配電現場通信方案的分析與探討

宋明剛，石文江

(大連供電公司電力調度控制中心，遼寧 大連 116011)

配電現場通信方案的分析與探討

宋明剛，石文江

(大連供電公司電力調度控制中心，遼寧 大連 116011)

通過對比分析配電自動化終端安裝現場所采用的實際通信方案，提出了純光纖直連的高速配網現場總線通信，采用PAT技術接入電力調度數據專網與遠方調度主站通信的設計方案。

配電自動化終端;EPON;WiMAX;PLC;電力調度數據專網

大連供電公司在開發區配電自動化試點工程中應用了EPON光纖網絡、華為WiMAX 4G無線網絡、大連易聯科PLC電力線載波3種通信手段為配電自動化終端提供遠動通道，通過現場施工和調試，發現如下一些問題:不同通信方式對通信質量影響很大;配電自動化終端與主站采用同一網段的局域網連接;通信通道點對點匯聚配電主站，造成主站交換機端口不足。本文在取得大量數據資料和運行經驗的基礎上，經過對上述三種配電通信方式的對比分析，討論了配電自動化終端利用電力調度數據專網資源與遠方配電主站通信的方法，提出了一種純光纖配電現場過程總線的設計方案。

1 現有通信方案

1.1 工程概況及通信方式圖

大連供電公司開發區配電自動化試點工程共接入47臺配電自動化終端，其中采用EPON接入4臺，采用WiMAX無線網絡接入33臺，載波PLC接入10臺。配電現場設備的情況:箱式開關站占20座，配變站占18座，柱上開關占9座。通信方式見圖1。三種通信方式均具有的相同缺陷是配電自動化終端與主站前置網絡設備共處一個局域網，需要耗用大量的主站IP和交換機端口資源，現有的配電現場通信方式將成為配電自動化系統［1］發展的嚴重瓶頸。

1.2 各部分通信方式

1.2.1 EPON以太無源光網絡配電現場通信方案

在66 kV變電站中來自10 kV環網箱的光纜連接于EPON［2］光分路器 (ODN)及局端光纜終端設備 (OLT)。OLT連接于光端機 (SDH)上的網口。在環網箱中光纜連接于ODN，光分路器通過光纖連接于用戶端光節點設備 (ONU)，ONU設備通過網線連接于配電自動化終端的網卡。66 kV變電站的OLT設備經通信光端機網管系統被分配2路2M帶寬至配電主站端的SDH網口下路，再經網線連接于配電自動化主站系統的1臺前置交換機中。光纜采用24芯的ADSS(常用的還有48芯)，EPON使用1芯，其余23芯處于空閑狀態。另外EPON現場的ONU設備需要外部供電。工程中EPON以太無源光網絡現場實際接線情況見圖2。

EPON采用波分復用技術，下行波長1 490 nm，上行波長1 310 nm。傳輸的特點是OLT通過ODN在下行方向廣播數據包至ONU，ONU有選擇的接收并傳給配電自動化終端。配電自動化終端發送的數據首先被存儲在ONU中，ONU根據OLT設置的時間窗將攜帶信號的光波通過無源光合路器發送給OLT，由于無源光合路器傳輸方向單一，配電自動化終端之間不能直接通信，而必須通過OLT設備，因此在上行方向的所有配電自動化終端均處于同一個沖突域中，EPON通信方案不能為一個配電區域內的自動化終端間提供快速的以太網通信條件，這將限制配電區域保護等功能的實現。

圖1 大連開發區配電自動化試點工程通信方式

圖2 配電EPON以太無源光網絡設備現場情況

1.2.2 電力無線專網

大連供電公司開發區配電自動化試點工程在國內首次使用4G無線通信專網為配網自動化終端提供信號傳輸通道。共有1個中心站 (位于開發區供電分公司)和4個基站，工程中電力無線專網共覆蓋包括環網箱、線路開關和變電亭28個端點，無線通信設備安裝情況見圖3。

基站的覆蓋半徑2 km左右，頻率1 800 MHz，寬帶10 MHz，單室外無線網絡遠端設備 (CPE)實地測量速率為下行6.20 Mbps，上行3.78 Mbps，這對于配電自動化終端的數據量 (1 000字節左右)來說，滿足現場實時通信的要求。配電自動化終端通過網線連接于CPE，CPE通過無線電連接于基站，基站與中心站采用SDH的光纖網絡相連，經通信網管系統配置路由，中心站被分配一個10M帶寬至通信主站機房光端機的網口下路，再通過網線連接于配電自動化主站系統的1臺前置交換機中。

圖3 無線通信設備現場安裝情況

大連供電公司建設的4G無線專網使用的是華為公司第四代無線通信系統 (WiMax［3］)，采用IEEE802.16e協議和OFDMA技術，工程中使用了無線網狀網 (MESH網)進行基站系統回傳。電力無線專網可以快速地為配電自動化終端提供一種高速通信的手段。

工程實施中遇到的主要問題:①無線頻帶的申請困難;②一次投資較大;③通信質量易受外部干擾，穩定性差 (見表1);④現場裝置需要外部供電。

1.2.3 PLC［4］電力線載波

本工程采用了大連易聯科信息技術有限公司的中壓載波傳輸設備，核心器件為西班牙DS2 DSS9002芯片組，調制方式采用OFDM(正交頻分多路復用)，1 536個子載波，10 kV線路傳輸距離2～3 km，380 V及以下低壓電纜傳輸距離1 km，工作頻率為2～34 MHz。載波主站選擇在3個箱式開關站，載波從站分布在10個配變站中。10 kV現場載波耦合器安裝接線情況見圖4。

表1 通信性能測試表

圖4 10 kV電力載波耦合器現場安裝

PLC通信系統由PLC主設備 (頭端)和PLC從設備 (中繼和末端)組成，配電自動化終端通過網線連接于PLC從設備，PLC從設備經電力線耦合器的載波信號連接于PLC主設備 (安裝在66 kV變電站)。PLC主設備通過網線連接于SDH光端機的網口，經通信網管系統配置2個2M帶寬將載波網絡信息傳輸至通信主站機房的光端機網口下路，網線連接于配電自動化主站系統的1臺前置交換機。

工程中遇到的主要問題:①中壓電力線載波耦合器的安裝較困難，安裝不良將影響一次供電安全;②通信質量不甚理想 (見表1);③載波通信易受線路負荷和外部電磁干擾的影響。

1.2.4 三種通信方式的網絡性能測試

在配電自動化主站端的前置采集服務器上采用1 000字節包的ping命令，具體測試命令為:ping-1 1000目的IP地址。對全部配電自動化終端進行了測試，選取具有典型意義的7臺終端的測試數據列于表1中。

通過表1可以看出，EPON光纖網絡通道質量最好，其次是WiMAX無線網絡，最后是PLC載波網絡。PLC載波網絡的通信質量普遍不佳，WiMAX無線網絡存在接入盲點問題。

2 新的配電現場通信方案

2.1 充分利用電力調度數據專網資源

大連供電公司電力調度數據專網自2003年全面推廣建設以來，已實現66 kV及以上電壓等級變電站的大部分覆蓋，采用雙路由、雙交換機、雙2 M通道至匯集點的可靠配置。網絡劃分2個VLAN，分別用于實時業務和非實時業務。在SDH等光纖網絡中采用MPLS VPN隧道加密傳輸，并且配置了完整的網絡安全防護設備。

由于一個區域的配電自動化終端的數量較多，直接利用電力調度數據專網進行配電裝置遠動信息的遠傳將會遇到的困難是IP地址池容量問題和電力調度數據專網接入層交換機的端口數量限制。

解決的方法之一是采用配電網關，匯集現場配電自動化裝置的實時信息。集中打包上傳至配電主站，但該方案由于增加了1層104規約雙邊表，從而導致配電自動化終端接入時的“四遙”試驗的工作量加倍，即增加了維護的難度。

另一種方法是增加1臺PAT路由器和1臺接入交換機，通過采用內部服務器端口映射配置將配電主站 (104遠動規約的網絡客戶端)點對點連接至不同的配電自動化終端 (104遠動規約的網絡服務器端)，但該方案的缺點增加了較為復雜的路由器配置與管理工作量，加PAT路由器的配置文件需要被嚴格可靠地備份。目前最佳的解決方法是采用PAT路由器的內部服務器端口映射技術將大量的配電自動化終端通過電力調度數據專網接入配電自動化主站，由于配電自動化終端采用私網IP，配電自動化主站前置服務器只需要1根網線連至電力調度數據專網，這樣既可以解決配電自動化系統的IP地址規劃問題，又可大量釋放主站前置采集網絡交換機的端口數量。

2.2 純光纖的配電現場通信方案

配電現場通信光纜有大量的余芯，因此完全可以利用它們和位于66 kV變電站的光纖交換機形成配電現場通信總線。另外，隨著“五網融合”等光纖到戶PFTTH工程及光纖復合低壓電纜OPLC的不斷推廣應用，配電現場光通信網絡將迅速擴大，從經濟性、可靠性、傳輸速率、網絡安全性等多方面進行綜合考慮，采用純光纖通信將是配電自動化終端通信方案的首選。大連金石灘優山美地智能小區五網融合工程中OPLC現場接線情況見圖5。

為此提出了配電站之間形成手拉手環網的純光纖配電現場通信總線，如圖6所示。

圖5 光纖復合低壓電纜OPLC現場實際接線圖

圖6 新型配電現場通信總線

3 結束語

配電現場光纖通信的應用范圍將逐步擴大，采用純光纖的配電現場通信總線將變為現實，這將有利于滿足IEC 61850標準的配電測控和配電區域保護等 IED 設備的研發和推廣應用［5］［6］。

［1］ Q/GDW382—2009，配電自動化技術導則 ［S］.

［2］ IEEE 802.3ah，Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection(CSMA/CD)Access Method and Physical Layer Specifications Amendment［S］.

［3］ 鄧志巍.IEEE 802.16標準與WiMAX技術淺析 ［J］.電信工程技術與標準化，2006，19(8):29-36.

［4］ 李曉亮.PLC電力線載波通信研究 ［D］.西安:西安電子科技大學碩士學位論文，2009.

［5］ 石文江，馮松起，夏燕東.新型智能配電自動化終端自描述功能的實現［J］.電力系統自動化，2012，36(4):105-109.

［6］ 石文江，馮松起.符合IEC61850標準的配電自動化終端設計 ［J］.低壓電器，2012(8):36-40.

Analysis and Discussion on Distribution On-site Communications Solutions

SONG Ming-gang，SHI Wen-jiang
(Dalian Power Company Dispatching Center，Dalian，Liaoning 116011，China)

In this paper，through a comparative analysis of present distribution on-site communication methods，a new design are provided of high-speed distribution communication fieldbus with pure fiber-optic directly connected and a method that distribution automation terminals connecting to master station through SPDnet by PAT technology.

Distribution Automation Terminal;EPON;WiMAX;PLC;SPDnet

TM727

A

1004-7913(2013)03-0015-04

宋明剛 (1978—)，男，學士，工程師，從事調度自動化管理工作。

2012-11-20)