配电自动化系统通信网组网探讨

黎 洋，陈 曦，孟 宇，刘 倩

(国网四川省电力公司德阳供电公司，四川 德阳 618000)

配电自动化系统通信网组网探讨

黎 洋，陈 曦，孟 宇，刘 倩

(国网四川省电力公司德阳供电公司，四川 德阳 618000)

配电自动化系统通信网作为网络建设的主要结构，对信号传输的可靠性和时效性有重要要求。就配电自动化系统通信网的相关技术、典型组网结构、保护组网方式进行了阐述，并结合实际，提出了新的融合组网方式，为配电自动化系统通信网络建设提供参考。

配电自动化系统；通信网络；EPON技术；组网方式

0 引言

进入21世纪后，随着城市化进程的不断加快，配电网不断向配电自动化结构演进；作为配电自动化的神经，配电网通信网的作用愈发重要。现实要求配电网通信网应具备实时、高效、可靠的搜集、传输以及下达各项控制指令的能力。这对配电网通信网的设备和结构而言，是一个重大的挑战。

1 配电自动化系统通信网结构

配电自动化系统是实现对配电网的运行监测和控制的自动化系统，其通信网由配电通信主站、配电通信子站、配电通信终端和通信通道构成，如图1所示。

图1 配电自动化系统结构

其中，配电通信主站是配电自动化系统通信网的中枢，是整个系统的核心部分，其由服务器、工作站等网络设备及硬件配套组成。配电通信主站接收配电通信子站汇聚传输的信息，并进行分析处理，使运维人员能够迅速直观地掌握电网运行状况。同时，配电通信主站能够对配电网进行实时操作，由配电主站通过通信网下发命令至配电通信子站，配电通信子站分析命令并下达至配电通信终端，完成对配电网的控制。

配电通信子站是配电通信主站的下端设备，主要用于汇聚配电通信终端的信息、遥控配电通信终端，并能够与其他配电通信子站通过通信网络连接，形成冗余保护。配电通信子站是配电网自动化系统的中间层，保障配电通信主站的高效稳定运行。

配电通信终端是配电网自动化的末端设备，也是安装在一次设备现场的自动化装置，用于完成对一次设备工况信息的采集上传和执行配电主站下达的操作命令。根据实际情况，一般柱上开关及联络开关采用馈线终端(FTU)，环网柜开闭所采用站所终端(DTU)。

通信通道是连接配电通信子站、配电通信主站及配电通信终端之间传输自动化信息的神经系统，其分布在配电自动化系统各个需要通信的设备之间。通信通道负责上传各配电终端采集的工况信息，下达控制命令，对实现配电网的“三遥”(遥信、遥测、遥控)起重要作用。

2 配电自动化系统对通信网络的要求

配电自动化系统承载的业务包括配电网数据采集及监控系统(SCADA)、GIS地理信息系统、远程抄表等各项生产管理类业务以及可被承载的视频监控等其他管理信息类系统的业务传输。因此，对配电自动化系统网络建设，主要有以下几点要求。

(1) 通信可靠性。城市配电情况复杂且设备长时间裸露在外，因此要求通信网络抗干扰能力强，能正确可靠地传输业务信息，同时具备独立性。

(2) 传输时效性。配电自动化系统是一个要求信息时效的监控系统，能够正确实时地传输各配电终端的工况信息，是保证能够快速确定及隔离故障、恢复供电、提高优质供电服务的基础条件。

(3) 拓展性。配电自动化系统除了满足当前需要，也应当具备强拓展性，以便随着城区配电网的拓展，能持续保障配电网自动化区域的全面覆盖。

(4) 传输容量大。配电自动化系统的配电终端较多，业务传输量实时性要求高，在保证传输速率的情况下，传输容量也是对配电自动化通信网的一个要求。

根据以上几个要求，配电自动化系统采用主用光纤，在部分地区辅以无线公网或专网的方式，保证配电自动化系统的可靠、高效运行。

3 无源光网络技术简介

当前，配电自动化系统通信技术在全国范围内以大容量的光纤通信为主，在少部分敷设光缆困难的地区采用电力载波或无线通信技术。光纤通信的方式较为实用的为以太网无源光网络(ethernet passive optical network，EPON)技术，结合了光纤传输和以太网组网模式，对配电网通信网的组建来说，具备较强的灵活性和拓展性。对于当下配电自动化终端，集中采集终端都具备以太网接入方式。

EPON是一点到多点的光接入网络，其2层采用802.3以太网帧来承载业务的无源光网络系统，主要组成包括有中心局点的光线路终端(OLT)、用户终端的光网络单元(ONU)，由光纤将系统紧密连接，实现对DTU，FTU的“三遥”功能。

4 EPON组网方式

4.1 EPON的典型组网方式

EPON在物理层采用无源光网络技术，在OLT与ONU之间由分光器和光纤组成。对于EPON技术，其典型的组网方式分为链状组网、星型组网、树型组网、环状组网。

(1) 链状组网。链状组网是一种多级分光器组网方案，分光器分布在各个ONU位置，每个ONU分10 %的主光，剩余90 %送至下一级，较为适合链状或带状的10 kV线路，如图2所示。在链状组网结构中，光衰耗计算问题是尤为重要的。

(2) 星型组网。星型组网结构为典型的多路分光器结构，结构简单清晰，不需要计算光衰耗，每路ONU直接与多路分光器相连，适合业务较为密集的供电区域，如图3所示。

图3 星型组网示意

(3) 树型组网。树型组网是整合星型组网和链状组网的一种组网方式，可整合多路分光器和多级分光器，与实际电网一次结构紧密结合，能够减少建造施工量，同时树型组网结构也有利于后期的配网拓展工作，如图4所示。

图4 树型组网示意

(4) 环型组网。环型组网是配电网通信网组建最为常用的结构，采用多级分光器组网方式。多级串联成环，具备其他结构所没有的链路保护机制，可以抵抗单点冗余失效、通道一点断开等故障，提高通信网络的可靠性，保障配电自动化系统的业务安全。其逻辑结构如图5所示。

图5 环型组网示意

配电自动化系统通信网络的选用应当与现场实际情况相适应，从成本、需求等方面综合考虑。

4.2 EPON的典型保护组网方式

随着EPON技术的不断发展，配电网通信的网络结构也在不断完善。单一链路结构和单根光纤收发方式并不能保证通信的可靠性，因此在配电网上采用了冗余保护组网方式。在保护方式上又分为以下几种：单向双分光器冗余树状保护结构、链路双向手拉手链状保护结构、双链路同向双光纤T型拉手保护结构及环形双向保护结构。

(1) 单向双分光器冗余树状保护结构是基于多路分光器组网技术构建的保护组网方式。由1个OLT与2个多路分光器连接，形成冗余保护，多路分光器与下端每个ONU形成树状方式交错相连，使得整个网络形成保护，如图6所示。

图6 单向双分光器冗余树状保护结构示意

(2) 链路双向手拉手保护结构是基于多路分光器组网技术构建的保护组网方式。在两端站点均放置OLT设备，两端各用1根光纤进行传输；每个ONU接收正向、反向的2组信号，双PON口形成1+1冗余保护结构，能够较好地抵抗通道一点断开的故障，可很好地适应于城区链状结构的10 kV线路，如图7所示。

图7 链路双向手拉手保护结构

(3) 链路同向双光纤T型拉手保护结构是基于多路分光器组网技术构建的保护组网方式。与链路双向手拉手保护结构不同的是，OLT设备在同一站点；相同的是使用2根光纤进行正向反向串接ONU，形成保护，如图8所示。

图8 链路同向双光纤T型拉手保护结构

(4) 环形双向保护结构是通过单OLT设备，利用链路形成环状，ONU双PON构建1+1保护，正向反向双光纤连接与上、下节点相连，实现链路冗余保护，如图9所示。

图9 环形双向保护结构示意

4.3 光通道衰耗的计算

OLT上行采用1 310 nm波长，下行采用1 490 nm波长，其中1 310 nm波长每千米衰耗为0.36 dB，1 490 nm波长每千米衰耗为0.22 dB。设备PON口采用PX20光模块，发送功率为(+2)-(+7)dBm，接收灵敏度为(-24)-(-27)dBm；ONU发光功率为(-1)-(+4)dBm，接收光灵敏度为(-24)-(-30)dBm，则上行方向最大光功率预算为24 dBm，下行方向最大光功率预算为26 dBm。

光通道衰耗公式如下：

其中，AT表示总体衰耗值，AL为光缆衰减，AC为光连接器损耗，AF为分光器插入损耗，AM为熔接损耗。

分光器插入损耗与分光比有关，其插入典型值如表1所示。

表1 分光器插入损耗 dB

在配电网自动化系统中选用分光比为1:9的分光器，故插入损耗典型值为0.9 dB/个。

在计算中要考虑以下3个方面。

(1) 光纤接头损耗。光纤接头损耗分为光连接器损耗和熔接损耗。光连接器损耗为0.5 dB/个，熔接损耗一般按照0.2 dB/个进行计算。

(2) 光缆的富余度。在光缆正常使用中，需要考虑一定的光缆富余度，以保证通道的正常运行，富余度具体值应与传输距离相匹配。在确定传输距离后，光缆富余度将会计入光通道衰耗中。光缆富余度与传输距离之间的关系如表2所示。

表2 光缆富余度与传输距离关系

(3) 根据衰耗公式，AT的值应当小于上行及下行方向的最大光功率预算。光通道衰耗的计算，主要对规划OLT每个PON口所能够对应的ONU的数量起指导作用。

根据光通道衰耗计算的公式，可以推断当ONU数量为9个时，光连接器损耗为9 dB(1个点2个光连接器，故每个点有1 dB的损耗)，分光器的衰耗为8.1 dB，熔接衰耗为1.8 dB。此时，光衰耗已达到18.9 dB;OLT上行波长为1 310 nm，每千米衰耗为0.36 dB，上行最大光功率预算为24 dBm，减掉光缆富余度后，可计算出光缆长度为8.6 km。当ONU数量为10个时，光连接器衰耗为10 dB，熔接衰耗为2 dB，分光器衰耗为9 dB，考虑光缆富余度，光缆长度应该小于5 km。通过计算得出光缆长度为2.1 km，不能满足配电网通信网建设的需求。因此，可以得出ONU的数量不能大于9个。

5 通信网络结构的建设方案

针对实际选择通信网络结构是必要的。在某市的配电自动化通信网建设中，规划在城区内采用3种不同的结构。

5.1 哑铃状组网结构

在该市城建密集地区，电力一次线路呈现网状结构，通信网选择路由较多也较为灵活。同时，由于城区内业务较多、数据量大、重要性高，因此需要采用保护方式较为合理的结构。采用哑铃状组网结构，即在2个子站点附近采用环形组网，环形与环形交叉，形成链状组网结构，如图10所示。

哑铃状组网方案对于城建密集地区较为适宜。在站点附近采用环形组网方式主要考虑两端点的距离较远，配电终端较多，分级多导致光损耗过大无法正常通信，利用环形组网能够保障通道损耗在可控范围内。

图10 哑铃状组网结构示意

利用这种结构，根据光通道的计算，每个PON口下该市只下带不超过5个点位，保证通道的正常运作。光衰耗的要求是制约可带终端的主要因素。因此，哑铃状的组网方式是较为可行的。

5.2 双树型结构交叉组网结构

在新规划开发区域，随着投资量增大，电力需求不断增大，采用双树型结构交叉组网方式具有强拓展性，其组网方式如图11所示。

图11 双树型交叉组网结构示意

在双树型结构中，每个点位都有可以拓展的方向，也具备保护的冗余性，且拓展后可以组成哑铃状的稳定结构。该结构适用于新开发地区，对一次线路的要求不高，也能保障通信通道的可靠性。

5.3 链状组网结构

在电网发展成熟的地区，采用双链状保护结构，配电子站位于两端，线路上遇到枝桠处采用“几”字型进行串联。该保护结构上采用双向手拉手方式，接入两端OLT设备，能有效抵抗1点断开的故障。在该地区，使用链状组网结构主要考虑配电一次结构已经固定，拓展性小于稳定性，对稳定性要求高，因此需建设可靠稳定的结构，保障通道的正常运作。其组网方式如图12所示。

图12 链状组网结构示意

对于链状结构，该市每个PON口采用不超过7个终端，以保证光通道的富余和设备上传下发的稳定。

6 结束语

目前，我国的配电自动化系统正在全国范围内逐步建设，二级城市的发展具有区域性，其组网方案也较为灵活。通过融合多种组网方式，提出优化的组网结构，应对各类地区的需求，对配电自动化系统通信网组网拓扑结构的建设提供一定的参考。

在建设智能电网的城市配电中，就拓展而言，智能小区等采用的智能化设备，均可以采用光纤以太网技术组建配电自动化系统通信网，既可实现当下各种业务的稳定传输，也给以后的业务拓展提供通道基础。

1 张 亮．智能变电站通信安全策略研究[J]．电力安全技术，2015，17(1):6-8．

2 刘 浩，袁伟民．小区变电站远程监控系统及通信规约的研究[J]．电力安全技术，2013，15(12):42-44．

3 秦 吉，黄方能．电磁环网运行风险分析[J]．电力安全技术，2011，13(12):26-28．

2016-07-14。

黎 洋(1990-)，男，助理工程师，主要从事通信专业技术工作，email：chenxi_dy@163.com。

陈 曦(1973-)，女，高级工程师，主要从事电网运行管理工作。

孟 宇(1982-)，男，工程师，主要从事通信专业技术工作。

刘 倩(1985-)，女，工程师，主要从事通信专业技术工作。