分散式DTU終端通信技術研究與應用

李 俊，丁浩川，李 莉

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102）

0 引言

隨著我國經濟建設的飛速發展，用電負荷日益增加，用電可靠性逐漸成為電力用戶最關切的問題［1-3］，而配網自動化技術的快速發展則為解決這個問題提供了有力的技術支撐［4-5］。目前的配網自動化系統主要由配電主站、配電終端以及通信網絡層組成［6-8］。配電網自動化系統通過現代通信技術，對配電網實時信息進行數據處理分析，根據數據分析結果進行適當的控制操作，從而建立起穩定可靠的配電自動化系統來提升配電網絡供電可靠性［9-11］。

DTU作為測控終端被廣泛應用于10 kV配電網中，DTU從設計結構上分為集中式DTU和分散式DTU，集中式DTU作為電網公司早期推廣的終端型式在工程應用較多，但是也存在著間隔擴充難、檢修運維不靈活以及終端體積過大等不足，而分散式DTU終端能很好地彌補這些不足，因此分散式DTU終端的技術近年來發展迅猛。然而截至目前，分散式DTU終端的全業務數據如何傳輸到配電主站仍然沒有很好的通信技術方案。在現有的通信協議架構下，本文提出了基于分散式DTU公共單元多端口透明轉發的通信技術方案，能有效地解決配電主站與分散式DTU終端進行業務數據交互的問題，為分散式DTU終端的工程推廣起到了關鍵通信技術支撐的作用。

1 配網自動化通信協議

在配網自動化系統的建設過程中，配電主站與終端之間的通信協議是非常關鍵的一個部分［12-13］。當前配電自動化系統主要采用《配電自動化系統應用DLT634.5101-2002實施細則》和《配電自動化系統應用DLT634.5104-2009實施細則》來實現配電主站和終端之間的通信數據交互。根據上述細則的規定，配電終端需要支持包括三遙信息、定值參數、定點、極值以及波形文件等數據上送配電主站，以實現配電主站對終端實時監控［14-15］。

2 配網自動化通信方式

配電自動化通信系統一般有穩定性、實時性、雙向性和經濟性四個方面的要求［16-18］。首先穩定性主要指通信系統必須工作穩定，具備良好的抗干擾能力。其次實時性主要指的是配電自動化系統對數據采集有實時性的要求，以實現對系統運行狀態的實時監控。再次雙向性指的是配電自動化主站除了接收來自終端的監測數據，還需要具備向終端發送指令的能力。最后經濟性主要指通信系統的建設成本，在建設過程中通過優化規劃設計方案和設備選型，能夠降低建設運維成本，實現通信系統的經濟運行［19-21］。結合配電自動化通信系統的建設要求，下面對配電通信系統中主要的通信方式進行介紹。

2.1 光纖通信

光纖通信是目前最常見的通信方式之一，主要利用光纖和光波來作為傳輸介質和載體。其優點主要體現在通信速度快、通信容量大、抗干擾性強、可靠性高等方面。其缺點則主要體現在初期建設成本大，光纖敷設路徑選擇要求高，后期維護成本和技術要求較高。光纖通信方式通常適用于對數據可靠性傳輸要求高、大數據遠距離傳輸的場合。

2.2 電力線載波通信

電力線載波通信將電力線路作為信道載體，其優點是實施方便，經濟性好，組網靈活，通信接口兼容性良好，與電氣網連接理論上可以實現任意2個電氣節點的通信。而由于電力載波具有頻率選擇性和使命性一些固有特征，使得電力載波通信方式存在著一些缺點，如信號容易受到干擾、易受供電線路中斷影響、信號傳輸距離有限等。

2.3 無線公網通信

目前，我國的電信、移動等運行商是中國無線公網建設的主體，中國無線公網主要是面向公共開發的一種通信系統以及相關設備。配電通信系統中無線公網作為租用網絡，具有建設維護成本低、無線公網通信技術成熟、無線通信覆蓋面廣等優點。無線公網在配電通信系統的建設中也存在著一些缺點。首先，無線公網的服務質量與多種因素有關，數據傳輸的實時性難以保證。其次，無線公網作為廣泛覆蓋的公共網絡資源，安全防護能力較弱，需要在業務層增加有效的安全措施才能滿足配電自動化業務安全需求。

2.4 無線專網通信

無線專用通信網絡是在OFDM技術的基礎上發展出來的，無線專網通信技術主要包括TD-LTE、McWill等通信技術。無線專網LTE技術采用多輸入多輸出的關鍵技術，能顯著提升數據的傳輸速率，因此能保證配電通信系統數據傳輸的實時性。同時無線專網組網靈活，且大多屬于專網專用，數據的安全性能得到更多的保障。配電自動化通信系統中建設無線專網缺點也很明顯，首先無線專網建設運維成本極高，其次無線專網存在頻點申請、基站選址等問題。

2.5 配網自動化通信方式選擇

基于以上對各種通信方式的分析，光纖通信在實時性、可靠性、安全性及帶寬等方面具有優勢，但由于光纖鋪設組網成本過高，適用于對于安全、可靠性有嚴格要求的業務。電力載波通信方式施工簡單，建設成本低，但是受配電線路運行情況影響，信號傳輸易受干擾，適合實時性、并發性要求不敏感的業務場合。無線專網方式目前還處于試點應用階段，頻段選擇、技術體質選擇、建設及運維模式仍存在很多問題，需要對承載業務及部署方式進行規范。無線公網方式易于建設且覆蓋面廣，適合用于安全性、可靠性、實時性相對要求較低的應用場合，由于其建設運維成本低，基于現有的通信狀況，是配電自動化通信系統中主要選擇的一種通信方式。

3 DTU終端與主站的通信方案

在現有的配電自動化通信架構下，配電主站主要以無線公網的方式通過IEC104和IEC101通信協議對接入所轄區域內的DTU終端，并采集DTU終端的三遙信息、參數定值以及定點、極值文件等數據。接下來具體分析一下集中式DTU終端和分散式DTU終端與配電主站之間的通信方案。

3.1 集中式DTU終端與主站的通信方案

集中式DTU終端數據模型里包括了所有間隔的遙測、遙信、遙控和參數定值等，集中式DTU終端通過電纜能夠直接采集配電房或環網柜內所有間隔的遙信、遙測數據，同時依據配網通信協議細則產生定點、極值以及波形文件，并將所有數據存儲在DTU終端內。因此，集中式DTU終端與配電主站之間僅需要通過IEC104或者IEC101協議建立數據傳輸通道后即可實現與配電主站之間所有數據的交互傳輸。集中式DTU終端與配電主站通信方案的示意圖如圖1所示。

圖1 集中式DTU終端與主站通信方案Fig.1 Communication plan between centralized DTU terminal and master station

3.2 分散式DTU終端與主站的通信方案

分散式DTU終端由1個公共單元終端和若干個間隔單元終端共同組成，分散式DTU終端對于配電主站而言仍然是一個整體設備，受限于配電主站前置機資源，配電主站給每個分散式DTU終端僅分配一個IP資源，即配電主站直接與公共單元終端通過IEC104或者IEC101協議建立數據交互傳輸通道。

分散式DTU終端中公共單元終端本體可以采集配電房或者環網柜內電源管理模塊、溫濕度采集器等智能二次設備的數據，并通過IEC104協議上送配電主站，同時也支持配電主站來獲取本體的固有參數。分散式DTU終端中各間隔單元則獨立負責各間隔遙測、遙信數據的采集以及產生定點極值等文件數據，并將所有數據存儲于各間隔單元內，這就導致在現有的配電自動化通信系統架構下配電房或環網柜內各間隔的遙信、遙測、定值、文件等數據無法傳遞到配電主站。針對這一問題本文提出了通過公共單元與配電主站建立多端口TCP連接透明轉發的方式來實現配電主站與各間隔單元進行數據交互的方案。分散式DTU終端與配電主站通信方案的示意圖如圖2所示。

圖2 分散式DTU終端與主站通信方案Fig.2 Communication plan between centralized DTU terminal and master station

下面以6間隔的環網柜為例，假定分散式DTU終端公共單元與配網主站以IEC104協議建立數據傳輸通道，詳細闡述該方案的具體實現過程如下：

1）公共單元與配電主站之間采用104協議通信，配電主站作為TCP客戶端，公共單元作為TCP服務端，由端口透明轉發模塊實現同時監聽2404、24041、24042、24043、24044、24045、24046共7個端口，其中2404端口TCP連接用于配電主站與公共單元本體數據交互，24041～24046端口的TCP連接用于配電主站與間隔單元1～間隔單元6的數據交互。配電主站與公共單元之間一共建立7個TCP連接。

2）公共單元與各間隔單元之間采用104協議通信，公共單元作為TCP客戶端，各間隔單元作為TCP服務端，間隔單元支持104協議，間隔單元1～間隔單元6依次監聽24041、24042、24043、24044、24045、24046的端口，公共單元的端口透明轉發模塊建立與各間隔單元的TCP連接。

3）當配電主站與公共單元通過24041端口建立TCP連接時，公共單元同時與間隔單元1通過24041端口建立對等的TCP連接；當配電主站斷開與公共單元之間的24041端口的TCP連接時，公共單元同時也關掉自身與間隔單元1建立的24041端口的TCP連接。

4）當配電主站向間隔單元1發送104協議報文時，首先通過其與公共單元建立的24041端口的TCP連接向公共單元發送該104協議報文，公共單元在收到該報文后再通過自身與間隔單元1建立的24041端口的TCP連接透明轉發該104協議報文至間隔單元1，由此實現了配電主站向間隔單元1下發104協議報文的功能。

5）當間隔單元1向配電主站響應或突發上送104協議報文時，首先通過其與公共單元建立的24041端口的TCP連接將該報文發送給公共單元，公共單元收到該報文后再通過自身與主站之間建立的24041端口的TCP連接將該報文透明轉發給配電主站。由此實現了間隔單元1向配電主站發送104協議報文的功能。

6）該方案通過建立上下兩層24041端口的TCP連接實現了配電主站與分散式DTU間隔單元1之間按照配網實施細則通信的功能。間隔單元2～間隔單元6與配電主站的整個通信實現過程與上述間隔單元1的實現過程完全一致。配電主站與各間隔單元的通信交互過程和配電主站與集中式DTU終端通信交互過程保持一致，可以按照配網實施細則實現全數據的交互。

4 工程應用

分散式DTU終端目前正在江蘇、山東等省份進行工程化落地，以江蘇中標的分散式DTU終端為例，中標終端廠家需要將分散式DTU終端的整個環網柜送到江蘇電科院進行到貨檢測，江蘇電科院的模擬主站測試臺體已經支持本文所提出的分散式DTU終端與配電主站通信的技術方案，依據該方案分散式DTU終端可以將終端所有數據正確上送到模擬主站，成功通過了所有到貨檢測項目。分散式DTU終端的到貨檢測結果驗證了本文所提方案的可行性。

5 結語

隨著配網自動化技術的不斷發展，配網自動化技術將逐步由集中控制向分散控制發展。文中對DTU終端與配電主站的通信技術進行了分析，針對當前分散式DTU終端間隔數據無法上送配電主站的問題，提出了基于公共單元多端口TCP連接透明轉發的方案，有效地解決了分散式DTU終端與配電主站數據交互傳輸的問題，同時該方案可以確保配電主站僅做少量的開發工作即可全面接入分散式DTU終端，具有一定的工程應用價值。