配電自動化系統通信組網模型研究

易 琨，周 劍，阮 倩，崔光宇，陳 靜

（1.神龍汽車有限公司，湖北 武漢 430056；2.武漢格羅夫氫能汽車有限公司，湖北武漢 430206；3.武漢市測繪研究院，湖北武漢430022；4.長城汽車股份有限公司，河北保定 071000；5.武漢興智聯科技服務有限責任公司，湖北武漢 430020）

0 引言

目前，國家電網公司正大力發展城市配電網配電自動化的建設工作，配電網供電質量和供電可靠性更高的需求是現階段配電網發展的瓶頸，如何利用快速發展的技術解決供電可靠性的問題是研究的重點。配電自動化技術也應運而生，而配電自動化建設的關鍵在于配網通信網絡的建設，配電通信網絡組網方式與質量優劣直接影響整個配電自動化系統性能的優劣。在國家電網公司現行的骨干通信網絡中，已有成熟的通信技術與組網技術應用，主要分為有線技術和無線技術兩大類。其中有線技術常見的包括光纖通信、無源光網絡、載波通信，無線技術包括GPRS、CDMA、3G、4G等無線公網技術以及WIMAX、230 MHZ等無線專網技術。本文對幾種常用的配電自動化通信組網模型方案進行了初步探討。

1 配電自動化系統構成簡介

配電自動化系統的主要構成部分分為四大部分，一是通信系統，二是配電終端，三是配電主站，最后是配電子站，如圖1所示。

圖1 配電自動化系統體系結構框圖

由圖1配電自動化系統體系結構框圖我們可以看出，配電自動化通信系統的通信網絡可分類為兩種，一種是接入層通信網，一種是骨干層通信網。在配電主、子站之間，一般通過骨干層進行信息交換，而在終端和配電子站之間，或者終端和配電主站之間，都是以終端接入網絡進行信息的交換。對于骨干層通信網而言，最大的要求是可靠性，其負責的通信對象主要是大型電力企業、調度中心、發電廠以及變電站之間的信息傳遞，傳遞單位之間的電壓較高，一般高于35 kV。

因此，保障骨干層通信網的穩定、安全、可靠的運行，對于電網整體穩定安全的運行，具有重要意義。目前，骨干層通信網的網絡形式一般為光纖傳輸。接入層通信網的要求則沒有骨干層高，一般存在于儲能裝置、分布式電源、開關站、環網柜、臺式變壓器等設備之間與配電子站進行信息交換，其通訊方式較廣泛，比如無線通信、電力線載波、光纖等均可以運用到接入層通信網建設。

2 幾種常用的配電自動化通信組網模型研究

在進行配電通信網設計時，10 kV通信網優先采用光纖通信技術，而0.4 kV通信網采用了幾種組網方式結合的方式。為滿足配電自動化的功能，在具備遙控功能的配電站點采用了專網通信方式，優選光纖專網通信，在不滿足敷設光纜條件的情況下，可采用無線專網或者公網的方式作為輔助。同樣在不具備遙控功能的配電站點，優選光纖通信，備選無線通信或者中壓電力線載波的方式進行設計。

用電信息采集通信建設應與配電自動化光纜建設結合的區域，遠程通道應充分利用光纜資源。配電自動化、用電信息采集系統建設時應統一規劃、統一建設實現資源共享，避免重復投資建設。接入配電網的分布式電源、電動汽車充換電設施及儲能裝置站點，可采用光纖、中壓電力線載波等通信專網方式就近接入10 kV通信接入網。接入用電網的分布式電源、電動汽車充換電設施和儲能裝置站點，可采用光纖、低壓電力線載波、短距離無線等通信方式就近接入0.4 kV通信接入網。

2.1 基于EPON技術的通信組網模型研究

基于EPON技術進行組網時，其接入終端根據配電的輻射狀態進行接入到終端通信接入網之中。常見的EPON組網拓撲有四種方式：單鏈路拓撲、雙鏈路拓撲、環形拓撲以及星型拓撲，除雙鏈路拓撲結構外，其他三種種方式在在進行技術組網時較為常用。（單鏈路拓撲、雙鏈路拓撲以及星型拓撲具體拓撲結構見圖2-圖5。）

如圖2。單鏈路拓撲組網方案的特點：單鏈路拓撲組網方案在最后形成的組網結構中，單鏈路拓撲只是運用在組網初期中的過渡階段。

圖2 單鏈路拓撲結構

如圖3所示，雙鏈路拓撲組網方案的特點：雙鏈路拓撲組網方案運用在移動設備時十分方便，不影響其他設備。

圖3 雙鏈路型拓撲結構

如圖4所示。環形拓撲組網方式的特點：環形拓撲組網方式在目前的電網中運用最多，其網絡中若同時移動某一個ONU單元，不會對其他設備造成影響。

如圖5所示。星型拓撲組網方式的特點：采用星型拓撲組網方式時，線路的輻射方式是星型的。

組網方式的選取主要根據配電網的輻射狀進行選取，當10 kV配電網線路主要采用單輻射狀時，大部分采用鏈路型的拓撲結構；當10 kV配電線路采用的是聯絡狀時可以采用環形拓撲或者星型拓撲結構，具體根據配電線路而定。

上文提出了不同配電線路輻射形式的EPON拓撲結構。其主要針對的是終端設備接入到終端通信網部分。由圖1可知，配電自動化系統的體系結構主要包括三個層次：系統應用層、網絡匯聚層以及物理終端層。基于EPON技術的配電自動化通信組網在設計時，物理終端層與網絡匯聚層之間的網絡研究是配電自動化通信組網系統研究的重點部分。

由于目前大部分的配電網線路均采用的輻射狀的架設方式，因此根據線路的布放方式，大部分的供電公司的光纜布放方式均是隨配電架空線路布放，不具備光纜布放條件的一般情況是將光纜入地到城市綜合管溝或者城市強電管溝。由于骨干傳輸網一般設計時都在系統110 kV變電站點之中，因此OLT設備一般均布放在城市周邊的變電站之中。

圖4 環型拓撲結構

圖5 星型拓撲結構

基于EPON技術的模型一般要求就是光纜能夠布放到ONU設備位置，配電自動化系統架構內的設備的自身數據接口與ONU相連接，ONU通過分光器與子站中的OLT相連接。從而實現終端設備數據的實時通信。OLT與匯聚層交換機連接通過上聯板實現，上聯板提供GE接口以滿足通信速率的要求。通過上聯板接入到骨干通信網之中，從而實現終端與配電主站之間的通信任務。

基于EPON技術的配電自動化組網模型如圖6所示[1-4]。

如圖6所示終端通信接入網采用EPON技術進行組網，其結構主要包括鏈型和星型方式，配電線路的架設方式和光纜的布放路徑最終決定上述的網絡結構。各個ONU為配電自動化終端提供了數據接口，ONU的光口通過尾纖與分光器相連接。根據OLT設備的應用模式，一般其一個光口出來經過15個分光器，其性能將會大大的減弱，這就需要對分光器的數量進行規劃，規劃分光器與線路上的終端設備需要相結合。骨干通信網在配電自動化系統中主要起到傳輸配電自動化業務的功能，不具備其他的業務功能。由于OLT通過GE口與骨干通信網中的交換機或者路由器相連，骨干通信網還需要將電信號進行轉換為光信號才能在骨干通信網中進行傳輸。

圖6 基于EPON技術組網模型

傳輸的數據最終與主站進行通信，配電架構中的主要系統包括配電自動化系統、專業網管系統、調度監控系統、各種電力應用的主要服務器。主站應用層的工作人員通過訪問各種系統從而獲取終端接入中的各種數據，實現相互通信和對業務的監控，為后續的故障處理提供保障。

2.2 基于工業以太網的通信組網模型研究

基于工業以太網交換機進行配電自動化通信組網的模型目前應用較少，光纜根據線路進行假設時，很少能夠將各個配電終端進行環形連接，這就給以太網交換機環形組網帶來難度。為什么采用以太網交換機進行組網必須是環形拓撲？其主要原因在于組網實現抗多點失效的功能。在用以太網交換機進行組網時，采用環形組網能夠實現抗多點失效的功能，采用星型或者樹形進行組網，無法實現該功能，不能夠保證配電自動化的可靠性。

根據目前工業以太網技術在配電網組網中的應用可知，在進行環形組網時，環內工業以太網交換機的節點數量不宜超過20個節點，當超過20個節點口，其性能將大大減弱，數據通信可靠性不能滿足要求。同時，工業以太網系統在接入骨干通信網中的三層交換機時，工業以太網交換機必須具備與三層交換機通信的成熟的技術體制和標準接口，從而實現與上層配電主站之間的通信。

工業以太網進行組網時，與EPON技術類似，其三層交換機通常是安裝在110 kV變電站之中，遠端接入點位置放置工業以太網交換機，中間通信線路由布放的光纜組成。其組網模型如圖7所示[5]。

采用工業以太網交換機技術進行組網時，配電主站的應用系統與EPON技術組網的上層應用系統一樣，骨干傳輸網中需要將二層路由器接入到SDH傳輸網中的光端機設備之上。在EPON組網時，則不需要安裝二層交換機設備，而是直接通過OLT的GE接口與光端機的GE接口相連就行。終端通信接入層由于采用了環形組網的方式，因此其光纜架設的工作量很大，投入資金很大。

環形組網也有其好處，如圖7所示。子網1、2、3、4組成環形結構，環上任意一段光纜中斷后，可在20 ns內完成以太網業務切換工作，從另一個方向傳送業務，子網4采用環間耦合技術，可使子網1從兩條鏈路與上行鏈路連接，從而增加網絡的可靠性。子網2和子網3組成相切環，使子網2上的上行鏈路實現冗余。變電站的三層交換機支持OSPF、RIP協議，對接入的工業以太網交換機而言，主要起到VLAN間路由廣播的作用。圖7中，還有一種樹形組網方式，對于樹形組網而言，其中與二層交換機相連接的工業以太網交換機如果發生故障，其后續連接的交換機仍然能夠實現與上層的通信，但是如果主干光纜中斷，整個樹形結構上面的以太網交換機均無法與二層交換機進行通信，這是其最大的缺點。

圖7 基于工業以太網技術組網模型

2.3 配電自動化通信組網混合模型研究

在目前的配電網中，很多時候光纜并不能布放到相關的終端節點的位置，為了實現所有的終端都能夠進行配電自動化功能或者用電信息采集等功能，就對組網提出了更加高的要求，此時應該采用混合組網模型進行配電自動化通信組網，從而實現所有節點配電自動化的功能。

對于需要實現三遙（遙測、遙信、遙控）功能的配電自動化站點，對網絡的安全和可靠要求嚴格，優選光纖通信方式，組網可以選用EPON技術或者是工業以太網技術，對于不需要遙控功能的站點，優選用光纖通信方式，在不滿足敷設光纜條件的情況下，也可采用無線專網等方式。混合組網方式如圖8所示。

圖8 混合技術組網模型

如上圖8所示，最上層的配電主站還是采用應用系統。主要差別在于骨干通信網層，這一層的設備變得十分豐富，主要包括的OLT、二層交換機。同時布放了230 MHz無線專網基站，不同的是基站直接與上層的以太網直接連接。而OLT和二層交換機需要連入到骨干通信網中才能與上層的服務器系統進行通信。

該模型最大的優勢就是能夠將終端接入網層的所有節點的數據通過有線或者無線的通信方式與上層進行連接，從而實現數據通信。由于目前各個城市的配電網不斷的發展，單一的技術方式只能解決一些光纜敷設到位的地方，對于需要被監控但是又不能敷設光纜的節點，只能采用混合模型才能夠實現數據通信，從而實現配電自動化。最典型的例子就是智能電表的用電信息采集，大部分的電表不可能直接敷設光纖到電能表的接口，采用無線的方式更好的解決上述問題。而且目前大部分的電能表不具備光通信功能，而更為靈活的無線方式是目前用電信息采集廣為采用的方式。

3 結語

本文首先介紹了配電自動化通系統的體系結構，然后最后對幾種的常用的配電自動化通信組網模型進行了詳細的研究，為配電自動化通信系統的工程實踐提供理論參考。