異構式配電通信網絡結構與接口設計

楊云濤，黃少偉，許知博

(1．陜西省地方電力(集團)有限公司，陜西 西安710061;2．清華大學 電機系 電力系統國家重點實驗室，北京100084)

0 引言

保障能源安全、應對全球氣候變化是全人類所面臨的重大挑戰。為應對這一嚴峻挑戰，歐洲、北美等主要發達國家于本世紀初相繼提出了智能電網的建設愿景［1，2］，以達到調整能源消費結構、保證國家能源安全、降低碳排放標準等目標。在電力系統通信中，智能配電通信網是智能配電網的重要組成部分及實現智能電網的基礎條件。智能配電通信網的重要建設目標是利用經濟合理、先進成熟的通信技術，滿足智能配電網發展各階段對電力通信網絡的需求，支持各類業務的靈活接入，為電力智能化系統或設備提供“即插即用”的電力通信保障，為電力用戶與分布式能源提供信息交互通信渠道［3，4］。

然而，目前配網通信具有結構復雜、通信節點分散、單個節點數據量少但節點數量眾多等特點，目前還沒有一種使用單一的通信技術便滿足所有配網系統需求的方案［5，6］。因此，采用異構網絡構架組成混合式網絡是配電通信網的重要解決方案。如何根據配電通信網的典型需求來設計異構網絡構架，是目前配電通信網面臨的重要問題之一［7，8］。此外，異構式配電通信網絡還面臨著兩大問題。其一，配電網用戶終端網絡種類繁多，每一種終端網絡的通信協議各不相同，這使得總服務器端無法識別這些不同種類網絡內的不同用戶。此問題可歸結為配電網絡中的多址問題。其二，配電網用戶終端都會產生大量短數據包，由于整個配電網中終端用戶數眾多，總服務器端實時解析數據包的負荷極大，速率難以支撐。此問題可歸結為配電網絡中的數據聚合問題。

本文從電力系統通信的典型需求出發，提出了一種三層異構配電通信網絡基本結構，適用于混合通信技術體制的異構配電通信網系統;基于此結構，分別給出了城市和農村配電通信網絡的實現方式。進一步地，針對用戶端異構網絡的多址問題及服務器端因解析海量短數據包而導致的高負荷瓶頸，提出一種基于駐地網網關的多址與短數據聚合方法。該方法有效解決了異構駐地網絡的多址問題，并大大降低了服務端的數據包解析負荷。

1 異構配電通信網基本結構

1.1 主體結構設計

由于配網通信結構復雜，難以采用單一的通信技術滿足所有配網系統需求［9，10］。因此，采用異構網絡構架組成混合式網絡是配電通信網的重要解決方案［8，11］。所提出的典型異構配電通信網絡分為三層，包括骨干通信網(骨干網)、接入通信網(接入網)和終端層(用戶駐地網)，如圖1 所示。其中，骨干網是服務器端的信息網絡，實現配網通信主站之間的通信，這些主站包括各高壓變電站(110/35 kV 變電站)、電廠等;接入網實現配網通信子站與配網通信主站之間的通信，配網通信子站主要包括10 kV 變電站［12］駐地網實現用戶側用電信息的收集和監視。

圖1 配電通信網的異構式混合結構

骨干網中由于站點相對較少，各站點地位均等，因此適合采用光纖通信方式，搭建光纖自愈環網，具有高速、可靠、實時的優勢。

接入網則由于用戶較多，需要根據網絡覆蓋地域特點進行選取。對于用戶集中的地方，如城區、縣城、工業園區等地，接入網也適合采用光纖通信方式［13］。而對于郊區或者農村，用戶分散，采用光纖接入代價巨大。因此，可以采用GPRS/3G 技術實現接入［14～15］。

對于駐地網，可以分別選擇Wi-Fi，ZigBee 或者總線技術［16］。例如，在城區的用戶家庭或者辦公室可以選擇ZigBee 子網，而在配電房則選擇總線。

1.2 城市配電通信網

以所提出的三層網絡基本構架為基礎，本文所設計的城市配電通信網整體結構如圖2 所示，其中，骨干網采用的通信技術為光纖通信技術，并采用光纖環作為基本的網絡結構。

圖2 城市配電通信網結構

考慮到城市用戶集中，10 kV 變電站分布均勻，適合采用以太網無源光網絡(Ethernet Passive Optical Network，EPON)+以太光纖環接入網［13］。其中，EPON 接入網主干是由子站匯聚交換機組成的以太網光纖環。每個35/110 kV 高壓變電站可以連接一個或者多個以太網光纖環。每個子站匯聚交換機連接一個光線路終端(Optical Line Terminal，OLT)，或者子站匯聚交換機與OLT 集成為一個OLT 交換機。每個OLT 對應一個10 kV的變電站，下面分接多個光網絡單元(Optical Network Unit，ONU)。每個ONU 單元都負責收集一個或者多個駐地網絡的信息。

城市配網駐地網可以為無線網絡或者有線網絡，無線網絡可以是ZigBee［16］、紅外、WiFi 等局域網，而有線網絡一般是總線網絡。無線網絡包括一個協調器和若干個節點。節點即為用戶家中的智能電表、智能插座等，而協調器則負責組建此無線網絡，匯聚各個節點的信息并轉換成適合接入至ONU 的接口(如RS485)傳輸至ONU。同時，也負責將從ONU 接收到的數據信息廣播至各個節點。有線網絡一般為總線網絡，如RS485總線。

1.3 農村配電通信網

本文所設計的農村配電通信網整體結構如圖3 所示，其中，農村配網骨干網與駐地網的功能與結構與城市配網相同。

考慮到農村用戶分散，覆蓋面廣，10 kV 變電站分布稀疏，農村配網接入網并不適合采用EPON+以太光纖環接入網。由于農村用電信息監測實時要求不高，也沒有嚴格的可控性要求，因此采用GPRS/3G/4G 接入方式網絡結構最為簡單［14，15］。采用此方式主要租用網絡運營商的無線網絡，將數據送回網絡運營商的后臺系統，然后該后臺再通過專線和配網系統進行互聯。GPRS/3G/4G 接入方式對用戶的數量沒有限制，用戶無需建網和維護，具有建設周期短、業務開展快、網絡成本低等特點。

圖3 農村配電通信網結構

2 異構配電通信網多址與數據聚合方法

2.1 多址與數據聚合方法

基于上述異構配電通信網，本文采用駐地網網關來解決配網通信系統中的多址與數據聚合問題，其位于駐地網與接入網之間，作為多個異構駐地網與接入網中一個接入點的連接，如圖4所示。

圖4 駐地網網關在網絡中位置

在上行通信中，駐地網網關首先接收來自掛接在該網關上的N 個駐地網的短數據包，并按照駐地網進行分類存儲。例如，來自駐地網n 的短數據包存儲在第n 號存儲器，n=1，2，…，N。每個短數據包含有其在本駐地網的地址和數據包長度。然后，每接收短數據t 秒，駐地網網關將接收到的存儲于N 個存儲器中的短數據包進行封裝。在封裝幀的過程中，幀頭包括駐地網網關ID和子幀個數，如圖5 所示。幀體由各子幀組成，每一個子幀封裝來自同一個駐地網的所有已經接收到的短數據包，即存儲于同一個存儲器中的所有短數據包。值得指出的是，有可能t 秒內某駐地網沒有數據包發送，此時對應的存儲器為空。因此，子幀的個數可能小于N。子幀幀頭包括駐地網網關下面駐地網ID 和短數據包個數，如圖5所示。子幀幀體由若干個數據包組成。這些數據包即是在t 秒內接收到該子幀所對應的駐地網的所有數據包。

圖5 駐地網網關封裝幀格式

駐地網網關將幀封裝好后，將其傳送給該網關所連接的接入點。隨后，駐地網網關再次接收并分類存儲N 個駐地網的短數據包，并對短數據包進行封裝及傳送，如此循環。

在下行通信中，駐地網網關首先接收來自接入點的數據幀。該數據幀的封裝結構與如圖5 所示的上行通信時封裝幀結構完全一致。然后，駐地網網關按照圖5 所示結構，對數據幀進行解析，分別得到各個子幀。最后，駐地網網關依次解析每一個子幀。根據子幀中的駐地網ID，將該子幀內所有的數據包發送至該駐地網協調器。

值得說明的是，上述介紹的通信方式中，一個網關下的多個駐地網回傳時間間隔(t 秒)是相同的。然而，在實際使用中，更為普遍的情況是多個駐地網的采樣間隔和回傳間隔是各不相同的。這種情況下，網關需要根據每個駐地網的回傳間隔和采樣間隔進行處理。網關的回傳將是以駐地網為單位進行。這樣就不需要使用圖5 所示的幀結構。

2.2 駐地網網關的軟硬件實現

駐地網網關的硬件設計并無特殊要求。根據上述駐地網網關的基本功能，硬件系統需要包括RS 485 接口、CPU 和RJ 45 接口，如圖6 所示。其中，RS 485 接口用于連接駐地網網關與駐地網，接口數量視駐地網數量而定;RJ 45 連接駐地網網關與接入網，一般為1 個。CPU 處理駐地網數據的采集、存儲和回傳。

圖6 駐地網網關一般硬件結構

駐地網網關的實現重在軟件設計。這里考慮更為一般的情況，即每一個駐地網都有獨立的采樣間隔和回傳間隔。由于串口對象與文件都是獨占式的，軟件設計的重點在于如何處理好資源的調配。下面以微軟的VS 2010 平臺為例進行詳細介紹。

(1)整體思路

在整體設計上，采用定時器進行處理。CPU為每個子網設定一個采樣定時器，周期性采樣數據，保存到本地緩存txt 文件中。此外，CPU 為每個子網另設一個回傳定時器，周期性向服務端發送緩存的txt 文件，發送完畢后該文件清空。

(2)串口收發處理

CPU 通過CMSComm 類對象訪問串口。由于只有一個串口對象，需管理多個異步串口，故采用搶占式設計，即“先到先得，后到跳過”。當某一個子網采樣定時器觸發時，先判斷當前串口對象是否被使用。如果否，即串口空閑，則將串口占用，執行該定時器內的行為，當串口信息接收完畢時解除串口占用;如果是，即串口當前被占用，則本次定時器跳過。

采樣定時器觸發時，如果串口并未被搶占，則將串口配置成駐地網對應的參數，然后打開串口，根據當前設備號，配置設備地址，并獲取相應指令，將其轉換為十六進制格式向串口發送，從而實現對當前設備的數據采集。如有多條數據需要采集，則短暫間隔后更新設備地址重復發送采集命令。

串口接收到駐地網上傳的采集數據就會觸發接收函數。接收函數被觸發時，首先將數據轉換為字符串類型保存在數據緩存中，并判斷此時緩存中的數據是否可以提取出完整指令。若否則繼續接收數據;若是則提取出完整指令，存儲在對應的最新數據變量中，以供服務端查詢，并且根據需要寫入緩存txt 文件中或發送到服務端。

(3)文件操作

駐地網網關管理著多個緩存txt 文件，每個駐地網網關對應一個文件。網關采集到數據之后需要存儲在文件中;同時，網關需要將文件傳輸到服務器。顯然，由于采樣定時器和回傳定時器是異步的，讀寫文件也是異步的。因此，也需要對文件操作進行異步管理。

將網關回傳采集到的數據至服務器的過程稱為緩存同步。緩存同步采用調用子線程的方式執行。所有子網文件對應同一個子線程。當某一子網的緩存同步定時器觸發時，將先判斷當前子線程是否被調用，若未被調用，則調用該子線程。在子線程內，文件發送將分3 部分進行:1．發送文件名，以便服務器創建該文件。2．發送文件內數據。3．發送文件發送完成信號，通知服務器文件發送完成。同時，為了避免同一文件被多次打開，規定緩存同步的優先級高于緩存文件寫入，即在緩存文件進行同步的時候不允許寫入數據到該文件。

(4)Socket 操作

通過CSocketClient 類對象訪問Socket 端口(RJ 45)。當收到來自服務端的消息時，調用指令解析函數分析其數據包頭，根據協議判斷其含義，響應對應行動。Socket 消息響應包括:

a．停止查詢:停止向服務端發送采樣數據。

b．開始查詢:向服務端發送采樣數據。首先將最新數據變量中的數據發送至服務端以供顯示，然后每次都將當前的采樣數據發送。

c．配置采樣/回傳時間:設置各子網采樣/同步緩存的周期。

當回傳定時器觸發時，判斷同步緩存子線程是否已被調用，如果否則跳過，如果是則配置好當前數據包頭信息，并調用緩存同步子線程。該線程將根據協議向服務端發送相應緩存文件，并重建該文件。

3 實例與分析

為進一步說明所提出的三層異構網絡體系結構及多址與數據聚合方法，針對城市異構配電通信網絡，圖7 給出了一種基于駐地網網關的配電網絡。其中，骨干網部分只給出了總服務器，對應110/35 kV 高壓變電站，用于收集、監控本高壓變電站下屬所有中、低壓變電站和用戶的信息。EPON 接入網的以太光纖環網節點直接采用4 個OLT 交換機用光纖呈環狀連接，每個OLT 交換機兼具OLT 單元與子站匯聚交換機的功能，每個OLT 下面掛接若干個ONU。ONU 與OLT 交換機之間、以及OLT 交換機之間都是光接口。ONU 與駐地網網關之間以及OLT 交換機與總服務器之間均采用高速的RJ45 以太網接口。

圖7 基于駐地網關的城市配網通信系統

在圖7 中，駐地網網關與3 個駐地網相連，連接接口均為RS485，因為RS485 是工業領域最為常用的接口。3 個駐地網中有兩個ZigBee 網絡和一個485 總線網絡，每個ZigBee 子網由一個ZigBee 協調器和若干個節點。協調器則負責組建ZigBee 子網，匯聚各個節點的信息并轉換成適合接口接入至駐地網網關。同時，協調器也負責將從駐地網網關接收到的數據信息廣播至各個節點。ZigBee 協調器與駐地網網關之間的接口為RS 485。

此實例采用的3 種駐地網具有不同網絡結構、不同傳輸媒質、不同業務類型，充分體現了駐地網絡的異構特點。3 種駐地網涉及典型的智能插座、智能電表和無源溫度傳感監測，都是電力領域典型應用。通過駐地網網關的解析與統一封裝，服務器端不僅能夠清晰地知道是哪個駐地網中的哪個用戶發來的信息，而且大大減少了短數據包的數量。如果這3 個駐地網中每個駐地網有L 個節點，t 秒內共收集到3L 個短數據包。駐地網網關將這3L 個短數據包封裝成1 個，使得服務器端的解析處理數據包的頻率降低了3L 倍，大大提升了服務器端的處理效率。

4 結論

本文提出了三層異構配電通信網絡架構，并分別根據城市和農村的用戶分布特性設計了相應的配電通信系統，能夠有效滿足配電網絡的需求，有助于建成經濟適用且綜合高效的配電通信網絡。在此異構配電通信網絡架構基礎上，提出了一種適用于配網通信系統中的基于駐地網網關的多址與數據聚合方法，能有效解決配網通信系統中的多址問題并降低服務器端的處理負荷。

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