基于電力無線專網(wǎng)的配網(wǎng)自動(dòng)化終端裝置研制

● 國(guó)網(wǎng)湖南信通公司 鐘翔宇 陳運(yùn)生 國(guó)網(wǎng)長(zhǎng)沙供電公司 沈婧雯 湖南師范大學(xué) 程 昊

1 我國(guó)低壓配網(wǎng)現(xiàn)狀

就目前我國(guó)電力系統(tǒng)而言，無論是從自動(dòng)化程度、智能化程度還是從網(wǎng)絡(luò)的自愈和優(yōu)化能力來看，配電網(wǎng)的水平都遠(yuǎn)落后于輸電網(wǎng)。絕大多數(shù)配電變壓器的低壓出線側(cè)只采用熔斷器進(jìn)行分支過流保護(hù)，傳統(tǒng)配電網(wǎng)主要面臨以下幾個(gè)方面的問題。

（1）配網(wǎng)低壓側(cè)實(shí)際運(yùn)行過程中，經(jīng)常發(fā)生低壓線路單相接地不能及時(shí)切除而發(fā)生的短路故障，從而引起配電站出線側(cè)跳閘以及變壓器燒毀的運(yùn)行事故。

（2）配電變壓器低壓負(fù)荷缺乏必要的測(cè)量手段、控制手段，停電送電操作不能及時(shí)快速完成，技術(shù)手段普遍落后。

（3）配網(wǎng)低壓側(cè)一般不配置無功補(bǔ)償裝置，當(dāng)線路較長(zhǎng)時(shí)，無功負(fù)載重，壓降變大引起線損增加，嚴(yán)重影響居民入戶電壓質(zhì)量。

2 低壓配網(wǎng)自動(dòng)化通信要求及特點(diǎn)

配網(wǎng)自動(dòng)化對(duì)通信的可靠性和時(shí)延性具有很高的要求，相關(guān)指標(biāo)具體如下。

（1）通信的可靠性。配電終端月平均在線率≥95%；遙控使用率≥90%；遙控成功率≥98%；遙信動(dòng)作正確率≥95%。對(duì)通信系統(tǒng)可靠性需求較高的區(qū)域，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)應(yīng)采取冗余配置。

（2）業(yè)務(wù)上下行峰值速率要求。配網(wǎng)自動(dòng)化上下行業(yè)務(wù)傳輸特點(diǎn)是上行流量大,下行流量小。一般要求單個(gè)配電終端接入速率要求為≥19.6kbps。

（3）時(shí)延要求。遙測(cè)(模擬量由終端傳遞到配電子站/主站單方向)：＜30s；遙信(狀態(tài)量由終端傳遞到配電子站/主站單方向)：＜60s；遙控(命令由配電子站/主站傳遞到終端單方向)：＜2s。

（4）抗干擾能力強(qiáng)?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備一般工作在很強(qiáng)的電磁干擾環(huán)境，包括無線電干擾、頻率干擾、瞬時(shí)高電壓、大電流、雷電干擾等，因此對(duì)通信設(shè)備抗干擾能力提出較高要求。

3 低壓配網(wǎng)自動(dòng)化通信方式比較

配網(wǎng)自動(dòng)化的通信方式大類可分為有線通信和無線通信2種方式。有線通信一般包括光纖通信和配電線路載波通信，無線通信一般包括無線公網(wǎng)通信和無線專網(wǎng)通信。

3.1 光纖通信

目前光纖通信技術(shù)已經(jīng)非常成熟，常用光纖環(huán)網(wǎng)和光纖以太網(wǎng)方式，主要特點(diǎn)是速率高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)、保密性好、組網(wǎng)方式靈活，可以實(shí)現(xiàn)綜合數(shù)據(jù)傳輸。缺點(diǎn)是投資大，如一次性建設(shè)投資大，架設(shè)比較困難，發(fā)生故障后，修復(fù)工藝要求高，維護(hù)費(fèi)用相對(duì)較高。

3.2 配電線路載波通信

配電線路載波通信原理是在發(fā)送端將信息調(diào)制為高頻信號(hào)，然后通過耦合器耦合至輸電線路，利用輸電線路作為傳輸媒介傳送到接收端，接收端通過耦合器將載波信號(hào)從強(qiáng)電電流中分離出來，然后解調(diào)出目標(biāo)信息并傳送到計(jì)算機(jī)或其他終端上，以實(shí)現(xiàn)信息傳輸。

3.3 無線公網(wǎng)

采用無線公網(wǎng)方式進(jìn)行通信，對(duì)“遙測(cè)”、“遙信”等自動(dòng)化業(yè)務(wù)能夠滿足基本的傳輸性能，在可靠性、實(shí)時(shí)性方面也能達(dá)到要求。但無線公網(wǎng)在傳輸數(shù)據(jù)保密性、信息安全方面存在風(fēng)險(xiǎn)，容易造成信息泄密和黑客攻擊。

3.4 無線專網(wǎng)

電力無線專網(wǎng)相比其他通信方式具有安全性高、覆蓋能力強(qiáng)、寬帶較高等諸多優(yōu)點(diǎn)。隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的大規(guī)模開展，電力業(yè)務(wù)對(duì)可靠性、安全性的要求不斷提高，電力無線專網(wǎng)已成為智能電網(wǎng)電力通信發(fā)展的必然趨勢(shì)。

4 基于電力無線專網(wǎng)的配網(wǎng)自動(dòng)化無線傳輸裝置

4.1 配網(wǎng)自動(dòng)化業(yè)務(wù)電力無線專網(wǎng)接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1為配網(wǎng)自動(dòng)化業(yè)務(wù)電力無線專網(wǎng)接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖。該架構(gòu)主要分為如下幾層。

業(yè)務(wù)應(yīng)用層主要為各類應(yīng)用接入設(shè)備，包括各類業(yè)務(wù)系統(tǒng)和相應(yīng)服務(wù)器等。

安全接入層包括正反向隔離、前置機(jī)、安全接入網(wǎng)關(guān)等。安全接入?yún)^(qū)內(nèi)部設(shè)置正反向隔離，設(shè)置安全接入網(wǎng)關(guān)，保障主站安全；終端需具備安全芯片，芯片與安全接入網(wǎng)關(guān)之間雙向身份認(rèn)證，并對(duì)上下行的控制命令及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)加密傳輸。主要負(fù)責(zé)生產(chǎn)業(yè)務(wù)與管理業(yè)務(wù)的安全防護(hù)。

骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)層主要為電網(wǎng)現(xiàn)有SDH光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)將基站上接收到的無線數(shù)據(jù)上傳至配網(wǎng)自動(dòng)化業(yè)務(wù)系統(tǒng)主站。

無線接入回傳網(wǎng)包括基站和相關(guān)CPE終端?；臼荓TE系統(tǒng)的重要組成部分，可通過空中接口與不同的終端CPE連接，實(shí)現(xiàn)配電業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的收集及轉(zhuǎn)發(fā)。

圖1 配網(wǎng)自動(dòng)化業(yè)務(wù)電力無線專網(wǎng)接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖

配電業(yè)務(wù)應(yīng)用終端接入層包括各類通信終端和業(yè)務(wù)終端，負(fù)責(zé)電力設(shè)備等相關(guān)設(shè)備的信息采集和業(yè)務(wù)終端數(shù)據(jù)傳輸。

可以看出，該接入方案是利用電網(wǎng)自有物業(yè)建設(shè)無線基站，在配電站點(diǎn)內(nèi)配置無線專網(wǎng)終端設(shè)備(CPE)，將智能配電網(wǎng)業(yè)務(wù)通過TD-LTE無線專網(wǎng)上傳至變電站，再通過現(xiàn)有電力通信光傳輸網(wǎng)絡(luò)上傳至調(diào)度主站的核心網(wǎng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)與配網(wǎng)自動(dòng)化主站系統(tǒng)的互聯(lián)。

4.2 基于電力無線專網(wǎng)的配網(wǎng)自動(dòng)化終端裝置設(shè)計(jì)

綜合無線專網(wǎng)各項(xiàng)應(yīng)用特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種基于電力無線專網(wǎng)的配網(wǎng)終端裝置。該裝置應(yīng)用在配電業(yè)務(wù)終端接入層，直接對(duì)一次電力設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、傳輸和控制。

配網(wǎng)自動(dòng)化終端裝置示意圖如圖2所示，該裝置由外置天線、CPE（電力無線專網(wǎng)轉(zhuǎn)以太網(wǎng)的接入設(shè)備）、智能配電控制器、三相斷路器、電動(dòng)操作裝置、電流互感器、熔斷器、三相交流接觸器、電力電容器、電源適配器等部分組成。

該裝置的工作機(jī)制為：外置天線接收到無線專網(wǎng)信號(hào)后，傳送給CPE，通過CPE將接收信號(hào)轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)信號(hào)后送入智能配電控制器進(jìn)行分析處理，然后輸出各項(xiàng)操作指令，實(shí)現(xiàn)斷路器的四遙、保護(hù)、錄波以及無功補(bǔ)償自動(dòng)投切控制功能。智能配電器通過CPE和無線專網(wǎng)與業(yè)務(wù)系統(tǒng)主站（包括配電監(jiān)控中心、調(diào)控中心等）實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程通信，實(shí)現(xiàn)配電自動(dòng)化業(yè)務(wù)的相關(guān)需求。

4.3 基于電力無線專網(wǎng)的配網(wǎng)自動(dòng)化終端裝置功能特點(diǎn)

該配網(wǎng)自動(dòng)化終端裝置根據(jù)配網(wǎng)自動(dòng)化業(yè)務(wù)需求，可以實(shí)現(xiàn)以下功能。

圖2 基于電力無線專網(wǎng)的配網(wǎng)自動(dòng)化終端裝置示意圖

（1）通信功能。通過外置無線專網(wǎng)天線，傳送給無線專網(wǎng)CPE設(shè)備，建立和后臺(tái)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通訊，可實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙信、遙控、保護(hù)定值設(shè)定及查詢、裝置工作狀態(tài)和錄波數(shù)據(jù)等傳輸功能。

（2）數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)。通過配置各種采樣單元，可實(shí)現(xiàn)開關(guān)位置監(jiān)測(cè)、通訊狀態(tài)監(jiān)測(cè)、保護(hù)投退狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及各種模擬量數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)，并借助于通信功能將所有測(cè)量值上傳到遠(yuǎn)方監(jiān)控中心后臺(tái)。

（3）重合閘功能。當(dāng)?shù)蛪贺?fù)載線路發(fā)生瞬時(shí)故障時(shí)，斷路器可按照預(yù)先設(shè)定的重合順序自動(dòng)重合，瞬時(shí)故障消失后可自動(dòng)恢復(fù)供電。

（4）繼電保護(hù)功能。本裝置具備三段式電流保護(hù)、過載保護(hù)、低電壓保護(hù)、過電壓保護(hù)缺相、接地保護(hù)等。能夠及時(shí)切斷各種故障保證變壓器的正常運(yùn)行。所有保護(hù)均可自由選擇投退狀態(tài)。

（5）無功補(bǔ)償功能。當(dāng)線路過長(zhǎng)，無功負(fù)載過大時(shí)，可以根據(jù)預(yù)設(shè)的功率因數(shù)設(shè)定值，對(duì)電容器分組自動(dòng)進(jìn)行投切控制。

5 結(jié)束語

本文通過分析目前國(guó)內(nèi)低壓配電側(cè)面臨的相關(guān)問題，比較目前主流的幾種用在低壓配電側(cè)的通信方式，設(shè)計(jì)了一種基于電力無線專網(wǎng)的配網(wǎng)自動(dòng)化終端裝置。目前該裝置已經(jīng)研發(fā)成功，正在國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司的部分變電站作試點(diǎn)應(yīng)用。按照前期設(shè)計(jì)指標(biāo)，該裝置可以通過無線專網(wǎng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效的通信功能，并能夠完成數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)、自動(dòng)重合閘、繼電保護(hù)和無功補(bǔ)償功能，對(duì)提升電網(wǎng)智能化水平和對(duì)配網(wǎng)自動(dòng)化的進(jìn)一步發(fā)展具有重要意義。