1、配电管理系统及配电自动化 Distribution Automation System,华北电力大学电气与电子工程学院,刘文霞 2011年2月Email:,第4讲 配电自动化通信系统,4.1 配电通信网结构 4.2 通信骨干层技术 4.3 配电通信接入层技术 4.4 配电终端层的通信 4.5 配电自动化对通信的要求 4.6 配电通信网的设计,4.1 配电通信网的结构,骨干层和接入层配电通信系统可利用专网或公网， 配电主站与配电子站之间的 通信通道为骨干层通信网络， 配电主站（子站）至配电终端的通 信通道为接入层通信网络。 其中： 1.骨干层通信网络原则上应采用光纤传输网， 在条件不具备的特 殊
2、情况下，也可采用其它专网通信方式作为补充。 骨干层网络应 具备路由迂回能力和较高的生存性。 2. 接入层通信网络应因地制宜， 可综合采用光纤专网、 配电线 载波、 无线等多种通信方式。 采用多种通信方式时应实现多种方 式的统一接入、 统一接口规范和统一管理， 并支持以太网和标准 串行通信接口。 通信系统的骨干网和接入网？,4.2 配电通信网骨干层技术,1.骨干层设备位置主干层的组成部分包括通信主站，各220kV、110kV、35kV变电站 通信子站。各子站与主站间所交换的信息量大，通信可靠性与实时性 要求高。可选的通信方式包括光纤SDH、MSTP，微波接力等。 2.骨干层功能需求高压电网-调度
3、自动化、保护、监控 、SCADA 中低压配电网-配电自动化、用电管理 3.骨干网技术分析： SDH、MSTP，微波接力,4.2 配电通信网骨干层技术,1.通信与信息体系构架,概念、术语： 传输媒介/传输极限 带宽,宽带/窄带 调制/解调 差错控制 同步/异步 接口,4.2 配电通信网骨干层技术,2.骨干传输网的技术（电力系统常用的）（1）传输介质-（有线、无线）、（电缆、光纤）（2）PDH准同步数字体系：2M（64K/bits），8M,34,139M（3）SDH同步数字系列: 155M,622M,2.5G,10G,40G（4）SDH设备类型,终端复用器 TM：在线形网的端站，把PDH / SD
4、H 支路信号复用成SDH线路信号，或反之,SDH 设备,分插复用器 ADM：设在网络的中间局站，完成直接上、下电路功能。,再生器 REG：设在网络的中间局站，目的是延长传输距离，但不能上、下电路。,SDH 设备,数字交叉连接设备 DXC：兼有同步复用、分插、交叉连接、网络的自动恢复与保护等多项功能的SDH 设备。,SDH 网络结构,（5）SDH网络结构,4.2 配电通信网骨干层技术,二纤双向通道专用保护环(OCh-DRPing)：采用双发选收工作方式，W1为主纤，P1为备纤。 AC与CA组成双向业务。正常情况下，接收端选择主纤信号。当发生断纤事件时，受影响的业务AC倒换到备纤选择，具有恢复与非
5、恢复两种工作方式。,SDH环网的自愈,二纤双向复用段共享保护环(OMS-SPRing)：每纤波长数被一分为二，一半用于工作，一半用于保护，两纤互为备份。此种工作方式需要自动保护倒换(APS)协议协调两端进行倒换。相对于前面保护方式，其优势为容量大，尤其适于节点数多的,SDH环网的自愈,二纤双向通道共享保护环(OCh-SPRing)：通道共享保护环保护机理与复用段保护环基本相同，区别在于倒换发生在业务受影响的节点而不象光复用段保护环发生在光路中断的相邻节点。优点在于它减少了倒换后的光信号传输距离，减少了光信号的衰减变型和噪声积累，这种方式需要更复杂的倒换协议来支持。,SDH环网的自愈,4.2 配
6、电通信网骨干层技术,（6）多业务传送平台 MSTP技术,MSTP全称Multi-Service Transfer Platform，即（基于SDH 的）多业 务传送平台。该平台同时实现TDM、ATM、以太网等业务的接入、 处理和传送，提供统一网管的多业务节点。MSTP将传统的SDH复用器、数字交叉链接器（DXC）、WDM终 端、网络二层交换机和IP边缘路由器等多个独立的设备集成为一个 网络设备，即基于SDH技术的多业务传送平台，实现多业务的统一 控制和管理。MSTP是传送网与业务网的一体化，是未来较有前途的城域传送 网。,4.1 配电通信网骨干层技术,（6）多业务传送平台 MSTP技术,4.1
7、 配电通信网骨干层技术,（7）微波接力,概念：微波通信的主要方式是直线视距通信，超过视距以后需要中继转发。根据地球表面的影响以及空间传输的损耗，每隔50公里左右，就需要设置中继站，将电波进行放大转发。因此称为微波中继通信或微波接力通信。长距离微波通信干线可以经过几十次中继而传至数千公里仍可保持很高的通信质量。 组成：,传输AB网？,4.3 配电通信网接入层技术分析,1.以太网/工业以太网局域网：媒体接入方式三种（集中、分散-受控/随机 ）以太网：IEEE802.3 、随机接入、 CSMA/CD 、结构（星，总线，树，介质）现场总线,接口RJ45-TCP/IP工业以太网：光纤，结构-环，线，树
8、2.无源光网络（PON）PON是一种为了支持“点到多点”应用而发展起来的光接入技术。现已实现的 PON技术包括APON/BPON，GPON和EPON/GEPON。其中GPON、GEPON 等技术带宽高、造价贵；APON/BPON技术造价相对较低，带宽足以满足电力 配电自动化各种终端的业务需求，但是技术不够成熟；EPON是当前技术最为成 熟、性价比最高、应用最广泛的PON技术。,4.3 配电通信网接入层技术分析,3.无源光网络（EPON）以太网无源光网络（Ethernet PON）由局侧的光线路终端（OLT）、用户侧 的光网络单元（ONU）和光分配网络（ODN）组成。它是一种采用点到多点结构 的
9、单纤或双纤双向光接入网络，上、下行应分别使用不同的波长，其中上行应 使用12601360nm波长，下行应使用1480-1500nm波长。为了避免数据冲突并提高网络利用效率，上行方向采用TDMA多址接入方式（并实现带宽动态分配）并对各上行数据的发送进行仲裁。 EPON技术采用的分光器为无源器件，该器件无法实现对光信号的放大，所以在传输距离上EPON 技术有一定的限制，一般从OLT至ONU 最远不超过20km。此外，分光比需要事先规划好，不能随意接入新的设备，扩展性相对较差。 用户侧接口：应支持10/100BASE-T接口或RS232/RS485串口。 网络侧接口：应支持GE接口或RS232/RS
10、485串口，可选支持10/100BASE-T,4.3 配电通信网接入层技术分析,3.无源光网络（EPON） 通常采用树形和手拉手主备冗余环网组网。,手拉手方式可有效防止单POS节点的故障,ONU 采用挂灯泡方式接入到光纤链路上，任何一个或多个ONU设备失效对网络中其他设备的工作不会造成任何影响。,4.3 配电通信网接入层技术分析,4.电力线载波通信 PLC,高压电力线、用途,4.3 配电通信网接入层技术分析,4.电力线载波通信 PLC,低压电力线载波抄表系统，电力线上网,4.3 配电通信网接入层技术分析,4.电力线载波通信 PLC 中压电力线载波：对于架空线路，采用电容耦合方式（包括相-地耦合
11、方式和相-相耦 合方式两种）；对于电力电缆线路，利用电力电缆的屏蔽层传输数字信息，采用电 感耦合方式（包括注入式电感耦合和卡接式电感耦合两种）。电感耦合 装置不直接与电力线相连，方便安装在地下电缆沟，户外开关箱或配电 分接箱内，施工时可不断电。 优点：无需经过FCC的许可形成电力专网，安全自控基于网络的配电线载波支持自由拓扑，极大的灵活性无需架设其他通道，降低系统建设成本 缺点：由于中压配电线路情况复杂，分支线路多，且无法安装阻波器，因此，中压电力线的 传输特性时变性强，波动较大，噪声干扰复杂。,4.3 配电通信网接入层技术分析,4.电力线载波通信 PLC,应用分析：受技术的局限，基于中压配电
12、线路的载波通信技术只是对光纤和无线通信方 式的一个补充，其适用环境如下。 1）不具备安装光纤条件的区域、公网无线通信信号没有覆盖的边远地区或者农村地区。 2）因为经济因素，不适合铺设光纤区域。 3）因信息安全考虑，不适合采用公网通信方式的区域。 4）位于边远山区的中小水电站电量信息采集。,4.3 配电通信网接入层技术分析,5. 无线公网目前可用的无线公网数据传输方式有GPRS、CDMA、3G等几种。移动通信网络：,一、 多址联接技术 二、 话音与信道的编码技术 三、 调制与解调技术,4.3 配电通信网接入层技术分析,5. 无线公网- GSM- GPRS,MSC: 移动交换中心 BSC: 基站
13、SS7: 信令网 PLMN: 陆地公共无线网 SMSC: 短消息 BILLING :计费 SGSN:GPRS服务支持节点 GSM 9.6kbps GPRS: 56115Kbps 接入方式：TDMA+FDM,4.3 配电通信网接入层技术分析,5. 无线公网- CDMA（ NCDMA ）,保密性 低功耗 宽带，大容量 153kbits,4.3 配电通信网接入层技术分析,5. 无线公网- CDMA（ NCDMA ）,3G是英文3rd-Generation的缩写，指第三代移动通信技术。相对第 一代模拟制式手机（1G）和第二代GSM、TDMA等数字手机（2G）， 第三代手机一般地讲，是指将无线通信与国际
14、互联网等多媒体通信 结合的新一代移动通信系统。它能够处理图像、音乐、视频流等多 种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息 服务。为了提供这种服务，无线网络必须能够支持不同的数据传输 速度，也就是说在室内、室外和行车的环境中能够分别支持至少 2Mbps（兆字节每秒）、384kbps（千字节每秒）以及144kbps 的传输速度。目前3G存在四种标准：CDMA2000，WCDMA，TD-SCDMA，WiMAX。,4.3 配电通信网接入层技术分析,5. 无线公网- CDMA（ NCDMA ）,3G是英文3rd-Generation的缩写，指第三代移动通信技术。相对第 一代模拟制式手机
15、（1G）和第二代GSM、TDMA等数字手机（2G）， 第三代手机一般地讲，是指将无线通信与国际互联网等多媒体通信 结合的新一代移动通信系统。它能够处理图像、音乐、视频流等多 种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息 服务。为了提供这种服务，无线网络必须能够支持不同的数据传输 速度，也就是说在室内、室外和行车的环境中能够分别支持至少 2Mbps（兆字节每秒）、384kbps（千字节每秒）以及144kbps 的传输速度。目前3G存在四种标准：CDMA2000，WCDMA，TD-SCDMA，WiMAX。,4.3 配电通信网接入层技术分析,5. 无线公网- 3G,3G是第三代通信网络
16、，目前国内支持国际电联确定三个无线接口标 准，分别是中国电信的CDMA2000，中国联通的WCDMA，中国移动的 TD-SCDMA，国际电联确定三个无线接口标准，分别是美国 CDMA2000，欧洲WCDMA，中国TD-SCDMA。原中国联通的CDMA现在卖 给中国电信，中国电信已经将CDMA升级到3G网络，3G主要特征是可 提供移动宽带多媒体业务。目前3G存在四种标准：CDMA2000，WCDMA，TD-SCDMA,WIMAX。速率：100-300kbps,4.3 配电通信网接入层技术分析,5. 无线公网-三亚线损系统,4.3 配电通信网接入层技术分析,5. 无线专网,微波专网包括WiMAX，
17、McWILL，Mobitex，以及无线自组网等等，配电 自动化系统中主要考虑WiMAX和McWILL。专网通信由于与公网分开，安全 性、可靠性比较有保障。 WiMAX ：（World Interoperability for Microwave Access）即全球微 波接入互通，是一种基于IEEE 802.16标准（包括802.16d固定WiMAX和 802.16e移动WiMAX）的宽带无线接入（BWA）城域网技术。支持语音、图 像等多种业务，支持ATM和IP接口，距离5-15km。IEEE 802.16e在几公里范围内，5M带宽提供最大15Mbit/s的速率。 McWill：SCDMA(窄
18、带)_宽带的McWill_ TD-SCDMA(我国3G标准) McWill R4支持固定无线接入，R5支持高速移动无线接入，120km/h，漫 游，切换，市内覆盖半径1-3km， R5版5M带宽提供最大吞吐量达15Mbit/s 的速率，终端最大速率5Mbit/s频段，接入方式、调制方式、编码等有差别，外特性相似。McWill 支持频段少，受限制。 WiMAX ：支持MESH组网， McWill只支持宏蜂窝。WiMAX厂家400多家， McWill系列联盟厂家少，正在试验期。,应用模式,TD-SCDMA McWiLL,水表 Water Meter,照明控制 Lighting Controls,暖
19、通系统 HVAC System,负荷控制设备 Load Control Device,居家显示器 In-Home Display,气表 Gas Meter,负荷系统 Load System,可编程调温器 Programmable Communicating Thermostat,Mesh网状网组网,Star/Tree/Mesh混合组网,信息发布 抄表 控制命令,用电信息,用电信息,用电信息,用电信息,用电信息,用电信息,4.3 配电通信网接入层技术分析,5. 无线专网-无线自组织 AD HOC Ad hoc网络是一种特殊的无线移动网络。网络中所有结点的地位平等，无需设 置任何的中心控制结点。网
20、络中的结点不仅具有普通移动终端所需的功能，而 且具有报文转发能力。与普通的移动网络和固定网络相比，它具有以下特点：无中心、自组织、多跳路由、动态拓扑 。其应用：军事、传感器网络、紧 急和临时场合、个人通信、与移动通信相结合。WSN, 传感器网络、物联网,Home Area Network (HAN) and Customer Programs,家域网 (HAN) 和客户程序,4 智能电网电力光纤到户组网图 Smart Grid PFTTH Network Diagram,4.4 配电终端层的通信,配电终端层通信技术分析配电终端即配电变压器的监测终端TTU。TTU向通信子站或主站传送 遥测信息，
21、单个终端通信量少，终端数量多，分布广。可选的通信技术 包括现场总线，以太网，双绞线串口，中压配电线载波，拨号电话网， 电话专线，无线公网，无线专网。 1 现场总线现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式双向传输、多分支结构 的通信网络。现场总线产品有CAN，FF，Profibus，Lonworks等。在配电网自动 化系统中，现场总线适合于站内自动化智能模块之间，以及邻近的FTU与TTU之间 的通信。,4.4 配电终端层的通信,配电终端层通信技术分析配电终端即配电变压器的监测终端TTU。TTU向通信子站或主站传送 遥测信息，单个终端通信量少，终端数量多，分布广。可选的通信技术 包括现场总线
22、，以太网，双绞线串口，中压配电线载波，拨号电话网， 电话专线，无线公网，无线专网。 1 现场总线现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式双向传输、多分支结构 的通信网络。现场总线产品有CAN，FF，Profibus，Lonworks等。在配电网自动 化系统中，现场总线适合于站内自动化智能模块之间，以及邻近的FTU与TTU之间 的通信。,4.4 配电终端层的通信,配电终端层通信技术分析 2 屏蔽双绞线RS-485串口RS-485是一种改进的串行接口标准，连接屏蔽双绞线。最多可支持64256 个发送/接收器，其功能和安全性都能满足基本要求（如输入输出隔离、防静 电、防雷击、微功耗等），具有通
23、信效率高、可靠性好等优点，但用于大容量系 统时，需铺设专用线路，工程造价较高。 3 拨号电话拨号电话是利用市电话网组成配网通信系统，其特点是不需要投资建设专用 通信网，开通费用低，但运行费用高。,4.4 配电终端层的通信,配电终端层通信技术分析 2 屏蔽双绞线RS-485串口RS-485是一种改进的串行接口标准，连接屏蔽双绞线。最多可支持64256 个发送/接收器，其功能和安全性都能满足基本要求（如输入输出隔离、防静 电、防雷击、微功耗等），具有通信效率高、可靠性好等优点，但用于大容量系 统时，需铺设专用线路，工程造价较高。 3 拨号电话拨号电话是利用市电话网组成配网通信系统，其特点是不需要投
24、资建设专用 通信网，开通费用低，但运行费用高。,4.4 配电终端层的通信,配电终端层通信技术分析 3 专线在专线（以双绞线或音频电缆为介质）方式中，各用户端在与终端设备通信 的过程中采用的是polling方式，通过Modem将数字信号转换成模拟信号在专线上 传送，可实现不小于1200 bit/s和不低于10 km的通信，传输速率较低，运行维 护费用高。该技术在光纤通信得到大规模应用之前，是一种主要的通信方式。由于带宽 低，扩展性差，敷设及运行成本都非常高，该技术逐步被淘汰。,4.4 配电终端层的通信,配电终端层通信技术分析 3 专线在专线（以双绞线或音频电缆为介质）方式中，各用户端在与终端设备
25、通信 的过程中采用的是polling方式，通过Modem将数字信号转换成模拟信号在专线上 传送，可实现不小于1200 bit/s和不低于10 km的通信，传输速率较低，运行维 护费用高。该技术在光纤通信得到大规模应用之前，是一种主要的通信方式。由于带宽 低，扩展性差，敷设及运行成本都非常高，该技术逐步被淘汰。,4.4 配电终端层的通信,配电终端层通信技术分析 3 数传电台数字电台提供透明RS232接口，传输速率达19.2kbps，收发转换时间小于 10ms，具有场强、温度、电压等指示，误码统计、状态告警、网络管理等功能。数传电台使用350-512MHz或800-900MHz频带。230MHz是
26、国家无线电管理委员 于1991年分配给电力专用的无线频点（包括15个双频频点和10个单频频点），相 邻频点间隔为50-150kHz，带宽为25kHz。数传电台具有发射功率大、覆盖范围广、传输时延小等优点。具有建网成本 低、建设周期短、维护量小、不占用耕地、无需查线检修、不受人为破坏、数据 易传、组网灵活等优点。不足之处在于：用轮询的方式进行数据交换、调制方式相对落后、无纠错能力和加密功能， 无线信号可以被轻易的截获、解析和伪造、抗干扰能力差。受到公用频点数量 限制，容易产生同频干扰；且信号易受到建筑物与天气变化的影响。,4.4 配电终端层的通信,配电终端层通信技术选择 用电终端技术,4.5 配
27、电自动化对通信的要求,电力配电网业务包括远程抄表、视频监控等，电力系统综合业务 包括调度自动化等。由于网络承载的业务种类较多，各种业务对传输的 实时性要求、可靠性要求、带宽要求等不尽相同，所以需要对各种业务 进行详尽分析，确定其对网络的不同需求，来规划网络的建设方案，为 整个系统提供完备、可靠、安全的通信服务。配电网自动化对通信系统的要求，主要取决于要实现自动化的整体 规模、自动化系统的功能要求、预期达到的自动化水平、配电网自动化 进展等。由于实现配电网自动化的信息点数量大、分布面广，配电网通 信的建设和完善需要总体规划、分阶段分区域进行。,4.5 配电自动化对通信的要求,通信的靠性配电网自动
28、化的通信系统实在户外运行的，容易导致材料老化，故要求能 经受恶劣气候的考验。另外，通信系统还要经受噪音、电磁、雷电等的干扰， 保持稳定运行。在电力设备发生故障时，应能抵抗事故所产生的瞬间强电磁干 扰，完成故障诊断，故障隔离和恢复非故障区域供电的通信任务。 2. 通信的实时性配电网自动化的重要功能就是能够实时监控网络运行并进行在线分析，实 时性对通信传输速率提出了较高的要求。特别是在配电网发生故障时，主站系 统和配电网终端之间需要及时交换的数据，快速及时传送故障数据或控制命 令。同时，还需考虑今后扩展需要，今后发展可能不仅要传送数据，还要传送 现场实时图像等。,4.5 配电自动化对通信的要求,通
29、信的靠性配电网自动化的通信系统实在户外运行的，容易导致材料老化，故要求能 经受恶劣气候的考验。另外，通信系统还要经受噪音、电磁、雷电等的干扰， 保持稳定运行。在电力设备发生故障时，应能抵抗事故所产生的瞬间强电磁干 扰，完成故障诊断，故障隔离和恢复非故障区域供电的通信任务。 2. 通信的实时性配电网自动化的重要功能就是能够实时监控网络运行并进行在线分析，实 时性对通信传输速率提出了较高的要求。特别是在配电网发生故障时，主站系 统和配电网终端之间需要及时交换的数据，快速及时传送故障数据或控制命 令。同时，还需考虑今后扩展需要，今后发展可能不仅要传送数据，还要传送 现场实时图像等。,4.5 配电自动
30、化对通信的要求,3. 通信的双向性对主站来说，不仅需要向终端下发控制命令，也需要接受终端上传的数 据，配电网自动化系统中的各项功能均要求双向通信，如故障区域隔离和恢复 正常区域供电的功能，远方的配电网终端必须能够向主站上报故障信息以供主 站确定故障区域，主站必须再向配电网终端下达控制命令，才能实现故障区域 隔离和恢复非故障线路的正常供电。因而，配电网自动化系统各层次之间的通 信是双向的，通信系统必须具有双向通信的能力。 4. 通信的灵活性配电网自动化的重要功能就是能够实时监控网络运行并进行在线分析，实 时性对通信传输速率提出了较高的要求。特别是在配电网发生故障时，主站系 统和配电网终端之间需要
31、及时交换的数据，快速及时传送故障数据或控制命 令。同时，还需考虑今后扩展需要，今后发展可能不仅要传送数据，还要传送 现场实时图像等。,4.5 配电自动化对通信的要求,5.业务种类繁多配电网主站层包括配电网SCADA、负荷控制管理、远程抄表等众多子功能 系统。各种业务的数据通信量和实时性要求差别很大，不同业务对通信系统提 出了不同的要求。 6. 成本因素成本因素包括建设收资，运行、维护和使用成本。由于配电网通信网络的 规模巨大，网络的建设投资、运行维护和使用成本都十分可观。成本问题也是 目前制约配电网通信发展的关键问题，也是选择各种配电网通信方案似乎要考 虑的最重要的问题。,4.6 配电自动化对
32、通信的要求,5.业务种类繁多配电网主站层包括配电网SCADA、负荷控制管理、远程抄表等众多子功能 系统。各种业务的数据通信量和实时性要求差别很大，不同业务对通信系统提 出了不同的要求。 6. 成本因素成本因素包括建设收资，运行、维护和使用成本。由于配电网通信网络的 规模巨大，网络的建设投资、运行维护和使用成本都十分可观。成本问题也是 目前制约配电网通信发展的关键问题，也是选择各种配电网通信方案似乎要考 虑的最重要的问题。,4.5 配电自动化的规划设计,1.确定目标2.现状网络分析3 配电自动化系统需求分析4.配电自动化系统原则的确定5 一次网架设计与改造6.二次系统设计7.投资估算8.成效分析,
