基于电力无线专网的配网自动化终端装置研制

● 国网湖南信通公司 钟翔宇 陈运生 国网长沙供电公司 沈婧雯 湖南师范大学 程 昊

1 我国低压配网现状

就目前我国电力系统而言，无论是从自动化程度、智能化程度还是从网络的自愈和优化能力来看，配电网的水平都远落后于输电网。绝大多数配电变压器的低压出线侧只采用熔断器进行分支过流保护，传统配电网主要面临以下几个方面的问题。

（1）配网低压侧实际运行过程中，经常发生低压线路单相接地不能及时切除而发生的短路故障，从而引起配电站出线侧跳闸以及变压器烧毁的运行事故。

（2）配电变压器低压负荷缺乏必要的测量手段、控制手段，停电送电操作不能及时快速完成，技术手段普遍落后。

（3）配网低压侧一般不配置无功补偿装置，当线路较长时，无功负载重，压降变大引起线损增加，严重影响居民入户电压质量。

2 低压配网自动化通信要求及特点

配网自动化对通信的可靠性和时延性具有很高的要求，相关指标具体如下。

（1）通信的可靠性。配电终端月平均在线率≥95%；遥控使用率≥90%；遥控成功率≥98%；遥信动作正确率≥95%。对通信系统可靠性需求较高的区域，网架结构应采取冗余配置。

（2）业务上下行峰值速率要求。配网自动化上下行业务传输特点是上行流量大,下行流量小。一般要求单个配电终端接入速率要求为≥19.6kbps。

（3）时延要求。遥测(模拟量由终端传递到配电子站/主站单方向)：＜30s；遥信(状态量由终端传递到配电子站/主站单方向)：＜60s；遥控(命令由配电子站/主站传递到终端单方向)：＜2s。

（4）抗干扰能力强。现场设备一般工作在很强的电磁干扰环境，包括无线电干扰、频率干扰、瞬时高电压、大电流、雷电干扰等，因此对通信设备抗干扰能力提出较高要求。

3 低压配网自动化通信方式比较

配网自动化的通信方式大类可分为有线通信和无线通信2种方式。有线通信一般包括光纤通信和配电线路载波通信，无线通信一般包括无线公网通信和无线专网通信。

3.1 光纤通信

目前光纤通信技术已经非常成熟，常用光纤环网和光纤以太网方式，主要特点是速率高、稳定性好、抗干扰能力强、保密性好、组网方式灵活，可以实现综合数据传输。缺点是投资大，如一次性建设投资大，架设比较困难，发生故障后，修复工艺要求高，维护费用相对较高。

3.2 配电线路载波通信

配电线路载波通信原理是在发送端将信息调制为高频信号，然后通过耦合器耦合至输电线路，利用输电线路作为传输媒介传送到接收端，接收端通过耦合器将载波信号从强电电流中分离出来，然后解调出目标信息并传送到计算机或其他终端上，以实现信息传输。

3.3 无线公网

采用无线公网方式进行通信，对“遥测”、“遥信”等自动化业务能够满足基本的传输性能，在可靠性、实时性方面也能达到要求。但无线公网在传输数据保密性、信息安全方面存在风险，容易造成信息泄密和黑客攻击。

3.4 无线专网

电力无线专网相比其他通信方式具有安全性高、覆盖能力强、宽带较高等诸多优点。随着智能电网建设的大规模开展，电力业务对可靠性、安全性的要求不断提高，电力无线专网已成为智能电网电力通信发展的必然趋势。

4 基于电力无线专网的配网自动化无线传输装置

4.1 配网自动化业务电力无线专网接入网络架构设计

图1为配网自动化业务电力无线专网接入网络架构示意图。该架构主要分为如下几层。

业务应用层主要为各类应用接入设备，包括各类业务系统和相应服务器等。

安全接入层包括正反向隔离、前置机、安全接入网关等。安全接入区内部设置正反向隔离，设置安全接入网关，保障主站安全；终端需具备安全芯片，芯片与安全接入网关之间双向身份认证，并对上下行的控制命令及业务数据加密传输。主要负责生产业务与管理业务的安全防护。

骨干传输网络层主要为电网现有SDH光纤传输网络，负责将基站上接收到的无线数据上传至配网自动化业务系统主站。

无线接入回传网包括基站和相关CPE终端。基站是LTE系统的重要组成部分，可通过空中接口与不同的终端CPE连接，实现配电业务数据的收集及转发。

图1 配网自动化业务电力无线专网接入网络架构示意图

配电业务应用终端接入层包括各类通信终端和业务终端，负责电力设备等相关设备的信息采集和业务终端数据传输。

可以看出，该接入方案是利用电网自有物业建设无线基站，在配电站点内配置无线专网终端设备(CPE)，将智能配电网业务通过TD-LTE无线专网上传至变电站，再通过现有电力通信光传输网络上传至调度主站的核心网设备，实现与配网自动化主站系统的互联。

4.2 基于电力无线专网的配网自动化终端装置设计

综合无线专网各项应用特点，本文设计了一种基于电力无线专网的配网终端装置。该装置应用在配电业务终端接入层，直接对一次电力设备进行数据采集、传输和控制。

配网自动化终端装置示意图如图2所示，该装置由外置天线、CPE（电力无线专网转以太网的接入设备）、智能配电控制器、三相断路器、电动操作装置、电流互感器、熔断器、三相交流接触器、电力电容器、电源适配器等部分组成。

该装置的工作机制为：外置天线接收到无线专网信号后，传送给CPE，通过CPE将接收信号转换为以太网信号后送入智能配电控制器进行分析处理，然后输出各项操作指令，实现断路器的四遥、保护、录波以及无功补偿自动投切控制功能。智能配电器通过CPE和无线专网与业务系统主站（包括配电监控中心、调控中心等）实时远程通信，实现配电自动化业务的相关需求。

4.3 基于电力无线专网的配网自动化终端装置功能特点

该配网自动化终端装置根据配网自动化业务需求，可以实现以下功能。

图2 基于电力无线专网的配网自动化终端装置示意图

（1）通信功能。通过外置无线专网天线，传送给无线专网CPE设备，建立和后台业务系统的实时通讯，可实现遥测、遥信、遥控、保护定值设定及查询、装置工作状态和录波数据等传输功能。

（2）数据采集和监测。通过配置各种采样单元，可实现开关位置监测、通讯状态监测、保护投退状态监测以及各种模拟量数据采集和监测，并借助于通信功能将所有测量值上传到远方监控中心后台。

（3）重合闸功能。当低压负载线路发生瞬时故障时，断路器可按照预先设定的重合顺序自动重合，瞬时故障消失后可自动恢复供电。

（4）继电保护功能。本装置具备三段式电流保护、过载保护、低电压保护、过电压保护缺相、接地保护等。能够及时切断各种故障保证变压器的正常运行。所有保护均可自由选择投退状态。

（5）无功补偿功能。当线路过长，无功负载过大时，可以根据预设的功率因数设定值，对电容器分组自动进行投切控制。

5 结束语

本文通过分析目前国内低压配电侧面临的相关问题，比较目前主流的几种用在低压配电侧的通信方式，设计了一种基于电力无线专网的配网自动化终端装置。目前该装置已经研发成功，正在国网湖南省电力有限公司的部分变电站作试点应用。按照前期设计指标，该装置可以通过无线专网实现实时、准确、高效的通信功能，并能够完成数据采集和监测、自动重合闸、继电保护和无功补偿功能，对提升电网智能化水平和对配网自动化的进一步发展具有重要意义。