多種通信方式并存的配網(wǎng)自動(dòng)化通信系統(tǒng)的研究

毛 弋,蔣 盈 ,李寶玉,朱曉亮,向海燕

(湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，中國(guó) 長(zhǎng)沙 410082)

與國(guó)外英美法日等發(fā)達(dá)國(guó)家早在上世紀(jì)90年代就已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)全國(guó)的配網(wǎng)自動(dòng)化不同,我國(guó)配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的建設(shè)直到1995年以前都處于空白階段．通過(guò)引進(jìn)國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)近20年的發(fā)展,我國(guó)的配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但是在配電網(wǎng)自動(dòng)化的建設(shè)過(guò)程中，仍然存在著許多問(wèn)題．而通信系統(tǒng)作為配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)中的重要組成部分，通信技術(shù)的發(fā)展直接制約著配電系統(tǒng)的發(fā)展，一直是配電網(wǎng)發(fā)展的“瓶頸”所在．目前，在我國(guó)絕大部分地區(qū)，都已經(jīng)在35 kV及以上的變電站之間實(shí)現(xiàn)了光纖覆蓋，可以實(shí)現(xiàn)變電站到主站的信息傳輸以及環(huán)網(wǎng)自愈功能，但是未建成完整的配電通信網(wǎng)，電力電纜溝道鋪設(shè)時(shí)也沒(méi)有預(yù)埋光纜，各地區(qū)配電子站與配電終端間的信息通信方式各具特色，缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)與模式，這在很大程度上制約著配電自動(dòng)化通信系統(tǒng)建設(shè)的順利實(shí)施．具體來(lái)說(shuō)，通信系統(tǒng)分為兩層，第一層是主站跟子站之間的通信；第二層是配電終端與子站之間的通信，而這一層也就是本文研究的重點(diǎn)．由于配電終端具有點(diǎn)多面廣，環(huán)境多變等特點(diǎn)，單一的通信技術(shù)很難滿足需要．針對(duì)配電網(wǎng)通信系統(tǒng)中存在的這些問(wèn)題,結(jié)合中國(guó)移動(dòng)南方基地的配網(wǎng)自動(dòng)化現(xiàn)狀,本文通過(guò)采用以EPON為主，GPRS為輔的通信方式來(lái)設(shè)計(jì)多種通信方式并存的配網(wǎng)自動(dòng)化通信系統(tǒng)來(lái)解決這些問(wèn)題，該通信技術(shù)的選擇也符合當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)．

1 EPON通信技術(shù)及在配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)中的可行性分析

無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是上世紀(jì)90年代提出來(lái)的，可在多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下進(jìn)行高速的光纖通信的一種點(diǎn)到多點(diǎn)的通信技術(shù)，不包含任何有源電子設(shè)備，是純介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，只包括無(wú)源分光器等無(wú)源器件，可以有效地避免電磁干擾，具有低廉、高帶寬、簡(jiǎn)潔、可靠等特點(diǎn)．因此，在配網(wǎng)通信系統(tǒng)中，無(wú)源光纖技術(shù)，特別是以太網(wǎng)無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(EPON)技術(shù)被認(rèn)為是未來(lái)重要的發(fā)展方向．因此本文在設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)時(shí)采用以EPON技術(shù)為主的通信方式．

1.1 EPON技術(shù)原理

圖1 EPON原理框圖Fig.1 EPON principle block diagram

EPON系統(tǒng)的組成分為3個(gè)部分：OLT(光線路終端)，ONU(光網(wǎng)絡(luò)單元)和ODN(光分配網(wǎng))，其中ODN是連接OLT和ONU的由光纖和無(wú)源分光器組成的部分，具有星形、環(huán)線和總線形等結(jié)構(gòu)．其原理框圖如圖1所示．

OLT一般放置在主站端，由主干光纜與其他部分相連，相當(dāng)于路由器或交換機(jī)的作用，并且具有實(shí)時(shí)監(jiān)控管理及維護(hù)的功能．無(wú)源分光器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，一般具有多種分路比，還可以多級(jí)連接．ONU主要實(shí)現(xiàn)信息之間的光電轉(zhuǎn)換以及各類業(yè)務(wù)的接入．ODN由一個(gè)或者多個(gè)無(wú)源分光器(POS)組成，主要進(jìn)行下行數(shù)據(jù)的分發(fā)以及上行數(shù)據(jù)的收集．

在EPON中，從OLT傳輸?shù)絆NU的下行數(shù)據(jù)一般采用TDM廣播模式，ODN將OLT廣播出來(lái)的所有下行數(shù)據(jù)分配給每個(gè)ONU，但是每個(gè)ONU只讀取出自己需要的信號(hào)．相反，從ONU傳輸?shù)絆LT的上行數(shù)據(jù)一般采用時(shí)分多址(TDMA)方式．所有ONU根據(jù)設(shè)備設(shè)定的時(shí)隙發(fā)送信號(hào)(即突發(fā)發(fā)射)，通過(guò)ODN進(jìn)行匯、仲裁、然后再傳入OLT，由OLT進(jìn)行處理．在EPON技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中，分光器的級(jí)數(shù)以及分光比的選擇是一項(xiàng)十分重要的工作．EPON系統(tǒng)并沒(méi)有在理論上對(duì)于分光器級(jí)數(shù)和分光比進(jìn)行限制，只是規(guī)定每個(gè)ONU的光通道衰減≤24dB即可．實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)然是分光器級(jí)數(shù)越多越能節(jié)省主干光纖數(shù)量，但是級(jí)數(shù)過(guò)多同樣也將帶來(lái)?yè)p耗的增加，使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變復(fù)雜，因此ODN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化就十分必要．同時(shí)，當(dāng)后期累加ONU時(shí)還需考慮擴(kuò)容等問(wèn)題，因此需要預(yù)留出光纖通道和光功率預(yù)算．ODN的光衰減與光纖長(zhǎng)度、分光器數(shù)量、光活動(dòng)連接器數(shù)量、光纜熔接頭數(shù)量等因素有關(guān)，設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)時(shí)應(yīng)該控制ODN的最大衰減值，并符合OLT、ONU的光功率衰減要求．ODN光通道衰減定義為最遠(yuǎn)一級(jí)的OLT和ONU之間的所有設(shè)備的衰減總和，光通道計(jì)算模型如圖2所示．

圖2 光通道計(jì)算模型Fig.2 The model for calculating the light channel

其衰減計(jì)算公式為：

(1)

在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)滿足：

ODN衰減+Mc≤系統(tǒng)允許衰減.

(2)

1.2 EPON技術(shù)用于配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的可行性分析

(1)通信介質(zhì)分析.目前，我國(guó)的電網(wǎng)已經(jīng)建成了以光纖通信為主的電力調(diào)度網(wǎng)，所有35 kV及以上變電站已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)光纖全覆蓋，不管采用的是哪種光纖，只要是單模介質(zhì)，EPON系統(tǒng)都能應(yīng)用．所以，采用EPON通信系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)有的配網(wǎng)系統(tǒng)具有很好的兼容性．

(2)帶寬及接口要求分析.目前，我國(guó)新建的配電網(wǎng)通信終端均以RJ-45以太口接口為主，同時(shí)，配電終端節(jié)點(diǎn)數(shù)目巨大，分布廣泛且相互間通信距離較短，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信數(shù)據(jù)量較小，實(shí)現(xiàn)性較強(qiáng)，而不同的配電終端對(duì)速率的要求各不相同，但是，EPON可提供1.25 Gbit/s的帶寬，同時(shí)對(duì)帶寬的分配有完整的體系，因此足以滿足要求．

(3)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)分析.只有當(dāng)通信系統(tǒng)的拓?fù)浣M網(wǎng)結(jié)構(gòu)跟配電網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相似時(shí)，才能最大程度的節(jié)約成本，不需另辟通信管道，而EPON的組網(wǎng)模式均適應(yīng)于配電網(wǎng)單鏈?zhǔn)?、手拉手環(huán)網(wǎng)式等多種接線方式，組網(wǎng)靈活．

除此之外，在EPON系統(tǒng)中，每個(gè)ONU設(shè)備均收到OLT以廣播方式發(fā)送的數(shù)據(jù)，并且POS端連接的各個(gè)ONU是以并聯(lián)的方式存在的，所以當(dāng)分支光纖、POS端口或者ONU中任一設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，均不會(huì)影響其他ONU的正常工作情況，具有很好的安全性．EPON還能對(duì)于配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)中不同系統(tǒng)的業(yè)務(wù)進(jìn)行隔離，針對(duì)這些系統(tǒng)中的信息安全問(wèn)題，EPON都能找到切實(shí)可行的解決辦法．

2 GPRS無(wú)線公網(wǎng)通信技術(shù)及在配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)中的可行性分析

2.1 GPRS技術(shù)原理

GPRS技術(shù)是通過(guò)利用GSM網(wǎng)絡(luò)中未使用的TDMA信道，為用戶提供中速的數(shù)據(jù)傳遞的一種無(wú)線通信技術(shù)．與其他通信方式相比，無(wú)線公網(wǎng)通信無(wú)需鋪設(shè)光纜，建設(shè)成本低、維護(hù)方便、覆蓋范圍廣、能實(shí)時(shí)傳輸，適合在無(wú)線覆蓋完整且信號(hào)優(yōu)良的地方使用．但是其安全性、可靠性略顯不足．不過(guò)，無(wú)線通信技術(shù)特別是GPRS技術(shù)在配電網(wǎng)中應(yīng)用很廣．現(xiàn)有的GPRS通信網(wǎng)絡(luò)是在現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)中加入GGSN和SGSN來(lái)實(shí)現(xiàn)端到端的，廣域的無(wú)線IP連接．系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)可分為3個(gè)部分：端站設(shè)備、GPRS網(wǎng)絡(luò)和終端設(shè)備，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示．

圖3 GPRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.3 GPRS network structure

在圖3中，端站的數(shù)據(jù)由GSM基站先傳到SGSN(GPRS服務(wù)支持節(jié)點(diǎn))，再由SGSN與GGSN(GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn))進(jìn)行通信，由GGSN對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后再發(fā)送給各配電終端或下級(jí)通信網(wǎng)絡(luò)，如Internet X2.5網(wǎng)絡(luò)．來(lái)自配變終端的數(shù)據(jù)流則先上傳給GGSN，再由GGSN轉(zhuǎn)發(fā)給SGSN，繼而轉(zhuǎn)發(fā)給端站設(shè)備，所以SGSN在GPRS網(wǎng)絡(luò)中相當(dāng)于一個(gè)節(jié)點(diǎn)，起著承上啟下的作用．

2.2 GPRS通信技術(shù)用于配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的可行性分析

GPRS技術(shù)突破了GSM網(wǎng)只能提供電路交換的思維方式，利用現(xiàn)有的GSM網(wǎng)，通過(guò)增加相應(yīng)的功能實(shí)體和對(duì)現(xiàn)有的基站系統(tǒng)進(jìn)行部分改造就能實(shí)現(xiàn)分組交換，減少了鋪設(shè)通道建設(shè)的大量費(fèi)用，投入較低．而且，后期可以由電信部門進(jìn)行維護(hù)．同時(shí)，GPRS采用以數(shù)據(jù)流量的計(jì)費(fèi)方式，傳輸速率可達(dá)115Kb/s，還支持雙向傳輸．最重要的一點(diǎn)是資源豐富，覆蓋范圍很廣，所以GPRS通信技術(shù)在配網(wǎng)自動(dòng)化通信系統(tǒng)建設(shè)中有著較大的發(fā)展前景，目前也已經(jīng)在我國(guó)部分地方的配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)中得到了應(yīng)用．

3 多種通信方式并存的配網(wǎng)自動(dòng)化通信系統(tǒng)

以中國(guó)移動(dòng)南方基地的配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)通信系統(tǒng)的建設(shè)為例，介紹結(jié)合EPON和GPRS通信技術(shù)的多種通信方式共存的通信系統(tǒng)的建設(shè)．建成后基地的配網(wǎng)自動(dòng)化水平將得到很大的提高，一個(gè)中、低壓配電系統(tǒng)的電力狀態(tài)綜合實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)將得以建立，保障基地安全、經(jīng)濟(jì)、可靠、高效的運(yùn)行．

總體而言，通信系統(tǒng)的建設(shè)取決于配電網(wǎng)的整體規(guī)劃，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度以及將要達(dá)到的預(yù)期自動(dòng)化水平等，因地制宜，采用多種通信技術(shù)相配合的方式，以安全、可靠、高效、經(jīng)濟(jì)為目的來(lái)進(jìn)行建設(shè)．具體而言，配網(wǎng)自動(dòng)化通信系統(tǒng)的建設(shè)要求主要包括以下幾個(gè)方面：①抗干擾能力強(qiáng)以及防雷，防過(guò)電壓；②通信速率；③經(jīng)濟(jì)性；④建立備用通信通道和確保在停電或故障時(shí)能正常通信；⑤雙向通信能力及其可擴(kuò)展性．

3.1 中國(guó)移動(dòng)南方基地配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)總體解決方案

考慮到中國(guó)移動(dòng)南方基地未來(lái)的整個(gè)規(guī)劃和現(xiàn)有的實(shí)際情況，配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)采用三層結(jié)構(gòu)模式進(jìn)行設(shè)計(jì)．

第一層：主站—主要負(fù)責(zé)整個(gè)基地配電系統(tǒng)的監(jiān)控和自動(dòng)化管理．

第二層：子站—由于子站一般設(shè)置在變電站中，所以分別在基地一期、二期兩個(gè)自建的110 kV變電站中設(shè)置兩個(gè)子站，實(shí)現(xiàn)變電站10 kV出線的饋線自動(dòng)化，并上傳下達(dá)各種信息和指令．

第三層：終端—在中國(guó)移動(dòng)南方基地中主要是負(fù)責(zé)對(duì)線路、饋線開(kāi)關(guān)、開(kāi)閉所、環(huán)網(wǎng)柜、高低壓開(kāi)關(guān)柜、配電室以及配電變壓器等主要設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控．包括各RTU、DTU、TTU和FTU．

因此，中國(guó)移動(dòng)南方基地配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的組成圖如圖4所示．

圖4 中國(guó)移動(dòng)南方基地配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)組成示意圖Fig.4 The distribution network automation system schematic diagram of China Mobile’s southern base

3.2 EPON通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中國(guó)移動(dòng)南方基地配網(wǎng)自動(dòng)化通信系統(tǒng)分為三層即主站層、子站層和終端層，其中主站到子站作為核心層采用環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu),利用現(xiàn)有的專用SDH/MSTP光纖網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息傳輸，而分支網(wǎng)采用EPON技術(shù)進(jìn)行通信，其中各配電終端通過(guò)TCP/IP方式接入EPON．該基地的配電網(wǎng)絡(luò)包括了單電源供電方式，兩供一備方式，開(kāi)閉所方式以及環(huán)網(wǎng)模式等，結(jié)構(gòu)眾多，但是EPON通信方式都能很好的適用其中，組網(wǎng)靈活，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示．

圖5 中國(guó)移動(dòng)南方基地EPON通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 The EPON communication system structure of China Mobile’s southern base

3.3 GPRS通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于該基地作為中國(guó)移動(dòng)的總部基地之一，本身無(wú)線網(wǎng)建設(shè)很完善，又因該基地的特殊性，除了采用APN方式的GPRS無(wú)線通信技術(shù)外，還可以采用DDN數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)將配電主站的計(jì)算機(jī)與移動(dòng)公司的路由器進(jìn)行專線連接，無(wú)需經(jīng)過(guò)互聯(lián)網(wǎng)，進(jìn)一步保障了其通信可靠性和安全性．接下來(lái)對(duì)GPRS通信系統(tǒng)的建設(shè)進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹．

圖6 中國(guó)移動(dòng)南方基地GPRS無(wú)線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.6 The GPRS wireless communication system structure of China Mobile’s southern base

首先需要在配電主站，子站以及每臺(tái)智能配電終端中加裝GPRS模塊，并安裝移動(dòng)SIM卡，這樣終端檢測(cè)到的數(shù)據(jù)先通過(guò)基地內(nèi)部的GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)紾GSN，經(jīng)過(guò)處理后再傳輸?shù)揭苿?dòng)公司路由器，最后通過(guò)DDN專線傳輸給配電主站，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的自動(dòng)化監(jiān)控．中國(guó)移動(dòng)南方基地的GPRS無(wú)線通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖6所示．

3.4 配網(wǎng)通信綜合網(wǎng)管系統(tǒng)的建設(shè)

多種通信方式并存的通信系統(tǒng)需要有一個(gè)結(jié)構(gòu)化綜合網(wǎng)管系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同類型的通信設(shè)備、通信網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)管．因而，在配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)中建設(shè)一個(gè)能監(jiān)控EPON與GPRS兩種通信方式的綜合網(wǎng)管系統(tǒng)就顯得十分重要．該系統(tǒng)主要包括一體化采集平臺(tái)，系統(tǒng)綜合監(jiān)視模塊和通信資源模塊．其軟件基本結(jié)構(gòu)圖如圖7所示． 通過(guò)該通信系統(tǒng)，主站能很好地實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)自動(dòng)化的“三遙”功能，實(shí)時(shí)監(jiān)視線路電流、電壓、有功和無(wú)功功率、電能質(zhì)量以及電氣設(shè)備和系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，實(shí)現(xiàn)電能的分項(xiàng)計(jì)量，建立能耗動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)平臺(tái)，還能實(shí)現(xiàn)故障或擾動(dòng)錄波、自動(dòng)故障定位與隔離的功能．

圖7 配網(wǎng)通信綜合網(wǎng)管系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.7 The software structure diagram of distribution network communication integrated network management system

4 結(jié)論

配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的建設(shè)是國(guó)家電網(wǎng)公司發(fā)展智能電網(wǎng)的重要部分，目前，國(guó)內(nèi)并沒(méi)有形成統(tǒng)一的通信系統(tǒng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，本文通過(guò)對(duì)EPON和GPRS技術(shù)的介紹以及將其應(yīng)用到中國(guó)移動(dòng)南方基地配網(wǎng)通信系統(tǒng)這一實(shí)例來(lái)說(shuō)明EPON通信技術(shù)在配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)中的可行性及優(yōu)勢(shì)所在，該技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景．此外通過(guò)此實(shí)例也說(shuō)明了建設(shè)多種通信手段并存的通信系統(tǒng)也是未來(lái)發(fā)展配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的大勢(shì)所趨．

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