光纜網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，不僅為滿足本期配電自動(dòng)化系統(tǒng)的需要，同時(shí)更要兼顧智能電網(wǎng)的發(fā)展，以適應(yīng)不遠(yuǎn)的將來用戶雙向互動(dòng)的高級應(yīng)用的逐步開展、增值業(yè)務(wù)的不斷拓展。

鄭州高新區(qū)中壓配電網(wǎng)已建有一些光纜，覆蓋部分開閉站，主要采用普通光纜，沿10kV架空線路架設(shè)，但多為輻射結(jié)構(gòu)，未形成環(huán)網(wǎng)，所以可盡量利用現(xiàn)有光纜，同時(shí)新建光纜以覆蓋絕大部分“三遙”站點(diǎn)以及遠(yuǎn)期可能有“三遙”需求的站點(diǎn)，同時(shí)補(bǔ)強(qiáng)光纜網(wǎng)絡(luò)，盡量在主干線路上形成環(huán)狀或網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在光纜建設(shè)代價(jià)較大，且站點(diǎn)較為偏遠(yuǎn)，可靠性要求相對不高時(shí)，考慮采用中壓PLC通信方式。

圖2 配用電通信接入主平臺(tái)硬件體系結(jié)構(gòu)

沿管道新建光纜時(shí)，采用非金屬阻燃光纜，光纜芯數(shù)24芯，直埋時(shí)可選用非金屬阻燃光纜（穿管保護(hù)）或鎧裝光纜；沿架空線路新建光纜時(shí)，采用ADSS（All-dielectric Self-supporting Optical Cable，即全介質(zhì)自承式光纜）光纜，光纜芯數(shù)24芯；高新區(qū)中壓配電網(wǎng)內(nèi)現(xiàn)有可供利用的光纜。

3.2.2 設(shè)備建設(shè)方案

光纜覆蓋到的終端站點(diǎn)采用工業(yè)級的雙PON口ONU設(shè)備，EPON網(wǎng)絡(luò)采用光路全保護(hù)冗余方式建設(shè)，任何一個(gè)終端設(shè)備故障都不會(huì)影響其他終端設(shè)備。EPON系統(tǒng)的ODN主要以環(huán)形和總線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為主，分光級數(shù)不超過6級。

光纜未覆蓋到的“三遙”終端站點(diǎn)采用中壓電力線載波設(shè)備，電纜線路采取卡接式電感耦合方式，架空線路選擇相-相電容耦合方式，載波機(jī)配置為一對多的系統(tǒng)。

光纜未覆蓋到的“兩遙”或“一遙”終端站點(diǎn)采用GPRS無線公網(wǎng)通信方式。采用GPRS無線公網(wǎng)通信方式時(shí)，鄭州供電公司與無線通信運(yùn)營商側(cè)應(yīng)采用高可靠的APN通道互聯(lián)，在公司配置網(wǎng)絡(luò)鑒權(quán)、授權(quán)與計(jì)帳系統(tǒng)(AAA系統(tǒng))，實(shí)現(xiàn)終端接入鑒權(quán)。本項(xiàng)目中各配變終端的通信方式將結(jié)合用電信息采集系統(tǒng)建設(shè)統(tǒng)一考慮，其通信設(shè)備以及主站端通信接口不納入本工程投資。各類型終端通信設(shè)備配置匯總?cè)绫?所示。

表2 各類型終端通信設(shè)備配置匯總

4 結(jié)束語

鄭州國家高新技術(shù)開發(fā)區(qū)配電自動(dòng)化通信系統(tǒng),采用光纖作為主要傳輸介質(zhì),完成各站點(diǎn)所轄區(qū)域內(nèi)各終端的有線通信接入，并將信息匯集送往配用電一體化通信主平臺(tái)，完成了信息的匯集、處理與轉(zhuǎn)發(fā)。2011年12月，建成了統(tǒng)一接口、統(tǒng)一規(guī)范、統(tǒng)一網(wǎng)管的一體化配用電通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)配電環(huán)節(jié)和用電環(huán)節(jié)全部終端通信覆蓋率100%，滿足智能配電網(wǎng)配用電環(huán)節(jié)通信需求。

[1] 方顯業(yè),趙萌. 數(shù)字化配電網(wǎng)通信系統(tǒng)建設(shè)方案探討[J].電力系統(tǒng)通信. 2009(203).

[2] 徐光年. 基于EPON技術(shù)的配電網(wǎng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用[J]. 電力系統(tǒng)通信. 2008(187).

[3] 張曉平. 智能配電網(wǎng)的通信系統(tǒng)建設(shè)與發(fā)展分析[J].2011(11).