通信技術在配網自動化系統中的應用

李樹成

（山西大同大學 機電工程學院，山西 大同 037009）

0 引 言

隨著我國經濟社會的全面發展，電力供應日益緊張，電網規模日益增大，電網數據冗余繁雜，為電網的管理及高效運行造成極大壓力。如何對我國龐大的電網進行高效運營與管理，已成為業內關注的焦點話題。在信息化背景下，采用先進的電力通信手段提升電力公司的管理效能已成為不可扭轉的趨勢，智能電網應運而生。

1 配網自動化概述

配電自動化是指綜合運用電子計算機、控制芯片、數據傳輸以及數據庫等先進技術，實現對配電網運行參數的采集監控，從而高效可靠地完成對配電網的設備和運行的管理。考慮到低壓端設備數量巨大、維護困難的特性，配網自動化系統通常只在中低壓配電網內應用。配網自動化系統屬于復雜度較高的綜合性自動化系統，向下又可分為配電網運行自動化系統和配電網管理自動化系統兩個子系統[1]。

1.1 配電網運行自動化系統

配電網運行自動化系統作為配網自動化的重要組成部分，承擔著設備狀態參數收集、電力變換、變電饋線、負荷監控以及調整等一系列復雜的運行監視和控制任務，是配網自動化系統的控制樞紐和執行機構，可對配網自動化系統的可靠運行起到基礎性和根本性的保障作用。

1.2 配電網管理自動化系統

與配電網運行自動化系統不同，配電網管理自動化系統主要用于協調與管理配電網，可實現電網管理者與現場配電終端設備之間的交互，同樣是配電自動化系統的重要組成部分。為實現對配電網的監控與分析，配電網管理自動化系統包含大量管理功能模塊，可高效處理數據，為配電工作的管理提供決策依據。配電網管理自動化系統主要由繪圖模塊、設備監控模塊、GIS模塊、用戶管理模塊以及應急管理模塊組成，大大節省了人力勞動，提高了配電效率和管理水平。

2 電力通信新技術

配網自動化系統對數據傳輸的特殊要求，促使電力通信新技術的應用成為必然。在當前配電網中，ASON、EPON、軟交換技術、統一通信以及數字化變電站等先進通信技術已得到較廣泛應用[2]，且性能在不斷提升，成為智能電網建設的重要技術保障。

2.1 光通信網絡

光通信網絡的應用是配網自動化系統升級的重要方面，采用光網絡替代傳統的電路網絡，可以取得更大的通信容量和更快的傳輸速度，減少電網內光轉設備的數量。光網絡的應用是傳統電網絡通信領域的一次革命，但其應用尚不夠成熟，有望在配網自動化系統的應用需求推動下取得突破。

2.2 無線接入技術

無線接入技術使網內設備的互聯更加方便。當前，電力通信接入網主要通過三種方式實現，即4G移動通信網絡、PLC電力電纜網絡和專用局域網[3]。其中，采用4G移動通信網絡傳輸大量的數據雖可以滿足速度上的要求，但成本往往達不到要求；采用電力電纜組建通信網則需要大量的前期實施工作，人力成本不能滿足要求。未來的電力通信技術將廣泛采用EPON接入技術。

2.3 電力統一通信

電力統一通信技術在近年來取得了較快的發展，它可以將各類不同的業務集成在統一的網絡平臺內，并允許用戶隨時隨地接入。電力統一通信技術較傳統的IP通信更加先進，在精減系統結構的同時，進一步提高了網絡設備的集成度，為用戶提供豐富的接入模式，可滿足不同用戶的個性化需求。

3 通信技術在配電網中的應用要求

電力通信技術在智能電網中的應用，最典型、最基礎的環節是配網自動化系統的通信部分。根據未來智能電網的建設要求，配網的主網可直接采用原先的SDH網絡及綜合數據網絡，在此基礎上進行優化升級，將新的電力通信系統植入其中。智能電網作為重要的國家基礎設施，且長期工作在高溫、低溫、大溫差、灰塵、電磁干擾、震動以及大負荷等惡劣環境中，其通信系統的可靠性和穩定性必須優于普通家用通信標準。因此，在通信設備選型時應做到高度重視，在控制成本的前提下，充分考慮設備的各項性能指標，確保與未來智能電網的運行效率相適應。當前，采用較多的硬件是各類工業以太網設備，軟件則多采用TCP /IP 協議進行數據傳輸，且具備數據校驗和故障重傳等通信保障機制，促使智能電網中電力通信系統的安全性能進一步提升。

4 當前配網中通信網存在的問題

盡管配電網中的通信技術應用已有不少案例，且相關技術日益成熟。但目前仍存在不少問題，對我國配網自動化系統的快速發展造成一定的阻礙。

一方面，當前配電通信網的結構與電力系統的發展方向不相符，大部分電力通信公司設計的網絡結構以星形為主，星形結構在一定程度上降低了實施的難度，但也大大降低系統的穩定性和資源的共享性，導致故障現象時有發生。此外，星形結構會給整個電力通信網的管理帶來極大的不便，由銅線組建的通信網層次較多，結構復雜，可維護性和可擴展性都很低。

另一方面，我國電力通信網絡存在傳輸可靠性低的問題。對電力數據傳輸而言，通信數據的準確性異常關鍵，影響著整個網絡的運行效率。若數據在傳輸過程中出現失真，會對電網的運行造成極為嚴重的影響。電力通信網質量差的原因有很多，例如網線之間的互擾、DSH節點過多以及通信設備性能低下等。此外，當前我國電力系統中采用的網線多為不帶屏蔽層的單股銅線型網線，受力后容易斷裂，且銅芯面積過小，使數據的傳輸距離受到較大的局限。

5 配網自動化系統的應用

5.1 總體架構設計

配網自動化系統主要由客戶端、服務端、WEB端、數據庫和各種現場采集設備構成。為保證系統可靠性和容錯性，重要設備需按冗余方案進行設計。在總體架構方面，系統采用由配電主站和配電終端構成的兩層集中主站架構。其中，主站主要用于采集和分析處理配電網內各配電終端的狀態參數，其采集邏輯由遠程工作站統一進行調度。這種現場采集與遠程監控相分離的系統架構在管理上非常方便，數據一致性和準確性也得到了最充分保證。系統總體架構設計如圖1所示。

需要注意的是，此配電自動化系統架構在應用層面上的功能劃分更加細致，把運行自動化系統和配電網管理自動化系統兩個子系統進一步細化為地區調度系統、數據采集系統、生產管理系統和地理信息系統四個子系統。

圖1 配電自動化系統架構

5.2 主站設計

主站在配電自動化系統中占據核心地位，起著對整個系統的統一調度作用，是網內通信數據的交換樞紐。考慮到主站結構上的復雜性以及在通信過程中所處地位的重要性，筆者采用標準化和通用化設計方法對主站結構和功能進行設計。為方便日后的系統維護與規模擴展，同時預留有標準數據交換接口。主站的設計充分運用當前的眾多先進技術，通信過程與國際IEC61970/61968完全兼容，具有較強的可靠性、高效性、穩定性、兼容性以及可擴展性。

5.3 終端配置

在我國規模龐大的電網中，各種類型的電網終端設備數不勝數，由于其在電網中的功能各不相同，采集到的數據類型也多種多樣。同時，這些終端設備長期工作在室外惡劣環境中，可靠性和可維護性已成為配網自動化設計過程中的重點。由于終端設備的數據傳輸協議各不相同，一般多采用串口通信模式，筆者先使用單片機芯片對其進行統一控制，然后再由單片機負責與配電通信網進行統一數據交換，大大簡化現場的組網結構，使系統層次結構更加簡潔，易于維護。

5.4 組網方案

為保證網絡的可靠性，在骨干網中采用環網結構，并充分利用工業以太網先進設備，搭建一套冗余光纖環網通信體系。環網相當于網絡的備份，各網絡之間具有多條通信線路用以交換數據，當其中某條鏈路出現問題時，數據會自動切換到其他正常鏈路繼續保持通信系統的正常運行。采用工業以太網的主要原因是配電網對故障的恢復速度要求較高，而一般的局域網在故障發生到成功恢復至少需要半分鐘，會對配電網的關鍵數據傳輸造成影響，甚至丟失數據。從后期維護的角度來考慮，環網方案也是最佳的選擇。

接入網主要運用無源光網絡接入技術（EPON），這是因為終端設備采集的數據量大且位于骨干網附近的區域，物理線路的布設并不復雜，而需要傳輸的數據量又較大，與EPON技術的特點相符。考慮到實際施工環境的復雜性，筆者使用了24芯單模光纖、性能可靠的分光器和直流電源裝置。

6 結 論

配網自動化的實施對我國電網技術的發展有著重要意義，在未來幾十年內，我國將全面普及配網自動化系統，電網供電可靠性也會大大提高。隨著電路理論、控制理論與網絡通信等基礎學科的發展以及相應實踐的加深，配網自動化系統本身也將會有很大的進步，系統性能不斷提升，系統結構更加簡潔。國家近年出臺相應的政策，分階段實施智能電網的建設工作，同時提出堅強電網的新愿景。不難預測，新通信技術的應用將為我國配網自動化系統、智能電網以及堅強電網的建設帶來更廣闊的發展前景。