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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:This paper presented the Communication o
2、f Distribution Automation System. It is aimed at optical fiber(especially the optical fiber Ethernet network and optical fiber loop network)、Field bus(LonWorks、Profibus、Can)、the new Digital Network Distribution Line Carrier(NDLC) and other communication modes used in the Distribution Automation Syst
3、em. Combining with the engineering practice, the author summarized many project schemes of Beijing Sifang-Huaneng Electric Power Network Control System Co, Ltd. KeyWord：Distribution Automation，Communication，Optical Fiber，Filed Bus，NDLC，CSDA20001 配电网通信网络总体结构1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
4、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
5、；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FTUTTU，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
6、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
7、有DLC、光纤、电话、双绞线、无线，功能比较如下：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。 1FTU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）：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：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：以
8、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。2 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
9、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
10、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
11、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。采集器采集器低压配电载波HUB图5 光纤环网配网系统通信示意图采集器采集器低压配电载波HUB智能光纤接口图6 光纤以太网配网系统通信示意图2.2 现场总线2.2.1.LonWorks现场总线网 2LonWo
12、rks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
13、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
14、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Predictive P-Persistent CSMA，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，
15、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78k bps2000M400帧/秒*641.25M bps500M700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、GM、IBM、Motorolar、英国National Grid Compan
16、y、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，TTU等。Neuron芯片，它是本接点同网络交换信息的接口。网络驱动器，用于驱动信道媒介，如光纤驱动器、双绞线驱动器等。如下图所示。图7 Lonworks网络连接LonWorks网络在馈线自动化中的应用由于LonWorks网络采取了配置1500伏直流隔离变压器隔离等适合于工业现场环境等措施，具有很强的抗干扰、抗振动性能，适用于较大的温度范围。适合于较恶劣的工业环境和户外
17、环境。运行至今，未发生过任何LonWorks网因受干扰而误响应的情况。总线型CSMA/CD（载波监听多路访问/冲撞检测）协议，并且采用重要报文加优先级方式，适合于放射状运行的馈线自动化系统。ISO七层规约中，六层固化。减少了二次开发的工作量，同时提高了可靠性。根据理论计算、试验及现场验证，LonWorks现场测控网络完全满足馈线自动化系统传输速度的要求。LonWorks网络特别适用于分支线上FTU、TTU与主干线上FTU的连接，和干线上TTU与邻近的FTU的连接。我公司已率先将LonWorks技术应用于馈线自动化。2.2.2.ProfiBusProdiBus概述：（1） PROFIBUS是一种
18、国际化开放式不依赖于设备生产商的现场总线标准。广泛适用于制造业自动化流程工业自动化和楼宇交通电力等其他领域自动化。（2） PROFIBUS由三个兼容部分组成，即PROFIBUSDP（ Decentralized Periphery）PROFIBUSPA（Process Automation ）PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification )。（3） PROFIBUS DP: 是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式IO的通信。使用PROFIBUSDP可取代办24VDC或420mA信号传输。（4） PORFIBUSPA：专为过程自动化设计，可使
19、传感器和执行机构联在一根总线上，并有本征安全规范。（5） PROFIBUSFMS：用于车间级监控网络，是一个令牌结构实时多主网络。（6） PROFIBUS是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。（7） 与其它现场总线系统相比，PROFIBUS的最大优点在于具有稳定的国际标准EN50170作保证，并经实际应用验证具有普遍性。目前已应用的领域包括加工制造过程控制和自动化等。PROFIBUS开放性和不依赖于厂商的通信的设想，已在10多万成功应用中得
20、以实现。市场调查确认，在德国和欧洲市场中PROFIBUS占开放性工业现场总线系统的市场超过40。PROFIBUS有国际著名自动化技术装备的生产厂商支持，它们都具有各自的技术优势并能提供广泛的优质新产品和技术服务。Profibus 协议结构PROFIBUS协议结构是根据ISO7498国际标准，以开放式系统互联网络（Open System Interconnection-SIO）作为参考模型的。该模型共有七层。（1）PROFIBUSDP：定义了第一二层和用户接口。第三到七层未加描述。用户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能，并详细说明了各种不同PROFIBUSDP设备的设备行为。（2）
21、PROFIBUSFMS：定义了第一二七层，应用层包括现场总线信息规范（Fieldbus Message Specification - FMS）和低层接口(Lower Layer Interface LL)。FMS包括了应用协议并向用户提供了可广泛选用的强有力的通信服务。LL协调不同的通信关系并提供不依赖设备的第二层访问接口。（3）PROFIBUSPA：PA的数据传输采用扩展的PROFIBUSDP协议。另外，PA还描述了现场设备行为的PA行规。根据IEC11582标准，PA的传输技术可确保其本征安全性，而且可通过总线给现场设备供电。使用连接器可在DP上扩展PA网络。注：第一层为物理层，第二层为
22、数据链路层，第三六层末使用，第七层为应用层。目前，Profibus在综自站有较多应用，在馈线自动化中，国内有少量应用。2.2.3.CanCAN是控制局域网（Control Area Network）的简称，最早由德国BOSCH公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。其总线规范现已被ISO国际标准组织制订为国际标准。由于得到了Motorola, Intel, Philip, NEC等公司的支持，它广泛应用在离散控制领域。CAN协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的，不过，其模型结构只有三层，即只取OSI底层的物理层、数据链路层和顶层的应用层。其信号传输介质为双绞线。通信
23、最高可达1Mbps/40m，直接传输距离最远可达10km/5kbps。可挂接设备数最多可达110个。CAN的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，因而传输时间受干扰的概率低。当节点严重错误时，具有自动关闭的功能，以切断该节点与总线的联系，使总线上的其他节点及其通信不受通信影响，具有较强的抗干扰能力。目前，Can在一些电表接入时有应用，在馈线自动化中，国内有少量应用。2.3电力线载波通信 342.3.1.NDLC四方的新一代中压数字载波通信系统NDLC（Network-based Distribution Line Carrier）四方研究所于1998年底，推出具有国际先进水平的以数字
24、信号处理（DSP）解码技术为核心的窄带多频NDLC技术。该技术从原理上突破了现有的电力线扩频DLC的局限性，具有-80dB绝对电平的接收能力，采用了专用的耦合方式，具有强大的网络管理功能，并充分考虑了NDLC的可靠性，为馈线自动化、自动抄表系统提供了强有力的通信支持。 2.3.2 电力线载波在低压抄表中的应用 低压抄表主要采用电力线数字载波通信方式，主要有以下四部分组成：电力线路（载波通道）、配电自动化系统设备（采集终端、集中器、耦合设备等）、变电站数据收集子站及变电站转发环节（CSE200系列通讯处理机）。在小区配电变压器低压侧通过低压配电线载波将用户电量由采集终端采集到集中器，与此同时,集
25、中器就地采集配电变压器低压侧的各个交流遥测数据，并将所有电量、遥测数据通过中压电力载波方式传送到变电站收集子站，载波通信采用101简化规约，设计波特率为2400BPS。变电站收集子站将载波数据通过RS232串口转发到CSE200数据接收端， CSE200接收后通过现有的光纤通道将数据转发到配电中心的自动化抄表后台，与后台接口的通信规约方式为DNP3.0。配电变压器侧的系统连接示意图如图8所示，低压载波采用相地耦合方式，这里全部选用B相耦合。采集终端（也称采集器）共9个，分别安装在以上9个电表柜中，每个采集终端采集该电表柜所有电表的电度量。脉冲电表的电度脉冲信号通过信号线接入采集终端的脉冲信号输
26、入端口。采集终端通过载波收发器将所有电度数字量耦合到B相低压电力线上。集中器通过低压载波收集采集终端上传的电度量，同时通过PT和CT测量配电变压器低压侧的各个遥测量，并将所有收集的电度量和遥测量通过10KV耦合设备耦合到10KV的中压线上。图8 配电变压器侧系统连接示意图变电站侧系统连接图如图9所示，10KV母线耦合相同样为B相（中间相），中压载波数字量通过耦合设备进入变电站内的数据收集子站，然后由RS232串口传送到CSE转发单元。CSE将数据按电力远动DNP3.0规约通过光纤通道转发到配电中心的抄表后台接口，从而实现由后台到采集终端的整个远程抄表通讯。整个通讯通道都是全双工通道，后台召唤下
27、送报文和采集终端主动上送报文可以同时进行。图9 变电站侧系统连接示意图整个远程抄表系统通信网络如图10所示：图10 *远程抄表系统通信示意图3. 配网自动化中的通信解决方案总结综上所述，配网自动化系统一般分三层：主站、子站、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，最好采用高速光纤以太网方案，依据可靠性要求不同，投资不同，分别可采用树状结构、单环结构、双环结构，这三种结构目前都有专业厂家的产品支持。子站与馈线通信网一般统一考虑，目前一般采用光纤、双绞线、电力线载波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，将
28、干线TTU、支线的FTUTTU，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网，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。光纤以太网更有发展前景。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。低压载波抄表系统可通过集中器与配网主通信网相连，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。参考文献：1 CSDA2000配网自动化系统 北京四方华能电网控制系统
29、有限公司 2 CSC2000变电站综合自动化系统北京哈德威保护与控制设备有限公司3 配电网自动化载波通信的通道分析焦邵华 刘万顺 郑卫文 矫坚 张振华 杨奇逊华北电力大学(北京) 电力工程系 100085 北京4 配电网自动化载波通信在线路故障时的通道分析焦邵华 刘万顺 郑卫文 李贵存 张振华 杨奇逊华北电力大学(北京) 电力工程系 100085 北京作者：杜宏，男，1969年生 北京四方华能电网控制系统有限公司 副总经理 高级工程师 北京海淀上地开发区4街9号 100085 电话： 010-62961806 Autobiography: Du Hong, male，Born in 1969.Beijing Sifang-Huaneng Electric Power Network Control System Co, Ltd.Deputy General Manager Senior EngineerAdd: Sifang Mansion, No.9 the Fourth Avenue, Shangdi, Haidian District, Beijing, 100085, China,P.R.Tel: 86-10-62961806E-Mail: dh
