配電自動化系統通信網組網探討

黎 洋，陳 曦，孟 宇，劉 倩

(國網四川省電力公司德陽供電公司，四川 德陽 618000)

配電自動化系統通信網組網探討

黎 洋，陳 曦，孟 宇，劉 倩

(國網四川省電力公司德陽供電公司，四川 德陽 618000)

配電自動化系統通信網作為網絡建設的主要結構，對信號傳輸的可靠性和時效性有重要要求。就配電自動化系統通信網的相關技術、典型組網結構、保護組網方式進行了闡述，并結合實際，提出了新的融合組網方式，為配電自動化系統通信網絡建設提供參考。

配電自動化系統；通信網絡；EPON技術；組網方式

0 引言

進入21世紀后，隨著城市化進程的不斷加快，配電網不斷向配電自動化結構演進；作為配電自動化的神經，配電網通信網的作用愈發重要。現實要求配電網通信網應具備實時、高效、可靠的搜集、傳輸以及下達各項控制指令的能力。這對配電網通信網的設備和結構而言，是一個重大的挑戰。

1 配電自動化系統通信網結構

配電自動化系統是實現對配電網的運行監測和控制的自動化系統，其通信網由配電通信主站、配電通信子站、配電通信終端和通信通道構成，如圖1所示。

圖1 配電自動化系統結構

其中，配電通信主站是配電自動化系統通信網的中樞，是整個系統的核心部分，其由服務器、工作站等網絡設備及硬件配套組成。配電通信主站接收配電通信子站匯聚傳輸的信息，并進行分析處理，使運維人員能夠迅速直觀地掌握電網運行狀況。同時，配電通信主站能夠對配電網進行實時操作，由配電主站通過通信網下發命令至配電通信子站，配電通信子站分析命令并下達至配電通信終端，完成對配電網的控制。

配電通信子站是配電通信主站的下端設備，主要用于匯聚配電通信終端的信息、遙控配電通信終端，并能夠與其他配電通信子站通過通信網絡連接，形成冗余保護。配電通信子站是配電網自動化系統的中間層，保障配電通信主站的高效穩定運行。

配電通信終端是配電網自動化的末端設備，也是安裝在一次設備現場的自動化裝置，用于完成對一次設備工況信息的采集上傳和執行配電主站下達的操作命令。根據實際情況，一般柱上開關及聯絡開關采用饋線終端(FTU)，環網柜開閉所采用站所終端(DTU)。

通信通道是連接配電通信子站、配電通信主站及配電通信終端之間傳輸自動化信息的神經系統，其分布在配電自動化系統各個需要通信的設備之間。通信通道負責上傳各配電終端采集的工況信息，下達控制命令，對實現配電網的“三遙”(遙信、遙測、遙控)起重要作用。

2 配電自動化系統對通信網絡的要求

配電自動化系統承載的業務包括配電網數據采集及監控系統(SCADA)、GIS地理信息系統、遠程抄表等各項生產管理類業務以及可被承載的視頻監控等其他管理信息類系統的業務傳輸。因此，對配電自動化系統網絡建設，主要有以下幾點要求。

(1) 通信可靠性。城市配電情況復雜且設備長時間裸露在外，因此要求通信網絡抗干擾能力強，能正確可靠地傳輸業務信息，同時具備獨立性。

(2) 傳輸時效性。配電自動化系統是一個要求信息時效的監控系統，能夠正確實時地傳輸各配電終端的工況信息，是保證能夠快速確定及隔離故障、恢復供電、提高優質供電服務的基礎條件。

(3) 拓展性。配電自動化系統除了滿足當前需要，也應當具備強拓展性，以便隨著城區配電網的拓展，能持續保障配電網自動化區域的全面覆蓋。

(4) 傳輸容量大。配電自動化系統的配電終端較多，業務傳輸量實時性要求高，在保證傳輸速率的情況下，傳輸容量也是對配電自動化通信網的一個要求。

根據以上幾個要求，配電自動化系統采用主用光纖，在部分地區輔以無線公網或專網的方式，保證配電自動化系統的可靠、高效運行。

3 無源光網絡技術簡介

當前，配電自動化系統通信技術在全國范圍內以大容量的光纖通信為主，在少部分敷設光纜困難的地區采用電力載波或無線通信技術。光纖通信的方式較為實用的為以太網無源光網絡(ethernet passive optical network，EPON)技術，結合了光纖傳輸和以太網組網模式，對配電網通信網的組建來說，具備較強的靈活性和拓展性。對于當下配電自動化終端，集中采集終端都具備以太網接入方式。

EPON是一點到多點的光接入網絡，其2層采用802.3以太網幀來承載業務的無源光網絡系統，主要組成包括有中心局點的光線路終端(OLT)、用戶終端的光網絡單元(ONU)，由光纖將系統緊密連接，實現對DTU，FTU的“三遙”功能。

4 EPON組網方式

4.1 EPON的典型組網方式

EPON在物理層采用無源光網絡技術，在OLT與ONU之間由分光器和光纖組成。對于EPON技術，其典型的組網方式分為鏈狀組網、星型組網、樹型組網、環狀組網。

(1) 鏈狀組網。鏈狀組網是一種多級分光器組網方案，分光器分布在各個ONU位置，每個ONU分10 %的主光，剩余90 %送至下一級，較為適合鏈狀或帶狀的10 kV線路，如圖2所示。在鏈狀組網結構中，光衰耗計算問題是尤為重要的。

(2) 星型組網。星型組網結構為典型的多路分光器結構，結構簡單清晰，不需要計算光衰耗，每路ONU直接與多路分光器相連，適合業務較為密集的供電區域，如圖3所示。

圖3 星型組網示意

(3) 樹型組網。樹型組網是整合星型組網和鏈狀組網的一種組網方式，可整合多路分光器和多級分光器，與實際電網一次結構緊密結合，能夠減少建造施工量，同時樹型組網結構也有利于后期的配網拓展工作，如圖4所示。

圖4 樹型組網示意

(4) 環型組網。環型組網是配電網通信網組建最為常用的結構，采用多級分光器組網方式。多級串聯成環，具備其他結構所沒有的鏈路保護機制，可以抵抗單點冗余失效、通道一點斷開等故障，提高通信網絡的可靠性，保障配電自動化系統的業務安全。其邏輯結構如圖5所示。

圖5 環型組網示意

配電自動化系統通信網絡的選用應當與現場實際情況相適應，從成本、需求等方面綜合考慮。

4.2 EPON的典型保護組網方式

隨著EPON技術的不斷發展，配電網通信的網絡結構也在不斷完善。單一鏈路結構和單根光纖收發方式并不能保證通信的可靠性，因此在配電網上采用了冗余保護組網方式。在保護方式上又分為以下幾種：單向雙分光器冗余樹狀保護結構、鏈路雙向手拉手鏈狀保護結構、雙鏈路同向雙光纖T型拉手保護結構及環形雙向保護結構。

(1) 單向雙分光器冗余樹狀保護結構是基于多路分光器組網技術構建的保護組網方式。由1個OLT與2個多路分光器連接，形成冗余保護，多路分光器與下端每個ONU形成樹狀方式交錯相連，使得整個網絡形成保護，如圖6所示。

圖6 單向雙分光器冗余樹狀保護結構示意

(2) 鏈路雙向手拉手保護結構是基于多路分光器組網技術構建的保護組網方式。在兩端站點均放置OLT設備，兩端各用1根光纖進行傳輸；每個ONU接收正向、反向的2組信號，雙PON口形成1+1冗余保護結構，能夠較好地抵抗通道一點斷開的故障，可很好地適應于城區鏈狀結構的10 kV線路，如圖7所示。

圖7 鏈路雙向手拉手保護結構

(3) 鏈路同向雙光纖T型拉手保護結構是基于多路分光器組網技術構建的保護組網方式。與鏈路雙向手拉手保護結構不同的是，OLT設備在同一站點；相同的是使用2根光纖進行正向反向串接ONU，形成保護，如圖8所示。

圖8 鏈路同向雙光纖T型拉手保護結構

(4) 環形雙向保護結構是通過單OLT設備，利用鏈路形成環狀，ONU雙PON構建1+1保護，正向反向雙光纖連接與上、下節點相連，實現鏈路冗余保護，如圖9所示。

圖9 環形雙向保護結構示意

4.3 光通道衰耗的計算

OLT上行采用1 310 nm波長，下行采用1 490 nm波長，其中1 310 nm波長每千米衰耗為0.36 dB，1 490 nm波長每千米衰耗為0.22 dB。設備PON口采用PX20光模塊，發送功率為(+2)-(+7)dBm，接收靈敏度為(-24)-(-27)dBm；ONU發光功率為(-1)-(+4)dBm，接收光靈敏度為(-24)-(-30)dBm，則上行方向最大光功率預算為24 dBm，下行方向最大光功率預算為26 dBm。

光通道衰耗公式如下：

其中，AT表示總體衰耗值，AL為光纜衰減，AC為光連接器損耗，AF為分光器插入損耗，AM為熔接損耗。

分光器插入損耗與分光比有關，其插入典型值如表1所示。

表1 分光器插入損耗 dB

在配電網自動化系統中選用分光比為1:9的分光器，故插入損耗典型值為0.9 dB/個。

在計算中要考慮以下3個方面。

(1) 光纖接頭損耗。光纖接頭損耗分為光連接器損耗和熔接損耗。光連接器損耗為0.5 dB/個，熔接損耗一般按照0.2 dB/個進行計算。

(2) 光纜的富余度。在光纜正常使用中，需要考慮一定的光纜富余度，以保證通道的正常運行，富余度具體值應與傳輸距離相匹配。在確定傳輸距離后，光纜富余度將會計入光通道衰耗中。光纜富余度與傳輸距離之間的關系如表2所示。

表2 光纜富余度與傳輸距離關系

(3) 根據衰耗公式，AT的值應當小于上行及下行方向的最大光功率預算。光通道衰耗的計算，主要對規劃OLT每個PON口所能夠對應的ONU的數量起指導作用。

根據光通道衰耗計算的公式，可以推斷當ONU數量為9個時，光連接器損耗為9 dB(1個點2個光連接器，故每個點有1 dB的損耗)，分光器的衰耗為8.1 dB，熔接衰耗為1.8 dB。此時，光衰耗已達到18.9 dB;OLT上行波長為1 310 nm，每千米衰耗為0.36 dB，上行最大光功率預算為24 dBm，減掉光纜富余度后，可計算出光纜長度為8.6 km。當ONU數量為10個時，光連接器衰耗為10 dB，熔接衰耗為2 dB，分光器衰耗為9 dB，考慮光纜富余度，光纜長度應該小于5 km。通過計算得出光纜長度為2.1 km，不能滿足配電網通信網建設的需求。因此，可以得出ONU的數量不能大于9個。

5 通信網絡結構的建設方案

針對實際選擇通信網絡結構是必要的。在某市的配電自動化通信網建設中，規劃在城區內采用3種不同的結構。

5.1 啞鈴狀組網結構

在該市城建密集地區，電力一次線路呈現網狀結構，通信網選擇路由較多也較為靈活。同時，由于城區內業務較多、數據量大、重要性高，因此需要采用保護方式較為合理的結構。采用啞鈴狀組網結構，即在2個子站點附近采用環形組網，環形與環形交叉，形成鏈狀組網結構，如圖10所示。

啞鈴狀組網方案對于城建密集地區較為適宜。在站點附近采用環形組網方式主要考慮兩端點的距離較遠，配電終端較多，分級多導致光損耗過大無法正常通信，利用環形組網能夠保障通道損耗在可控范圍內。

圖10 啞鈴狀組網結構示意

利用這種結構，根據光通道的計算，每個PON口下該市只下帶不超過5個點位，保證通道的正常運作。光衰耗的要求是制約可帶終端的主要因素。因此，啞鈴狀的組網方式是較為可行的。

5.2 雙樹型結構交叉組網結構

在新規劃開發區域，隨著投資量增大，電力需求不斷增大，采用雙樹型結構交叉組網方式具有強拓展性，其組網方式如圖11所示。

圖11 雙樹型交叉組網結構示意

在雙樹型結構中，每個點位都有可以拓展的方向，也具備保護的冗余性，且拓展后可以組成啞鈴狀的穩定結構。該結構適用于新開發地區，對一次線路的要求不高，也能保障通信通道的可靠性。

5.3 鏈狀組網結構

在電網發展成熟的地區，采用雙鏈狀保護結構，配電子站位于兩端，線路上遇到枝椏處采用“幾”字型進行串聯。該保護結構上采用雙向手拉手方式，接入兩端OLT設備，能有效抵抗1點斷開的故障。在該地區，使用鏈狀組網結構主要考慮配電一次結構已經固定，拓展性小于穩定性，對穩定性要求高，因此需建設可靠穩定的結構，保障通道的正常運作。其組網方式如圖12所示。

圖12 鏈狀組網結構示意

對于鏈狀結構，該市每個PON口采用不超過7個終端，以保證光通道的富余和設備上傳下發的穩定。

6 結束語

目前，我國的配電自動化系統正在全國范圍內逐步建設，二級城市的發展具有區域性，其組網方案也較為靈活。通過融合多種組網方式，提出優化的組網結構，應對各類地區的需求，對配電自動化系統通信網組網拓撲結構的建設提供一定的參考。

在建設智能電網的城市配電中，就拓展而言，智能小區等采用的智能化設備，均可以采用光纖以太網技術組建配電自動化系統通信網，既可實現當下各種業務的穩定傳輸，也給以后的業務拓展提供通道基礎。

1 張 亮．智能變電站通信安全策略研究[J]．電力安全技術，2015，17(1):6-8．

2 劉 浩，袁偉民．小區變電站遠程監控系統及通信規約的研究[J]．電力安全技術，2013，15(12):42-44．

3 秦 吉，黃方能．電磁環網運行風險分析[J]．電力安全技術，2011，13(12):26-28．

2016-07-14。

黎 洋(1990-)，男，助理工程師，主要從事通信專業技術工作，email：chenxi_dy@163.com。

陳 曦(1973-)，女，高級工程師，主要從事電網運行管理工作。

孟 宇(1982-)，男，工程師，主要從事通信專業技術工作。

劉 倩(1985-)，女，工程師，主要從事通信專業技術工作。