智能配电网通信技术研究

摘要：配电通讯网是电力通信网的重要组成部分，一直以来由于缺乏适用的组网解救方案，成为电力通信网薄弱环节和制约智能电网在配用电侧应用的瓶颈。目前光纤通信作为在建配电网的主流通信方式，具备通信容量大、损耗低、传输距离长、抗电磁干扰能力强、传输质量佳、通信速度快等优点。文章论述了智能配电网通信技术，为智能配电网通信平台建设提供参考。

关键词：智能配电网；通信技术；工业以太网交换机；工业EPON

中图分类号：TM727 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）07-0003-04

一、概述

智能电网（Smart Grid）中配电网部分的内容包括ATI、ADO、ATO、AAM四个部分，智能配电网（Smart Distribution Automation）在电力通信中发挥重要作用。

配电通讯网是电力通信网的重要组成部分，当前，利用先进技术，建立智能配电通信网，实现电力通讯智能化，为设备系统提供提供即插即用的电力通信保障，支持灵活接入，满足广大用户对电力通讯网络的要求，提供信息交互通讯渠道，是目前配电网部分急需解决的。

配网通信包括三种技术：光通信、无线通信和低压电力线载波。智能配电通信网覆盖ADO中高级配电自动化、网络保护和分布式能源接入的业务节点，覆盖AMI中智能电表和负荷控制管理的业务节点，覆盖AAM中设备运行状态监节测点，各类业务覆盖面、通信通道的需求各异。因而需要分别对它们进行分析，为配电通信网建设的技术选型和方案选择提供一定的依据。

二、智能配电通信网业务需求状况

（一）ADO通信需求

ADO是目前智能电网装备最为薄弱的环节，但它可以为智能配电网监测、控制和用户互动等业务提供安全可靠的通智能配电通信。

在今天，智能电网保护方式已经不同于过去传统的不需要通道的电流保护方式，而是利用配网通讯通道进行纵联网络保护。因为配电网只是需要保护电器元件，不需要考虑电力系统的稳定性，因而其动作时间比高压输电网线路保护的动作时间长，一般应为500～700ms，通信通道时间延长应该小于100ms，通讯信息带宽大约64K～1M。

1．高级配电自动化通信需求：为满足配电网FTU、DTU和TTU设备的监控测量信息、自愈控制信息以及故障定位信息的输送，智能配电网自动动作速度应小于3s，这样可以节省电器元件采集和调度系统的处理时间。单向通信通道时间延长要小于500s， 双向通信通道时间延长要小于1s，带宽大约应为30k级。

2．储能站通信需求：分布式电源、储能站状态监测、控制、管理信息与配电网调度端交互通信时延是秒级，通信带宽大概是64K～1M级。

分布式能源站DER（Distributed Energy Resources）：SCADA、AGC、AVC控制信息与配电网调度端交互通信时延是秒级，通信带宽约为30K级。

分布式能源站预测负荷曲线大约是15分钟一次，24小时中96点预测点曲线上传调度端，通信时延是分钟级，通信带宽应大约是5k级。

（二）AMI通信需求

1．智能电表通信需求。电力用户智能电表需要定期收集用户用电量信息，为各用户传递实时电费、分时电价以及智能家电控制等信息，调度用电功率与状态等信息，假设需要配电400个台区，20万户智能电表，每个电表设定每分钟300字节信息量，则各智能电表先通过RS485电缆、载波、WiFi等方式汇聚到台区集中点，后通过配电网传送，其通信的每一个110kV站通常有20条10kV出线，带宽应小于0.01K/s。

2．负荷需求侧管理的通信需求。对大负荷用户，需要进行包括负荷预测、电能质量监测、负荷控制参数下发等功能的负荷需求侧管理，其带宽要求应为5K级别，时间延长为分钟级别。

（三）AAM通信需求

为提高电网资产利用率，必须实施对电网设备全生命周期的管理。需要在线监控全网设备（线路）运行的状态，上提检修效率，增长使用寿命。设备运行状态监测是秒级业务，单点流量大概是4K，110kV站覆盖配网范围内所拥有的监测信息点有：变压器、断路器、避雷器、二次设备、线路故障指示器等，数量大概是2000个。

（四）汇总智能配电通信网业务需求

配电网范围通常按照110kV变电站向下配电输送范围来统计，因此，配电网通信业务流量计算亦应按110kV变电站的覆盖范围计算。综上所述，智能配电通信网业务需求应该如表1所示。

智能配电网通信业务通常可以分为非实时监测管理业务以及实时控制业务。非实时监测和管理业务多用于覆盖多的无线宽带通信平台，信息的非实时传送主要靠应用层重送机制保证。高可靠低时延的光纤通信平台则主要使用实时控制业务处理。

110kV变电站覆盖范围的配网无线宽带通信的带宽的需要求如下：60K分布式能源站负荷预测，2M智能电表、1M负荷需求控制管理，8M设备运行状态监测信息，总计为12Mb/s。

110kV变电站覆盖范围的配网光纤通信带宽需求是：纵联网络保护为60M、高级配电自动化为9M、分布式能源站SCADA、AGC、AVC控制为360K、储能站监测管理为4M，总计73Mb/s，兼并无线业务流量，在光传输网上流量合计为85Mb/s。

三、通信技术方面的考量

智能配电网系统配电节点多，分布地域广泛，由配电用户、配电箱、环网柜、变电所、配电箱和配电中心机房等组成，它们之间利用馈线连接，同时需借助于通信设备把各节点连接起来，管理和控制各种监控和测量的运行设备。如此一来，就必须建立高速、双向的通信系统等基础通信系统的支持，获取、保护和控制智能电网的数据，这也是迈向智能电网的第一步。通信系统与电网类似，它深透千家万户，因此配电网络和通信网络必须紧密联系，这样也即可实现智能配电网的目标。高速、双向的通信系统的运作，让智能电网变成一个动态的、实时信息和电力交换互动的大型基础设施。当此种通信系统建成后，它可以大大提高电网的供电可靠性，提升资产的利用率，推动电力市场发展，抵御电网受到的各类灾害，进而提高电网的使用价值。

四、智能配电网通信系统的特点

智能配电网需要一个有效的广域通信网，在主站系统与配电终端单元或现场智能装置之间传递数据和控制、调节命令。智能配电网的通信系统特点如下：

（一）通信终端节点数量多

配电网有很多变电站、开闭所和配电变压器，还有线路的重合闸、负荷开关和无功补偿装置等，需要很多现场智能设备或者远方终端节点对这些智能设备进行监控。如果深入到低压用户的自动读表和控制终端，则终端节点数量需求更多。

（二）通信距离近

区域DTU TTU集中器等终端的数据主要由小区的开闭终端单元汇集转发，其通信距离一般小于5公里。由于地区配电覆盖的区域可能相对小，各智能配电网通信节点间的距离比较近。所以采取小区分支通信与主干通信相搭配为常见的智能配电方案。

（三）通信数据量不大

在目前国内的状况，主要采用电缆传输技术通信。而电缆传输信号的质量比较差，采集到的数据结果往往几乎无法使用。大量的线路开关、配电变压器等是智能配电网远方终端单元的监控对象，它们的通信数据量很有限。一些配电变电站、开闭所或配电网的子站，它们的数据通信量对比输变电网络还是小一点。无线通信技术可分为无线专网和无线公网两类，无线专网的建设受制于频段申请等原因，无线公网主要使用已有的2.5G/3G移动运营商网络，通信费用比较高，而且上线率低。因此，利用光纤通信技术建设高品质的智能配电网，是目前的最佳选择，光纤通信技术具有低误码率、高速率、强保密性、抗强电磁干扰等特点。

五、系统结构

智能配网通信网无线通信大范围的覆盖主要依靠光纤通信来重点保障，载波通信接入补充。在最近几年的小规模配电网试点中，大多采用了工业的两种光纤通信技术，即太网交换机和以太网无源光网络（Etherent Passive Optical Network，EPON）。虽然两种通信技术都是以太网技术为基础，但它们无论在物理层还是数据链路层都存在极大差异。

在物理层上，工业以太网交换机的发光原理与同步数字序列（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）一样，是依据一束光完成一条线路的信号传送。EPON无源光网络是借助无源分光器件，将一束光分为多束光，一起完成主节点光缆终端设备（Optical Line Terminal，OLT）到各分支节点ONU的信号传送；上行时通过无源分光器件，将光节点（Optical Network Unit，ONU）发出的光信号汇聚到OLT。

在数据链路层上，工业以太网络各节点处在平等地位，不需集中控制，通过查询MAC地址表来完成数据寻址工作。交换机采用CSMA/CD载波监听多路访问/冲突检测机制，完成公共通道上传送数据中出现的常见问题（大多是数据碰撞问题）处理。EPON无源光网络则是主从结构，上行数据全部汇聚到OLT，由OLT集中控制，再通过查询MAC地址来表寻址。采用MPCP多点控制协议，通过测距技术和TDMA技术来处理上行数据碰撞问题。在配电网中，为便于施工和维护管理、一般沿着电力电缆铺设光纤。下面根据一次网架结构需要，分析两种技术的组网方案与通信网络的拓扑与通信网络的性能的相关性。

由两个变电站对一片区域进行供电110kV手拉手网架结构，是目前运用最广泛的网架结构，它安全可靠。环网拓扑应用于工业以太网交换机，双链型拓扑应用于EPON无源光网络。

这两种拓扑结构保护的范围差不多，都可以实现设备级和网络级的保护。有时会发生一些如环网在两点失效后，部分站点的通信中断的小概率事件。由于目前配电网自动化的通信数据流比较小，两者在时延方面都可以满足需求。

两者差异主要表现在10kV站点通信的信息流走向以及光纤占用的数量的不同。

工业以太网交换机组环网光纤需要的数量恒定为2或4纤，没有站点个数的限制；EPON在站点较多时下需要使用PON口和光纤，因为多个一束光分化为多束光后，消耗较大，单PON口下带的站点数量十分有限。

在配电网络规模比较大的将来，就地式的故障处理模式主流处理模式应该是就地式的故障处理，而其业务流量将由汇聚10kV站点通信。各工业以太网交换机之间是平等关系，相邻10kV站点就能直接通信，托延时间的几率极小；EPON为主从关系，相邻10kV站点的通信就需要在同一OLT内部或者不同OLT间相互实现，延时的几率较大。

采取EPON无源光网络单电源树型供电的一次网架，网络拓扑对应为树型。用工业以太网交换机的扩展的方式不够灵活，成本偏高，可靠性要求也比较差，是配网自动化的实施过程中的改造对象。

综上我们可以看出配网的未来发展，优质供电区的一次网架结构一定会朝着多电源多联络的趋势向前发展，因为网络和设备的复杂，EPON无源光网络在实现大于两条链路的切换时不够方便，不如工业以太网交换机更为合适。

配电网的通信网在承载配电网自动化的遥信、遥测、遥控和遥调业务发挥着重要作用，也将承载着新出现的监测传感业务和用电网业务。依据各部分中通信业务时延、带等需求的不同，智能配电网大致分为实时控制业务、非实时监测和管理业务。结合配网通信网建设的可靠性和经济性以及安全性，工业以太网交换机凭借着其能适应特殊环境、较强的稳定性和环网可靠性特点，必然在智能配电网通信平台建设过程发挥重要作用，最终由此建成既安全又可靠的智能配电网。

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