配电自动化系统通信网组网设计与实现

温晓腾

（山东黄金电力有限公司，山东 莱州 261400）

0 引 言

根据配电终端负荷需要，对局部无功负荷和电压进行调控，进一步提升供电质量并降低线损，提升电力设备利用率。当检测到供电故障时，可以快速准确地对事故区域进行定位和隔离，确保非故障区用户的正常供电。通过对配电自动化系统通信网采用的通信技术进行分析，从接入层、回传网等层面对通信网组网进行设计，同时对通信网建设结果进行测试与研究。

1 配电网与配电自动化系统

1.1 配电网与配电自动化

配电网从输电网中获取电能，提供给终端用户。配电自动化是将网络架构或电力设备等作为载体，在应用系统的帮助下将多种运行信息进行串联，可对配电网进行监控，检测发现某配电网段存在故障则会自动进行切除与隔离。将配电网调度、监控和维护工作进行结合，具有良好的故障处理及时性，有利于降低作业人员的劳动强度和安全风险，对保障供电可靠性发挥着重要作用。配电自动化离不开对多种运行信息的监控，通过信息处理系统来对电压、有功功率等进行分析，通过大数据深度挖掘来发现潜在的安全风险因素，从而确定出可能出现故障的位置并加强维护。通过智能终端和信息系统对配电网供电故障进行处理，有利于提升配电网管理效率，实现对配电网的实时监控与负荷调配。

1.2 需求分析

将配电自动化作为基础建立配电通信网，确保可以实现信号传递与验证，为电力系统稳定运行提供必要条件。在对通信网进行设计时，还需要充分考虑通信需求和业务需要。

（1）传输时效性。配电自动化系统能否及时传输信息将决定能否及时派遣维修人员到故障区域开展工作，快速恢复电力供应。通过对配电系统进行实时监测，可以及时准确地反馈终端设备的信息。

（2）通信可靠性。由于配电网通信网长期暴露于室外环境，运行条件复杂且恶劣，因此为保证通信可靠性，还需要具备良好的抗干扰能力和通信可靠性，从而更好地完成通信。

（3）拓展性。配电网区域会根据区域经济发展而发生变化，需要确保配电网在区域供电需要情况下进行动态调整，要求具有良好的拓展性。

（4）传输质量高。配电自动化系统中具有较多数量的终端，要求通信数据传输质量更高。如果通信时存在误码等情况，会使开关出现误动作，严重影响配电系统的安全运行。

（5）配电网故障时确保正常通信。在配电自动化系统出现故障时，需要及时、准确地进行故障定位和隔离，要求通信网仍可以保持正常通信，满足故障隔离与确保区域正常供电的需要。

（6）通道保护。通信网为配电自动化系统中的重要通道，需要具备良好的抗单点或多点故障能力，保证数据信息传输的可靠性[1-3]。

1.3 对通信网信息安全防护的要求

配电网自动化系统通信网要满足相关规范中的信息安全要求，在横向上进行隔离处置，在纵向上满足安全认证要求，确保通信网络的专业化。对通信网进行安全分区，制定通信网主站安全防护方案，确定固定访问策略。在终端安全接入方案制定时，需要采用终端设备来远程控制压板，确保主站系统下发指令具有良好的可靠性和安全性。无线公网要采用网络接入技术（Access Point Name，APN）+虚拟专用网络（Virtual Private Network，VPN），确保专用通信通道实现虚拟化[4]。通信主站与其他业务系统进行通信时，要对数据传输与业务范围进行严格管控，选择适应管理信息类型及生产控制类型的模块，通过安全接入通信载体和采用正反向隔离方式确保安全接入调度数据网，达到配电网自动化系统通信网的安全要求。

2 配电自动化系统通信网技术与组网

设计具有可自愈、可拓展、低时延的配电自动化系统通信网，根据配电网实际情况采用多种通信模式，确保通信通道误码率控制在0.01%，命令传输时延低于1 s，终端在线率控制在99%以上。原来的配电自动化系统采用无线扩频技术、电力线载波技术等进行通信，由于对电力网络保密性要求变得更为严格，因此需要淘汰可能被监听的无线扩频通信。在接入网中对采用无线专网通信技术和有线传输技术进行比较，回传网中对采用同步数字体系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）光传组网和光纤自愈环结构进行对比。通信网接入层为配电自动化系统神经系统的末梢部分，终端设备需要与配电电力设备共同安装。在城镇区域中，配电终端数量很多，分布于城镇区域的不同位置，运行环境存在差异。

2.1 有线通信方式

2.1.1 光纤接入设计

有源光纤通信应用范围广泛，可通过双光纤实现双向信号的传送与接收，具有很好的通信可靠性，但不具备良好的网络拓展能力，多应用于通信骨干网络。无源光通信多采用点至多点光纤通信技术，可以有效减少光纤电缆数量，具有较好的可靠性，但需要较多的投资。随着大规模光纤通信接入的实施，市政项目建设和改造等会导致光纤电缆受损而出现较多的维护量，维护起来具有较大的难度。以太网无源光网络（Ethernet Passive Optical Network，EPON）技术通过一根光纤来进行信号的传输，上行方向数据采用时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA），而下行数据应用时分复用（Technical Data Management，TDM），从而实现双向信息通信。上下行信号传输原理如图1所示。

图1 EPON通信数据上下行信号传输原理

EPON遵循国际标准通信协议，数据帧头需要配置逻辑链路标志，在维护单元（Mainte Nance Unit，MNU）注册过程中可随机获得标志位。数据信息下发通过光线路终端（Optical Line Terminal，OLT）至光网络单元（Optical Network Unit，ONU），采用广播方式进行发送。ONU会结合逻辑链路物理层来进行识别与分析，从而获取到相应的数据包，避免出现数据丢失。

采用上行模式进行数据传输时，TDMA技术以分时时隙来进行通信信息上传，OLT通信设备会结合带宽传输方案在相同时间内给ONU配置不同的带宽，结合时隙分配与时延补偿来提升传输速率。如果ONU单元通信数据采用合光方式归入至相同光纤，则每个ONU模块上行数据包不会存在干扰。典型的EPON光纤通信中，OLT安装于变电站，ONU位于开闭所。

配电自动化系统光衰耗会受到传输距离、分光比及光功率的影响，要结合线路结构选取科学合理的组网结构。对光衰耗进行计算，确定PON口下终端数量或分光结构。光通道损耗计算公式为：

式中，AT为总损耗；ALi为光衰减；ACi为连接器损耗；AFi为分光器损耗；AMi为熔接损耗。

对EPON各级组网设计时，要考虑到EPON由分光器、光纤构成。星型组网采用分路分光器，可不考虑光损耗问题，网络结构也更为简洁，多用于供电压力较大的区域。树型组网可采用多级和多路分光器进行连接，可以有效减少组网工作量，还可以为后续业务拓展提供帮助。环形组网可以更好地保护设施，不会受到单点冗余失效的影响，也可以防止出现通道断开的情况[5]。

2.1.2 电力线载波通信

采用电力线作为信息传递载体，通过调制解调器处理信息。该种通信技术成本低，可以与配电网建设保持同步。采用环状结构组网设计，每个点位通过地网结构建立起环形网络，不同台区间采用电感耦合器，应用耦合技术建立载波通道。环状组网方式较为灵活，主站可安装于变电所或开闭所，从站可设置于终端位置。电力载波通信为轮询方式，环网中站点较多，轮询周期会变长，通信实时性就会变差，可通过逻辑分区或物理环网划分为多个独立网，通过并行轮询来缩短轮询时间。星型结构组网在配电自动系统中比较多见，主站安装于变电站，设置有多台耦合设备，可以与终端进行通信连接并建立起点对多点网络。

2.2 无线通信方式

电信部门向社会开放的通信系统即为无线公网。配电自动化系统通信网可应用数据专网或无线数字数据网（Digital Data Network，DDN），由电信运营商配置网络地址来保证数据接入，进行基站认证后采用专网将数据上传至电力平台。无线DDN专网是开通VPN的通道，可以与公网进行隔离，配置私有网络地址，数据安全性高。基站对无线传输信息进行调整，配置信道资源并将数据传送给核心网，核心网处理完通信数据后发送至主站，主站对获取到通信数据进行响应后再发送给配电终端。

2.3 不同方案对比

有源光传输网采用光纤收发器来组建通信网，具有投资规模小、施工方便等优点。MSTP光传输网可通过组建光纤自愈网等实现与其他网络的互联，也可以通过SDH网来提供2M和155M通信接口。但采用光纤收发器无法解决多点断开的问题，也不具备较高的可靠性。MSTP设备的安装与施工也存在着较大的难度，不宜长期运行于恶劣的室外环境。

无源光传输可采用单纤进行通信，满足不同波长通信传输需要，通过上、下行通信可以确保每个配电点位的正常通信。通信设备数量和维护工作量少，不用与每个配电终端保持通信连接。采用OLT设备对数据信息进行集中处理，具有较高的可靠性。但由于该种组网方式采用8B/10B编码，因此传输效率不高，单纤传输时系统负荷大。

电力线载波采用专网，可实现分层管理与专网管理，随着电力线路延伸自由拓展，有着很高的组网灵活性。由于配电变压器为隔离区段，因此载波通信无法越过变压器来进行信号传输，只能在相同台区进行信号传输。跨越台区需要进行解调与调制，电力线间存在着信号损失，不同相间传输信号存在着干扰会引起误码，每个信息传输周期还会存在交流电波峰而产生脉冲干扰，使电力设备中存在运行噪声。此外，如果引起误码，还会导致安全事故。

电力SDH光纤传输网络具有高速率、高可靠性、低延迟等特点，采用字节间插复方式完成数据封装，有着很高的保密性、稳定性。开通专用时隙来实现组网，针对覆盖变电站采用以太网等方式接入光传输设备，建立通信回传网。

配电自动化系统通信专网采用光纤自愈环状构造来对所有通用点位进行覆盖，在业务保护方面具有很好的优势，但需要较大的投资。采用OLT设备作为子站，具有纤芯自愈保护结构，比SDH经济性更高。采用纤芯自愈环结构进行数据回传，可达到信息通信安全防护的目的，安全接入到应用区域。将业务管理区和业务传输进行分割，每个通信终端需要采用安全锁，通过MAC地址绑定后再对加密业务信号进行设定，从而避免出现安全入侵等问题。

3 结 论

配电自动化通信网是电力系统智能化建设的重要环节，实际建设中应该采用符合业务需要的通信网。根据相关标准，通过冗余覆盖和通信安全设计提高通信网的可靠性，从而推动通信行业的健康稳定发展。