配网自动化中的通信解决方案

1配网自动化中的通信解决方案杜宏(北京四方华能电网控制系统有限公司,100085,北京)摘要：本文对配网自动化中的通信问题进行了探讨，并针对光纤（光纤以太网、光纤环网）、现场总线（Lonworks、Profibus、Can）、新型数字式电力线载波（NDLC）等多种配网自动化中常用的通信方式，结合配网自动化工程实际，总结了四方华能公司CSDA2000配网自动化系统的多种解决方案。本文可为关心配网自动化中通信问题的广大用户提供参考。关键词：配网自动化，通信，光纤，现场总线，NDLC，CSDA2000Abstract:ThispaperpresentedtheCommunicationofDistributionAutomationSystem.Itisaimedatopticalfiber(especiallytheopticalfiberEthernetnetworkandopticalfiberloopnetwork)、Fieldbus(LonWorks、Profibus、Can)、thenewDigitalNetworkDistributionLineCarrier(NDLC)andothercommunicationmodesusedintheDistributionAutomationSystem.Combiningwiththeengineeringpractice,theauthorsummarizedmanyprojectschemesofBeijingSifang-HuanengElectricPowerNetworkControlSystemCo,Ltd.KeyWord：DistributionAutomation，Communication，OpticalFiber，FiledBus，NDLC，CSDA200021配电网通信网络总体结构〔1〕调度员工作站浏览工作站维护工作站事故分析工作站通信DLC、光纤、电话、双绞线、微波站内通信网MMI应用层规约层通信层SCADA备用服务器10KV中压载波、光纤环网、PSTN或其它交换网电量管理工作站MIS网或其它网络GIS工作站高级应用工作站SCADA主服务器GIS服务器WEB服务器前置机A前置机B主站系统路由器子站系统设备CSE200通信处理机通信系统通信系统图1CSDA2000配网自动化系统典型结构图CSF106数据采集器FTU或TTUTTU中压电力线载波、光纤通信电缆电量集抄工作站低压配电载波脉冲电能表低压配电载波集中器采集终端远程自动抄表系统载波电能表上图描述了配网自动化的总体结构，配网自动化的通信系统是与此密切相关的。为了贯彻功能下放，分级分层，提高事故响应速度的原则，配网自动化系统一般分三层：主站、子3站、馈线。依据配网规模的大小，主站层还可在分为主站和区域站两层。在主站与子站之间，由于信息量大，要求高速可靠的通信通道，但节点又不多，目前一般采用光纤通信，分两种：光纤以太网、光纤环网，这两种光纤通信方式的造价相近。光纤环网更成熟一些，但光纤以太网是发展方向，光纤以太网目前技术实现及相关设备都已得到实践检验，正在推广应用。子站与馈线通信网一般统一考虑，馈线网结构复杂，情况多样，各地的特点不同，很难找到一种统一的通信模式。目前一般采用光纤、双绞线、电力线载波、无线等多种通信手段混合的方式。常见的结构为：以光纤构建干线通信网络；通过双绞线，采用现场总线技术（如Lonworks、Can、Profibus）或485，将干线TTU、支线的FTU\TTU，连接到干线FTU，由其通过高速光纤通道，将信息上传到子站、主站，干线FTU应具备这种集中转发的能力。馈线通信网采用光纤通信，也可分为两种：光纤以太网、光纤环网，这两种光纤通信方式的造价相近。有些问题是光纤环网难于解决而只能用光纤以太网的，例如子站管理的FTU范围会发生变化，换言之，有些FTU本属于A子站管理，由A子站负责与之通讯，运行方式发生变化后，变为B子站管理，由B子站负责与之通讯，这种情况，光纤环网是处理不了的；再比如馈线保护功能，要求FTU之间，与子站之间，快速的交换信息（在100MS之内），也只有光纤以太网才能达到这种要求。10KV电力线载波，也是一种馈线上值得关注的通信手段，特别适用于城乡结合部的长支线。对于低压（220/380V）的抄表系统，电力线载波抄表是最好的方式，性能价格比最高。低压电力线载波抄表常用的有两种模式：一是对于集中的10-30块脉冲电表装一抄表器，抄表器通过低压电力线载波与配变处的集中器相连；二是在每块电表中，加装一个载波模块，由载波模块直接与集中器相连。第一种方式更加经济，但要求电表相对集中；第二种方式造价较高，但适用于电表分散的情况。集中器一般放在配电变压器处，一个台区一个，集中器也可与TTU合一。配网自动化主要的通信方式有DLC、光纤、电话、双绞线、无线，功能比较如下：4通信介质数据速率对DA的适用性投资运行费用覆盖范围改动的灵活性前景DLC光纤电话双绞线无线中高低中中好好差中差低高中中低低低高低低大小大小中大小中小中好好差差差除了系统典型结构外，根据实际情况的不同还有其它一些配置方式，下面列举几种不同配置方式。1．FTU单元直接与通信系统连接，而不需要通过子站连接，具体连接方式如图2所示（与典型配置相同的部分简略，只描述不同连接处，后面各图均相同）：通信DLC、光纤、电话、双绞线、微波主站系统子站系统通信系统配调设备FTU单元图2FTU直接与通信系统连接2.抄表系统通过FTU与通信系统连接，而不是通过子站与通信系统连接，具体连接方式如图3所示：5通信DLC、光纤、电话、双绞线、微波主站系统子站系统通信系统配调设备FTU单元图3抄表系统与FTU连接远程自动化抄表系统3．抄表系统通过通信处理机直接和主站系统连接，具体连接方式如图4所示：通信DLC、光纤、电话、双绞线、微波主站系统子站系统通信系统配调设备图4抄表系统直接与主站连接CSE通信处理机远程自动抄表系统以上只列举了我公司产品的几种系统典型结构，在实际使用中可以根据配网的规模、环境等具体实际情况加以修改和调整，以适合实际应用的需要。62配网自动化通信系统几种主要的通信方式：2.1光纤通信光纤环网在配网自动化中的应用在配电自动化系统中，光纤网以前较多的是组成环状网。一则结构简单，二则可靠性强。采用光纤自愈环网通信方式时，网络由各节点双向闭环串接而成。正常时，一环路工作另一环路备用，若其中某一段光纤因施工等意外原因而开断，则可以利用光纤双环网的自愈功能，继续保持通信联系，这种通信具有很高的可靠性。光纤环网配电自动化实现方案：1）主站与子站之间采用单模光纤，以光纤以太网方式相连，通信速率100M，需光纤转换模块2对（2个子站）；2）子站与干线上环网柜、开闭所、FTU之间采用单模光纤，通过光纤双环相连（采用单模双发双收的光MODEM）实现带自愈的双环通信；3）干线TTU，支线FTU、TTU，通过双绞线就近连到干线的FTU，采用Lonworks现场总线协议，由FTU集中转发信息，本公司FTU产品CSF101具备此功能。终端层环上设备与子站交换信息，环间通过主站－子站光纤以太网交换信息；干线TTU，支线FTU、TTU，通过双绞线就近连到干线的FTU，进入到本通信网。对于一个子站，通过本站环和主站－子站光纤以太网获取本子站范围内的信息，从而完成DA功能。见光纤环网配网系统通信示意图－图5光纤以太网在配网自动化中的应用光纤以太网高速灵活，技术资源丰富，有些问题是光纤环网难于解决而只能用光纤以太网的，例如子站管理的FTU范围会发生变化，换言之，有些FTU本属于A子站管理，由A子站负责与之通讯，运行方式发生变化后，变为B子站管理，由B子站负责与之通讯，这种情况，光纤环网是处理不了的；再比如馈线保护功能，要求FTU之间，与子站之间，快速的交换信息（在100MS之内），也只有光纤以太网才能达到这种要求。光纤以太网配电自动化实现方案：1）主站与子站之间采用单模光纤，以光纤以太网方式相连，通信速率100M，需光纤转换模块2对（2个子站）；2）子站与干线上环网柜、开闭所、FTU之间采用光纤，采用通信处理机CSE200和网络交换机，通过网络交换机与主干线FTU采用光纤通信，其中FTU内要加装智能光纤接口；通过CSE200完成变电站RTU接入，GPS接入，当地维护/或远传、电子设备接入等功能；3）干线TTU，支线FTU、TTU，通过双绞线就近连到干线的FTU，采用Lonworks现场总线协议，由FTU集中转发信息，本公司FTU产品CSF101具备此功能。见光纤以太网配网系统通信示意图－图6。7图5光纤环网配网系统通信示意图HUB低压配电载波采集器采集器8图6光纤以太网配网系统通信示意图智能光纤接口HUB低压配电载波采集器采集器92.2现场总线2.2.1.LonWorks现场总线网〔2〕LonWorks是又一具有强劲实力的现场总线技术。它是由美国Echelon公司推出并由它与摩托罗拉、东芝公司共同倡导，于1990年正式公布而形成的。通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置其通信速率从300bps至1.5Mbps不等，直接通信距离可达2700m(78kbps,双绞线)；支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等多种通信介质。并开发了相应的本质安全防爆产品，被誉为通用控制网络。LonWorks技术采用的LonTalk协议被封装在称之为Neuron的神经元芯片中而得以实现。集成芯片中有3个8位CPU，一个用于完成开放互连模型中第1和第2层的功能，称为媒体访问处理器；实现介质访问的控制与处理；第二个用于完成第3-6层的功能，称为网络处理器，进行网络变量的寻址、处理、背景诊断、路径选择、软件计时、网络管理并负责网络通信控制，收发数据包等。第三个是应用处理器，执行操作系统服务与用户代码。芯片中还具有存储信息缓冲区，以实现CPU之间的信息传递，并作为网络缓冲区和应用缓冲区。Echelon公司的技术策略是鼓励各OEM开发商运用LonMARK互操作协会，开发推广LonWorks技术与产品。它已被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、交通运输、工业过程控制等行业。另外，在开发智能通信接口、智能传感器方面，LonWorks神经元片也具有独特的优势。LonWorks网络技术性能美国Echelon公司推出的LonWorks实时测控网络。其主要特点如下：采用Lontalk通信协议，该协议遵循国际标准化组织ISO定义的开放系统互联OSI全部七层模型，网络协议开放，可以实现互操作。可在任何介质下通信，包括双绞线、电力线、光纤、同轴电缆等，并且多种介质可以在同一网络中混合使用。网络操作系统结构可以是主从式、对等式、客户/服务式结构。提供总线型、星型、环型、混合型等网络拓扑结构。改善了CSMA，采用一种新的成为PredictiveP-PersistentCSMA，可以在负载较轻时使介质访问延迟最小化，而在负载较重时使冲突的可能性最小化。网络通信采用面向对象的设计方法，LonWorks技术将其称之为“网络变量”，不但节省了大量的设计工作量，同时增加了通信的可靠性。网络的主要组成部分Neuron芯片，由美国MOTOROLA和日本东芝二大IC芯片制造商同时生产。下表列出了采用带隔离变压器驱动器的双绞线网的LonWorks的主要指标。波特率最大通信距离最大通过能力最大接点数78kbps2000M400帧/秒*641.25Mbps500M700帧/秒*64*在平均帧长为12字节时测量目前，LonWorks网络已拥有世界上近3000个公司用户，覆盖各行各业，包括：AT&T、10GM、IBM、Motorolar、英国NationalGridCompany、Bell、ABB等等。截止1998年底，预计有近1000万个LonWorks网络节点在各种应用系统中运行。LonWorks网络联接方式就网络的角度看，每一个联在网络上的节点都应包括三个部分：本接点功能部分，例如一个FTU，