1、1.绪论1.1 研究背景我国长期处于用电负荷高速增长，城市化进程导致配电网络结构快速变化的状态，加上电力工业过去长期以来存在的“重发、轻供、不管用”的主观倾向，导致目前配电设备陈旧、自动化程度差、网架结构薄弱的配电网现状。经济的发展对配电网自动化提出了更高的要求，配电网自动化也是电力系统现代化发展的必然趋势。随着我国配电网自动化试点工程的逐步实施，认识得到了进一步提高，人们对系统可靠性、功能实用性、技术稳定性的思考更深入、更加实际了。配网自动化逐步发展成为供电企业实用化的、必不可少的一种生产手段。配电系统属于电力接入网络，其作用是分配电能，通常由 110kV 以下电压的线路和设备构成。配电网可
2、按照电压等级分为高压配电网（35110KV） 、中压配电网（10KV ）和低压配电网（380/220V） ，配网自动化特指 10kV 及以下的中压配电网自动化。配网自动化是一项系统工程，完整的配电网自动化系统包含了四个主要环节：供电网络、远动系统、通信系统、主站网络。配网自动化系统的基本构成：配网自动化系统是一项系统工程，它大致可分为三个子系统：配网自动化主站系统；配网自动化子站系统；配网自动化终端。实施配网自动化的首要目标是提高配电网的供电可靠性，实现高度可靠的配网自动化系统要遵循原则：具有可靠的电源点，具有可靠的配电网网架（规划、布局、线路） ，具有可靠的设备（一次智能化开关、二次户外 F
3、TU、TTU 等） ，具有可靠的通信系统（通信介质、设备） ，具有可靠的主站、子站系统（计算机硬件、软件、网络） 。配电网覆盖面积广，技术和实施手段多样化，设备所处环境也非常复杂，系统建设周期长且难度极大，如何选择合适的通信技术将成为配电自动化改造的关键。1.2 国内外配电网通信现状及存在问题1.2.1 国外配电网通信现状国外从 20 世纪 70 年代就开始了配电自动化技术及产品的研究和开发，在日本、北美和欧洲已进行了大面积推广。相比较而言，日本、美国自动化系统的覆盖面积广，欧洲相对少。日本配电网以架空线路为主，架空线路易受环境、气候等自然因素和外力撞杆、断线等人为因素影响，为了保证高供电可靠
4、性要求，研发了各种就地控制方式和配电线路柱上开关的远方监视和控制装置，构成网格式配电网络，实现故障后按时限自动顺序送电。通信方式最早以双绞线、音频电缆为主，少量的电力线载波方式;随着光缆成本的降低，最近几年光纤应用在增多。美国的配电网与日本基本相同，架空线路为多。在配电网自动化系统中通信方式主要采用无线通信，特别是扩频通信技术，由于可靠性高、保密性好，不需要许可证，在各个电力公司得到广泛应用。只有无线通信质量得不到保证时，因地制宜的采用光纤或专线电话通信。欧洲配电自动化系统的应用率远不及日本和美国，原因是欧洲配电网以电缆线路为主。由于电缆线路基本不受上述架空线路中环境、气候、可靠性等外界因素影
5、响，所以即使没有自动化手段的支持，也能获得高供电可靠性，但是电缆线路的造价要远高于架空线路。但在 20 世纪 80 年代以后也得到了较多应用，其中有代表性的是英国 EME 电力公司、意大利国家电力公司(ENEL)、法国电力公司(EDF)、荷兰(EDON)、爱尔兰(EsB)、德国(vEM)以及比利时、西班牙、丹麦、芬兰等国的配电网自动化系统应用。主要的通信方式是无线公网、无线电台、电话线及载波通信从国外配电自动化系统采用的通信方式看，尚没有一种通信技术可以很好地满足配电系统自动化所有层次的需要。在一个配电自动化系统中，通常由多种通信技术组合成综合的通信系统各个层次按实际需求采用合适的通信方式1.
6、2.3 国内配电网通信现状在配网方面，国家电网公司 635kV 配电网线路共计 16.06 万条，总长 164.8 万公里，为实现自动抄表、配网管理、用户双向通信等功能，公司范围内的 13 个网省在部分地市开展了相关系统建设，配网通信系统的建设综合利用电力线通信(PLC)、GPRS、CDMA、23OMhz 无线电专网等多种方式，形式多样，但缺乏统一的规划设计和功能规范，各地的发展均存在一定的局限性。目前，国家电网公司的电力通信专网已颇具规模，MSTP/SDH 技术得到广泛应用，基本建设了覆盖到各级变电站的光纤骨干网。据统计，光纤覆盖了 95%以上的 110/IOkV 变电站和 75%以上的 3
7、5/10kV 变电站，并且具备向下延伸的能力。35kV 及以上的中高压配电网采用电力专用光纤网络，通信问题基本解决。而 10kV 及以下的中低压配电网通信尚待解决，也是制约配电自动化系统的关键和难点。在电力负荷控制系统和大用户远程抄表系统中采用 23OMHz 无线专用通道和 GPRS/CDMA 公网通信技术;配电自动化系统使用光(Modem)，少量使用光纤通信方式(xPON 无源光网络技术)和 23OMHz 专用无线通信方式;低压抄表通信方式多使用窄带电力线载波 PLC、短距离无线通信、 EIARS485 双绞线等通信方式。23OMHz 专用无线通信方式带宽有限，用于点对多点业务，难以用于时间
8、敏感的业务应用;光 M 通信方式没有充分利用光纤资源，可靠性和实时性得不到保障;GPRS/CDMA 公网通信技术不适用于配电网干线通信，在安全性、稳定性、实时性方面尚无法得到可靠保证，并且难以适应时间敏感的保护与控制业务且要支付运行费用;标准光纤以太网不支持环网功能。目前干线通信没有统一高效经济的传输交换和接入平台，也不支持数据加密、优先级业务传输;配电网接入通信协议多种多样，使得配电通信网接入更为复杂。这些问题的存在增加了配电通信网运行维护成本。总体来看，我国建设的配电自动化系统不少是试验性工程，系统的稳定性、可靠性，特别是实用性有待考验。系统单位投资过大，阻碍配电自动化的推广。1.3 主要
9、研究内容1.4 小结为保证安全、经济地发供电、合理分配电能、保证电力质量指标，防止和及时处理系统事故，就要求集中管理、统一调度，因此电力系统必须要有一个能够提供特殊保障性服务的通信系统做支撑。优质可靠的通信手段是电网安全稳定发电和供电的基础，而电力通信的理结构和服务对象决定了电力通信与电网密不可分。在电力系统中电力通信一直是不可疏忽的环节，它不但关系着电网的安全稳定运行，而且还为各种信息系统提供了通道，成为建设数字化电网的基础。做为行业性的专用通信网, 电力通信是随电力系统的发展需要而逐步形成和发展的。它主要用来缓解公网发展缓慢而造成的通信能力不足和填补公网难以满足的一些电力部门特殊的通信需求
10、。电力专用通信系统和电力安全稳定控制系统、电力调度自动化系统合称为电力系统安全稳定运行的三大支柱。在电力通信传送网中，电力通信业务是电力网安全、可靠、稳定运行的重要保障。随着电力通信传送网规模的不断扩大发展，各种电力通信业务也在飞速的发展，很多电力通信业务对电力通信传送网的可靠性和时延性要求也越来越高。电力通信已成为电力系统的有机组成部分，目前并没有成熟的通信架构和相应的通信技术能满足智能电网对于通信的新需求。电力通信业务已广泛应用各种通信技术，随着电网向智能电网的发展和企业信息化进一步发展，对电力通信提出了高带宽、高可靠性、容灾、广覆盖等新的需求。中国电力通信网现状是“高压强、低压弱” ，发
11、展智能电网已提升为国家战略。智能电网通信未来建设重点是配用电自动化。随着城区配电网的结构越来越复杂, 对可靠性的要求越来越高。由于城网建设相对落后, 相关技术的应用相对滞后, 而实现配电网自动化的关键是电力系统通信方式的选择,2.电力系统中的通信业务与通信技术2.1 电力系统通信业务的分类电力系统通信业务根据其功能、特点主要分为电网运行和企业管理业务。电网运行类业务又分为运行控制业务和运行信息业务；企业管理类业务又分为信息业务和办公业务。这些业务都依赖通信网络的支撑，但对通信的要求又不尽一致。运行控制业务作为电网控制的一个环节，直接关系到电网安全，由于此类业务对通信传输时延、通道可靠性要求极高
12、，目前主要使用电力通信专网。该类业务主要有继电保护、安全稳定装置、调度自动化等。电力通信的业务可划分为关键运行业务和事务管理业务两大类。关键运行业务是指远动信号、数据采集与监视控制系统、能量管理系统、继电保护信号和调度电话等; 事务管理业务包括行政电话、会议电话和会议电视、管理信息数据等。配网自动化通信系统是配网自动化系统中非常重要的环节, 是配电网自动化的神经系统。配电网运行数据的采集、配电网运行状态的改变、配电网的优化均通过通信系统。2.2 电力系统对通信技术的要求配电自动化监控和管理系统对配电通信系统的要求有: （1）可靠性：为保障配电业务的可靠运行，承担监测信息采集和操控命令下发任务的
13、配电网通信系统必须具有高可靠性，具有较强的抗单点/多点失效能力，关键的业务节点（配电所、配电线路）要有链路冗余保护。（2）安全性：配电网属于电力通信网接入层面，保证通信安全性、保密性对电力业务安全非常重要，通信网要能抵御黑客或病毒攻击，网络的物理隔离非常必要，专网是主要的建设思路。（3）业务能力：能够满足配电网络对通信管道双向高带宽、实时性的要求，符合各种电力通信规约，支持各种配电自动化终端设备主流接口，实现配网设备与通信系统的无缝对接。（4）适应性：通信系统需适应电力应用场景的需求，通信设备部署符合配电网网架结构，适应复杂的温度、湿度、雨雪等室内外环境，具有抗电磁干扰能力，支持各种常见的电力
14、场景电源。（5）灵活、易扩展：随着地方经济的发展，配电网拓扑持续扩展更新，与之同步，通信系统的部署也应该具有灵活、易扩展的特性。（6）经济性：由于配电网覆盖面积大，终端站点数量众多，地理位置相对分散等特点，通信技术、设备的选择应配电网方面，配电网自动化系统遥信、遥测、遥控数据要求带宽很小，但数量庞大。配电网设备大多安装在线路上和配电房挂式柜中，操作空间狭窄，要求配电网通信设备能够便于安装和调试，减少日常维护量；又因配电网通信覆盖面广，通信设备必须具有远程管理功能。同时，配电网通信设备大多安装在室外，自然环境恶劣，要求设备具有工业级标准，能够承受要求较高的温度、湿度并具有防雷功能。这类业务应用的
15、通信发展方向为数据传输时延更短，将缩短至毫秒量级；带宽更高，将达到几兆甚至几十兆；路径要可控、通信路由要更可靠，电网控制业务的路由必须是全程全网的管控，通信传输的时间参数将成为电网控制业务的关键参数；覆盖范围更广，将覆盖至 10 kV 甚至是 220/380 V 电网；统一的时间、频率系统，电网控制业务、通信设备失去时间、频率将无法工作，后果不堪设想；此外，通信设备需要在更加苛刻的环境下稳定运行。这些变化对电力通信提出了更加严格的要求。在“十二五 ”期间，继电保护通信业务将推广采用光纤通道，同时要求装置能通过以太网接入站内自动化系统和继电保护信息系统，应能接受站内对时系统统一提供同步时钟信号，
16、其实时性要求与当前要求保持一致，保护信号的传输时延要求在 12 ms 以内；可靠性要求为 500 kV 线路每套主保护和 220 kV 线路两套主保护均采用 2 条完全独立的通信通道。具有光纤通道的线路，其主保护优先考虑采用光纤电流差动保护；目前，电网公司及通信设备、保护装置厂家正在开展保护装置直接通过 2 Mbit/s 光接口接入通信通道的研究，预计研究成功后将逐步网内推广，将来通信设备和保护装置间将采用统一的 2M 光接口互连。继电保护业务指高压输电线路继电保护装置间传递的远方信号，是电网安全运行所必需的信号，要求通信时延在 12 ms 以内，通信误码率 10-8，对通信通道路由、使用技术
17、有严格要求，因通信方式安排不当会导致继电保护误动。通信通道中断要求立即响应，必须立即处理。继电保护业务主要采用光通信 2M 电路、专用光纤芯、电力载波等电力通信专网，部分 220 kV 线路还在使用专用高频收发信机。安全稳定装置业务由 2 个及以上厂站的安全稳定控制装置通过通信设备联络构成的系统，其主要功能是切机、切负荷，实现区域或更大范围的电力系统的稳定控制，是确保电力系统安全稳定运行的第二道防线，要求通信传输时延30 ms（ 3 级控制） ，通信误码率为 10-8，对通信的可靠性要求极高。安全稳定装置业务主要采用光通信 2M 电路。2.2 电力系统中几种主流的通信技术与特点2. 2.1 载
18、波通信技术电力线载波通信（Power Line Carrier ）是电力系统通信的一种主要方式，它始于二十世纪三十年代，至今仍为高压线路的主要通信方式之一，其原理是将信号按一定方式调制后，利用相应的耦合设备注入输电线，利用现有的输电线传递信息。配电载波通信集功率通道和通信通道、能量流与信息流于一体，可以利用现有的配电线路传输到电网关心的任何测控点，不需另铺专用通信线路，其优点主要如下：不必经过无线电管理委员会（FCC ）的许可；形成电力专网：信号是加载在电力线上，不需要通信部门的审批或介入； 安全为电力公司所控制：运行过程中，设备的检修在电力部门内部，无需通信部门的配合，安全可以得到保证；基于
19、网络的配电载波支持自由拓扑，具有极大的灵活性，连接沟通电力公司所关心的任何测控点；利用输电线作为通信，无需额外架设通信通道，降低了通信系统的建设成本。载波信号耦合方式的选择对载波信号的高效传输和配电网的稳定运行是很重要的，城区电缆网适合采用电感耦合的电缆屏蔽层载波技术。电感耦合装置（主要是耦合磁芯或磁环、高频信号线等）不直接与电力线相连，方便安装在如地下电缆沟、户外开关箱或配电分接箱内。利用电缆屏蔽层作为耦合导体的，将磁环套在地埋绝缘电缆上,电缆屏蔽层和大地构成信号回路传输载波信号，这种间接耦合方式的耦合装置与高压电力线间无需直接连接，耦合装置体积小、安全可靠、可不断电安装。2. 2.2 无线
20、通信技术近年来，无线通信接入技术得到长足的发展，无线通信接入系统具有非视距传输能力强、抵抗自然灾害能力强、传输距离远、带宽大、不受限于地面线路结构等优点。在配电网通信中，其中包括 GPRS、WiMAX 和 McWiLL 技术。 GPRS 技术GPRS(GeneralPaeketRadioserviee，通用分组无线服务) 是 GSM 基础上发展起来的一种分组交换的数据承载和传输方式，在嵌入式系统中应用非常广泛。由于 GPRS 通信网络实现了联网和漫游，使得利用网络传输数据无须再组建专用通信网络。采用短信方式传输数据的系统应用将越来越广泛，使得以短信方式传输控制命令及数据远程传输成为可能它突破了
21、 GSM 网络只能提供电路交换的思维方式，而以封包(Packet)的方式来传输数据，通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造就可实现分组交换。这种新的分组数据信道与当前的电路交换的话音业务信道极其相似，因此现有的基站子系统(BSS)从一开始就可提供全面的 GPRS 覆盖。它所依托的网络稳定可靠、覆盖面广、数据传输速度快，能够提供 40 一 100kbi 讹带宽，所以对地处偏远的变电站也能实现监控，而且能满足电网监控系统对通信的要求，达到实时监控目的。GPRS 允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源。从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业
22、务。特别适用于间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。GPRS 还存在着按流量计算资费方式，非常适合于数据传输频繁、突发性强、流量不大的数据业务，还可以减少专用网络和通道建设的大量投资，而且不用企业自己维护，经济上是合算的;利用 GPRS 组网，满足建设速度快，质量高的要求。GPRS 以其无线方式、传输距离远、实时性和可靠性好、成本相对较低等特点在现有的数据传输方式中具有很大的优势。GPRS 的主要特点有：接入范围广。GPRS 是在现有的 GSM 网上升级，可充分利用全国范围的电信网络，可以方便、快速、低成本的为用户数据终端提供远程接入网络的部署。高速传输。传输速
23、率高，数据传输速度可达到 57.6Kb/S，最高可达到 171.2Kb/s。是常用有线 Modem 理想速率的两倍，是当前 GSM 网络中电路数据交换业务速度的十几倍，下一代 GPRS 业务的速度甚至可以达到 384Kb/s，完全可以满足用户应用需求。快捷登陆。接入时间短，GPRS 接入等待时间短，可快速建立连接，平均耗时为两秒。永远在线。提供实时在线功能。 “实时在线” ，或叫“永远在线” ，即用户随时与网络保持联系，即使没有数据传送，终端还一直与网络保持联系，这将使访问服务变得非常简单、快速。按流量计费。用户只有在发送或接收数据期间刁占用无线资源，用户可以一直在线，计费方式是按照用户接受和
24、发送数据包的数量，没有数据流量传递时，用户即使挂在网上也是不收费的。切换自如。用户在进行数据传送时，不影响语音信号的接收。数据业务和语音业务的切换有自动和手动两种方式，具体形式依据不同终端而定。采用分组交换技术，具有其他分组数据系统一样的高效特性，由于第三代移动通信采用的也是分组技术，所以采用的网络可以具备第三代移动通信的能力;GPRS 核心网络层采用 IP 技术，底层可使用多种传输技术，方便与 IP 网络实现无缝连接。在自动抄表系统中，较之无线抄表，其他抄表技术均存在一定的缺陷。(1)485 总线抄表: 施工布线工作量大，网线易受人为破坏，线路损坏后，故障点不易查找，易受雷击和过电压的影响，
25、传输距离短，网线长度不超过 1200m。(2)红外抄表:系统抄表时需要工作人员到现场，用掌上机抄收采集器中存储的电能表数据，然后返回主站，自动化程度低，且抄收距离也大受限制。(3)低压电力线载波抄表系统，影响电力线载波传输质量主要有两个因素:一个是电力网络的阻抗特性及其衰减，另一个是噪声的干扰。第一个因素制约着信号的传输距离，第二个因素决定着数据传输的质量。由于我国的电网在传输数据过程中，经常会受无线电信号、电磁信号、脉冲信号的干扰，导致传输数据错码、丢码的情况，造成数据传输的结果与原表数据的误差。可见，低压电力线载波抄表的可靠性差。综上所述，无线抄表方式具有投资少、功能强、性能稳定、自动化程
26、度高、易于维护的特点。 WiMAX 技术WiMAX 是全球互通微波接入的缩写(Worldwide Interoperability for Microwave Access)，是一项基于 IEEE 802.16 标准的宽带无线接入城域网技术。 802.16 标准系列包括多个标准，支持固定宽带无线接入系统空中接口标准 IEEE 802.16-2004，支持移动宽带无线接入系统空中接口标准 IEEE802.16e，还有正在讨论的 IEEE802.16m。由于在 WiMAX 技术物理层采用了 MIMO/波束赋形以及 OFDMA 等 4G 的核心技术，已经在某些方面具有了 4G 的特征，容易将来过渡到
27、 4G。WiMAX 是提供最后一英里的无线宽带接入技术，可以替代现有的有线和 DSL 连接方式来。WiMAX 将提供固定、移动、便携形式的无线宽带连接，并最终能够在不需要直接视距基站的情况下提供无线宽带连接。WiMAX 作为城域网接入手段， IEEE802.16d 主要适用于无线传输和中小型企业接入，IEEE802.16e 主要适用于家庭接入和个人终端接入，支持数据、语音和视频等业务，可与 2G、3G 、WLL、WLAN、NGN 等网络混合组网。802.16d 和 802.16e 之间的详细比较见 表 2-1 表 2-1：表 Error! No text of specified style
28、in document.-1 802.16d 与 802.16e 的技术比较技术参数802.16d 802.16e子载波数256(OFDM)/2048(OFDMA)256(OFDM)/128、512、1024、2048(OFDMA)带宽(MHz)1.75MHz20MHz 1.25MHz20MHz频段 211GHz 6GHz双工方式FDD/TDD FDD/TDD移动性固定 游牧，中低车速峰值速率75Mbps(20MHz)等 15Mbps(5MHz)，30Mbps(10MHz)等调制方式QPSK，16QAM，64QAM信道编码卷积码、块 Turbo 码、卷积 Turbo 码、LDPC 码链路自适应
29、AMC、功率控制、HARQ小区切换不支持 支持增强性技术智能天线、空时码、空分多址、宏分集(16e) 、Mesh 网络拓扑接入控制主动带宽分配、轮询、竞争接入相结合QoS 支持 4 种 QoS 等级：UGS ，RtPS ，NrtPS ，BE省电模式不支持 支持空闲(Idle)、睡眠模式 McWiLL 技术McWiLL（Multi-Carrier Wireless Information Local Loop，多载波无线信息本地环路）是国内北京信威通信技术股份有限公司自主研发的移动宽带无线接入（BWA）系统。McWiLL 技术源于同步码分多址（ SCDMA）技术，是在 SCDMA 技术基础上的演
30、进和革新。早期 R1R3 版本的 SCDMA 系统属于窄带 SCDMA 技术体系，主要侧重于语音通信，同时兼顾低速率的数据业务，而后从 2003 年开始，McWiLL 技术开始研发，目前开发的 McWiLL 系统主要包括 R4 和 R5 两个版本，其中 R4 版本主要应用于固定无线接入系统，针对的是高速传输的宽带数据业务，并且已经获得了试验频段分配。而 R5 版本的McWiLL 则定位于高速移动无线接入系统，支持 120km/h 的终端移动速度和漫游、切换等功能，同时支持高速数据业务和高效语音业务，并且针对我国现有的电信业务模式，专门定义了用于语音承载的物理信道和资源控制单元，目前此版本已经进入到系统测试阶段。McWiLL 系统是完全基于 IP 分组交换的宽带无线系统，采用宏蜂窝网络结构，覆盖半径可达 1050km，典型市内覆盖半径 13km ，可以实现真正意义上的非视距传输。传输速率上，5MHz 的信道带宽下， R4 系统的最大净荷吞吐量可达 8Mbit/s，终端最大峰值数据速率 3Mbit/s，而 R5 系统的基站净荷吞吐量可达 15Mbit/s，终端最大峰值数据速率为5Mbit/s。
