基于混合组网的城市配网通信网络研究与设计

莫海峰 杨晴 宣磊

摘要：伴随着城市配网自动化的发展，国内配网通信网络的建设和发展在近年来取得了一定的成绩，这些成绩主要集中在一些主要城市的重点区域。为适应智能配网发展的需求，需要对配网通信网络的建设和发展进行整体的规划和设计，明确其中的关键通信技术和建设的关键步骤。本文研究提出一套基于有线和无线混合组网、专网和公网并存、生产控制大区和管理信息大区分治的配网通信网络设计方案。方案结合了未来智能配网发展的方向和需求，为目前配网通信网络建设中存在的一些问题和疑虑提供了解决的参考思路和建议。

关键词：配网自动化；智能配网；配网通信；混合组网1引言

随着现代社会经济的高速繁荣，城市智能配电网的建设受到了越来越多的关注。推进和深化配电网自动化及智能化的建设顺应了现代社会发展的要求，在国家政策方面也得到了有力的扶持。在此背景下，形成了大量与配网智能化有关的研究及示范工程。然而，从建设现状来看，现有的成果都处于较为离散的状态，难以积累形成具有突破性意义的重大成果，配网智能化也缺乏一个完整的从底层到上层的清晰定义[1]。要解决这一问题，首先需要对智能配电网的底层，即配网信息传递网络（或通信网络）[2]，的建设及发展思路形成清晰的认识。

目前，关于配电网通信网络的建设，在国内外较为认可的思路是在主干网络上采用有线的方式（条件允许的情况下采用光纤）进行搭建，在一些接线或地理情况复杂的区域采用无线的方式进行搭建[3]。有线的方式涉及到布线及沟渠开挖等问题，难以在城市配网中实现及时、有效、低成本的组网，研究及示范工程建设工作也受到较大阻力。相比之下，无线组网的方式更容易进行且效果容易被及时验证。随着无线技术的发展，其本身在通信质量、稳定性、安全性等方面不断提升，将在未来智能电网的建设及发展中起到重要的信息传递和交互的枢纽作用[4]。本文在分析配网自动化系统结构以及配网二次系统逻辑结构的基础上，提出一套基于有线和无线混合组网、专网和公网并存、生产控制大区和管理信息大区分治的配网通信网络设计方案。

2配网自动化系统结构

要进行配网通信网络的设计，首先需要对配网自动化系统的结构形成清晰的认识。配网自动化系统是集成了现代电子技术、通信技术、计算机网络技术、工业设计制造技术等一系列先进技术的综合自动化系统，负责采集整理配网的各类业务数据，包括用户数据、运行状态数据、电网结构数据、地理信息数据等，并在此基础上维持和维护配网系统的正常运行，提供监测、保护、控制以及综合管理等一系列功能。从电力系统角度出发纵向来看，配网自动化系统结构一般可以分为三个层级，分别是配网自动化中心主站层，配网自动化子站层，以及配网自动化终端设备层。配网自动化中心主站层可以划分为配网控制中心主站和远程配网控制分中心。其中，控制中心主站负责整个系统区域的管理，远程控制分中心负责某一区域的管理。中心主站层通过各种方式获取所辖范围内各配网自动化子站的实时信息，从整体上监测和控制配网信息，分析运行状态，协调各个区域配网间的关系，保持整个配网的稳定运行。显而易见，配网控制中心主站是整个配网自动化系统的核心，综合协调生产控制大区和管理信息大区的各类信息交互。配网控制中心主站与SCADA，EMS以及生产MIS等系统共享资源和信息。此外，调度运行人员依靠配网控制中心主站完成设备管理、系统维护、安全运行、事故预防等一系列配网生产管理核心工作。配网控制中心主站层主要由计算机网络设备和通信设备构成，其计算机系统通常包含多台工作站和服务器，并和配网自动化子站层的计算机系统构成一个局域网，共同实现系统功能。

配网自动化子站层负责连接配网控制中心主站层与配网自动化终端设备层。根据实际情况，配网自动化子站层可由多级自动化子站级联组成。配网自动化子站层一般位于变电站或开闭所内，完成配网控制中心主站层与配网自动化终端设备层之间信息的传递，并且对其所辖区域范围内的配网實施状态监测、故障诊断、隔离和恢复等。与配网自动化中心主站层类似，配网自动化子站层主要由计算机网络设备和通信设备构成，但其规模和功能会不及主站层。子站层可采取多种通信方式完成向上和向下的信息交互。配网自动化终端设备层是整个系统的底层，负责底层数据信息的采集、处理和监控以及对配网运行的远程控制。设备层的主要设备是一些数据采集与控制设备，例如，柱上FTU，电缆环网柜FTU，开闭所RTU，配变终端TTU，抄表终端等。这些终端通过不同的通信方式，将本地信息汇总传输至配网自动化子站层。

实现配网自动化系统功能的核心是构建一套适用的通信系统，为主站层、子站层以及设备层提供通信连接。配网运行数据的采集、运行状态的监控和改变以及配网运行参数的优化均依赖于通信系统。根据配网自动化系统的结构，通信系统一般分为以下四个层级：

（1）配网自动化中心主站与配网控制分中心间的通信。该层通信为点到点的连接，且对通信链路传输速率、传输延迟、安全性、稳定性等的要求极高，通常情况下不允许出现信号中断或延迟超限。一般情况下采用专用光纤网络进行构建。

（2）配网自动化中心主站与配网自动化子站间的通信。该层通信采用点到点或环形连接，可在几个配网自动化子站之间形成通信环路。考虑到配网未来业务的拓展，在条件允许的情况下，应采用专用光纤网络进行构建。

（3）配网自动化子站与配网自动化终端设备间的通信。该层通信采用星形或环形连接，目前大多使用基于TCP/IP协议的IEC101、104规约，通过屏蔽双绞线的方式进行通信。然而，考虑到该层通信的物理链路经常发生改动，造成有线布线施工量大，可以考虑采用较为成熟的无线通信取代有线通信的方式。

（4）配网自动化终端设备间的通信。该层通信主要解决配电信息的本地集中问题，可以采用环形、网状等多种连接方式。该层通信中，常见的通信技术包括电力载波通信，GPRS通信，屏蔽双绞线通信等几种方式。

3配网二次系统逻辑结构

在进行配网通信网络设计前，除了要对配网自动化系统的结构形成清晰的认识，还需要依据相关部门对电力二次系统的设计要求，对配网二次系统的逻辑结构进行分析，以帮助对于配网整体通信网络的合规设计。

根据电监会第34号文《配电二次系统安全防护方案》[5]，有以下要求[6]：

（1）生产控制大区和管理信息大区横向隔离，通过隔离装置实现数据交换。（2）生产控制大区业务系统与被控对象之间的数据通信需要采用一定强度的数据加密等安全防护措施。（3）生产控制大区可采用专用数据网、公用数据网承载业务，但不可采用电力调度数据网或电力企业数据网承载业务。专用数据网可承载“三遥”双向业务，公用数据网仅能承载“两遥”单向业务。（4）电力企业建设的无线网络属于专用数据网络，可以承载双向生产控制大区的业务。

通过研究相关规范，提出配网二次系统的逻辑结构如图1所示。

配网通信网络的设计即是根据相关规范，设计上述配网专用数据网及公用数据网的相关通信方式，用以连通配网的各个业务系统和实现业务需求。同时，设计方案必须具备合理性、可行性以及有效性。

4基于混合组网的配网通信网络设计

配网通信网络设计的总体原则是，在配网主干网络，即配网自动化中心主站层到配网自动化子站层采用光纤网络搭建电力专用数据网，在配网主干网络以下，因地制宜的采用有线结合无线，多种通信方式并用的方式进行通信网络的搭建，可以建立电力专用数据网，也可以利用无线公网，推荐前者。涉及到配网自动化系统以外的其它配网业务，如企业办公、现场作业支撑等，根据业务种类，可使用电力专用数据网络、企业数据网或无线公网。在目前的条件下，光纤通信技术已经较为成熟且成本控制的较低，因此，新建的主站层到子站层通信网络连接不再考虑采用屏蔽双绞线或电力载波通信等网络搭建方式，EPON光纤通信网络[7]覆盖至3.5kV及以上线路主要节点是未来配网发展的大趋势。对于一些旧的站点的网络升级改造，不便搭建光纤专用网络的，可以利用电力线载波通信技术或无线通信技术搭建通信专网，在条件允许的情况下，应升级为光纤电力专用网络。在配网系统中涉及到“两遥”业务的部分可考虑利用公用无线网络资源，但涉及“遥控”及“遥调”业务的部分必须采用专用网络，专用网络可以根据业务需求选取不同种类的通信方式进行搭建，但必须保证网络的安全性和可靠性。配网通信网络整体框架及通信方式设计如图2所示。

在进行配网通信网络整体框架设计时，按照电力二次系统安全防护总体方案中横向隔离的要求，将生产控制大区业务和管理信息大区业务的网络需求分开。如前所述，涉及到“遥控”和“遥调”的控制类业务，必须使用电力专用数据网。目前国内的配网自动化建设主要是为实现“遥测”和“遥信”，還没有过多的涉及到配网系统的远程管理控制。必须注意的是，贯通整个电力系统发、输、变、配、用电全过程的电力专用数据通信网络的建设是未来智能电网发展的必然趋势，也是重要目标之一。因此，在客观条件允许的情况下，配网通信网络建设过程中应尽可能的投入建设电力专用数据通信网。另外，随着无线技术的不断发展，其在安全性及可靠性等方面的性能逐渐提升，例如卫星通信技术以及广域无线通信技术（如WiMax、IEEE 802.22、IEEE802.11af等），随着这些无线专网技术的成熟，它们将在电力专用数据通信网的建设中发挥重要的作用。相比有线通信方式，除了建站方便、节约建设成本等优势，无线通信方式在容灾等方面也具备先天的优势。根据南方电网公司《110kV及以下配电网装备技术导则》Q/CSG 10703-2009中提出的，对于配网通信系统的建设“应积极关注通信新技术的发展与应用，遵循先试点后推广的原则，为配电网系统通信提供更多灵活的解决方案”，研究将这些新兴通信技术应用于配网通信网络建设应被列为重点工作之一，而这些新技术本身也将对提高配网生产效率，提升配网服务质量起到积极的促进作用。

5结语

总体来说，配网通信网络的建设是一个长期、巨大而且复杂的工程，需要整体的规划和设计，尽可能的避免重复建设和资源浪费。依照报告中提出的基于有线和无线混合组网、专网和公网并存、生产控制大区和管理信息大区分治的配网通信网络设计方案，可以开展一系列的相关研究和试点建设工作，推进配网通信网络的蓬勃发展。

[参考文献]

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[2]黄盛.智能配电网通信业务需求分析及技术方案[J].电力系统通信, 2010(6):10-12.

[3]木树娟,黄铭,余江,等.智能电网通信标准分析及关键技术探讨[J]. 电力系统通信,2011,32(7):76-80.

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