基于混合組網的城市配網通信網絡研究與設計

莫海峰 楊晴 宣磊

摘要：伴隨著城市配網自動化的發展，國內配網通信網絡的建設和發展在近年來取得了一定的成績，這些成績主要集中在一些主要城市的重點區域。為適應智能配網發展的需求，需要對配網通信網絡的建設和發展進行整體的規劃和設計，明確其中的關鍵通信技術和建設的關鍵步驟。本文研究提出一套基于有線和無線混合組網、專網和公網并存、生產控制大區和管理信息大區分治的配網通信網絡設計方案。方案結合了未來智能配網發展的方向和需求，為目前配網通信網絡建設中存在的一些問題和疑慮提供了解決的參考思路和建議。

關鍵詞：配網自動化；智能配網；配網通信；混合組網1引言

隨著現代社會經濟的高速繁榮，城市智能配電網的建設受到了越來越多的關注。推進和深化配電網自動化及智能化的建設順應了現代社會發展的要求，在國家政策方面也得到了有力的扶持。在此背景下，形成了大量與配網智能化有關的研究及示范工程。然而，從建設現狀來看，現有的成果都處于較為離散的狀態，難以積累形成具有突破性意義的重大成果，配網智能化也缺乏一個完整的從底層到上層的清晰定義[1]。要解決這一問題，首先需要對智能配電網的底層，即配網信息傳遞網絡（或通信網絡）[2]，的建設及發展思路形成清晰的認識。

目前，關于配電網通信網絡的建設，在國內外較為認可的思路是在主干網絡上采用有線的方式（條件允許的情況下采用光纖）進行搭建，在一些接線或地理情況復雜的區域采用無線的方式進行搭建[3]。有線的方式涉及到布線及溝渠開挖等問題，難以在城市配網中實現及時、有效、低成本的組網，研究及示范工程建設工作也受到較大阻力。相比之下，無線組網的方式更容易進行且效果容易被及時驗證。隨著無線技術的發展，其本身在通信質量、穩定性、安全性等方面不斷提升，將在未來智能電網的建設及發展中起到重要的信息傳遞和交互的樞紐作用[4]。本文在分析配網自動化系統結構以及配網二次系統邏輯結構的基礎上，提出一套基于有線和無線混合組網、專網和公網并存、生產控制大區和管理信息大區分治的配網通信網絡設計方案。

2配網自動化系統結構

要進行配網通信網絡的設計，首先需要對配網自動化系統的結構形成清晰的認識。配網自動化系統是集成了現代電子技術、通信技術、計算機網絡技術、工業設計制造技術等一系列先進技術的綜合自動化系統，負責采集整理配網的各類業務數據，包括用戶數據、運行狀態數據、電網結構數據、地理信息數據等，并在此基礎上維持和維護配網系統的正常運行，提供監測、保護、控制以及綜合管理等一系列功能。從電力系統角度出發縱向來看，配網自動化系統結構一般可以分為三個層級，分別是配網自動化中心主站層，配網自動化子站層，以及配網自動化終端設備層。配網自動化中心主站層可以劃分為配網控制中心主站和遠程配網控制分中心。其中，控制中心主站負責整個系統區域的管理，遠程控制分中心負責某一區域的管理。中心主站層通過各種方式獲取所轄范圍內各配網自動化子站的實時信息，從整體上監測和控制配網信息，分析運行狀態，協調各個區域配網間的關系，保持整個配網的穩定運行。顯而易見，配網控制中心主站是整個配網自動化系統的核心，綜合協調生產控制大區和管理信息大區的各類信息交互。配網控制中心主站與SCADA，EMS以及生產MIS等系統共享資源和信息。此外，調度運行人員依靠配網控制中心主站完成設備管理、系統維護、安全運行、事故預防等一系列配網生產管理核心工作。配網控制中心主站層主要由計算機網絡設備和通信設備構成，其計算機系統通常包含多臺工作站和服務器，并和配網自動化子站層的計算機系統構成一個局域網，共同實現系統功能。

配網自動化子站層負責連接配網控制中心主站層與配網自動化終端設備層。根據實際情況，配網自動化子站層可由多級自動化子站級聯組成。配網自動化子站層一般位于變電站或開閉所內，完成配網控制中心主站層與配網自動化終端設備層之間信息的傳遞，并且對其所轄區域范圍內的配網實施狀態監測、故障診斷、隔離和恢復等。與配網自動化中心主站層類似，配網自動化子站層主要由計算機網絡設備和通信設備構成，但其規模和功能會不及主站層。子站層可采取多種通信方式完成向上和向下的信息交互。配網自動化終端設備層是整個系統的底層，負責底層數據信息的采集、處理和監控以及對配網運行的遠程控制。設備層的主要設備是一些數據采集與控制設備，例如，柱上FTU，電纜環網柜FTU，開閉所RTU，配變終端TTU，抄表終端等。這些終端通過不同的通信方式，將本地信息匯總傳輸至配網自動化子站層。

實現配網自動化系統功能的核心是構建一套適用的通信系統，為主站層、子站層以及設備層提供通信連接。配網運行數據的采集、運行狀態的監控和改變以及配網運行參數的優化均依賴于通信系統。根據配網自動化系統的結構，通信系統一般分為以下四個層級：

（1）配網自動化中心主站與配網控制分中心間的通信。該層通信為點到點的連接，且對通信鏈路傳輸速率、傳輸延遲、安全性、穩定性等的要求極高，通常情況下不允許出現信號中斷或延遲超限。一般情況下采用專用光纖網絡進行構建。

（2）配網自動化中心主站與配網自動化子站間的通信。該層通信采用點到點或環形連接，可在幾個配網自動化子站之間形成通信環路。考慮到配網未來業務的拓展，在條件允許的情況下，應采用專用光纖網絡進行構建。

（3）配網自動化子站與配網自動化終端設備間的通信。該層通信采用星形或環形連接，目前大多使用基于TCP/IP協議的IEC101、104規約，通過屏蔽雙絞線的方式進行通信。然而，考慮到該層通信的物理鏈路經常發生改動，造成有線布線施工量大，可以考慮采用較為成熟的無線通信取代有線通信的方式。

（4）配網自動化終端設備間的通信。該層通信主要解決配電信息的本地集中問題，可以采用環形、網狀等多種連接方式。該層通信中，常見的通信技術包括電力載波通信，GPRS通信，屏蔽雙絞線通信等幾種方式。

3配網二次系統邏輯結構

在進行配網通信網絡設計前，除了要對配網自動化系統的結構形成清晰的認識，還需要依據相關部門對電力二次系統的設計要求，對配網二次系統的邏輯結構進行分析，以幫助對于配網整體通信網絡的合規設計。

根據電監會第34號文《配電二次系統安全防護方案》[5]，有以下要求[6]：

（1）生產控制大區和管理信息大區橫向隔離，通過隔離裝置實現數據交換。（2）生產控制大區業務系統與被控對象之間的數據通信需要采用一定強度的數據加密等安全防護措施。（3）生產控制大區可采用專用數據網、公用數據網承載業務，但不可采用電力調度數據網或電力企業數據網承載業務。專用數據網可承載“三遙”雙向業務，公用數據網僅能承載“兩遙”單向業務。（4）電力企業建設的無線網絡屬于專用數據網絡，可以承載雙向生產控制大區的業務。

通過研究相關規范，提出配網二次系統的邏輯結構如圖1所示。

配網通信網絡的設計即是根據相關規范，設計上述配網專用數據網及公用數據網的相關通信方式，用以連通配網的各個業務系統和實現業務需求。同時，設計方案必須具備合理性、可行性以及有效性。

4基于混合組網的配網通信網絡設計

配網通信網絡設計的總體原則是，在配網主干網絡，即配網自動化中心主站層到配網自動化子站層采用光纖網絡搭建電力專用數據網，在配網主干網絡以下，因地制宜的采用有線結合無線，多種通信方式并用的方式進行通信網絡的搭建，可以建立電力專用數據網，也可以利用無線公網，推薦前者。涉及到配網自動化系統以外的其它配網業務，如企業辦公、現場作業支撐等，根據業務種類，可使用電力專用數據網絡、企業數據網或無線公網。在目前的條件下，光纖通信技術已經較為成熟且成本控制的較低，因此，新建的主站層到子站層通信網絡連接不再考慮采用屏蔽雙絞線或電力載波通信等網絡搭建方式，EPON光纖通信網絡[7]覆蓋至3.5kV及以上線路主要節點是未來配網發展的大趨勢。對于一些舊的站點的網絡升級改造，不便搭建光纖專用網絡的，可以利用電力線載波通信技術或無線通信技術搭建通信專網，在條件允許的情況下，應升級為光纖電力專用網絡。在配網系統中涉及到“兩遙”業務的部分可考慮利用公用無線網絡資源，但涉及“遙控”及“遙調”業務的部分必須采用專用網絡，專用網絡可以根據業務需求選取不同種類的通信方式進行搭建，但必須保證網絡的安全性和可靠性。配網通信網絡整體框架及通信方式設計如圖2所示。

在進行配網通信網絡整體框架設計時，按照電力二次系統安全防護總體方案中橫向隔離的要求，將生產控制大區業務和管理信息大區業務的網絡需求分開。如前所述，涉及到“遙控”和“遙調”的控制類業務，必須使用電力專用數據網。目前國內的配網自動化建設主要是為實現“遙測”和“遙信”，還沒有過多的涉及到配網系統的遠程管理控制。必須注意的是，貫通整個電力系統發、輸、變、配、用電全過程的電力專用數據通信網絡的建設是未來智能電網發展的必然趨勢，也是重要目標之一。因此，在客觀條件允許的情況下，配網通信網絡建設過程中應盡可能的投入建設電力專用數據通信網。另外，隨著無線技術的不斷發展，其在安全性及可靠性等方面的性能逐漸提升，例如衛星通信技術以及廣域無線通信技術（如WiMax、IEEE 802.22、IEEE802.11af等），隨著這些無線專網技術的成熟，它們將在電力專用數據通信網的建設中發揮重要的作用。相比有線通信方式，除了建站方便、節約建設成本等優勢，無線通信方式在容災等方面也具備先天的優勢。根據南方電網公司《110kV及以下配電網裝備技術導則》Q/CSG 10703-2009中提出的，對于配網通信系統的建設“應積極關注通信新技術的發展與應用，遵循先試點后推廣的原則，為配電網系統通信提供更多靈活的解決方案”，研究將這些新興通信技術應用于配網通信網絡建設應被列為重點工作之一，而這些新技術本身也將對提高配網生產效率，提升配網服務質量起到積極的促進作用。

5結語

總體來說，配網通信網絡的建設是一個長期、巨大而且復雜的工程，需要整體的規劃和設計，盡可能的避免重復建設和資源浪費。依照報告中提出的基于有線和無線混合組網、專網和公網并存、生產控制大區和管理信息大區分治的配網通信網絡設計方案，可以開展一系列的相關研究和試點建設工作，推進配網通信網絡的蓬勃發展。

[參考文獻]

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