配电网自动化系统及通信方式的选择

　　摘要：配电网自动化系统是配网建设和改造中的热点问题，通信方式的选择是整个配电网自动化规划和设计过程中的重点和难点。结合配电网自动化的特点和要求，对光纤、现场总线、配电线载波、无线通信等多种通信方式进行了综合分析和比较，探讨了适合配电网自动化的通信方式，为配电网自动化通信方式的选择提供了参考。

　　关键词：配电网  自动化系统  通信方式 解决方案

　　0 引言

　　随着经济发展和人民生活水平的提高，对电力系统的供电质量和供电可靠性要求越来越高。我国电力系统自动化在发电厂、变电站、高压网络、电力调度等方面都有较好的发展和应用。但是在配电网络方面还较为滞后，这是由于我国电力建设资金短缺，长期以来侧重电源和大电网建设的缘故。使配电网络技术发展受到严重的影响，设备落后、不安全的因素较多等状况，造成了配电网用电质量及供电可靠性方面较难满足要求。近几年来，随着电力事业的发展，各种新电器广泛应用于生活、生产，给人类带来了巨大的便利.

　　1 概述

　　配电自动化是利用现代电子技术、通信技术、计算机及网络技术，将配电网的实时运行参数、电网结构、设备信息、用户信息以及地理图形等信息进行集成，构成完整的自动化系统，实现配电网运行监控及管理的自动化、信息化。配电网自动化系统是在远方以实时方式监控、协调和操作配电设备的自动化系统。

　　2 配电网自动化系统的结构

　　鉴于配电网自动化系统监控对象的特点，配电网自动化系统一般采用三层结构，在系统层次上分为主站层、子站层、配电终端设备层。目前国内主要的配电网自动化系统组成结构如图1。

　　图1 国内典型配网自动化系统体系结构图

　　主站层是整个配电网自动化系统的控制中心，从整体上实现配电网的监视和控制自动化，分析配电网的运行状态，协调配电网自动化系统子站之间的关系，对整个配电网网络进行有效的管理，使整个配电系统处于最优的运行状态。它是整个配电网监控和管理系统的核心。

　　子站层又称区域工作站层，它实际上式一个集中和转发层，既要通过查询向各现场终端收集、查询信息，存入数据库，又要负责向控制中心主站上报信息，通常设在变电站或大型开关站内。子站层还具有一定的故障处理功能，能对所辖区域内的故障区段进行自动定位、隔离和非故障区段的自动恢复供电。

　　配电终端设备层是整个系统的基层设备，完成柱上开关、环网开关、箱式变压器、配电变压器、开关站（配电站）等各种现场设备数据采集、调节、信息上传和本地控制等功能。配电终端设备按用途分别称为开关站终端设备（Distribution Terminal Unit，DTU）、馈线终端设备（Feeder Terminal Unit，FTU）和配电变电站（Transformer Terminal Unit，TTU）。

　　3 配电网自动化的通信方式

　　3.1 配网自动化对通信系统的要求

　　配电网结构的特殊性决定了配电网自动化通信系统的特点是被测点多且分散、覆盖面广、通信距离短、对通信效率的要求不高。随着城市建设的发展，配电网络整体上具有不确定的拓扑结构，配电网通信系统应具有不断适应配电网络发展的特点。因此，配电网通信方式的选择应考虑如下问题。

　　(1)通信的可靠性。通信系统要长期经受恶劣环境和较强的电磁干扰或噪音干扰的考验，且不能受电网停电和故障的影响，需保持通信的畅通。

　　(2)建设费用。在满足可靠性的前提下，综合考虑建设费用及长期使用和维护的费用。

　　(3)配网通信的实时性。配网自动化系统是一个实时监控系统，必须满足实时性要求。正常情况下，配网系统在3～5s应能更新全部配电终端设备的数据。

　　(4)双向通信。不仅能实现信息量的上传，还要实现控制量的下达。

　　(5)数据传输速率。在配电网自动化系统中，配电变电站监控、馈线自动化对于通信速率要求最高(300 bit／s以上才能满足要求)；负荷监控对通信速率的要求次之(约10 bit／s就能满足要求)；远方抄表和计费系统对通信速率要求最低。

　　(6)通信的灵活性和可扩展性。由于配网具有控制点多、面广和分散的特点，要求采用标准的通信协议，同时通信设备和通信方式具有较强的灵活性，便于安装、调试、运行、维护并能适应配网技术的发展。

　　3.2 配电网自动化的通信方式

　　配电网通信包括主站与子站、子站之间、子站与终端之间的通信，是广义的范围。通信是配电网自动化的一个重点和难点，区域不同、条件不同，可应用的通信方式也不同。

　　3.2.1 有线通信方式

　　(1)配电线载波通信

　　配电线载波通信是利用已有的电力架空明线或地埋电缆通过配电载波设备来传递语音和数据，其优点是：1)利用现有的配电线路传输不需另铺专用通信线路，能连接电网关心的任何测控点；2)其安全性为电力部门所控制，因而便于管理。其缺点是：数据传输速率较低；容易受到干扰、非线性失真和信道间交叉调制的影响。

　　除了传统的电力载波，目前采用扩频载波或正交频分复用(OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技术的配电线载波也有所应用，其特点是能在传统载波机无法开通的线路上稳定工作，具有长距离中继等功能，主要应用于路线长、面积广的农网配电网自动化系统及无法敷设通信线路的特殊场合。

　　(2)光纤通信

　　光纤通信是以光波作为信息载体的通信手段，目前常用光纤环网和光纤以太网方式，主要特点是速率高、稳定性好、抗干扰能力强、保密性好、组网方式灵活，可以实现综合数据传输，但投资大。随着光缆技术的进步、光缆性价比的提高，光纤通信在配电网自动化系统中将被广泛采用。

　　(3)音频电缆通信

　　音频电缆通信时城市电网较为经济和实用的方法。通信线的布设及各通信端的连接无特殊要求，造价较低，容易实施，但是容易受环境的影响，尤其是与高压配电线路同杆架设时强电场和强磁场对通信线的干扰较大。

　　(4)市话通信

　　市话通信可用于数据通信，易于双向通信。其特点是不需要投资建设专用通信网，开通费用低，但由于非自己控制，需要拨号，某些功能受到 一定的限制，且租金较贵，运行费用高。

　　(5)现场总线

　　现场总线（Field Bus）是连接智能现场设备和自动化系统的数字式双向传输、多分支结构的通信网络。它按照国际标准化组织和开放系统互连的要求提供网络服务，具有可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、通信速率快、实时性好、成本低和易维护等优点。同一区域各个职能配电终端之间的通信多选用现场总线。

　　3.2.2 无线通信方式

　　无线通信系统具有覆盖面广、无需传输线、能在停电区域保持通信等特点。

　　(1)高频通信

　　频率范围为150～800MHz的无线通信为高频（HF）通信。500MHz以下的通信速度不高，传输距离较短，但是绕射能力较强。以200MHz为例，可靠通信速度在1200bps左右，通信距离约为10～20km，比较适合中小城市和大城市近郊及广大农村地区。

　　(2)扩频通信

　　扩频通信的频率范围为900～1000MHz。扩频通信具有建网周期短、组网快速灵活、无需申请频点、覆盖范围广、抗干扰性强的特点，通信速率可达几十波特率，易安装，免维护，天线小巧，但系统造价高，并且要求通信两端无阻挡，对大城市比较困难。一般用于通信点不多，通信速率要求较高的场合。长距离的通信还能体现出扩频技术的诸多优点，单对于城市配电网，FTU信号的传输会受到波传输的影响（绕射功能差），往往是应用效果不佳。

　　(3)微波通信

　　微波通信采用1000MHz以上的频率。微波通信在电力系统中发挥着重要的作用，对于调度自动化和变电站综合自动化数据的传输有重要意义。微波频率1GHz以上，属视距传输，它传输容量大，稳定性能好，同时由于微波通信已经在电力系统运行多年，运行维护人员积累了丰富的经验。

　　(4)GPRS通信

　　GPRS（General Packet Radio Service）是一种新型分组数据传输技术，相对于原来传统的电话、电力载波等通信方式，GPRS具有永远在线、快速登录、按数据流量计费、切换自如、高速传送、安全可靠等优点。

　　使用GPRS可以实现点对点以及点对多点的数据传输。对于一些分散在边远地区配电网监控点来说，建设专用的通信通道投资较大，使用社会上电信运营商提供的GPRS通信服务是一种比较合适的选择。相对于其他通信方式，GPRS的不足之处是传输延迟较大，不过对于大部分配电网自动化的应用来说，其传输延迟是可以接受的。

　　3．2．3 各种通信方式的应用比较

　　几种常用通信方式比较情况见表1所列。

　　通信方式传输媒介传输速度传输距离抗干扰衰耗建设投资运行费用维护工作量缺点用途

　　有线配电线载波中压/低压配电线路<28.8k地理电缆5km，架空线15km差大小无小传输速率低，易受干扰FTU/TTU与子站的通信，低压抄表等

　　光纤通信单模/多模光纤百兆级长高小大小小造价高，灵活性差任何场合

　　现场总线屏蔽双绞线<19.2k<2km较差大中小中传输距离有限子站、内部通信，电能采集

　　无线扩频通信自由空间<128M<50km较高较小高小小系统造价高子站与主站间

　　微波通信自由空间<128M<50km较差较小大小中抗干扰能力差分支线

　　GPRS通信自由空间<115M<50km较差较小中小小有传输延迟TTU及实时监控设备

　　通过上述比较，有线与无线方式各有利弊，有线通信的优势在于数据传输的可靠性，但为大量的分散终端敷设专用线路造价过高，而无线通信则在此方面体现出明显优势。

　　3.3 通信方式的解决方案

　　不论是有线通信模式还是无线通信模式，他们各自都有自己的优缺点，适用的配电自动化领域也各不相同，并且都在各自的研究领域不断发展着。在实际应用中，通信方式应遵循"先进性、实用性、可行性、可扩展性"的原则，根据经济条件因地制宜地优化选择多种通讯方式的建设方案。具体而言，可以采用以下解决方案。

　　(1)实时监控设备的通信(如馈线自动化的通信)要求可靠、快速，可以考虑光纤通信。实时监测设备的通信(如集中抄表、负荷控制等)一般只要求定时采集，在通信速率和可靠性方面的要求大大降低，可以选择低价的通信方式，如电力线载波或GPRS方式。

　　(2)对于主站层与子站层之间的主干网络，由于数据量比较大，实时性要求相对较高，可采用光纤或微波通信。为保证通信可靠性，防止光缆或光端设备故障造成通信中断，可采用光纤双环自愈网。

　　(3)市区主要道路设计多个环网作为通信主干道连接至主站或子站。主干道的通信为配电自动化的主动脉，宜采用光纤双环自愈网，同时串接沿线的各厂站终端设备。

　　(4)郊区配电设备分散、距离长、架设有线通信不经济，可根据地形配以电力线载波或GPRS方式。

　　(5)配电变压器监测终端(TTU)的通信方式优先选用GPRS方式。

　　(6)负荷管理主要面对分布广泛的客户，实时监测客户运行情况和传递部分供电局需要的信息，速率和可靠性要求大为降低，其通信优先采用中压配电线路载波或GPRS方式。

　　(7)旧城区配电自动化改造选用电话通信通道，可大大减少成本，见效快；新建小区进行通信通道的安装，可优先考虑光纤通道和导引电缆通道。

　　4 结束语

　　配电网自动化系统能极大地提高配电网的运行管理水平，不仅能确保供电、多供电，而且通过系统的应用，达到降低配电网的损耗，提高电力公司经济效益。而配电网通信是配电网自动化的重要组成部分，通信系统的安全可靠是实现配电网自动化的重要保障。目前还难用单一的通信方式来满足所有的配电网自动化的需求，因此必须因地制宜地选择通信方式才能适应配电网自动化的发展，发挥最大的经济效益。

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