智能配用电通信网络构架的分析研究熊正勇 徐浩宇 刘锦峰 眭敏（常州帕斯菲克自动化技术股份有限公司 江苏常州213022）本项目为2014年江苏省科技支撑项目（项目编号：BE2014055）资助项目.摘要：配电设备作为向用户供电的最后一个环节，其运行状况直接影响到对用户的供电质量,近年来随着国家经济建设的发展，随着负荷的不断增大，而导致配电设备故障逐渐增多，由于配电设备数量多、分布广，电力保障部门往往不能及时发现电网隐患，且现在使用的通讯载体主要为租用电信公司的GMS，通讯费成本较大，运行维护掌握在电信供应商手里，可靠性得不到保障,本文主要对现有配用电通信网络结构进行了分析，对整体通信网络架构进行了设计，并提供了一个典型的配用电混合组网方案。关键词：智能、配用电、通信网络、构架0 引言智能电网代表着当今世界电力系统发展、变革的最新方向，它以包括发、输、变、配、用和调度等各环节的电力系统为对象，不断研发和应用新型控制技术、信息技术和管理技术，实现信息的智能交流。通信系统作为支撑智能电网建设的公共平台和重要手段，始终贯穿于六大应用环节。配用电通信网是电力通信网络平台的重要组成部分，是电力骨干通信网的向下延伸，然而，由于其覆盖面广、节点多、建设难度大等原因，一直以来缺乏适用的通信技术和建设模式，成为我国电力通信网发展瓶颈，制约了智能配、用电业务的应用与开展。在配网自动化的建设中，通信方式是非常重要的一个环节，是实施配网自动化的基础，因此，实施配网自动化必须解决好通信问题，才能准确地将配电终端设备与配电自动化系统主站进行数据通信和数据交换。随着通信技术的发展，可供选择的通信手段很多，主要有光纤、配电线载波、电话专线 、CATV通道、无线扩频、微波通信、专线RS485、公网GPRS/3G等方式，常用于故障指示器、FTU、TTU的通信、负荷控制、低压用户抄表、通信主干线等。这些通信技术的应用，在一定程度上解决了配用电信息传输问题。但是这些通信方式中有些建设维护成本高，有些建设工期长，有些通讯质量不可靠，目前国内配电自动化采用的通信模式没有任何一种的通信手段能全面满足各种规模的配电自动化的需要，难以发挥最大的效益。配用电通信网目前主要与城市实施的配电自动化系统配套建设，总体而言，配电自动化及其配套通信系统目前仍处于小规模应用阶段，尚未大规模展开建设。目前，配电通信网多采用光调制解调器、工业以太网、以太网无源光网络、中压电力线载波、无线公网等通信方式。配用电通信网络既具有传统工业控制系统的实时性、安全性要求,又有网络化后的广域多点接入要求,体现了广域工业控制网络的特征。从信息流模型来看,配用电的终端沿电力线逐级分布,主站设备设置在公司、变电站等电网汇聚点,其信息流向和容量特征与电能流特征类似。1 配用电通信网络构成配用电通信网络可以分为三个层次：汇聚层、中压接入层、低压接入层。通过配用电通信网络可以实现中压线路及设备如开闭站、环网柜、分支箱、柱上开关、配电变压器等站点和设备的监控功能，低压线路及设备如用户用电表计、小区充电桩等用电终端的远程监视功能，如图1所示。图1 智能配用电通信网络的三个层次1.1汇聚层汇聚层由变电站与主站之间的通信网络构成，在汇聚层通信网中可以采用路由交换设备组成直达主站的骨干通信网。通信方式既可以采用工业交换机设备组成的传统通信网络方式，把光网络从变电站延伸到开闭站、环网柜等重要的主干节点；也可以使用xPON 技术组成的无源光网络，实现配用电通信网关键环节的光网络覆盖。1.2中压接入层(10kV配用电接入层)中压接入层是覆盖中压配电网远方终端设备范围的通信网络，可以分为中压主干接入层和中压分支接入层，划分的目的是把分散复杂的配用电网业务分区分类汇聚，充分发挥电力流、业务流、信息流的同向同路传输的概念，做到网络易于维护、结构划分清晰、业务流向明确的目标。中压接入层承载配电自动化、配变监测、分布式电源和电动汽车充电站等业务，并作为0.4kV通信接入网承载业务的上联通道。(1)主干节点主干节点选取原则：节点业务重要级别、均匀覆盖电力业务区域、区域业务信息就近接入、网络架构层次分明、充分利用电网既有资源。主干节点宜选取开闭站、环网柜、中心配电室等环境较好、取电方便的位置，具体原则如下： 优先选择开闭站，开闭站具有较好的环境，有专用的通信空间单元、低压电源和蓄电池单元，取电容易、空间宽裕；其次选择中心配电室，这类配电室有独立的建筑空间、低压电源，一般环境略好。可以配置大容量蓄电池；条件较好的环网柜，环网柜具备有一定的通信设备放置空间。缺点是环境稍差、不具备低压电源和蓄电池单元，不适宜放置大功率设备。宜采用的通信方式：主干节点往往是配电网中的关键节点，担负着一大片区域的供电任务。电力业务包含“四遥”业务，以及智能电网的所有业务的汇聚。变电站到配电网主干节点的线路走廊环境较好，容易铺设光缆。因此建议以光技术为主。(2)中压分支接入层分支节点选取原则：除去主干节点外，覆盖需要采集信息的所有中压设备单元。分支节点包括环网柜、分支箱、柱上开关、柱上变压器、箱式变压器、配电室、充电站、新能源站点、营业网点。具体原则如下：环境条件较好，具备建筑物空间的分支节点有：配电室、新能源站点、充电站、营业网点，易作为周围用电信息采集系统的接入点；环境条件较差，有独立空间平台的分支节点有：分支箱、环网柜、箱式变压器，较易作为周围用电信息采集系统的接入点；环境条件很差，设备直接裸露在自然环境的分支节点有：柱上开关、柱上变压器。宜采用的通信方式：分支节点类型较多，数量较大，但是节点业务的重要程度稍低，线路形式多样、距离较近，可以采用多种通信方式实现。一般可以根据节点的业务量针对性地选取。1.3低压接入层(0.4kV配用电通信接入层)低压接入层是配电变压器出线到用户表计之间的通信网络，低压接入层承载用电信息采集业务、售电抄表、售电营业、客户服务、电力需求侧管理、负荷监控、电能采集管理和充电桩通信等业务。配用电调度数据网从变电站起，终端节点有开闭站、环网柜、联络开关及配电室/箱式变压器/柱上变压器位置的配电自动化终端：DTU/FTU/TTU。基于分层应用的电力通信接入网架构，通过汇聚层、10k接入层与0.4kV接入层综合应用，为电力通信接入网规划与建设提供支持。同时，为了兼顾配电与用电两个大区的信息安全要求，网络架构在横向上分为了两个隔离的通信网，能够形成两个网络的物理隔离，为未来智能电网的业务提供信息安全保证。2 智能配用通信网络构架设计图2 配用电一次网络、二次任务节点和通信网对应关系智能配用电通信网是智能配用电网络的重要组成部分。配用电通信网处于电力系统通信网络的末端，覆盖范围大，信号分散。 也和用户有着直接的联系， 所以配用电网的设备控制和信息监测节点呈现出一些显著的特点，如终端节点数量众多、分布广泛、相对分散稀少、节点密度不平衡，单个节点通信数据量小等。其次配用电网的一次架构是从变电站开始10 kV 出线到配电室、开闭站或环网柜等节点，然后从这些节点出线到附近的配电室、箱式变或是柱上变等节点，经过配电室等电压变换成低压的380/220V,供给千家万户的居民用户。配用电一次网络与有关的二次设备的关系表现成图2的结构。从图2可以看出， 配用电一次网络呈现出分层分布式整体网络特征， 变电站出线构成中压骨干线路， 再由一些骨干的开闭站辐射到周围的配电室，中压骨干部分的重要程度大于中压分支部分的重要程度。相应的电网二次部分业务通信需求也有区别。 因此在规划配用电通信网的网络结构时必须考虑到这些因素提出一个结构清晰、层次分明的架构才能有效地引导通信网的建设。配、用电通信网以地市公司骨干通信网的相关变电站(220/110/35kV)为通信接入点，向下覆盖到配电网开关站、配电室、环网柜、柱上开关、公用配电变压器、线路等以及网内专变、工商业及居民用户表计、智能交互终端、电动汽车充电站和分布式能源站点等相关设备。配电通信网目前主要承载的是配网自动化信息业务，用电通信网主要承载的是专变、公变以及用户表计等相关设备的数据采集业务，目前我国各地区配、用电系统尚未建立通信专网，配、用电通信网通信方式多样、多种模式并存，大部分地区对环网柜、柱上开关、配电变压器以及用电网的通信覆盖方式主要采用公网GPRS/CDMA提供数据传输通道。无源光网络(PON)由于将以太网技术和PON技术完美结合，通过一个单一的光纤接入系统，实现数据、语音及视频的综合业务接入，非常适合IP宽带接入业务。其技术发展较为成熟，在智能电网试点工程中已得到了应用。在国内外电信运营商网络中，无源光网络(PON)技术己得到大量应用；全球微波接入互操作(WiMAX)是一项基于IEEE802.16标准的宽带无线接入城域网技术，能够实现固定及移动用户的高速无线接入，在国外通信网中已成规模应用；中压电力线载波(PLC)目前主要为配电网自动化系统、远方集中自动抄表系统提供数据传输通道，PLC与OFDM等通信技术相结合，能够提高传输带宽和可靠性，成为近年来研究的热点领域，国际上许多公司和科研机构都投入大量人力和资金，发展新型电力线通信产品。目前10GbPs速率的PON产品也已投入商业化运行，WiMAX和宽带PLC技术只有几十上百兆带宽。PON作为光纤接入技术，在传输带宽及信息安全性方面，相对于无线通信和电力线载波通信具有先天性优势。然而配电通信网建设覆盖范围广，采用PON网络光纤敷设工程量大，投资高；无线专网和电力线载波利用无线信道和已有电力线作为传输媒质，不需要额外铺设通信线路，组网速度快，建设成本低，相对而言，无线和电力线载波网络在投资经济型、布网快速性、施工难度以及后期运行维护等方面更具优势。智能配、用电通信网应具备较高的带宽和传输速率，以保障海量数据通信的双向、及时、安全、可靠传输，综合考虑，智能配、用电通信网采用光纤通信技术为主，无线技术和电力线通信技术做为补充的组网方式将是智能配、用电通信网建设的主要趋势。结合南网智能电网规划及未来业务发展需求，建立智能，高效，可靠的绿色发展战略。建设向网络化和标准化发展的通信系统，通过统一接口标准、统一基础网协议规范、建立网络化的通信网络、多业务融合传输模式，从而达到简化基础设施复杂多样、简化系统功能设计难度、提高业务终端信息交互兼容性等目的。3 典型配用电通信技术混合组网根据配用电通信网的要求和多种通信技术特征，考虑充分发挥各种通信技术的优点，减弱各种技术应用缺点，建立以光纤网络为骨干，无线技术、载波为补充的网络结构，满足配调自动化、用电信息采集、用能服务、环境监测、临时应急通信等多业务网的需求。一个典型的配用电混合组网架构如图3所示。混合配用电通信网的组成模式划分成以下 3 个层面和综合网管系统。(1)骨干传输层。指覆盖 35 kV 以上变电站点的光纤网，用作生产管理的调度数据网和信息管理的综合数据网。(2)中压接入层。实现技术包括工业交换机、XPON 技术、中压载波、无线技术，完成用户侧数据的汇聚上传。(3)本地接入网络。本地接入技术(如 WLAN、电力线载波(power line carrier，PLC)等解决电网局部区域信息采集，如小区用电信息采集、变电站人员定位、电力设备多点监测等。短距离通信技术具有价格低廉、方便灵活、网络可靠的优点，可以灵活实现局部区域信息的汇集。图3 典型配电通信网组网结构4 面向配电自动化的综合通信服务平台设计配电自动化是建设智能配用电的基础，配电网自动化系统需要借助于有效的通信手段，将控制中心的控制命令准确地传送到为数众多的远方终端，并且将反映远方设备运行状况的数据信息收集到控制中心。通信系统设计的合理性直接影响配电自动化系统的成败。因此,配电自动化通信系统是配网自动化系统中非常重要的环节,是配电网自动