浅析配电网自动化通信及其网络模式

浅析配电网自动化通信及其网络模式

摘要：通信系统是实现配电网自动化的基础。文中根据配电网自动化的特点,介绍

了目前几种新兴的适合配电网自动化的通信方式。最后以通信专业工程技术人员的视角提出了配电通信网络的建议模式。

关键词：配电自动化；光纤通信；扩频通信；电力线载波通信

1、引言

随着国民经济的发展和人民生活水平的提高,用户对电力和供电质量的要求越来越高,特别是随着社会信息化和电气化的高度发展,对供电可靠性的要求也越来越高,配电系统采用原有的运行、控制、管理模式已无法适应新形势的要求。通信技术与计算机技术的飞速发展,为配电网络的运行、维护、控制和管理实现自动化提供了先进的工具和技术基础,庞大而复杂的配电网络要组成综合自动化系统,必须有先进、可靠的通信网络系统支撑,同时要求通信系统能抵御来源于闪电、电晕、开关操作等产生的强电磁干扰。可供配电自动化采用的通信方式很多,目前采用的通信方式主要有：一点多址无线通信、微波通信、卫星通信、光纤通信、扩频通信、电力线载波通信、有线电视电缆、无线寻呼网、租用电话线等。由于配电自动化和负荷控制量大面广,所要完成的功能太多,不可能采用单一的通信系统来满足所有功能的要求,因此,往往采用多种通信方式的混合应用来实现配电网自动化。

2、配电网自动化及其特点

配电网自动化是计算机技术和通信技术在配电网上的综合应用,是对配电网上的设备进行远方实时监视、调整和控制的一种集成自动化系统。这是近年来发展起来的一种新兴技术。配电网自动化中心对所辖区域的运行能够做到及时识别故障、隔离故障和恢复供电,这种技术的应用对提高供电质量、运行可靠性、劳动效率以及充分利用现有设备的能力,均有直接的意义。

概括起来,配电自动化包括变电站自动化、配电线自动化和配电网中的各种通信方式。配电网自动化与输电网自动化相比较而言,对设备的技术要求高,系统规模大,建设费用高, 实现难度大,这是由其自身的特点所决定的：

(1)终端设备工作环境：对于输电网自动化系统的终端设备,一般安装在变电站里,运行环境温度在0℃～55℃范围。但是配电网自动化系统中,有大量的终端设备是安装在室外的,满足设备运行性能指标要求的环境温度在-25℃～65℃范围,湿度要求为95%。此外,还要满足防风雨、散热、防雷电等技术要求。

(2)可靠性：对于配电网自动化系统中的终端设备进行远方控制的频繁程度,比较输电网自动化系统要高出许多,因此对其系统中终端设备的可靠性要求很高。

(3)组网：配电网自动化系统的测控对象为进线变电站、配电变电所、10KV开闭所、分段开关、并联补偿电容器、用户电能表和重要负荷等,因此站点一般会有成百上千甚至上万个之多。在这种条件下,不仅对系统的组织带来较大的困难,而且在配电网自动化中心的计算机上处理的信息量也十分庞大。

(4)配套：配电网自动化系统需要和配电网的改造配套进行,例如配电网环网化、配电线分段化等。没有配电网的科学拓扑结构,配电网自动化的系统、组织方式也难以确定。

3.配电网自动化的通信方式

通信系统是实现配电网自动化系统的基础,配电网自动化对通信系统的要求,取决于计划实现的自动化水平、配电网自动化的规模和复杂程度。针对配电网自动化系统及其特点,通信系统应具有以下特性：

(1)保证通信可靠性；

(2)满足目前和适应将来的数据传输速率;

(3)双工通信(个别情况下可用单工);

(4)通信不能受停电和故障的影响;

(5)易于操作且维护工作量小;

(6)保证建设费用。

下面对目前新兴的几种通信方式作一介绍。

3.1 扩频通信方式

扩频通信是一种先进的信息传输方式,其信号占用的带宽远大于一般常规通信方式所需的最小带宽。频带的展宽是通过编码及调制的方法来实现的,与所传送的信息数据无关。接收端则用相同的扩频码进行相关解调来解扩并恢复信息数据。

在无线电通信中射频信号的带宽与所传信息的带宽是相比拟的。如用调幅信号来传送语声信息,其带宽为语声信息带宽的两倍。现今使用的电话、广播系统中,无论是采用调幅、调频或脉冲编码调制制式,处理增益值一般都在十多倍范围内,统称为“窄带通信”。而扩频通信的处理增益值高达数百、上千,称为“宽带通信”。一般说来,扩频通信最初是在军事、公安通信中应用,后又发展到个人业余通信、体育竞赛通信、证卷交易所通信和数字立体声广播等。扩频通信应用于电力部门是在该技术解密以后,在地调或县调通信中最具发展潜力的一种新型通信方式。这是人们在配电网自动化系统中的实际应用方面正在努力探索的一种通信方式,重点在于组网技术。扩频通信可组织综合通信业务,同时传输话音、数据和图像信号,有丰富的接口终端,可接电话机,交换机和调度总机,以及配电自动化系统终端设备等。

3.2 光纤通信

自光纤通信问世以来的短短一二十年间,其发展异常迅速, 光纤通信的传输速率不断提高, 无中继传输距离逐步加长。许多国家已建立了不同规模的光纤通信网络,一般是首先应用于市内局间中继、长途干线,继而广泛应用于电力、铁道、公路、化工、公安等部门的专用网。光纤局部区域网、用户网系统发展也很迅速。随着波分复用技术的日趋成熟,光纤巨大的带宽资源得以充分利用,使一根光纤的传输容量很快地扩大几倍至几十倍。

光纤通信的主要特点有：频带宽,通信容量大；损耗低,中继距离长；可靠性高,抗电磁干扰能力强；通信网络具有自愈功能；无串话干扰,保密性好；线径细、重量轻、柔软；节约有色金属,原材料资源丰富；光纤成本不断下降,经济效益越来越显著。

目前，电力通信系统中的电力载波和微波通信很容易受到电力系统运行方式（如电力线路故障或检修等）和大气环境、城市建筑的影响，一点多址通信和扩频通信等其它一些通信方式也存在着限制电力系统配电自动化发展的诸多问题。另一方面，同包括邮电公用通信在内的各个行业部门相比，电力系统具有发展光纤通信的得天独厚的资源优势。这些资源优势包括覆盖全国城乡的电力系统高压输电杆、缆沟管道、特别是通至千家万户的10kV和380V 配电线路等。因此建设和发展抗电磁干扰能力强、可适应高速传送信息要求的光纤通信系统成为各国电力通信部门所追求的目标。

3.3 电力线载波通信(PLC)

用电力线实现可靠的通信一直是电力工业界致力研究的课题之一。经过几十年的努力,

输电线上的电力线载波通信已由过去专门提供话音业务发展到传输继电保护、远动、计算机控制信息等综合业务,达到了实用化和商业化阶段。

在配电网电力线上实现通信与在输电网电力线上实现通信其基本原理相同,但两者的环境条件有很大不同[3]。首先,在设计通信系统时的最基本要求是保证有足够大的信噪比,相比之下,配电网电力线上的噪声与干扰是非常严重的。其次还有配电网络的阻抗随之发生变化引发的问题以及信号的失真问题。

随着远程自动化抄表、电力负荷管理、配电网络信息管理、智能住宅小区等技术市场的迅猛发展,各国电力部门对开发以中低压配电网电力线为媒介的电力通信系统表现出极大的兴趣。美国的PLC产品用于公共事业和商业服务,预计到2002年销售额可达10亿美元。韩国将投资1780万美元,开发研制2~10Mbps的电力线路调制解调器,并将在今后5年内为韩国带来50亿美元的收益。利用配电线传输高速数据信息,可以使电网管理更加规范合理,对实现电能和高速数据的双重传输具有重要的实际意义。另外,电力公司本身即具有网络遍及所有家庭和单位的先天优势,因而网络投资费用的节省极为可观。而且随着互连网的发展,可以为用户提供更广泛、更全面的服务。

4、配电自动化通信网络的建议模式

从目前来看,国内在配电自动化的通信方式方面还没有一个具体的标准,而且,从科研和开发阶段来说,基本上是属于起步阶段。因此,在实际应用方面缺少一些现成的可供参考的标准模式。对于本文前面部分所讲的几种通信方式,可以说各有优缺点,但没有一种通信方式能够完全满足这种网络复杂、点数多、可靠性要求高的配电自动化通信。

在现场的实际应用中,应当多搞一些试点,对每种通信方式的性能、可靠性和价格等方面做详细比较,根据比较结果,选择合适的通信方式作为将来配电自动化通信的主要模式加以推广应用,下面作为一种建议的应用通信模式以供参考。

本建议通信模式认为,在没有一个完全满足和适合配电自动化的通信方式之前,应当综合利用现阶段这些通信方式的各自优点来组织一个分区分层的配电自动化通信网络。

第一层市区的配电自动化分站和配电管理中心之间的通信通过目前规划的光纤网络来完成,

而外县市配电自动化分站与配电管理中心之间的通信则通过目前规划的SDH微波通信进入市区光纤网络后送到配电管理中心。

第二层每一个配电自动化分站负责本区的配电自动化信息的处理并负责与配电管理中心的联系,对于本区如变电所、大用户、主要线路开关站等主要站点与配电自动化分站之间的通信可以采用光纤通信或一点多址无线通信方式来完成。

第三层对于每个变电所所带的一些小的配电站和线路开关等与变电所之间可以采用扩频通信、800MHz窄带无线通信方式或电力线载波通信方式。

第四层对于居民区内部读表、负荷控制、自动供电和调节电表等一些服务,可以通过前面所述的电力线调制解调器利用已经布好的低压电力线进行通信。这一层的实现属于将来配电自动化的发展相对成熟以后,在此基础上进一步实现用户端的自动控制和抄表等,或者目前新建小区需要和提前考虑的部分。它属于自动化发展的方向和最终目的。

以上通信模式仅作为一种建议,对于第三层变电所----配电站、线路开关之间的部分,由于配电网络需要监测、控制的点多、面广和空间障碍多等特点,因此,需要提供的通信设备小、可靠性高且维护的工作量少,以及要具有合适的价格。而上述光纤、微波、一点多址方式从目前来看,还难以满足上述要求。因此,推荐采用扩频、800M窄带无线网络以及电力线载波通信作为这一层的主要通信方式。

在实际的工程设计中必须根据现场的实际情况,选择合适的通信方式,在提高网络可靠性的同时,尽量降低工程的造价和以后的维护量。

参考文献：

[1] 王明俊、于尔铿、刘广一,配电系统自动化及其发展,《电网技术》,1996年第7期至1997年第一期。

[2] 叶世勋,配电网自动化及其发展综述,《电网技术》,1996年第6期。

[3] 宋永华、肖颖、张琪,电力线载波技术重大突破,《电网技术》,1999年第2期。