基于混合組網(wǎng)的城市配網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)研究與設(shè)計(jì)

莫海峰 楊晴 宣磊

摘要：伴隨著城市配網(wǎng)自動化的發(fā)展，國內(nèi)配網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和發(fā)展在近年來取得了一定的成績，這些成績主要集中在一些主要城市的重點(diǎn)區(qū)域。為適應(yīng)智能配網(wǎng)發(fā)展的需求，需要對配網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和發(fā)展進(jìn)行整體的規(guī)劃和設(shè)計(jì)，明確其中的關(guān)鍵通信技術(shù)和建設(shè)的關(guān)鍵步驟。本文研究提出一套基于有線和無線混合組網(wǎng)、專網(wǎng)和公網(wǎng)并存、生產(chǎn)控制大區(qū)和管理信息大區(qū)分治的配網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案。方案結(jié)合了未來智能配網(wǎng)發(fā)展的方向和需求，為目前配網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中存在的一些問題和疑慮提供了解決的參考思路和建議。

關(guān)鍵詞：配網(wǎng)自動化；智能配網(wǎng)；配網(wǎng)通信；混合組網(wǎng)1引言

隨著現(xiàn)代社會經(jīng)濟(jì)的高速繁榮，城市智能配電網(wǎng)的建設(shè)受到了越來越多的關(guān)注。推進(jìn)和深化配電網(wǎng)自動化及智能化的建設(shè)順應(yīng)了現(xiàn)代社會發(fā)展的要求，在國家政策方面也得到了有力的扶持。在此背景下，形成了大量與配網(wǎng)智能化有關(guān)的研究及示范工程。然而，從建設(shè)現(xiàn)狀來看，現(xiàn)有的成果都處于較為離散的狀態(tài)，難以積累形成具有突破性意義的重大成果，配網(wǎng)智能化也缺乏一個完整的從底層到上層的清晰定義[1]。要解決這一問題，首先需要對智能配電網(wǎng)的底層，即配網(wǎng)信息傳遞網(wǎng)絡(luò)（或通信網(wǎng)絡(luò)）[2]，的建設(shè)及發(fā)展思路形成清晰的認(rèn)識。

目前，關(guān)于配電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，在國內(nèi)外較為認(rèn)可的思路是在主干網(wǎng)絡(luò)上采用有線的方式（條件允許的情況下采用光纖）進(jìn)行搭建，在一些接線或地理情況復(fù)雜的區(qū)域采用無線的方式進(jìn)行搭建[3]。有線的方式涉及到布線及溝渠開挖等問題，難以在城市配網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)及時、有效、低成本的組網(wǎng)，研究及示范工程建設(shè)工作也受到較大阻力。相比之下，無線組網(wǎng)的方式更容易進(jìn)行且效果容易被及時驗(yàn)證。隨著無線技術(shù)的發(fā)展，其本身在通信質(zhì)量、穩(wěn)定性、安全性等方面不斷提升，將在未來智能電網(wǎng)的建設(shè)及發(fā)展中起到重要的信息傳遞和交互的樞紐作用[4]。本文在分析配網(wǎng)自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及配網(wǎng)二次系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出一套基于有線和無線混合組網(wǎng)、專網(wǎng)和公網(wǎng)并存、生產(chǎn)控制大區(qū)和管理信息大區(qū)分治的配網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案。

2配網(wǎng)自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

要進(jìn)行配網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，首先需要對配網(wǎng)自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形成清晰的認(rèn)識。配網(wǎng)自動化系統(tǒng)是集成了現(xiàn)代電子技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、工業(yè)設(shè)計(jì)制造技術(shù)等一系列先進(jìn)技術(shù)的綜合自動化系統(tǒng)，負(fù)責(zé)采集整理配網(wǎng)的各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，包括用戶數(shù)據(jù)、運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)等，并在此基礎(chǔ)上維持和維護(hù)配網(wǎng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，提供監(jiān)測、保護(hù)、控制以及綜合管理等一系列功能。從電力系統(tǒng)角度出發(fā)縱向來看，配網(wǎng)自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一般可以分為三個層級，分別是配網(wǎng)自動化中心主站層，配網(wǎng)自動化子站層，以及配網(wǎng)自動化終端設(shè)備層。配網(wǎng)自動化中心主站層可以劃分為配網(wǎng)控制中心主站和遠(yuǎn)程配網(wǎng)控制分中心。其中，控制中心主站負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)區(qū)域的管理，遠(yuǎn)程控制分中心負(fù)責(zé)某一區(qū)域的管理。中心主站層通過各種方式獲取所轄范圍內(nèi)各配網(wǎng)自動化子站的實(shí)時信息，從整體上監(jiān)測和控制配網(wǎng)信息，分析運(yùn)行狀態(tài)，協(xié)調(diào)各個區(qū)域配網(wǎng)間的關(guān)系，保持整個配網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。顯而易見，配網(wǎng)控制中心主站是整個配網(wǎng)自動化系統(tǒng)的核心，綜合協(xié)調(diào)生產(chǎn)控制大區(qū)和管理信息大區(qū)的各類信息交互。配網(wǎng)控制中心主站與SCADA，EMS以及生產(chǎn)MIS等系統(tǒng)共享資源和信息。此外，調(diào)度運(yùn)行人員依靠配網(wǎng)控制中心主站完成設(shè)備管理、系統(tǒng)維護(hù)、安全運(yùn)行、事故預(yù)防等一系列配網(wǎng)生產(chǎn)管理核心工作。配網(wǎng)控制中心主站層主要由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和通信設(shè)備構(gòu)成，其計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通常包含多臺工作站和服務(wù)器，并和配網(wǎng)自動化子站層的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成一個局域網(wǎng)，共同實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。

配網(wǎng)自動化子站層負(fù)責(zé)連接配網(wǎng)控制中心主站層與配網(wǎng)自動化終端設(shè)備層。根據(jù)實(shí)際情況，配網(wǎng)自動化子站層可由多級自動化子站級聯(lián)組成。配網(wǎng)自動化子站層一般位于變電站或開閉所內(nèi)，完成配網(wǎng)控制中心主站層與配網(wǎng)自動化終端設(shè)備層之間信息的傳遞，并且對其所轄區(qū)域范圍內(nèi)的配網(wǎng)實(shí)施狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、隔離和恢復(fù)等。與配網(wǎng)自動化中心主站層類似，配網(wǎng)自動化子站層主要由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和通信設(shè)備構(gòu)成，但其規(guī)模和功能會不及主站層。子站層可采取多種通信方式完成向上和向下的信息交互。配網(wǎng)自動化終端設(shè)備層是整個系統(tǒng)的底層，負(fù)責(zé)底層數(shù)據(jù)信息的采集、處理和監(jiān)控以及對配網(wǎng)運(yùn)行的遠(yuǎn)程控制。設(shè)備層的主要設(shè)備是一些數(shù)據(jù)采集與控制設(shè)備，例如，柱上FTU，電纜環(huán)網(wǎng)柜FTU，開閉所RTU，配變終端TTU，抄表終端等。這些終端通過不同的通信方式，將本地信息匯總傳輸至配網(wǎng)自動化子站層。

實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)自動化系統(tǒng)功能的核心是構(gòu)建一套適用的通信系統(tǒng)，為主站層、子站層以及設(shè)備層提供通信連接。配網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集、運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控和改變以及配網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化均依賴于通信系統(tǒng)。根據(jù)配網(wǎng)自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，通信系統(tǒng)一般分為以下四個層級：

（1）配網(wǎng)自動化中心主站與配網(wǎng)控制分中心間的通信。該層通信為點(diǎn)到點(diǎn)的連接，且對通信鏈路傳輸速率、傳輸延遲、安全性、穩(wěn)定性等的要求極高，通常情況下不允許出現(xiàn)信號中斷或延遲超限。一般情況下采用專用光纖網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行構(gòu)建。

（2）配網(wǎng)自動化中心主站與配網(wǎng)自動化子站間的通信。該層通信采用點(diǎn)到點(diǎn)或環(huán)形連接，可在幾個配網(wǎng)自動化子站之間形成通信環(huán)路?？紤]到配網(wǎng)未來業(yè)務(wù)的拓展，在條件允許的情況下，應(yīng)采用專用光纖網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行構(gòu)建。

（3）配網(wǎng)自動化子站與配網(wǎng)自動化終端設(shè)備間的通信。該層通信采用星形或環(huán)形連接，目前大多使用基于TCP/IP協(xié)議的IEC101、104規(guī)約，通過屏蔽雙絞線的方式進(jìn)行通信。然而，考慮到該層通信的物理鏈路經(jīng)常發(fā)生改動，造成有線布線施工量大，可以考慮采用較為成熟的無線通信取代有線通信的方式。

（4）配網(wǎng)自動化終端設(shè)備間的通信。該層通信主要解決配電信息的本地集中問題，可以采用環(huán)形、網(wǎng)狀等多種連接方式。該層通信中，常見的通信技術(shù)包括電力載波通信，GPRS通信，屏蔽雙絞線通信等幾種方式。

3配網(wǎng)二次系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)

在進(jìn)行配網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)前，除了要對配網(wǎng)自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形成清晰的認(rèn)識，還需要依據(jù)相關(guān)部門對電力二次系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，對配網(wǎng)二次系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，以幫助對于配網(wǎng)整體通信網(wǎng)絡(luò)的合規(guī)設(shè)計(jì)。

根據(jù)電監(jiān)會第34號文《配電二次系統(tǒng)安全防護(hù)方案》[5]，有以下要求[6]：

（1）生產(chǎn)控制大區(qū)和管理信息大區(qū)橫向隔離，通過隔離裝置實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。（2）生產(chǎn)控制大區(qū)業(yè)務(wù)系統(tǒng)與被控對象之間的數(shù)據(jù)通信需要采用一定強(qiáng)度的數(shù)據(jù)加密等安全防護(hù)措施。（3）生產(chǎn)控制大區(qū)可采用專用數(shù)據(jù)網(wǎng)、公用數(shù)據(jù)網(wǎng)承載業(yè)務(wù)，但不可采用電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)或電力企業(yè)數(shù)據(jù)網(wǎng)承載業(yè)務(wù)。專用數(shù)據(jù)網(wǎng)可承載“三遙”雙向業(yè)務(wù)，公用數(shù)據(jù)網(wǎng)僅能承載“兩遙”單向業(yè)務(wù)。（4）電力企業(yè)建設(shè)的無線網(wǎng)絡(luò)屬于專用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，可以承載雙向生產(chǎn)控制大區(qū)的業(yè)務(wù)。

通過研究相關(guān)規(guī)范，提出配網(wǎng)二次系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示。

配網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)即是根據(jù)相關(guān)規(guī)范，設(shè)計(jì)上述配網(wǎng)專用數(shù)據(jù)網(wǎng)及公用數(shù)據(jù)網(wǎng)的相關(guān)通信方式，用以連通配網(wǎng)的各個業(yè)務(wù)系統(tǒng)和實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)需求。同時，設(shè)計(jì)方案必須具備合理性、可行性以及有效性。

4基于混合組網(wǎng)的配網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

配網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的總體原則是，在配網(wǎng)主干網(wǎng)絡(luò)，即配網(wǎng)自動化中心主站層到配網(wǎng)自動化子站層采用光纖網(wǎng)絡(luò)搭建電力專用數(shù)據(jù)網(wǎng)，在配網(wǎng)主干網(wǎng)絡(luò)以下，因地制宜的采用有線結(jié)合無線，多種通信方式并用的方式進(jìn)行通信網(wǎng)絡(luò)的搭建，可以建立電力專用數(shù)據(jù)網(wǎng)，也可以利用無線公網(wǎng)，推薦前者。涉及到配網(wǎng)自動化系統(tǒng)以外的其它配網(wǎng)業(yè)務(wù)，如企業(yè)辦公、現(xiàn)場作業(yè)支撐等，根據(jù)業(yè)務(wù)種類，可使用電力專用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、企業(yè)數(shù)據(jù)網(wǎng)或無線公網(wǎng)。在目前的條件下，光纖通信技術(shù)已經(jīng)較為成熟且成本控制的較低，因此，新建的主站層到子站層通信網(wǎng)絡(luò)連接不再考慮采用屏蔽雙絞線或電力載波通信等網(wǎng)絡(luò)搭建方式，EPON光纖通信網(wǎng)絡(luò)[7]覆蓋至3.5kV及以上線路主要節(jié)點(diǎn)是未來配網(wǎng)發(fā)展的大趨勢。對于一些舊的站點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)升級改造，不便搭建光纖專用網(wǎng)絡(luò)的，可以利用電力線載波通信技術(shù)或無線通信技術(shù)搭建通信專網(wǎng)，在條件允許的情況下，應(yīng)升級為光纖電力專用網(wǎng)絡(luò)。在配網(wǎng)系統(tǒng)中涉及到“兩遙”業(yè)務(wù)的部分可考慮利用公用無線網(wǎng)絡(luò)資源，但涉及“遙控”及“遙調(diào)”業(yè)務(wù)的部分必須采用專用網(wǎng)絡(luò)，專用網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)業(yè)務(wù)需求選取不同種類的通信方式進(jìn)行搭建，但必須保證網(wǎng)絡(luò)的安全性和可靠性。配網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)整體框架及通信方式設(shè)計(jì)如圖2所示。

在進(jìn)行配網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)整體框架設(shè)計(jì)時，按照電力二次系統(tǒng)安全防護(hù)總體方案中橫向隔離的要求，將生產(chǎn)控制大區(qū)業(yè)務(wù)和管理信息大區(qū)業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)需求分開。如前所述，涉及到“遙控”和“遙調(diào)”的控制類業(yè)務(wù)，必須使用電力專用數(shù)據(jù)網(wǎng)。目前國內(nèi)的配網(wǎng)自動化建設(shè)主要是為實(shí)現(xiàn)“遙測”和“遙信”，還沒有過多的涉及到配網(wǎng)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程管理控制。必須注意的是，貫通整個電力系統(tǒng)發(fā)、輸、變、配、用電全過程的電力專用數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)是未來智能電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢，也是重要目標(biāo)之一。因此，在客觀條件允許的情況下，配網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)過程中應(yīng)盡可能的投入建設(shè)電力專用數(shù)據(jù)通信網(wǎng)。另外，隨著無線技術(shù)的不斷發(fā)展，其在安全性及可靠性等方面的性能逐漸提升，例如衛(wèi)星通信技術(shù)以及廣域無線通信技術(shù)（如WiMax、IEEE 802.22、IEEE802.11af等），隨著這些無線專網(wǎng)技術(shù)的成熟，它們將在電力專用數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的建設(shè)中發(fā)揮重要的作用。相比有線通信方式，除了建站方便、節(jié)約建設(shè)成本等優(yōu)勢，無線通信方式在容災(zāi)等方面也具備先天的優(yōu)勢。根據(jù)南方電網(wǎng)公司《110kV及以下配電網(wǎng)裝備技術(shù)導(dǎo)則》Q/CSG 10703-2009中提出的，對于配網(wǎng)通信系統(tǒng)的建設(shè)“應(yīng)積極關(guān)注通信新技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，遵循先試點(diǎn)后推廣的原則，為配電網(wǎng)系統(tǒng)通信提供更多靈活的解決方案”，研究將這些新興通信技術(shù)應(yīng)用于配網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)應(yīng)被列為重點(diǎn)工作之一，而這些新技術(shù)本身也將對提高配網(wǎng)生產(chǎn)效率，提升配網(wǎng)服務(wù)質(zhì)量起到積極的促進(jìn)作用。

5結(jié)語

總體來說，配網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)是一個長期、巨大而且復(fù)雜的工程，需要整體的規(guī)劃和設(shè)計(jì)，盡可能的避免重復(fù)建設(shè)和資源浪費(fèi)。依照報告中提出的基于有線和無線混合組網(wǎng)、專網(wǎng)和公網(wǎng)并存、生產(chǎn)控制大區(qū)和管理信息大區(qū)分治的配網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案，可以開展一系列的相關(guān)研究和試點(diǎn)建設(shè)工作，推進(jìn)配網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)的蓬勃發(fā)展。

[參考文獻(xiàn)]

[1]何光宇,孫英云.智能電網(wǎng)基礎(chǔ).智能電網(wǎng)基礎(chǔ)中國電力出版社,2010.

[2]黃盛.智能配電網(wǎng)通信業(yè)務(wù)需求分析及技術(shù)方案[J].電力系統(tǒng)通信, 2010(6):10-12.

[3]木樹娟,黃銘,余江,等.智能電網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)分析及關(guān)鍵技術(shù)探討[J]. 電力系統(tǒng)通信,2011,32(7):76-80.

[4]范寅秋,弭娟.無線專網(wǎng)技術(shù)在智能配網(wǎng)中的應(yīng)用[J].電腦知識與技術(shù)，2011,7(5):1103-1108.

[5]錢鋼,葉志軍,秦哲.基于EPON的配網(wǎng)通信技術(shù)研究[J].移動通信, 2013,37(18):39-43.

[6]Flores A,Guerra R,Knightly E,et al.IEEE 802.11 af:a standard for TV white space spectrum sharing[J].IEEE Communications Magazine,2013,51(10):92-100.