多接口協議自適應轉換配網通信裝置設計與研究

夏 波

(德國萊茵TüV集團萊茵技術(上海)有限公司，上海 200072)

由國家能源總局發布的《配電網建設改造行動計劃(2015—2020年》明確提出，2015—2020年，配電網建設改造投資要求不能低于2萬億元，使我國城市10kV配電網運行管理基本實現自動化目標，大、中城市中心區供電可靠率達到99.99%以上，用電信息采集系統實現 “全覆蓋、全采集、全費控”的目標。具備靈活的通信傳輸和能夠適應多業務場景的配電網通信技術是實現上述目標的必要條件[1-2]。

目前我國電力系統配電網主干線路主要采用光纖和中壓載波技術實現信息的傳輸，但由于成本、環境等因素的制約，尚不能實現配電線路終端設備的全覆蓋。基于物聯網技術實現配電網的接入網絡，并與配電網的主干通信網絡相結合，解決配電網問題，是實現配電網全覆蓋的重要技術手段[3-6]。

但是，當前配電網接入網缺乏統一標準，各廠家通信協議互不兼容，不同場景不同業務需要適配不同的通信裝置和系統，導致配電網通信系統的管理和維護極為困難，嚴重阻礙了配用電實現全面信息化的進程。

1 配電網信息通信需求分析

電網的信息通信主要分為兩大部分：第一部分是骨干通信網，主要包括電網的管理平臺、調度控制、110 kV及以上電壓等級輸電網絡的信息通信系統，主要是實現電網自動控制過程，信息通信的高速率、高可靠、高帶寬及傳輸路由器的可控；第二部分是指配電網和用戶側的通信，以低壓配網為主，包括配電變壓器臺區、10 kV電壓等級的配電網、用戶側的電器和電能表等信息通信系統[7]，主要實現配電網、用戶側的智能化和自動化管理，提高供電穩定性和可靠性，進而實現電網與用戶側的雙向互動、實現智能用電等[8]。

配電網的自動化系統需具備以下功能：

a.數據采集與監測控制系統(Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA)功能；

b.具備配電圖資地理信息系統(AM/FM/GIS)功能；

c.配電網的管理系統功能；

d.饋線自動化系統功能。

配電網自動化業務主要可以劃分為“三遙(遙信、遙測和遙控)”、“二遙(遙信、遙測)”、“一遙(遙信)”，由用戶側終端到配電網的自動化中心主站[9-10]。

2 配電網無線通信裝置結構研究

多接口協議自適應轉換的配電網無線通信裝置主要包括通信接入單元和通信終端，如圖1所示。

圖1 配電網無線通信裝置結構示意圖

2.1 通信接入單元結構設計

通信接入單元，安裝在配電網主干線路上有無線公網、光纖或中壓載波覆蓋的地方，根據實際情況選擇一種通信方式與配電網通信主站相連。通信終端安裝在無線公網、光纖或中壓載波覆蓋不到的有配用電終端節點需要接入的地方，這里的配用電終端包括各種配電終端，如TTU、RTU、DTU等和各種用戶終端，如考核表、采集終端等。通信接入單元與多個通信終端之間采用微功率無線通信技術，用于將各個無線公網、光纖或中壓載波覆蓋不到的配用電終端節點接入配電網通信主站。

通信接入單元如圖2所示，由通信接口模塊、協議轉換模塊、處理器模塊、微功率無線通信模塊和電源模塊組成。通信接口模塊結構組成如圖3所示，包括光纖接口模塊、以太網接口模塊和RS485/RS232接口模塊，為與配電網通信主站通信提供物理接口，具體接口形式根據實際情況選擇。

圖2 通信接入單元結構框圖

圖3 通信接入單元的通信接口模塊組成框圖

光纖接口模塊主要由光纖收發模塊和電平轉換電路組成，用于將光纖的光信號轉換為處理器可以處理的電信號，可直接與光纖連接進行通信，在實際應用中，考慮安全問題，不允許將通信接入單元直接與光纖的ONU接口相連，所以利用光纖接口，可以實現將現有光纖分離出可用線芯進行通信，進一步增加接入的靈活性。

協議轉換模塊將無線公網、光纖或中壓載波的協議轉換為無線通信協議，協議轉換模塊受處理器模塊支配，完成相應的協議轉換功能；處理器模塊采用高性能ARM，用于協調各個模塊實現配電網通信主站和通信終端的無線通信交互功能；微功率無線通信模塊采用支持WIA協議的模塊，用于和通信終端進行無線通信；電源模塊具有交直流轉換功能，可從現場接入220 V交流電，并轉換成所需的直流電，給各個模塊提供電源。

通信終端模塊組成如圖4所示，分別由以太網/RS485/RS232接口模塊、規約自適應轉換模塊、協議轉換模塊、處理器模塊、微功率無線通信模塊和電源模塊組成。

2.2 規約自適應轉換流程

以太網/RS485/RS232接口模塊用于與各種配用電終端連接提供物理接口，3種接口基本涵蓋了所有的配用電終端的通信接口形式，具有通用性；規約自適應轉換模塊可以智能識別所連接配用電終端的通信接口和通信規約，并自動切換相應規約進行通信；協議轉換模塊可以將以太網、RS485和RS232協議轉換為無線通信協議。

圖4 通信終端結構框圖

規約自適應轉換模塊流程如圖5所示，規約自適應轉換步驟如下：

a.選擇一種物理接口形式，可以是以太網、RS485、RS232接口的一種；

b.向選定的物理接口發送測試報文；

c.獲取并分析該接口返回的報文，如果返回的報文是有固定格式的錯誤代碼，則確定該接口可用，如果返回的報文是亂碼或無數據返回，則確定該接口不可用；

d.通過分析，如果能夠確定該選定接口為通信接口，則進行下一步，否則從第1步開始，選擇另外一種接口繼續測試；

圖5 規約自適應轉換模塊流程圖

e.確定物理通信接口后，優先選擇一種通信規約，測試通信互通情況，支持轉換的規約有：DNP、IEC101、IEC104、CDT、DL/T645規約，各種問答式規約，循環式規約以及用戶自定義規約，按照特定規約格式發送測試通信鏈路指令，接收代碼正確則確定該規約可用，否則不可用；

f.通過分析，如果能夠確定該選定通信規約正確，則結束，否則從第5步開始，選擇另外一種通信規約繼續測試。

3 結束語

本文基于無線通信技術設計的多接口協議自適應轉換配電網無線通信裝置，具有豐富的物理接口，并且具有多種規約自適應轉換功能，可以適配多種接口類型的配用電終端，并能夠針對不同的業務場景智能匹配通信規約，有利于實現配電網接入網的標準化，降低配電網通信系統的運維工作量和成本。該裝置成本低、部署方便、接入靈活、安全可靠，具有非常好的推廣應用前景。