摘要：對配電網(wǎng)自動化中的通信問題進行了探討，并針對光纖網(wǎng)（光纖以大網(wǎng)、光纖環(huán)網(wǎng)）、現(xiàn)場總線（lonworks、profibus、can）、新型數(shù)宇式電力線載波（ndlc）等多種配網(wǎng)自動化中常用的通信方式，結(jié)合配電網(wǎng)自動化工程實際，總結(jié)了四方華能公司csda2000配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)的多種解決方案。
隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展，用戶對用電可靠性的要求越來越高，配電網(wǎng)自動化已成為我國電力系統(tǒng)自動化領(lǐng)域的新興熱點，是電力行業(yè)發(fā)展的重要階段。要實現(xiàn)配電網(wǎng)自動化，關(guān)鍵在于通信，選擇通信方式應(yīng)當(dāng)適合我國配電網(wǎng)的現(xiàn)狀和用戶的現(xiàn)場實際。目前主要的通信方式包括光纖、現(xiàn)場總線、載波等。本文可為關(guān)心配電網(wǎng)自動化中通信問題的廣大用戶提供參考。
1配電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)總體結(jié)構(gòu)
圖1描述了配網(wǎng)自動化的總體結(jié)構(gòu)，配網(wǎng)自動化的通信系統(tǒng)是其中密不可分的一部分。為了貫徹功能下放，分級分層，提高事故響應(yīng)速度的原則，配網(wǎng)自動化系統(tǒng)一般分3層：主站、子站、饋線。依據(jù)配網(wǎng)規(guī)模的大小，主站層還可再分為主站和區(qū)域站2層。
在主站與子站之間，信息量大，要求高速可靠的通信通道，但由于節(jié)點不多，目前一般采用光纖以太網(wǎng)或光纖環(huán)網(wǎng)，這2種光纖通信方式的造價相近。光纖環(huán)網(wǎng)雖然更成熟一些，但光纖以太網(wǎng)是主要發(fā)展方向，光纖以太網(wǎng)目前技術(shù)實現(xiàn)及相關(guān)設(shè)備都已得到實踐檢驗，正在推廣應(yīng)用。
子站與饋線通信網(wǎng)一般統(tǒng)一考慮，饋線網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，情況多樣，各地的特點不同，很難找到一種統(tǒng)一的通信模式。目前一般采用光纖、雙絞線、電力線隴波、無線等多種通信手段混合的方式。常見的結(jié)構(gòu)為：以光纖構(gòu)建干線通信網(wǎng)絡(luò)；通過雙絞線，采用現(xiàn)場總線技術(shù)（如lonworks、can、profibus）或rs485，將干線ttu、支線的ftu／ttu，連接到干線ftu，由其通過高速光纖通道，將信息上傳到子站、主站，干線ffu應(yīng)具備這種集中轉(zhuǎn)發(fā)的能力。
饋線通信網(wǎng)也可采用光纖以太網(wǎng)或光纖環(huán)網(wǎng)這2種光纖通信方式的造價相近。根據(jù)它們不同的性能和特點，滿足不同的使用需要。
10kv電力線載波，也是一種饋線上值得關(guān)注的通信手段，特別適用于城鄉(xiāng)結(jié)合部的長支線。
對于低壓（220／380v）的抄表系統(tǒng)，電力線載波抄表是的方式，其性能價格比zui高。低壓電力線載波抄表常用的有以下2種模式：其一是對于集中的10~30塊脈沖電表裝一抄表器，抄表器通過低壓電力線載波與配變處的集中器相連；其二是在每塊電表中，加裝一個載波模塊，由載波模塊直接與集中器相連。前者更加經(jīng)濟，但要求電表相對集中；后者造價較高，但適用于電表分散的情況。
集中器一般放在配電變壓器處，每個臺區(qū)1個，集中器也可與ttu合一。
配網(wǎng)自動化主要的通信方式有dlc、光纖、、雙絞線、無線，它們的功能比較見表1。
除了系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)外，根據(jù)實際情況的不同還有其他一些配置方式，下面列舉幾種不同配置方式。
（1）ftu單元直接與通信系統(tǒng)連接，而不需要通過子站連接，具體連接方式如圖2所示（與典型配置相同的部分簡略，只描述不同連接處，后面各圖均相同）。
（2）抄表系統(tǒng)通過ftu與通信系統(tǒng)連接，而不是通過子站與通信系統(tǒng)連接，具體連接方式如圖3所示。
（3）抄表系統(tǒng)通過通信處理機直接和主站系統(tǒng)連接，具體連接方式如圖4所示。
以上只列舉了本公司產(chǎn)品的幾種系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)，在實際使用中可以根據(jù)配網(wǎng)的規(guī)模、環(huán)境等具體情況加以修改和調(diào)整，以滿足實際應(yīng)用的需要。
2配網(wǎng)自動化系統(tǒng)幾種主要的通信方式
2．1光纖通信
2．1．1光纖環(huán)網(wǎng)在配網(wǎng)自動化中的應(yīng)用
在配電自動化系統(tǒng)中，以前應(yīng)用較多的光纖網(wǎng)是環(huán)狀網(wǎng)。其結(jié)構(gòu)簡單，可靠性強。采用光纖自愈環(huán)網(wǎng)通信方式，網(wǎng)絡(luò)由各節(jié)點雙向閉環(huán)串接而成。正常時，一環(huán)路工作另一環(huán)路備用，若其中某一段光纖因施工等意外原因而斷開，則可以利用光纖雙環(huán)網(wǎng)的自愈功能，繼續(xù)保持通信，因此，這種通信具有很高的可靠性。
光纖環(huán)網(wǎng)配電自動化實現(xiàn)方案如下：
（1）主站與子站之間采用單模光纖，以光纖以太網(wǎng)方式相連，通信速率100mbps，需光纖轉(zhuǎn)換模塊2對（2個子站）；
（2）子站與干線上環(huán)網(wǎng)柜、開閉所、ftu之間采用單模光纖，通過光纖雙環(huán)相連（采用單模雙發(fā)雙收的光調(diào)制解調(diào)器）實現(xiàn)帶自愈功能的雙環(huán)通信；
（3）干線ttu，支線ftu、ttu，通過雙絞線就近連接到干線的ftu，采用lonworks現(xiàn)場總線協(xié)議，由ftu集中轉(zhuǎn)發(fā)信息，本公司ftu產(chǎn)品csf101具備此功能。
終端層環(huán)上設(shè)備與子站交換信息，環(huán)間通過主站—子站光纖以太網(wǎng)交換信息；干線ttu，支線ftu、ttu，通過雙絞線就近連接到干線ftu，進入到本通信網(wǎng)。對于一個子站，通過本站環(huán)網(wǎng)和主站—子站光纖以太網(wǎng)獲取本子站范圍內(nèi)的信息，從而完成配電自動化功能。光纖環(huán)網(wǎng)配網(wǎng)系統(tǒng)通信示意圖見圖5。
2．1．2光纖以太網(wǎng)在配網(wǎng)自動化中的應(yīng)用
光纖以太網(wǎng)靈活高速，技術(shù)資源豐富，有些光纖環(huán)網(wǎng)難于解決的問題只能應(yīng)用光纖以太網(wǎng)來解決，比如，子站管理的ftu范圍發(fā)生變化時，有些ftu本屬于a子站管理，由a子站負責(zé)與之通信，運行方式發(fā)生變化后，變?yōu)閎子站管理，由b子站負責(zé)與之通信，這種情況，光纖環(huán)網(wǎng)是處理不了的；再比如饋線保護功能，要求ftu之間，ftu與子站之間快速地交換信息（在100mbps之內(nèi)），只有光纖以太網(wǎng)才能滿足這種要求。
光纖以太網(wǎng)配電自動化方案如下：
（1）主站與子站之間采用單模光纖，以光纖以太網(wǎng)方式相連，通信速率100mbps，需光纖轉(zhuǎn)換模塊2對（2個子站）；
（2）子站與干線上環(huán)網(wǎng)柜、開閉所、ftu之間采用光纖，采用通信處理機cse200和網(wǎng)絡(luò)交換機，通過網(wǎng)絡(luò)交換機與主干線ftu采用光纖通信，其中ftu內(nèi)要加裝智能光纖接口；通過cse200完成變電站rtu接入，gps接入當(dāng)?shù)鼐S護或遠傳、電子設(shè)備接入等功能；
（3）干線ttu，支線ftu、ttu，通過雙絞線就近連接到干線ftu，采用lonworks現(xiàn)場總線協(xié)議，由ftu集中轉(zhuǎn)發(fā)信息，本公司ftu產(chǎn)品csf101具備此功能。光纖以太網(wǎng)配網(wǎng)系統(tǒng)通信示意圖見圖6。
2．2現(xiàn)場總線
2．2．1lonworks現(xiàn)場總線網(wǎng)
lonworks是又一具有強勁實力的現(xiàn)場總線技術(shù)。它是由美國echelon公司推出并由它與摩托羅拉、東芝公司共同倡導(dǎo)，于1990年正式公布的。
通過網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計簡化為參數(shù)設(shè)置，其通信速率從300bps至1．5mbps不等，直接通信距離可達2．7km（78kbps，雙絞線）；支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線、電力線等多種通信介質(zhì)，并開發(fā)了相應(yīng)的本質(zhì)安全防爆產(chǎn)品，被譽為通用控制網(wǎng)絡(luò)。
lonworks技術(shù)采用的kontalk協(xié)議被封裝在稱之為神經(jīng)元（neuron）的芯片中而得以實現(xiàn)。集成芯片中有3個8位cpu，*個用于完成開放互連模型中第1和第2層的功能，稱為媒體訪問處理器，實現(xiàn)介質(zhì)訪問的控制與處理；第二個用于完成第3-6層的功能，稱為網(wǎng)絡(luò)處理器，進行網(wǎng)絡(luò)變量的尋址、處理、背景診斷、路徑選擇、軟件計時、網(wǎng)絡(luò)管理并負責(zé)網(wǎng)絡(luò)通信控制，收發(fā)數(shù)據(jù)包等；第三個是應(yīng)用處理器，執(zhí)行操作系統(tǒng)服務(wù)與用戶代碼。
神經(jīng)元芯片中還具有存儲信息緩沖區(qū)，以實現(xiàn)cpu之間的信息傳遞，并作為網(wǎng)絡(luò)緩沖區(qū)和應(yīng)用緩沖區(qū)。echelon公司的技術(shù)策略是鼓勵各oem開發(fā)商運用lonmark互操作協(xié)會，開發(fā)推廣lonworks技術(shù)與產(chǎn)品。它已被廣泛應(yīng)用在樓宇自動化、家庭自動化、保安系統(tǒng)等行業(yè)。另外，在開發(fā)智能通信接口、智能傳感器方面，lonworks神經(jīng)元片也具有*的優(yōu)勢。
以下就lonworks網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)性能、聯(lián)結(jié)方式及其在饋線自動化中的應(yīng)用作一簡要介紹。
2．2．1．1網(wǎng)絡(luò)技術(shù)性能
lonworks是美國echelon公司推出的lonworks是一種實時測控網(wǎng)絡(luò)，其主要特點如下：
（1）采用lontalk通信協(xié)議，該協(xié)議遵循標(biāo)準(zhǔn)化組織iso定義的開放系統(tǒng)互聯(lián)osi的全部7層模型，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議開放，可以實現(xiàn)互操作；
（2）可在任何介質(zhì)下通信，包括雙絞線、電力線、光纖、同軸電纜等，多種介質(zhì)可以在同一網(wǎng)絡(luò)中混合使用；
（3）網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以是主從式、對等式、客戶／服務(wù)式結(jié)構(gòu)；
（4）提供總線型、星型、環(huán)型、混合型等網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)；
（5）改善了載波監(jiān)聽多路存?。╟sma），采用新型的具有碰撞回避算法的csma，可以在負載較輕時使介質(zhì)訪問延遲zui小化，而在負載較重時使沖突的可能性zui??；
（6）網(wǎng)絡(luò)通信采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法，lonworks技術(shù)將其稱之為“網(wǎng)絡(luò)變量”，節(jié)省了大量的設(shè)計工作量，同時增加了通信的可靠性；
（7）網(wǎng)絡(luò)的主要組成部分神經(jīng)元芯片，由美國motorola和日本東芝兩大ic芯片制造商同時生產(chǎn)。
表2列出了采用帶隔離變壓器驅(qū)動器的雙絞線網(wǎng)的lonworks的主要指標(biāo)。
目前，lonworks網(wǎng)絡(luò)已擁有世界上近3000個公司用戶，覆蓋各行各業(yè)。截至1998年底，預(yù)計有近1000萬個lonwork網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在各種系統(tǒng)中運行。
2．2．1．2lonworks網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接方式
就網(wǎng)絡(luò)的角度看，每個聯(lián)在網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點都應(yīng)包括三個部分（如圖7所示）：①本節(jié)點功能部分，例如ftu、ttu等；②神經(jīng)元芯片，它是本節(jié)點同網(wǎng)絡(luò)交換信息的接口；③網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動器，用于驅(qū)動信道媒介，如光纖驅(qū)動器、雙絞線驅(qū)動器等。
2．2．1．3konworks網(wǎng)絡(luò)在饋線自動化中的應(yīng)用
由于lonworks網(wǎng)絡(luò)采取了配置1．5kv直流隔離變壓器隔離等適合于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境等措施，具有很強的抗干擾、抗振動性能，適用于較大的溫度范圍，適合于較惡劣的工業(yè)環(huán)境和戶外環(huán)境。至今未發(fā)生過任何lonworks網(wǎng)因受干擾而誤響應(yīng)的情況。
總線型載波監(jiān)聽多路訪問／沖撞檢測（csma／cd）協(xié)議，并且采用重要報文加優(yōu)先級方式，適合于放射狀運行的饋線自動化系統(tǒng)。
iso7層規(guī)約中，6層固化，減少了二次開發(fā)的工作量，同時提高了可靠性。
根據(jù)理論計算、試驗及現(xiàn)場驗證，lonworks現(xiàn)場測控網(wǎng)絡(luò)*饋線自動化系統(tǒng)傳輸速度的要求。
lonworks網(wǎng)絡(luò)特別適用于分支線上ftu、ttu與主干線上ftu的連接，干線上ttu與鄰近的ftu的連接。本公司已將lonworks技術(shù)應(yīng)用于饋線自動化。
2．2．2profibus
profibus是一種化、開放式、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。廣泛適用于制造業(yè)自動化、流程工業(yè)自動化和樓宇、交通電力等其他領(lǐng)域自動化系統(tǒng)。profibus由以下3個兼容部分組成，簡介如下。
（1）profibus-dp：是一種高速低成本通信，用于設(shè)備級控制系統(tǒng)與分散式i／o的通信，可取代24vdc或4-20ma信號傳輸；
（2）porfibus-pa：專為過程自動化設(shè)計，可使傳感器和執(zhí)行機構(gòu)連在1根總線上，并有本征安全規(guī)范；
（3）profibus-fms：用于車間級監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，是一個令牌結(jié)構(gòu)，實時多主網(wǎng)絡(luò)。
profibus是一種用于工廠自動化車間級監(jiān)控和現(xiàn)場設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場總線技術(shù)?？蓪崿F(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備層到車間級監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)，從而為實現(xiàn)工廠綜合自動化和現(xiàn)場設(shè)備智能化提供了可行的解決方案。
與其他現(xiàn)場總線系統(tǒng)相比，profibus的zui大優(yōu)點在于用穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)en50170作保證，并經(jīng)實際驗證其普遍性。目前已應(yīng)用的領(lǐng)域包括加工制造、過程控制和自動化等。profibus開放性和不依賴于廠商的通信設(shè)想，已在10多萬例成功應(yīng)用中得以實現(xiàn)。profibus有自動化技術(shù)裝備的生產(chǎn)廠商支持，它們都具有各自的技術(shù)優(yōu)勢并能提供廣泛的新產(chǎn)品和技術(shù)服務(wù)。
profibus協(xié)議結(jié)構(gòu)是根據(jù)iso7498標(biāo)準(zhǔn)，以開放式系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)作為參考模型的。該模型共有7層（第1層為物理層，第2層為數(shù)據(jù)鏈路層，第3-6層未使用，第7層為應(yīng)用層），定義方式如下。
（1）profibus—dp：定義了第1、2層和用戶接口。第3到7層未加描述。用戶接口規(guī)定了用戶及系統(tǒng)以及不同設(shè)備可調(diào)用的應(yīng)用功能，并詳細說明了各種不同profibus-dp設(shè)備的設(shè)備行為。
（2）profibus—fms：定義了第1、2、7層，應(yīng)用層包括現(xiàn)場總線信息規(guī)范和低層接口。fms包括了應(yīng)用協(xié)議并向用戶提供了可廣泛選用的強有力的通信服務(wù)。lli協(xié)調(diào)不同的通信關(guān)系并提供不依賴設(shè)備的第2層訪問接口。
（3）profibus-pa：pa的數(shù)據(jù)傳輸采用擴展的profibus—dp協(xié)議。另外，pa還描述了現(xiàn)場設(shè)備行為的pa行規(guī)。根據(jù)iecll58—2標(biāo)準(zhǔn)，確保其本征安全性，而且可通過總線給現(xiàn)場設(shè)備供電。使用連接器可在dp上擴展pa網(wǎng)絡(luò)。目前，profibus在綜合自動化站有較多應(yīng)用，在饋線自動化中，國內(nèi)有少量應(yīng)用。
2．2．3控制局域網(wǎng)（can）
canzui早由德國bosch公司推出，用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信。其總線規(guī)范現(xiàn)已被iso標(biāo)準(zhǔn)組織制訂為標(biāo)準(zhǔn)。由于得到了motorola，in，philip，nec等公司的支持，它廣泛應(yīng)用在離散控制領(lǐng)域。can協(xié)議也是建立在標(biāo)準(zhǔn)組織的開放系統(tǒng)互連模型基礎(chǔ)上的，其模型結(jié)構(gòu)只有3層，即只取osi底層的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和頂層的應(yīng)用層。其信號傳輸介質(zhì)為雙絞線。通信zui高可達1mbps／40m，直接傳輸距離zui遠可達10kin／5kbps?？蓲旖釉O(shè)備數(shù)zui多可達110個。can的信號傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個，因而傳輸時間受干擾的概率低。當(dāng)節(jié)點嚴(yán)重錯誤時，具有自動關(guān)閉的功能，使總線上的其他節(jié)點及其通信不受影響，具有較強的抗*力。目前，can在一些電表接人時有應(yīng)用，在饋線自動化中，國內(nèi)有少量應(yīng)用。
2．3電力線載波通信
2．3．1新一代中壓數(shù)字載波通信系統(tǒng)（ndlc）
四方研究所于1998年底，推出具有先進水平的以數(shù)字信號處理（dsp）解碼技術(shù)為核心的窄帶多頻ndlc技術(shù)。該技術(shù)從原理上突破了現(xiàn)有的電力線擴頻dlc的局限性，具有-80db電平的接收能力，采用了的耦合方式，具有強大的網(wǎng)絡(luò)管理功能，并充分考慮了ndlc的可靠性，為饋線自動化、自動抄表系統(tǒng)提供了強有力的通信支持。
2．3.2電力線載波在低壓抄表中的應(yīng)用
低壓抄表主要采用電力線數(shù)字載波通信方式，主要有以下4部分組成：電力線路（載波通道）、配電自動化系統(tǒng)設(shè)備（采集終端、集中器、耦合設(shè)備等）、變電站數(shù)據(jù)收集子站及變電站轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)節(jié)（csel00系列通信處理機）。
在小區(qū)配電變壓器低壓側(cè)通過低壓配電線載波將用戶電量由采集終端采集到集中器，與此同時，集中器就地采集配電變壓器低壓側(cè)的各個交流遙測數(shù)據(jù)，并將所有電量、遙測數(shù)據(jù)通過中壓電力載波方式傳送到變電站收集子站。載波通信采用101簡化規(guī)約，設(shè)計波特率為2400bps。變電站收集子站將載波數(shù)據(jù)通過rs232串口轉(zhuǎn)發(fā)到cset00數(shù)據(jù)接收端，csel00接收后通過現(xiàn)有的光纖通道將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到配電中心的自動化抄表后臺，與后臺接口的通信規(guī)約方式為dnp3．0。
配電變壓器側(cè)的系統(tǒng)連接示意圖如圖8所示，低壓載波采用相地耦合方式，這里全部選用b相耦合。采集器共9個，分別安裝在以上9個電表柜中．每個采集g3采集該電表柜所有電表的電量。脈沖電表的電器脈沖信號通過信號線接入采集終端的脈沖信號輸入端口。采集器通過載波收發(fā)器將所有電量數(shù)字耦合到b相低壓電力線上。集中器通過低壓載波收集采集終端上傳的電量，同時通過tv和ta測量配電變壓器低壓側(cè)的各個遙測量，并將所有收集的電量和遙測量通過10kv耦合設(shè)備耦合到10kv的中壓線上。
變電站側(cè)系統(tǒng)連接如圖9所示，10kv母線耦合相同樣為b相（中間相），中壓載波數(shù)字量通過耦合設(shè)備進入變電站內(nèi)的數(shù)據(jù)收集子站，然后由rs232串口傳送到cse轉(zhuǎn)發(fā)單元。cse將數(shù)據(jù)按電力遠動dnp3．0規(guī)約通過光纖通道轉(zhuǎn)發(fā)到配電中心的抄表后臺接口，從而實現(xiàn)由后臺到采集終端的整個遠程抄表通信。整個通信通道都是全雙工通道，后臺召喚下送報文和采集終端主動上送報文可以同時進行。
整個遠程抄表系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)如圖10所示。
3結(jié)束語
配網(wǎng)自動化系統(tǒng)一般分主站、子站、饋線3層。依據(jù)配網(wǎng)規(guī)模的大小，主站層還可再分為主站和區(qū)域站2層。在主站與子站之間，采用高速光纖以太網(wǎng)方案，依據(jù)可靠性要求不同，投資不同，分別可采用樹狀結(jié)構(gòu)、單環(huán)結(jié)構(gòu)、雙環(huán)結(jié)構(gòu)，這3種結(jié)構(gòu)目前都有專業(yè)廠家的產(chǎn)品支持。子站與饋線通信網(wǎng)一般采用光纖、雙絞線、電力線載波等多種通信手段混合的方式。常見的結(jié)構(gòu)為：以光纖構(gòu)建干線通信網(wǎng)絡(luò)；通過雙絞線，采用現(xiàn)場總線技術(shù)，將干線ttu、支線的ftu／ttu，連接到干線ftu，通過高速光纖通道，將信息上傳到子站、主站。饋線通信網(wǎng)采用光纖通信網(wǎng)（光纖以太網(wǎng)、光纖環(huán)網(wǎng)），這2種光纖通信方式的造價相近，但光纖以太網(wǎng)更有發(fā)展前景；10kv電力線載波，也是一種值得關(guān)注的通信手段；電力線載波抄表是的低壓（220／380v）的抄表方式。