（通信与信息系统专业论文）基于plc通信的配电网管理系统研究.pdf

华北电力人学硕十学位沦文摘要 摘要 分析了基于p l c 通信的配电网管理系统的总体设计方案，主要利用配电网中的 l ok v 电力线作为传输媒介实现监控中心与监控终端之间实时可靠的通信。根据配 电网管理需求，利用面向对象语言v c + + 6 o 开发界面友好，使用方便的配电网管理 系统后台管理软件。配电网管理系统后台管理软件主要实现了部分s c a d a 与g i s 功能的集成。利用m a p x 控件开发配电网g i s 管理功能，突出配电网可视化管理。 针对配电网特点，分析d n p 3 o 协议的基础上，制定遥测、遥信和遥控通信协议， 并通过串口实现数据传输。管理软件利用不同的功能模块实现配电网涉及到各类数 据的处理，并存储于s q ls e r v e r2 0 0 0 关系型数据库。 关键词：电力线通信，配电网管理系统，m a p x 控件 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，t h es c h e m eo fd i s t n b u t i o nn e t w o r km a n a g e m e n ts y s t e mb a s e do np l c i sr e s e a r c h e d ，w h i c hm a k e su s eo flok vp o w e rl i n ea st h et r a n s m i s s i o nm e d i u mt o r e a l i z et h er e a l - t i m er e l i a b l ec o r r e s p o n d e n c eb e t w e e nt h em o n i t o r i n gc e n t e ra n dt h e m o n i t o rt e m l i n a l a c c o r d i n gt ot h ed e m a n do fd i s t r i b u t i o nn e t w o r km a n a g e m e n t ，t h e f r i e n d l yb a c k s t a g em a n a g e m e n ts o f t w a r eo fd i s t r i b u t i o nn e t w o r km a n a g e m e n ts y s t e mi s d e v e l o p e db yt h eo b j e c t o r i e n t e dl a n g u a g ev c + + 6 0 t h e 如n c t i o n so fd i s t r i b u t i o n n e t w o r km a n a g e m e n ts y s t e mi n c l u d es c d a da n dg i s i no r d e rt om a n a g e m e n tv i s u a l l y g i s如n c t i o no fd i s t r i b u t i o nn e t w o r km a n a g e m e n ti s d e v e l o p e db yu s i n gm a p x p r o m i n e n t i nv i e wo ft h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r kc h a r a c t e r i s t i ca n dt h ed n p 3 0a g r e 锄e m ， t h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o lo ft e l e m e t e r i n g ，t h er e m o t el e t t e ra n dt h ef e m o t ec o n t r o li s d r e w ，a n dt h ed a t at r a n s m i s s i o ni sr e a l i z e dt h r o u g ht h es e r i a lp o r t t h ed a t ai n v o l v e di n t h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r ki sp r o c e s s e db yd i f 绝r e n t 凡n c t i o n a lm o d u l e s ，a n ds a v e di ns q l s e r v e r2 0 0 0r e l a t i o n sd a t a b a s e s f a nf e n g h u a ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m s ) d i r e c t e db yp r o f x i ez h i y u a n k e yw o r d s ： p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ，d i s t r i b u t i o nn e t w o r km a n a g e m e n t s y s t e m ，m a p xp r o m i n e n t 华北电力人学硕十学位沦文摘要 摘要 分析了基于p l c 通信的配电网管理系统的总体设计方案，主要利用配电网中的 l ok v 电力线作为传输媒介实现监控中心与监控终端之间实时可靠的通信。根据配 电网管理需求，利用面向对象语言v c + + 6 o 开发界面友好，使用方便的配电网管理 系统后台管理软件。配电网管理系统后台管理软件主要实现了部分s c a d a 与g i s 功能的集成。利用m a p x 控件开发配电网g i s 管理功能，突出配电网可视化管理。 针对配电网特点，分析d n p 3 o 协议的基础上，制定遥测、遥信和遥控通信协议， 并通过串口实现数据传输。管理软件利用不同的功能模块实现配电网涉及到各类数 据的处理，并存储于s q ls e r v e r2 0 0 0 关系型数据库。 关键词：电力线通信，配电网管理系统，m a p x 控件 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，t h es c h e m eo fd i s t n b u t i o nn e t w o r km a n a g e m e n ts y s t e mb a s e do np l c i s r e s e a r c h e d ，w h i c hm a k e su s eo flok vp o w e rl i n ea st h et r a n s m i s s i o nm e d i u mt o r e a l i z et h er e a l - t i m er e l i a b l ec o r r e s p o n d e n c eb e t w e e nt h em o n i t o r i n gc e n t e ra n dt h e m o n i t o rt e m l i n a l a c c o r d i n gt ot h ed e m a n do fd i s t r i b u t i o nn e t w o r km a n a g e m e n t ，t h e f r i e n d l yb a c k s t a g em a n a g e m e n ts o f t w a r eo fd i s t r i b u t i o nn e t w o r km a n a g e m e n ts y s t e mi s d e v e l o p e db yt h eo b j e c t o r i e n t e dl a n g u a g ev c + + 6 0 t h e 如n c t i o n so fd i s t r i b u t i o n n e t w o r km a n a g e m e n ts y s t e mi n c l u d es c d a da n dg i s i no r d e rt om a n a g e m e n tv i s u a l l y g i s如n c t i o no fd i s t r i b u t i o nn e t w o r km a n a g e m e n ti s d e v e l o p e db yu s i n gm a p x p r o m i n e n t i nv i e wo ft h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r kc h a r a c t e r i s t i ca n d t h ed n p 3 0a g r e 锄e m ， t h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o lo ft e l e m e t e r i n g ，t h er e m o t el e t t e ra n dt h ef e m o t ec o n t r o li s d r e w ，a n dt h ed a t at r a n s m i s s i o ni sr e a l i z e dt h r o u g ht h es e r i a lp o r t t h ed a t ai n v o l v e di n t h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r ki sp r o c e s s e d b yd i f 绝r e n t 凡n c t i o n a lm o d u l e s ，a n ds a v e di ns q l s e r v e r2 0 0 0r e l a t i o n sd a t a b a s e s f a nf e n g h u a ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m s ) d i r e c t e db yp r o f x i ez h i y u a n k e yw o r d s ： p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ，d i s t r i b u t i o nn e t w o r km a n a g e m e n t s y s t e m ，m a p xp r o m i n e n t 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于p l c 通信的配电网管理系 统研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究 工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：蹙圭笙 日期：2 星，至：z 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同 方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：叁绎 导师签名：氆瞌也 华北电力人学硕+ 学位论文 第一章绪论 1 1 本课题的研究背景与意义 随着国民经济的发展和人们物质文化生活水平的提高，人们对电力的需求越来 越大，用户对供电质量和供电可靠性的要求也越来越高，加强配电网管理的建设己 迫在眉睫。但我国电力行业长期以来存在重发、轻供的现象，配电设备落后，自动 化水平低，而且过去传统的技术和管理手段己无法适应新形势的需要。功能完善的 配电网管理系统近几年来逐渐发展成以配电自动化系统为代表的管理系统。配电自 动化是对配电网上的设备进行远方实时监控、协调及控制的一个集成系统，是计算 机技术、通信技术、控制技术在配电网监视与控制上的应用。配电自动化内容包括 配电网数据采集和监控( s c a d a ) 、配电地理信息系统( g i s ) 和需方管理( d s m ) 几个部 分。目前，世界上许多国家和地区都在努力建设配电自动化系统，并且取得了显著 的成果。配电自动化技术不仅对于提高供电可靠性、扩大供电能力、降低线路损耗 和减轻劳动强度具有重要的意义，而且还可以提高配电网的运行效率、供电服务质 量和企业的现代化管理水平。正是由于科学技术的迅速发展，尤其是计算机技术、 通信技术和人工智能卓有成效的进展，促使配电网管理系统取得了长足的发展。 通信系统是建设配电网管理系统的关键技术，通信系统的好坏从很大程度上决 定了管理系统的优劣。配电网管理系统要借助可靠的通信手段，将控制中心的控制 命令下发到各执行机构或远方终端，同时将各远方监测终端所采集的各种信息上传 至控制中心。对通信系统的要求取决于配电网自动化的规模、复杂程度以及预期达 到的自动化水平。配电网中的数据传输可以采用多种通信方式，如配电线载波、邮 电本地网、租用电话线、光纤、现场总线和r s 4 8 5 、专线、一点多址微波、无线扩 频、卫星通信、无线寻呼、数控电台等。它们各有优缺点，在配电自动化工程实施 中通常根据不同要求来选用。目前，国内一些城市和地区进行了配电自动化试点工 程，配电自动化建设取得了较大的进展，这些地区根据各自的具体情况，分别采用 不同的通信组合方式，为配电自动化提供了较好的通信传输条件。 电力线通信( p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ，简称p l c ) ，是指利用已有的配电网作 为传输媒介，实现数据传输和信息交换的一种技术【2 1 。电力线通信具有覆盖范围 广，接入方便灵活，经济廉价等优势，而受到人们极大的关注，并且正处于快速的 发展中。但同时，电力线信道上存在各种噪声，衰减和多径传播等问题，因此，采 用合适的通信调制技术和网络管理控制技术，克服恶劣信道特性的影响，是实现中 压配电网通信的关键问题。跳频技术具有很强的抗干扰、抗噪声和抗频率选择性衰 减的能力，较低的误码率以及多用户功能。跳频技术对通过受干扰严重，衰减大的 l 华北电力人学硕十学位论文 电力线信道进行数据传输有很好的适应性，从而可以保证数据传输的安全可靠。 本文旨在利用1 0 k v 电力线作为配电网管理系统的通信媒介，实现配电网信息 的高速、实时传输，这对于实现高效、经济、完善的配电网管理系统，无疑具有十 分重要的现实意义。 1 2配电网管理系统的研究现状和发展趋势 1 2 1国外配电网管理的发展和现状 世界上发达的国家开始配电自动化较早，发展的也较快，配电自动化发展大致 可分为三个阶段：第一阶段大约在2 0 世纪7 0 年代，该阶段主要的目标是在重要的 线段实现故障自动隔离，进行自动抄表，并结合配电网改造的过程，开展配电网自 动化的试点工作。第二阶段大约在2 0 世纪8 0 年代初期，配电自动化大量投入，营 业自动化，负荷控制开始发展。由于当时计算机技术条件的限制，还无法形成完整 的计算机网络控制系统，大部分为单项自动控制系统。第三阶段约在2 0 世纪8 0 年 代后期，由于微机和各种通信技术的发展，分布式实时网络的出现，从而可以将配 电网中单项自动化功能的装置通过微机网络连接起来，使配电网综合自动化成为可 能。 发达国家的配电网自动化发展的概况如下： 德国v e w 电网覆盖面积达1 3 2 0 0 k m 2 ，v e w 电网包括发电、输电和配电三大 系统，人口4 8 0 万，总容量4 6 0 0 m w ，自动化系统结构按功能分为：调度中心监控 遥测、地区电网管理中心监控管理，分离现场操作。实现了遥测、遥控功能，以技 术代替了体力劳动，达到高标准的供电质量，并从系统中获得了效益【3 】。 意大利2 0 世纪8 0 年代就开发了适用于全国标准化的配电控制系统( s t u ) ，负 责高中压一次变电站的遥控操作。1 9 9 1 年提出开发新的控制系统( s t m ) 以代替原有 的控制系统( s t u ) ，目的是使中低压二次变电站和中低压用户的仪表设备实现全面 自动化。意大利已于1 9 9 3 年投入运行的e n e l 配电自动化系统，其最重要的特点 是为配电网的遥控以及用户服务自动化和控制提供了总的解决办法【4 】。 法国电力公司( e d f ) 把供电质量指标作为衡量配电网自动化水平的标准之一。 1 9 9 5 年，e d f 公司提出对低压用户一年内停电次数及时间不超过以下指标：6 次长 时间停电( 1m i n 以上) ，3 0 次短时问停电( 1 5 3 0 s ) ，7 0 次极短时间停电( 3 1 0 s ) ， 累计停电时间不超过3 h 。该公司已实现s c a d a 系统、电压控制、故障定位、自动 恢复供电、负荷管理、动态计算、表计控制质量监视等全面控制功能【5 】。 美国纽约曼哈顿地区，1 9 9 2 年供电可靠性高达9 9 9 9 8 3 。美国c o ne d i s o n 电 2 华北电力大学硕士学位论文 力公司，正是在用户对供电质量的需求越来越高的前提下，将a l s t o me s c a 的 s c a d a 系统与其2 0 世纪8 0 年代初开发的地理信息系统( g i s ) 、客户信息系统( c i s ) 、 抄表系统b i l l i n g 进行集成。自动制图设备管理地理信息系统( a m f m g i s ) 所提供 的图形能准确地描述真实的配电网络，提供标准化图形符号和注释，增强可读性， 用户对图形和数据库信息易于访问，文件易于进行电子传送。当图形或数据需要修 改时，若在一处修改，则另一处的修改自动完成，为工作人员提供了一个友好的工 作环境6 1 。 亚洲方面以日本为代表，其配电自动化的发展也很快，且自动化程度很高。据 有关方面统计，在1 9 9 2 年，日本已有8 3 5 配电系统实现自动化，其配电网的设备 比较先进，网络结构合理，运行灵活，电压稳定，网损小，供电可靠性高，获得了 很好的经济效益。1 9 7 0 年，日本九州电力公司完成了对所有变电站( 约5 0 0 座) 的遥 测与遥信之后，逐步实现遥控柱上开关，到1 9 9 4 年实现了对所有柱上开关( 约1 0 万 台) 的遥控，在2 0 0 5 年所有8 5 个营业所完成自动控制。在九州电力公司，g i s 只为 配电网络图提供地理背景，g i s 与s c a d a 之间没有任何关联，g i s 的作用没有得 到充分发挥。由于配电网络采用“三分段四连接 方式，故障的诊断、隔离和恢复 主要是由变电所出线开关多次试投，再辅以计算机控制来实现。据九州电力公司统 计，依靠这样的配电自动化系统，可以使非故障区段从停电经过故障隔离、网络重 构至恢复供电，所需时间减少1 5 0m i n ，是一套比较经济实用的控制系统【7 】。 1 2 2国内配电网管理的发展和现状 我国配网自动化的发展也大致分为三个阶段：第一阶段是基于自动化开关设备 相互配合的配电自动化阶段，其主要设备为重合器和分段器等，不需要建设通信网 和计算机系统，其主要功能是在故障时通过自动化开关设备相互配合实现故障隔离 和健全区域恢复供电。第二阶段的配电自动化系统是基于通信网络、馈线终端单元 ( f t u ) 和后台计算机网络的配电自动化系统，它在配电网正常运行时，也能起到监 视配电网运行状况和遥控改变运行方式的作用，故障时能够及时发现，并由调度员 通过遥控隔离故障域和恢复健全域供电。第三阶段的配电自动化系统是在第二阶段 的配电自动化系统的基础上，增加了自动控制功能，和计算机自动完成故障处理等 功能。第三阶段的配电自动化系统的另一个特征是形成了集配电网s c a d a 系统、 配电地理信息系统、需方管理( d s m ) 、调度员仿真调度、故障呼叫服务系统等一体 化的综合自动化系统。 我国配电自动化起步于2 0 世纪9 0 年代，较国外发达国家滞后约2 0 年。主要 开展了两方面的工作：( 1 ) 建立配电系统的实时监控系统( 相当于电网调度自动化的 s c a d a s u p e r v i s o r ) ，c o n t r o la n dd a t a a c q u i s i t i o n 系统) ，即在配电网调度中心建立 华北电力人学硕十学位论文 主站系统，在各变电站、开闭所设置l 玎u ( r e m o t et e n i l i n a lu n i t ) 、f t u ( f e e d e r t e m i n a lu n i t ) 馈线远方终端，通过通信通道联系，从而达到实时监控的功能。( 2 ) 实施了各种类型馈线自动化( f a ，f e e d e ra u t o m a t i o n ) ，以缩短线路故障后的停电时 间，加快恢复供电，提高供电可靠性。 近些年来，随着国内电力自动化的发展，各研究部门除了开展了上述两方面的 工作外，对下列功能亦进行了不同程度的开发和研制工作，其中有的项目己投入实 际应用。如配电管理系统( d m s ， d i s t r i b u t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m ) ，包括负荷管理 ( l m ， l o a dm a n a g e m e n t ) 、自动绘图( a m ，a u t o m a t e dm a p p i n g ) 、设备管理( f m ， f a c i l i t i e sm a n a g e m e n t ) 和地理信息系统( g i s ，g e o g r a p h i ci n f o m a t i o ns y s t e m ) ，还有 如需方用电管理( d s m ，d e m a n ds i d em a n a g e m e n t ) 、变电站自动化系统( s u b s t a t i o n a u t o m a t i o ns y s t e m ) 和远方抄表系统( a m r ，a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n g ) 等。根据国家 电网公司2 0 0 1 年底对1 6 省( 市、自治区) 6 2 个城市配网自动化上作的调查显示，我 国真正开始系统性试点是在1 9 9 6 年以后。从1 9 9 8 年起，全国每年新建配电网自动 化系统的城市在1 0 个以上。尤其是在2 0 0 0 年的增幅最大，最明显的增长地是在实 施全省统一管理的山东、江苏两省。到目前为止，国内已有超过百个城市进行了配 电网自动化系统的试点，有的试点已具有相当的规模。 1 2 3配电网管理的发展趋势 随着电力系统的发展，面对越来越密织的电网、复杂的电力设备、时刻变化的 负荷信息、不断变迁的道路和建筑，以及人们对供电质量、环保、电力市场化体制 改革等问题的日益关注，电力系统规划、运行、营业部门必须对极其庞大而复杂的 信息进行采集、存储、分析和快速处理，传统的电力图形系统已经很难满足电网的 建设和安全经济运行要求。为了实现输电网建设和配电网改造及发展的合理规划， 提高电能的质量和供电可靠性，降低线损，提高电力设备运行的安全性、经济性， 需要将现代化的计算机和通信技术用于电网的管理，将各种图形、地图、数据信息 统一共享。 由于地理信息系统具有突出的数据可视化的特点，使得其在电力系统中的应用 方兴未艾。随着农网改造的深入开展，各种带有智能接口的电气设备大量运行，为 g i s 在电力管理信息系统中的应用提供了前提；电力职工使用计算机的水平不断提 高，为g i s 的使用和开发提供了决定因素。现在电力系统中许多部门的计算机辅助 系统都引入了g i s 技术，将地理信息作为不可缺少的数据。他们的处理手段多种多 样，其最终目的都是让管理、决策人员能够方便、清晰、及时地了解所需要的地理 信息，从而保证有效的管理与正确的决策。g i s 在电力系统中的应用是电力系统数 字化、信息化的必由之路。 4 华北电力大学硕十学位论文 目前电力系统g i s 系统软件开发的基础平台大都选择e s r 工公司的a r c i n f o ， b e n t l e y 公司的m i c r os t a t i o n 及m a p i n f o 公司的m a p i n f o 产品，以上产品以其提供直 接与多种数据库的接口、易于扩充、交叉应用、具有良好兼容性等优点为广大开发 者所青睐，利用其提供的开发函数库二次开发成电力系统专用软件。 g i s 在电力系统中的应用主要体现在发电、输变电、配电和电力营销等各重要 环节，特别是在配电网中得到了广泛应用。其地域分布广泛、涉及的设备量庞大、 设备设施更改频繁。从实际情况看，电网的各种信息与空间地理环境有着密切联系， 利用g i s 技术管理和处理这些信息，对于提高电力系统生产效率、管理质量和科学 决策水平具有十分重要的现实息义。 g i s 在配电网的应用要体现在以下几个方面： ( 1 ) 设备管理。 ( 2 ) 配电网规划及辅助设计。 ( 3 ) 电网拓扑。 ( 4 ) 客户投诉电话管理。 ( 5 ) 客户信息管理。 1 3 本文主要研究内容 1 基于p l c 通信的配电网管理系统监控中心管理软件的开发 该软件安装于监控中心，采用面向对象语言v c + + 6 o 进行开发，管理软件功能 主要包括配电网数据采集、传输、存储，遥控命令的发送，数据的查询、图表显示 等功能。同时，为了实现配电网的可视化管理，利用m a p x 控件开发实现监控整个 配电网设备的运行情况的管理功能。 2 监控中心和监测终端之间实时通信规约的制定和通信实现 根据d n p 3 o 规约，结合系统整体p l c 通信方式以及配电网数据特点的实际情 况，自定义了数据帧格式。该软件利用串口通信实现监控中心与监测终端的通信。 3 配电网管理系统数据库的设计 本配电网管理系统数据库选用s q ls e r v e r2 0 0 0 数据库，数据库主要包括操作用 户表、遥测量记录表、状态量记录表、报警记录表、遥控记录表等。 华北电力大学硕： = 学位论文 第二章配电网管理系统p l c 通信方案 通信系统是配电网管理系统的关键部分，通信系统的好坏从很大程度上决定了 管理系统的优劣。配电网管理系统要借助可靠的通信手段，将控制中心的控制命令 下发到远方终端，同时将各远方监测终端所采集的各种信息上传至控制中心。对通 信系统的要求取决于配电网自动化的规模、复杂程度以及预期达到的自动化水平。 2 1配电网特点 配电网通常是指电力系统中二次降压变电所低压侧直接或降压后向用户供电 的网络，它由架空线或电缆配电线路、配电所或者柱上降压变压器直接接入用户所 构成。从体系结构上，配电网可分作辐射状网、树状网和环状网。配电网具有如下 特点： 1 终端节点数量极大 配电网拥有众多的变电站、开闭所、配电变压器及线路上的重合器、负荷开关、 无功补偿电容器等，要对这些变电站和配电设备进行监控，需要许多的t t u 、f t u 或现场智能装置，再把大量的深入到低压用户的自动读表和控制终端包括在内，配 电网的终端节点数量相当大。 2 通信节点分布极其分散 配电自动化t t u 随配电设备安装，由于配电设备分布零散，因而通信节点、通 信距离短与输电网相比，配电网通信节点之间距离通常较短。 3 单个节点的通信数据量小 配电自动化t t u 的监控对象是大量的线路开关、配电变压器等，监控对象的数 据通信量比输电网调度自动化要少得多。 对中压配电网来说，除了上述特点外，配电网还具有沿线跨接配变多、空线与 电缆串并连接同时存在、线路衰减大等特点。 2 2配电网组网方式 配电网设备比较分散、分布范围广、数据类型众多、数据层次复杂，因此配电 网管理系统常采用分层分布式组网方式，各层相对独立，信息逐级传输，以确保配 电的可靠性、安全性和丌放性【9 1 。 1 0k v 配电网可分为三层通信：配电网控制中心层( 配电主站) 、站控终端层( 配 电子站) 和配电自动化终端层( 即：监控终端、监测终端、其他终端) 。 6 华北电力大学硕士学位论文 ( 1 ) 配网控制中心层：它是整个配电网管理系统的最高层，主要负责从各区域 配电子站采集实时信息，从整体上实现配电网的监测和控制，分析配电网的运行状 态，协调配电子网之间的关系，对整个配电网进行有效的管理，使整个配电系统处 于最优的运行状态。它是整个配电网监控和管理系统的核心。它作为人机交互的窗 口，可完成各种图形显示、系统维护、设备管理、报表打印、与其它系统的信息交 换功能，并具有对可控装置的控制调节。配电网控制主站层和站控终端层之间的主 干通信网，考虑到数据传输可靠性一般以有线方式为主，其中公用电话网和i s d n 专线因其运行费用较高且数据安全性较差，一般较少采用，目前主要用光纤方式。 ( 2 ) 站控终端层：因为配电网中监控设备点多，面广，不可能把所有的站端监控 设备直接连到配电主站上，这样必须增设中间一级，这称为站控终端，它将t t u 和 f t u 采集的各种现场信息中转( 上传下达) 给配网控制中心的通信处理机，监控子站 还在所辖区域内具有故障诊断、隔离、恢复的功能。站控终端设在变电站或大型开 闭所内，可采用多种通信方式向下与所属馈线监控终端、向上与配网自动化主站通 信。站控主站与终端设备层一般统一考虑，站控主站内部的通信系统多采用r s 一4 8 5 以及l o n w b r k 、p r o f i b u s 、c a n b u s 等串行现场总线。站控主站与设备层间的连接则 可用光纤或配电网电力线等方式。本文所述电力线通信系统即是探讨区域间的通信 连接。 ( 3 ) 配电终端设备层：它们是整个系统的底层，它完成柱上开关、环网开关、 箱式变、配电变压器、开闭所、集抄系统等各种现场信息的采集处理及监控功能。 2 3配电网通信系统 2 3 1 配电网管理系统的通信要求 ( 1 ) 可靠性 许多配电自动化的通信装置安装在户外，环境条件恶劣，温度变化范围大，承 受阳光、雨雪、冰雹、大风等自然条件影响。另一方面，通信系统干扰环境中，包 括无线电干扰、工频干扰和瞬间的高电压、大电流、雷电等干扰，需要很强的抗干 扰能力。再次，配电自动化在故障定位、自动隔离及恢复线路故障或结构变化时， f t u 与主站之间的通信应保证不受影响。 ( 2 ) 经济性 通信系统的投资不能太大，性价比要高，以免影响配电自动化系统的总体投资。 ( 3 ) 在线路故障时保证正常通信 配电自动化具有故障定位、自动隔离及恢复供电能力，在线路故障或结构变化 时，f t u 与主站之间的通信不能受影响。因此使用配电载波、无线电、有线通信方 7 华北电力人学硕士学位论文 式要考虑线路故障电流产生的干扰影响，配电载波还要解决线路开关打开后信号通 道问题。 ( 4 ) 通信速率 通信速率的选择依据配电自动化终端的数据量及实时性要求而定，对不同的配 电自动化终端通信速率的选择不同。 ( 5 ) 要有双向通信能力 大部分配电自动化功能需要双向通信功能。个别的，如负荷控制只需要主站到 控制终端的通信能力。不过，为了更好地实现负荷管理功能，现在也要求使用具有 双向通信能力的终端。 ( 6 ) 通信信道的选择 每一级通信网络应尽可能选用单一信道通信以保证高可靠性。 ( 7 ) 操作维护方便 配电自动化通信终端众多，设计时要考虑安装、操作维护的方便性，以减少工 作量【8 1 。 2 3 2配电网管理系统常用通信方式 根据上述配电网管理系统的通信特点及要求，常用的通信方式按信道分有如下 几种方式：光纤、无线、音频有线和微波等方式。 ( 1 ) 光纤方式 光纤通信有如下优点： 1 、光纤通信速度快、容量大、抗干扰强，可靠性高，损耗小，并且工业上p d h ， s d h 光纤网的运行已比较稳定； 2 、利用光纤网能作到实时采集f t u 的故障信息，及时下达遥控命令； 3 、光纤可与电力电缆一起敷设，光纤是一种较好的通信方式。 光纤通信有如下缺点： 1 、投资相对较大； 2 、施工较难，维护量较多，在架空线网应用时，沿架空线架设，可能发生机 械损伤，影响可靠性。另外当线路没有预先铺设的光纤需要另行铺设，当线路结构 变化时光纤通道也需变动。 因此，光纤适用于数据传输量大，可靠性要求高的以电缆作为配电线的场合， 如在市区配电设备较集中的地区作为主干通信网。 ( 2 ) 无线方式 8 华北电力人学硕十学位论文 无线通信，具有易于安装，成本低的优点，因此，在国外应用较多，但不适于 多高层建筑物的市中心及多山区使用。在配电自动化系统中应用较多的是无线扩频 通信及数传电台等方式。 l 、无线扩频通信方式 无线扩频技术利用一组速率远远高于信号速率的伪随机噪声码，将所需要传输 的原信号的带宽扩展1 0 0 一1 0 0 0 倍，使之成为宽频带、低功率信号。选用适当的伪 随机码可实现c d m a 。接收端利用相关解调技术实现信号的还原，从而获得信息的 可靠传输。 2 、数传电台 数传电台使用3 5 卜5 1 2 m h z 或8 0 卜9 0 0 m h z 频段，具有发射功率大，覆盖范 围广，传输时时延小的优点。它本身具有信号调制解调功能，可以直接通过 e i a r s 2 3 2 接口与f t u 连接。 ( 3 ) 音频有线方式 有线通信通常有同轴电缆和双绞线两种方式，具有简单方便的特点，是一种经 济实用的方式。但抗干扰、抗雷电冲击能力较差，一般是在2 公里以内。可以通过 e i a r s 4 8 5 接口实现点对点或点对多点的连接，通过调制解调器( m o d e m ) 将信号调 制后传输到有线载波，以及现场总线连接等。但容易受环境的影响，尤其是与高压 线路同杆共架时高压对通信线的干扰较大。 ( 4 ) 微波方式 微波通信虽然广泛应用于输电系统，但考虑到微波通信的接收装置以及工程的 投资较大，微波对配电网众多节点而言是很难采用的，不适合应用于城市配电网。 2 4p l c 通信方案 2 4 1p l c 通信概述 p l c ( p o w e r “n ec o m m u n i c a t i o n ) 技术是利用配电网中低压线路传输数据、话音 等信号的一种通信方式，该技术是将载有信息的高频信号加载到电力线上，用电力 线进行数据传输，通过专用的电力线调制解调器将高频信号从电力线上分离出来， 传送到终端设备【l0 1 。 近年来，随着光纤通信的发展，电力线通信虽然已从主导的电力通信方式改变 为辅助通信方式，但l o k v 电力线通信线路通信需求同益增长，采用多种不同线路 耦合方式的载波通信设备研发，在原来的f s k 调制、p s k 调制、音频注入、工频调 制、过零点检测等方式的基础上开发出的先进的s s c 调制方式，s s c 能够在很低的 9 华北电力人学硕十学位论文 信噪比条件下工作，具有很强的通信能力；最新载波通信是基于数字信号处理( d s p ) 技术的网络化d l c ，d s p 具有强大的实时解码功能，通信误码率可降到1 0 一，如 今，基于d s p 解码的载波技术已经可以利用1 0 k v 配电线路构成总线式网络以支持 自由拓扑的数目众多的节点。这些研究成果表明利用中压电力线通信方面取得了阶 段性的成果。 由于利用分布广泛的电力线实现数据通信，所以电力线通信在很多领域都得到 了应用。现在电力线通信已经应用在中压和低压电网上，广泛用于自动抄表、监控、 远程指示、设备保护、供电管理以及语音传输等领域。利用中压线路可为配电网管 理提供一个可靠的数据传输平台。研究开发此项技术，对于充分发挥电力资源优势， 发展电力通信产业，以及促进配电自动化的发展，均具有非常重要的意义和广阔的 应用前景。 2 4 2p l c 通信技术在配电网管理中应用的可行性 配电网管理系统对通信系统的要求取决于配电网管理规模、复杂程度和预期达 到的自动化水平，主要体现在通信可靠性、通信费用、通信速率、实时性、停电和 故障时的通信能力、使用与维护方便性和可扩充性等多个方面。 电力线通信是国际上公认的解决配电网控制最有前途的通信方式。其主要优点 为【l l 】【1 2 】【1 3 】【1 4 】： ( 1 ) 实施方便。无需额外的通信线路，节省了常规的布线费用；电力线路设备到 哪里，通信即可到哪里，一次建设成本低，投资少，见效快，而且运行维护成本也 很低廉。 ( 2 ) 组网方式灵活。利用现有配电网作为通信信道，以变电站为中心形成一个子 网，并由多个子网构成一个完整的电网数据传输网络。 ( 3 ) 开放透明的通信网络平台。电力线能和任何具有标准通信接口( 如r s 2 3 2 、 r s 4 8 5 ) 的监控终端设备相连，具有完全的开放性和兼容性。 ( 4 ) 实时性强。由于监控节点的电气连接也同样确保了该节点的通信连接，所以 在配电主站内可以随时和任一节点进行实时通信。 ( 5 ) 扩展性好。随着配电网的建设步伐，p l c 通信能提供较强的扩容能力，并且 p l c 通信能够实现与配电网完全同步建设。采用共缆传输技术可以同时传输电能和 语音、数据、视频等综合监控信息，具有良好的可扩展性。 ( 6 ) 传输速率较高。电力线通信技术在普通线路上有效数据传输速率为 1 2 0 0 b i t s ，完全可以满足配电网管理系统对传输速率的要求。 1 0 华j 匕电力人学硕十学位论文 ( 7 ) 数据传输的可靠性高。采用先进的快速跳频技术和f s k 调制相结合，应用 纠错编码技术和抗噪声技术，提高系统的抗干扰能力，误码率 1 0 一，可满足配电网 管理要求。 从上述电力线通信的传输能力、可靠性、系统扩容能力和经济性等方面优势可 知，利用电力线进行远距离数据传输可以达到实际应用的目的，具有可行性。 2 4 3 配电网管理系统p l c 通信方案 本配电网管理系统通信方案是利用在1 0k v 电力线上4 0 1 5 0 k h z 频带范围内 的载波传输采集数据和控制信号，从而实现监控中心对于远端设备运行情况的管 理。监控中心下发命令数据，然后利用自适应跳频技术对数据进行调制，适合在电 力线传输的载波信号通过耦合设备注入到1 0k v 电力线上，载波信号沿着配电网线 路可以传输到各个监测点处，在监测点装设的耦合设备将信号耦合给监测终端，即 实现了载波信号的下行传输。在接收端，先经过滤波器将调制信号滤出，再经过解 调，解帧，就可得到原传输数据。反之，监测终端的返回信号也可以通过上述途径 传输到监测中心的监控主机上，从而实现载波信号的上行传输。电力线数据通信应 采用了纠错编码技术，以确保数据传输的可靠性，即便是在受到严重干扰的情况下， 仍然能实现数据可靠通信。同时，为了减小载波信号对配电网的谐波干扰，载波信 号电压不超过6 v 。 2 4 4 系统的总体设计方案 基于p l c 通信的配电网管理系统由监控中心、p l c 通信网络和监测终端 ( t r a i l s f o m e rt e m i n a lu n i t ，缩写为t t u ；f e e d e rt e 肌i n a lu n i t ，缩写为f t u ；) 三大 部分构成。系统体系结构，监控网络拓扑分别如图2 1 ，2 2 所示。 基于p l c 通信的配电网管理系统的总体设计方案为： ( 1 ) 系统采用集中控制方式，监控终端实现功能尽可能多，则要相对简单，因系 统中终端设备数量是比较多的，对降低整个系统的成本作用比较明显，而且可以避 免出现通信冲突现象，增强系统运行的可靠性。 ( 2 ) 采用窄带通信方式，因为系统主要用于开关控制和配电变压器状态查询，数 据量不大，采用窄带通信可以满足信息传输的需求。 ( 3 ) 系统采用轮询多点接入方式，轮询方式比较简单，便于软件实现；系统通信 信道的占用率不高，没有必要为提高信道的效率而采用复杂的接入方式，采用轮询 方式可以满足系统的监控要求。 华北电力人学硕+ 学位论文 ( 4 ) 系统通信差错控制采用自动请求重发方式( a r q ) ，由于电力线信道环境的恶 劣性，通信过程中不可避免的会出现字节错误，甚至整个数据帧错误，采用a r q 方式可以保证系统通信的可靠性。 ( 5 ) 系统中监控主机，监测终端分别对应一个地址。因为现场要分散地安装多个 监测终端，每个终端有一个名称，这样便于监控中心与监测终端之间进行通信，进 而可以对配电监测终端下发命令，并可设置能量管理的相关参数，以及遥控遥信， 电压、电流越限进行报警、线损统计等功能，并且对终端发送的数据进行分析和处 理，并由其完成相应的动作。 f t ut t u 抄表器 f t ut t u 抄表器 图2 一l 基于p l c 通信的配电网管理系统体系结构 1 2 m 华北电力人学硕十学位论文 当晒信尊 图2 2 基于p l c 通信的配电网管理系统监控网络图 监控中心安装于供电局，完成对配电网运行管理任务。主要包括：监控计算机 ( 高性能配置) ，电源系统，p l c 通信单元等设备以及数据库，配电网g i s 等相关 软件。其中，p l c 通信单元设备按它在系统中安装的位置不同可分为监控中心设备 和配终端子站设备。p l c 通信单元主要功能完成：一方面与监控计算机通信( 接收 监控计算机的命令，向监控计算机发送收集的l o k v 沿线上的各个监测终端的数据) ； 另一方面与监测终端p l c 通信单元通信( 采集数据上传，下发命令，报警等功能) 。 p l c 通信单元与监测计算机的接口采用r s 4 8 5 ，同时为了方便现场调试( 笔记本电 脑) ，p l c 通信单元外扩1 个r s 2 3 2 接口。管理软件中配电网g i s 是利用计算机技 术，网络技术将配电网的分布，属性及实时信息按实际地理位置描述在地理背景图 上，形成的