配电网自动化通信系统的设计

海南电网有限责任公司三亚供电局配电管理中心 刘怀远

配电网也被成为配电系统，主要以降压、传输等方法利用配电站进行供电。在配电网运行过程中配电网通信设计具有核心性，具有搜集数据、传递信息及完善配电网运行状态等功能，此系统可通过高效的通信方法准确发送控制重心的命令，并将各配电站端及搜集的信息数据及时传输回控制中心。在互联网时代下，配电网自动化通信系统的发展愈发完善，但仍需加强和信息技术与相关设备的配合，以此提高系统的运行效率。

1 配电网自动化通信系统的总体要求

随着我国社会主义建设逐渐深入，对配电网自动化通信系统提出了更高层次的要求，对通信网络建设提出更高质的需求。优化自动化通信系统的整体框架和性能，能持续完善通信网络结构。所以一定要落实设计的总体要求，重视建设规模和自动化水平。配电管理系统（DMS）分为配网自动化系统（DAS）（配电SCADA 系统、馈线自动化（FA）系统、变电所（SA）自动化系统、负荷管理（LM）系统、自动读表（AMR）系统）与配电系统（GIS）。

提高传输能力。此系统的主要功能是对配电网运行进行动态监控，并可精准分析传送数据。所以在设计时对传输能力要求较高，要求有较快的传输速度和效率。设备运作时，主站能对FTU、TTU 等整合的数据进行周期召唤，如发现设备故障传输数量会迅速增加，可让工作人员及时处理和反馈。

可靠性。从配电网通信系统运行实际分析可知，很多设备都会暴露于户外，常常会遭遇极端天气，降低其功能、出现老化问题。所以在设计时要坚持可靠性原则，提高设计质量、抵抗极端天气、降低天气对设备的影响程度。同时雷暴天气和磁场环境也会影响设备运行效果，在设计时还要考虑抗雷电干扰等因素。同时，配电自动化通信系统要能处理停电等问题，若是故障区需隔离或供电区需停电时，要求配电网自动化通信设备始终维持着良好的运行状态。

双向性和时效性。运行时主站和终端间存在上下级传送关系，所以在设计通信系统时一定要意识到信息双向传送的重要性，在运作时要向终端传输信息数据，完成前半段传输任务。而后半段传输任务是终端要将传输情况向主站报告。这种模式最终衍生成双向性信息流动机制，可解决设备故障问题，让主站在最短时间内掌握终端的运行情况、提高工作效率，为用户提供更优质的服务。双向传递还能提高故障排查效率，减少人力成本。同时还要求具有时效性，要兼顾可靠性和时效性，避免在搜集和传输过程中出现延迟等问题，降低用户使用体验[1]。

灵活性。配电网自动化系统拥有多类、大量的监测设备，要接收各类信息数据，通信系统规模大、范围广，再加上设备长期暴露在外部环境中，配电网设备功能完备，需处理多种问题，所以需加强通信系统的灵活性和适配性。无论是何种温度、条件都不能降低系统的精准性和流畅性，要严格遵守协议开展通信工作。同时还要方便安装、拆卸与维护，通过选择合适的通信协议，提高系统的兼容性。

2 配电网自动化通信方法

我国通信技术快速进步，配电网自动化通信系统能拥有多类通信方式。其中主要有线与无线，前者包含光线通信、配电线载波通信等，后者包含无限扩频通信等。

2.1 光纤通信

此种通信方法以光波为传送载体，其中光导纤维具有核心性。其优势是传输数量大、传送程序衰减低，能满足长距离传送要求，抵抗电磁波的能力较强，埋于地下不受影响。一般情况由电端机、光缆和光端机构成，如今光纤通信波长是微米级别，传输效果非常好。通过中间再生法可降低噪音影响，转变波形。此类通信的原理是：以电端机为载体，将多种不同类型的模拟、数字信号转为电信号，然后由光端机转为光信号。传输过程中以光电二极管为中介接收端检测传输信号，再转为电信号继续传输。当前，光纤传输技术水平日益提高并趋于成熟，设备成本降低、效率变高，在配电网自动化通信领域普遍应用。

2.2 现场总线通信

主要应用于生产现场，通过利用微机化测量控制设备，用其双向串行数字进行通信，因此此种通信法具有数字化等特征。其技术操作性非常强，无论是多对多还是一对多的通信都能实现，加强了设备、系统之间的交互性，随着环境变化而变化设计，抗干扰性强、运行稳定[2]，此种通信方式还能应用同轴线缆等设备。应用于配电网自动化通信系统时，能符合FTU 与各个工作站的通信要求，能提高智能模块的通信效果。

2.3 无线扩频通信

此种方法非常先进，相比于普通的通信方法需要更远的带宽。在通信时，利用高速、高率的扩频传输信息数据，终端也会以此种方法进行接收和恢复。如信噪比条件一致，那么带宽越宽抗干扰性就越强。同时无线扩频通信的隐蔽性也很好，用户仅对自己的扩频码进行配比就可以，以此进行信息传输，避免用户相互干扰。应用于配电网自动化通信系统时，无线扩频通信技术主要适用在小型变电所，同时能满足进行集结分散测控对象的工作站和配电控制中心的通信要求。

2.4 GPRS 通信

此类通信方式的主体是中国移动公司，以GSM公网为载体创设的无线数据传输系统。此类通信方式能连接移动端与数据网络、方便通信，提高通信速度与服务质量。GPRS 通信具有性价比高、接入快、频率利用强、安全性强等优势。对于配电自动化通信系统，应将GPRS 通信用于拥有间断、传输少等特征的传输领域。

2.5 载波通信

作为一种较为常见的通信方式，将电力线设置为信息通道，其设备常分布在发电厂等区域。电力与有线载波通信具有相似性，二者原理相通，前者以50Hz 工频电能为核心维持通信，电流、电压较大。尤其是随着我国电能需求愈发大，设备应用愈发频繁，高频谐波的影响逐渐加大。相较于普通通信，电力载波通信具有两类特征。

第一种是耦合器特殊，电流、电压大，所以需配备高质量、抗高压的耦合元件，保证载波通信设备与电力设备良性接触。此类元件既需要良好传输工频电流，也需要传输载波信号。第二类是通频带特殊，此类通信具有在电力网架空线路、50Hz 工频谐波及无线通信信号方面具有特殊性，会产生一定影响，由此要严格遵守我国规定的频带范围。同时其干扰源也非常特殊，电晕现象影响严重，特殊信噪比需提高发信功率。相较于普通通信方式，此种通信方式能降低通信成本、建设成本，不需要铺设专用通信线路，例如电话线等。覆盖范阔广，在通信规模方面无可比拟，能够覆盖各个用户，为通信网发展创造广阔空间。

3 配电网自动化通信系统的设计构思

3.1 层次划分

配电网自动化通信系统由多个结构构成，不仅有传输速度快、容量大、时效性强的区域到中心的通信，还有FTU 与TTU，前者是线路分段开关测控装置，后者是配电变压器测控装置，二者非常重视通信的可靠性，同时还有不具有上述优势但通信数量很大的智能电能表到中心的通信。由此可知，传统的通信方式非常单一，不能满足日益发展的配电网自动化通信系统的需求，要依据系统功能需求，将其划分为三层。

首先是主干道通信层，其主要应用于区域工作站、系统中心的通信，具有核心作用，传输速度快、容量庞大，并能具有加强可靠性，其质量直接决定着整体系统和网络的效果；其次是基础通信层，主要通过FTU 与TTU 进行区域工作站通信，将主干道通信层搜集的信息数据传输到控制中心立。第二通信层虽然传输数量较小，但具有可靠性、时效性等优势，其质量影响范围只限于部分网络；最后是末端通信层，通过智能电能表设置的TTU 进行通信，通过二层通信将信息数据传送给区域工作站，同样传输数据数量较小，对时效性和传送速度要求不高，但非常重视传送的可靠性[3]。

图1 配电网自动化通信系统层次图

3.2 混合通信系统设计

3.2.1 考虑要素

可应用主网、配网已经设置的通信设施，如开闭所的通信光纤等，能减少建设成本和资源浪费，避免出现重复建设情况。为提高处理配电网自动化系统搜集的复杂、庞大的信息数据的效率，可建设区域工作站，其主要功能是搜集、管控和传输FTU与TTU 的数据信息，其范围取决于配电网的具体情况。对于区域工作站，可先建设开闭所、变电站，既能减少厂房建设成本、还能双向利用资源。

如应用双绞线通信，还能降电力线路设为通信走廊，节约资源。无论通信层采用各种通信方式，都要综合考量通信的时效性、传输数量等要素，同时还要考虑以地形地势为代表的外在要素。如，一般情况下第二通信层可应用双绞线或者无线扩频，但在崎岖的山区只能应用双绞线，并还要依据不同层次采取的不同通信方法，配置不同的通信规约。

3.2.2 通信方式的选定

选择通信方式时，既要考虑配电网自动化通信需求，也要符合经济效益。可依据不同通信层次的要求，将其选定的通信方法糅合，最终建构混合通信系统，充分发挥通信方式优势，规避缺陷，解决系统中的复杂难题。

第一层通信，要应用质量高、成本高的通信设备，如光纤等。在系统调节自动化、打造无人值班的变电站过程中，从调度中心到变电站都设置了光纤等设备，如果加强区域和变电站的集合，就可将预先设置的通信设备作为第一通信层，可直接将信息数据传送到控制中心，减少了通信成本、提升了通信质量；第二通信层要应用双绞线等通信设备，在选择时要综合考量地区情况；第三通信层要集中力量解决抄表问题，其不要求时效性和可靠性，但面对通信点直接影响着国民生活和投资量，需采用低压多路数字载波。对于抄表问题，可利用TTU 将电量传输给控制中心，或也可设计电话机抄系统。3.2.3 混合通信系统特征

首先此种系统可综合多种层次和通信方式，融合此些通信方式的优势，提升通信质量，合理利用资源，性价比非常高；其次可应用原有设备，避免重新建设和花销；最后，虽然多种方式并存的优势显著，但也提高了传送信息数据的难度。

3.3 通信规约

因此系统融合了多种通信方式，所以一定要加强规约建设。如今主要采用的规约有应答式规约、对等式规约等，但并不能完全符合自动化系统的要求。如，系统中区域站的规模和容量大、但FTU 与TTU 容量小。传统规约主要应用于中等规模的终端，不能满足FTU 与TTU 的要求。同时大部分规约不能满足远方下定值等要求。所以在运行配电网自动化系统时要做好传统规约的扩展工作，要动态调整应答式规约。但无论是修改应答式规约还是循环式规约都存在一定问题，需在兼顾通信技术与经济效益基础上设计混合通信系统[4]。

综上，在设计配电网自动化通信系统时，要精准掌握设计要求，详细分析设计过程中产生的各种问题，针对性解决。不能局限于单方面的通信，要意识到混合通信的重要性，充分利用各项技术和通信方法，提高自动化系统的运行水平。要坚持从实际出发，根据不同的环境、标准进行调整、改良和完善，加大人力物力投入，充分发挥配电网自动化系统的作用、发掘其价值，改善电力环境，提高生产方式各和生活水平。