（计算机应用技术专业论文）光传输在配电自动化中的应用研究.pdf

摘要 摘要 配电自动化技术自9 0 年代初已在国内电力系统的中低压变电站中已经得到 了普及，在高压及超高压变电站也得到较广泛应用【l 】1 2 1 。通信是配电自动化系统 的重要组成部分，随着配电自动化技术的不断发展，对电力系统内部的数据通 信提出了更高的要求。配电自动化有多种通信方式：光纤、配电载波、有线、 无线等技术方式【3 j 。由于配电自动化系统通信的自身特点和要求决定了目前还 不可能采用单一的通信技术，但是配电通信的强干扰特性和光纤的优点，使得 光纤通信在配电通信中获得越来越广泛的应用1 4 。r s 2 3 2 异步串行方式无需收 发端时钟同步，具有通信简单可靠等优点。配电自动化数据终端传输速率一般 不高，目前大多f u t ，t t u 等配电通信终端均采用r s - 2 3 2 数据接口。多数配 电通信光纤采用直接传输r s 2 3 2 4 8 5 信号方式，这种方式仅发挥了光纤通信的 可靠性、传输中继距离远等优点，并未发挥光纤的容量大的特点，线路利用率 低，通信线路较多，布线复杂。本人针对配电通信中存在问题，结合自己一年 多硕士课题期间所做的研究，对配电自动化系统内的通信技术做了深入的分析， 根据配电数据通信终端的特点，提出将电信同步复用技术和光纤传输技术应用 于f u t 、刑等配电控制信号传输的r s 2 3 2 复用光纤传输方案，较好的解决了 配电自动化系统通信中所面临通信可靠性和有效性的基本问题。课题选用c p l d 可编程器件搭建硬件电路，实现了该技术方案。论文进一步提出了r s 2 3 2 4 8 5 接口异步信源借助同步光纤网提供的透明带宽业务进行远距离传输的通信技 术。 关键字配电网通信：同步复用；可编程器件 a b s t r a c t d i s t r i b u t i o na u t o m a t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l yu s e di nn 烈 ns u b s t a t i o n i nc h i n as i n c e9 0 s n o wi th a sb e e n d e v e l o p e d t oh v ，u h vs u b s t a t i o n c o m m u n i c a t i o ni st h ev i t a lc o n s t i t u e n to fd i s t r i b u t i o na u t o m a t e ds y s t e m ( d a s ) w i t h t h ed a si m p r o v e m e n t , i tb r i n g ss o m en e wd e m a n d so nc o m m u n i c a t i o n t h e r ea r e k i n d so fc o m m u n i c a t i o nm e t h o d ，s u c ha so p t i c a lf i b e r , p o w e rd i s t r i b u t i o nl i n ec a r r i e r , w i r ea n dc a b l e r a d i o e t e c h a r a c t e r i s t i co ft h ed a sd e c i d e st h a to n ek i n dh a sn o t b e e na b l et om e e ta l ld e m a n d s o p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o nm a yb ea sam a i nw a yi n t h ed a s ，s i n c ei n s u l a t i o na n dr e s i s t a n c eo fe l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e b e c a u s e r e c e i v e rd o e sn o tn e e dt os y n c h r o n i z a t i o n , r s 2 3 2s e r i a la s y n c h r o n o u sc o m m u n i c a t i o n i sr e l i a b l ea n de a s y r s 一2 3 2i sw i d e l yu s e df o rt e m a i n a l ( s u c ha sf t ua n dt t u ) s p e e d i sn o th j l g hi nd a s i nt h ed a st h eo p t i c a lf m e rc o m m u n i c a t i o n sd i r e c t l yc a r r i e so n b yt h er s 2 3 2w a y sc o m m u n i c a t i o nm o d er e s u l t si nl a c ko fe f f i c i e n c y w eo n l y u s e dt h eo p t i c a lf i b e rm e r i t so fr e l i a b i l i t y , f a r - d i s t a n c ew i t h o u tr e l a y w ed o n tm a k e u s eo fi t sh u 睇c a p a c i t y t h i sd i s s e r t a t i o nr e s e a r c h e sc o r n m u n i c a t i o ni nt h ed a s b a s e do ni n v e s t i g a t i o ni n t os u b s t a t i o n s b yt h o m u 曲a n a l y s i st oc o m m u n i c a t i o ni n d a s ，i tp r o p o s e dt e l e c o m m u n i c a t i o ns y n c h r o n i z a t i o nm u l t i p l e x i n gt e c h n o l o g y a p p l i e dt od ac o r r e s p o n d e n c eb yf i b e ro p t i c s u c ha sf u t 刑s i g n a l t h e s c h e m e r e s o l v e sp r o b l e mo fr e l i a b i l i t ya n dv a l i d i t yt h a td a st r a n s m i s s i o nf a c e s t b es c h e m e r e a l i z e db ye l e c t r i cc i r c u i tt h a ti sb a s e do nc p l d t h ep a p e ra l s op r o p o s e san e w t e c h n o l o g yt h a ti sr s - 2 3 2 4 8 5s e r i a la s y n c h r o n o u sl o n g - d i s t a n c ec o m m u m c a t i o nb y d d ns e r v i c ew h i c hp r o v i d e db ys d hn e t 、v o r k 。 k e yw o r d s d is t r i b u t i o nc o r r e s p o n d e n c e ； s y n e h r o n i z a t i o ni n u i t i p i e x i n g p r o g r a m m a b ied e vic o s 论文原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。 文中依法引用他人的成果，均己做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法 律意义上已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申 请的论文或成果。 本人如违反上述声明，愿意承担以下责任和后果： l交回学校授予的学位证书： 2 学校可在相关媒体上对作者本人的行为进行通报： 3 本人按照学校规定的方式，对因不当取得学位给学校造成的名誉损害， 进行公开道歉； 4 本人负责因论文成果不实产生的法律纠纷。 论文作者签名： 美苤孝 日期： 趔7年2 月j 卫日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属东北电 力大学。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 署名单位仍然为东北电力大学。 论文作者签名：盔盘查! 导师签名一括垄乌 日期： 趣 年j 月2 1 日 日期：趣年玉月王l 日 1 1 课题的背景 第1 章绪论 随着电网规模的迅速扩大，我国配电网的自动化水平正在不断地提高， 配电自动化技术已成为了电力行业最为关注的问题之一。在一些工业发达国 家中，配电自动化系统受到了广泛的重视，配电自动化系统已经形成了集变 电所自动化、馈线分段开关遥控、电容器组调节控制、用户负荷控制和远方 抄表等系统于一体的配电网管理系统( d m s ) 。其功能己多达1 4 0 余种1 5 】。 配电自动化系统一般由主站( 前台机、后台机和服务器等) 、现场设备( 开 闭所f t u ( f e e d e r t e r m i n a lu n i t ) 、断路器兀u 、柱上开关f t u 、通信控制器c c u ( c o m m u n i c a t i o nc o n t r o lu n i t ) 、变压器监测仪邢( t r a n s f o r m g r t e r m i n a lu n i t ) 和变电站c c u 等) 和通信部分( 主站通信主机、现场设备的通信从机、适配器 和通信介质等) 组成。而配电自动化的各种测控功能要通过及时可靠的通信来 完成。一个现代化的集中控制式配电自动化系统中没有高质量的通信系统，其 自动化功能根本无法实现。因此，通信在配电自动化系统中占有非常重要的作 用 6 1 。 现在一个配电自动化系统内，往往由多种通信技术组合成综合的通信系统， 各个层次按实际需要采用合适的通信方式【7 】。 1 2 课题的目的和意义 配电自动化需要有效的通信手段，以便在主站与大量远方终端之间传递数 据和控制信号。配电自动化的通信点多，且分布极为分散，单个通信端点数据 量少，通信设备环境条件差。目前，虽然有多种通信技术和装备可以使用，但 配电网结构复杂，城市和农村各有不同特点，新建的和原有的也不尽相同c 8 】。本 课题就是根据目前我国城乡电网配电自动化的现状，从通信的有效性和可靠性 东北电力大学硕i 。学位论文 角度出发，对配电自动化中的几种通信方式进行了研究、比较，并针对配电光 纤存在的线路利用率低，通信系统容量低的问题进行了深入研究，希望能够解 决该问题，提高配电光纤通信的有效性和可靠性，减少通信线路建设和投资， 使光纤通信技术更好的服务于配电自动化系统，为我国配电自动化技术发展做 出自己的一点贡献。 1 3 配电自动化简介 1 3 1 配电自动化的概念 配电自动化d a ( d i s t r i b u t i o n a u t o m a t i o n ) 是一项集计算机技术、通信技术、 控制技术和现代化设备及管理于一体的综合信息管理系统，其目的是提高配电 网的供电可靠性，改进电能质量，向用户提供优质服务，降低运行费用，减轻 运行人员的劳动强度。 配电网自动化从广义上讲，是指利用现代先进的电子技术、通信技术、计 算机技术实现对配电网正常运行时的控制、检测和故障时的快速处理，以及配 电的生产管理、设备管理的自动化。从狭义上讲，是指配电网故障的自动化处 理，即包括故障检测，故障定位、隔离和非故障区的供电恢复整个过程。 以上关于配电自动化的定义体现了配电自动化是关于现代信息技术在配电 网控制与管理中应用的技术；说明了配电自动化系统是个综合性的计算机系 统，系统的数据、信息应该共享，各项功能之间应该互相配合【9 】。 1 3 2 配电自动化系统的构成 配电自动化系统一般由主站、通信网络、变电站自动化系统或配电自动化二 级主站、配电自动化远方终端d a r t u ( 线路f t u 、自动读表终端) 等四个层次 组成。 配电自动化主站是配电自动化系统的控制与管理中心，它一般采用客户服务 器( c l i e n t s e r v e r ) 结构以s c a d a 系统和g i s 系统作为基本平台配备各种应用软 件完成d a d m s 的功能。 变电站自动化系统完成变电站设备的实时监控、管理，它一般是集中式r t u 与变电站各种保护监控装置通信构成的系统，或由间隔级微机综合保护、监控装 置配合后台通信处理机构成的分布式计算机系统。 配电自动化二级主站是配电自动化系统的中间层，主要用于完成小区内配电 网馈线自动化功能，并作为通信节点，向主站转发小区内r t u 艰t u 或其它智能装 置的数据。 配电自动化远方终端单元d a - r t u 分为安装在变电站或开闭所的站内r t u 及安装在配电线路上的兀u 两种设备。d a r t u 与配电自动化主站或二级主站通 信，提供配电系统运行监控及管理所需的数据，执行主站发出的对配电设备的控 制、调节命令。 配电自动化系统的监控对象具有点多、分散的特点，通信系统一般采用主干 通道与分支通信网相结合的结构，分为用户、线路f t l j 、变电站或几级主站、控 制中心等几个层次。用户( 如配变监测、自动读表) 终端数据由线路f t u 、变电 站r t u 、二级主站转发，可选用有线、配电线载波、无线电、电话线等通信方式。 线路f t u 数据由变电站或二级主站转发，可选用光纤、无线电、有线等通信方式。 变电站或二级主站可选用光纤、无线扩频、数字微波、载波或有线等方式，直接 与控制中心通信。 1 3 3 配电自动化的功能 根据配电自动化系统发挥的作用，配电自动化的功能可归纳为以下几项内容， 即配电网数据采集与监控( s c a o a ) ；故障管理，包括故障定位、隔离及自动恢复 供电功能；电压及无功管理；负荷管理；图形资料系统( a m f m ，g i s ) ；自动抄 表及用电管理等。 按照系统的纵向结构，配电自动化的功能可分为配电管理自动化( 主站系统) 、 变电站自动化、馈电线路自动化及用户自动化等四个层次的内容。通常把以上四 个层次的功能总称为配电管理系统( d m s ) 功能，而把其中的变电站自动化及馈 电线路自动化功能称为配电自动化( d a ) 功能。 还有一种根据功能的实时性划分的方法，把配电网实时监视、控制及调节功 能称为配电自动化( d a ) 功能，而把离线的用于维护及用电的信息管理功能称为 配电管理( d m s ) 功能。 配电自动化的单项功能很多，各功能之间相互联系，相互交错，没有十分明 确的界限，而且，配电自动化的功能及具体内容随着供电可靠性及质量要求的提 高和技术的发展有所变化【1 0 1 。 1 4 配电网自动化通信的要求 1 4 1 配电自动化数据通信的特点 同输电网调度自动化系统一样，配电自动化系统也需要一个有效的广域通 信网在系统站与远方终端( r t u ) 或现场智能装置之间传递数据和控制、调节命 令，但配电自动化数据通信有着自己的特点【l ”。 ( 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、无功补偿电容等，要对这些变电站和配电设备进行监控，需要许多的r 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， 一个配电自动化系统终端节点数量相当大。在实际实施时，为了简化系统构成、 减少造价，可有选择地只对那些重要的配电设备和用户进行实时监控，但不管 怎样，一个实用的配电自动化系统终端节点数量比同一地区输电网调度自动化 系统要大一个数量级。针对我们国家情况，一个中等城市配电自动化系统需要 通信的终端节点数量要有上千个。 ( 2 ) 通信节点分散 配电自动化r t u 或现场智能装置随配电设备安装，由于配电设备分布的地 域比较广，因此，通信的节点比较分散。 ( 3 ) 通信距离短 一个地区配电网覆盖的区域相对要小一些，配电自动化通信节点之问距离 比较短，因此，配电自动化通信网往往采取主干道与小区分支通信网相结合的 方案，一个小区内的f 1 u 、变压器监测仪、自动读表控制器等终端的数据由小 区内变电站或开闭所r t u 汇集转发，它们之间的通信距离一般在二、三公里之 内。 ( 4 ) 通信数据量小 配电自动化r t u 监控对象是大量的线路开关、配电变压器等，通信数据量 有限，即便是一些配电变电站、开闭所或配电自动化二级主站的数据量比输电 网变电站的数据量也要少的多。 1 4 2 配电网数据通信的要求 ( 1 ) 要适应苛刻的运行条件。具有很高的可靠性 配电自动化的通信装置大部分都安装在户外，环境条件恶劣，温度变化范 围大，要具有良好的防潮、防雨，防晒措施。通信设备安装在电力线柱上或组 合式配电柜内，要承受高电压、大电流雷电等干扰，要有很高的抗干扰能力。 ( 2 ) 在线路故障时保证正常通信 配电自动化系统具有故障定位、自定隔离及恢复供电能力，在线路故障或 结构变化时，r ny 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路问题。 ( 3 ) 经济 通信系统的投资不能太大，不能影响d m s 系统的总体经济效益。 ( 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如表1 1 所示。 表1 - !不同终端的通信速率 终端 通信速率( b i t s ) 变电站r t u 1 2 0 州6 0 0 线路f 1 u 3 0 0 _ 一1 2 0 0 配电变压器监测仪 lo _ 一3 0 0 用户读表终端 1 伊一3 0 0 ( 5 ) 要有双向通信能力 大部分配电自动化功能需用双向通信功能。个别的，如负荷控制只需要主 站到控制终端的单向通信能力，不过，为了更好地实现负荷管理( d s m ) 功能， 现在也要求使用具有双向通信功能的终端。 ( 6 ) 操作维护方便 配电自动化通信终端众多，设计时要充分考虑安装、操作维护的方便性， 以减少工作量。 ( 7 ) 采用开放性标准的通信规约 配电自动化系统是一个信息集成系统，系统中各种现场智能终端与控制中 心之间以及不同的控制中心之间采用开放性的标准通信规约能够保证配电自动 化各个子系统之阳j 互连，实现数据互享，减少建设投资。 1 5 论文的主要工作和内容 本论文主要针对配电自动化所涉及到通信方面的若干技术问题，结合自己 在吉林市数家变电所做的调研工作，对配电自动化系统中的数据通信技术方面 做了比较深入的研究，主要内容如下： 论文首先分析了配电网通信的特点，配电网通信的现状及发展趋势。针对 配电数据终端接口的特征以及配电光纤存在系统容量小问题，提出有效解决配 电自动化过程中通信可靠性和有效性的具体方案。方案采用将电信复用传输技 术和光纤通信抗电磁干扰、宽带宽的技术优势相结合，分析了方案的具体技术 实现，本人针对该技术路线设计出了基于可编程器件技术硬件实现电路。论文 采用v h d l 描述语言给出本方案实现的难点部分一多个r s 2 3 2 串行异步通信方 式的信源的复用同步传输的程序。最后分析多个不同标称速率的信源的复用同 步传输问题。 第2 幸配电自动化通信技术研究 第2 章配电自动化通信技术研究 2 1光纤通信 光纤通信是7 0 年代发展起来的通信新技术，采用光纤进行数据通信的主要 优点是：通信速率高、抗干扰性能好、可靠性高。电力系统通信光纤可以沿架 空线架设或与电力电缆一起敷设，铺设方便，配电光纤通信是一种较好的电力 自动化通信方式l l ”。光纤通信的不足之处是投资大。光纤适用于数据传输量大、 可靠性要求高的场合，如用于控制中心与大型变电站r t u 或二级主站之间的通 信，在市区配电设备较集中的地区作为主干通信网。随着技术的发展，光纤及 其光端设备的成本下降，光纤已越来越多的应用于配电自动化通信【l3 1 。 2 1 1 光纤通信在配电通信的优势 光纤通信与其它通信方式相比有其独特性，配电自动化系统光纤通信多采 用环网通信方式，其主要特点如下【1 4 】【1 5 1 。 ( 1 ) 可靠性高、抗干扰性能强、不受工频强电磁场干扰的影响。其误码率可 达到1 0 母数量级，远高于其它通信方式。 ( 2 ) 光纤通信技术具有宽带宽、高数据速率。 ( 3 ) 通信网络具有自愈功能。在环形光纤通信网络中，若通信环链接的测点 比较多，为提高光纤通信的可靠性，采用双环通信网，互为热备用，一旦环路 有故障，光端设备能自选路由，自动愈合，保证主站到各个子站之间通信畅通， 确保了通信的可靠性。 ( 4 ) 网络配置灵活，扩展方便。配电网若要增加新的测点只要在就近的光纤 通信环网内打开环路直接链接即可。节点数可大于1 0 0 个。 ( 5 ) 完善的光端设备通信接口方式。具有标准的r s 2 3 2 瓜s 4 8 5 通信接口，方 便适配用户节点。 ( 6 ) 光端设备体积小、重量轻，结构模块化，安装调试方便。 东北电力大学硕 学位论文 2 1 2 光纤通信网配置方式 1 点对点配置方式两站之间以光的方式互联，实现点对点通信。这种方 式一般用于点与点之间距离较远往往在几十公里以上，或者这个站距中心站较 远，难以链接到环型网中1 5 1 。目前，变电所与市调度局、省调度局就采用这种 配置方式。如下图2 - 1 所示。( i e d 智能电子设备，如计算机、r t u ，f t u 等) 。 图2 _ 1 点对点配置方式 2 环网通信的主站一子站配置方式支持两个节点以上的多点通信，在系 统中仅有一个主站，对链接在环路上的子站分别进行寻址和查寻；每一个子站 接收来自主站的所有查询命令，只有确认其查询报文中的地址与本子站的地址 相符时才予以响应。参见图2 2 。此配置方式比较适合配电系统分散、多节点需 要通信的地方，是配电光纤通信首选的配置方式( 根据可靠性要求可配置为单 环或双环方式) 。配置时将主站的光端设备置于非转发方式，其它子站置于转发 方式，这样使主站发出的信息在沿着光环路返回到主站时不再继续传输。所有 的子站均以半双工方式进行通信。 3 环网通信对等配置方式这种方式没有把各站固定为主站还是子站，环 网中各点都可以成为主站，但每次数据传输只有一个主站。主站与子站的区别 在于转发开关的设置。当环路无信息时，大家都是子站，转发开关置于转发状 态，当有一子站为主站时，其转发开关置于非转发状态。这种配置方式需要站 点软件的配合，根据信息的有无控制光端设备处于非转发( 有信息) 或转发状 态( 无信息) 【l “。其配置图可参见图2 2 。 图2 - 2 主站一子站配置方式 4 光纤自愈双环网当一个光纤通信环路节点比较多时，为防止光缆或光 端机设备损坏等因素引起光纤环路通信中断，采用光纤自愈双环路通信，参见 图2 - 3 所示。双环路的光端设备具有自愈功能，即使某一段光缆故障，故障两端 的光端设备能自动愈合，两端各自生成环路，保证通信畅通【1 7 1 。双环路光纤通 信，每个站配置两个光端设备，这两个光端设备具有自动切换和自愈功能。光 端设备的自愈功能，是通过光端设备双环切换控制器来实现的。 双环网的故障恢复措施有下面三种方式。 ( 1 ) 节点旁路：当某一节点不能正常工作时，可用光开关将此节点自动旁 路。在双环同时运行的场合，还需确定旁路节点的那个部分。 ( 2 ) 光路回接( l o o pb a c k ) ：当一段光纤损坏时，可用光开关将损坏段两端 节点站的光发信机的输出接到自己的光接收机输入端，从而形成一个新月形单 环，以维持所有节点的正常通信。 ( 3 ) 光纤切换( l i n es w i t c h ) ：当一个环路中的一段光纤损坏或者节点站的 一部分设备( 如一套光收发信机) 损坏时，也可采用光纤切换的办法，以便在 东北电力大学硕 学位论文 另一个环上保持正常通信。如果采用双环同向传输的方案，就可以实现一段光 纤单独切换的方法，无需切换整个环【1 9 l 。 图2 - 3 自愈双环路配置方式 故障恢复措施越多，双环网的可靠性和故障处理的灵活性当然就越好。然 而，相应地，节点的硬件构成和用于诊断和处理故障的管理软件就更加复杂， 代价也更高。因此，在大多数双环网中只采用第一、第二种故障恢复措施。实 际上这己经能够满足绝大多数应用环境对双环网可靠性的要求。 正常情况下，无论是主站的查询命令还是子站响应的报文，光纤通信a 环 和b 环沿着各自的环路进行传送，两条路径运行于相反方向。子站同时接收来 自a 环和b 环的信息，经光端设备双环控制器控制，只选择其中一个环路的信 号，传送到数据终端；主站由一个串行口发送信息，同时在a 环和b 环中传送， 由两个串行口分别接收a 环和b 环的信息。当光纤通信环路出现故障，假设在 k 处( 见图2 - 3 ) 光缆被切断，造成a 环和b 环都不能生成环路，k 断点处两侧 的光端设备只能收到一个环路信息，断点上面的光端机只能接收a 环的信息， 断点下的光端机只能接收b 环的信息，双环切换控制器检测到只接收一个环路 信息时，经过一定的延时，自动把接收的信号切换到另一个环路的发送端，生 成新的通信环路，即断点两侧的光端机将a 环和b 环相互链接，构成新的光纤 第2 章配屯自动化通信技术研究 路径，实现光纤环路的自愈功能。 5 光纤通信网路由设计根据配电网各个测点布局，统一规划，既要考虑 当i ； 现有的测点，又要考虑将来的发展。根据电缆沟或架空线的走向，以选择 最小路径为原则，合理设计光纤通信网络。 配电自动化系统中的光纤通信多采用带有自愈功能的双环路网，主站通过 光缆及光端设备，依次连接各子站( 节点) ，构成光纤环路。环路中允许链接节 点的数量，决定于传送数据速率r 和数据正确识别或检测所允许的码形畸变( 前 后沿时延差) 的百分数，以及每个节点平均引起的码形畸变6 。节点数n 可由 ( r 6 ) 近似估算出。若按r = 9 6 0 0 b w s ，a = 1 0 ，6 = 0 1 0 s 计算，节点数n 可 达近l o o 个，足以满足工程实际的需求。 环网的最大传输距离主要取决于光纤的衰减和色散，与选用的光纤( 单模 或多模) 、光波长及光端机的衰减等因素有关。光纤的衰耗很小( 约o 2 d b k m ) 典型的环网传输距离：6 5 k m ( 多模) ，4 0 k i n ( 单模) ，还可加中继器或光放大 器以增加传输距离，满足实际需要。 2 1 3 光纤通信接口 配电网所用的光端机是一种简单的光纤数据收发设备。主要包括完成电光、 光电转换的信号收发器，具有自愈功能的环路光端机还带有处理自愈功能的切 换控制器等。 1 光端机基本原理及功能特点光端机主要完成光信号的接收、发送及光 电转换功能。其基本原理如图2 - 4 所示。当数据终端发信号时，接口电路能自动 识别为输入信号，送到输入处理电路进行电平转换和整形等，并同时产生控制 信号通过控制电路传至输出信号处理电路。在接收端，由p i n 转换成电信号通 过前置放大器放大到一定幅度送给主放大器。由于接收到的光信号有强有弱， 自动增益控制电路是必要的。信号调整电路将信号均衡、调整和判决成为t t l 电平送至输出信号处理电路进行电平转换，并同时产生控制信号控制输入信号 处理电路 1 9 1 。最后由接口电路送入数据终端机。 东北电力大学硕十学位论文 图2 - 4 光端机原理图 光纤自愈双环网中的光端机由两套光纤收发器、自动切换电路( 光开关) 及自动切换控制器等组成。回还切换功能的实现，是通过光接收电路输出检测， 由自动切换控制器给出切换指令后由光开关实现的。提高环网工作可靠性的另 一种措施以旁路方式将故障点隔离。当本站电源未打开或本站损坏时，光开关 工作在旁路状态，即进入本站的光信号由光开关旁路直接送往下一站。 光纤双环路收发器同样保留了单路光纤收发器的优点，体积小，结构简单， 使用方便。由于仅采用基带传输，而未使用调制解调，功耗很低。收发器多采 用快速c m o s 电路，速度快，工作可靠。 2 数据通信接口光信号转换成电信号，通过光端机数据通信口，与数据 终端( f t u 或r t u ) 相连接。目前接口多采用标准的r s 2 3 2 或r s 4 8 5 ，接口 方式灵活。 2 1 4 光缆及光纤收发设备的选择 光纤可分为单模光纤和多模光纤2 们。 单模光纤的纤芯较细，直径一般为7 u m 1 3 u m 。单模光纤只有一条轴向通道 用于光的传输。用于驱动单模光纤的光源光束需要具有高聚焦特点，所以光发 篙 第2 章配电自动化通信技术研究 射和接收设备价格较高，但传输距离较远( 大于3 5 k i n ) 。 多模光纤的纤芯直径大于5 0 i t m 。多模光纤允许不同路径的通路传输光束， 存在模间色散。光发射和接收设备价格较低，但传输距离一般在6 5 k m 以内。 根据环路上节点之间传送距离选择不同类型的光纤和光端设备及光的工作 波长。根据配电系统通信网的特点，建议采用光纤环网通信，主站一子站配置 方式。如果节点之间距离不长，可采用多模光纤，工作波长为短波长，选 8 2 0 n m - 8 5 0 n m 的光端设备，多模光纤的规格为6 2 5 u m 1 2 5 u m 。当节点之间距离 比较远，应选则使用单模光纤。 2 2 配电载波通信 配电线载波通信( d l c d i s t r i b u t i o nl i n ec a r r i e r ) 是利用配电线作为信号 传输通道，传输调制后的载波信号。其载波频率一般在5 0 - 4 0 0 k h z ，传输信号可 以采用调幅，单边调制，调频，移频键控等调制方式。其通信设备主要有多路 载波机( 主站) ，在各个测控对象处安装配电线载波机( 从站) 和高频通道。它 是电力部门特有的通信方式。以电力线作为传输介质，具有通道可靠性高、抗 破坏能力强、投资少、覆盖面大、由电力企业所有，便于管理，且不需要额外 的通道投资等优点。它的主要缺点是是配电线载波通信系统的数据传输速率较 低( 一般在1 2 0 0 b i t s 以下) ，容易受到干扰，非线性失真和信道间交叉调制的影 响，载波通信用电容器和电感器的体积大，价格较高。 现有的配电线路多以变电站为中心呈辐射状网络分布，由于载波信号是在 配电线路上传输的，因而配电载波通信系统组网采用点对多点的通信方式。为 了提高供电可靠性，配电网络将向“手拉手”环网方向发展，但不管采用何种 方式，配电载波通信系统组网仍采用点对多点的主从式通信方式。 2 2 1 配电载波系统分类 配电载波传输技术从信号注入和接收方式上可分为相一相注入接收、相地 注入接收、零序注入接收三种方式。 相一相注入接收方式和相地注入接收方式的信号容易被变压器等设备吸 收，因此，要求发送功率较大，此外根据不同电力线路情况还需设置增音器、 东北电力大学硕十学位论文 阻波器，可将信号传输到低压用户。零序注入接收方式只在本级电网中传输信 号，并且在任何位置都可通过人工中性点接收和注入，由于电网中的相间负载 或补偿电容器均不吸收信号功率，所以发送功率小，也不需要增设增音器、阻 波器等设备。 我国的配电网是i o k v ，3 5 k v 电压等级的配电系统，均采用中性点不接地 或经电阻接地方式，因此采用零序注入接收方式符合我国国情。在配电网络中 不增设增音器、阻波器的情况下，信号传输半径可达4 0 k m ，满足配电信号传输 的要求。 2 2 2 配电载波系统传输原理 零序注入接收方式的载波通信系统传输原理图如图2 5 所示。以1 0 k v 配电 系统为例，变电站载波收发信机发出的载波信号，通过耦合设备注入到i o k v 母 线上，三角形接法的主变压器和补偿电容器以级不接地星形配电变压器对信号 呈现开路。转角变压器和消弧线圈虽然是跨接在零序网络上的，但对于高出工 频5 0 h z 几十倍以上的载波频率来说，其吸收作用己经很小。载波信号沿着配电 线路可以传输到各个子站用户处，在子站用户装设的耦合设备将信号耦合给用 户终端，即实现了载波信号的下行传输。反之，用户终端的返回信号也可以通 过上述途径传输到变电站的主站载波收发信机，从而实现载波信号的上行传输。 由于电网中的相间负载和补偿电容器等设备不吸收或很少吸收信号功率，因而 信号注入功率小，信号电平也不受负载变化或补偿电容器投切的影响，该模式 适用于本级配电网中的通信 2 ”。 第2 章配屯自动化通信技术研究 3 5 盼碍线 图2 - 5 载波通信系统传输原理图 2 2 3 配电载波设备工作原理 载波设备按它在系统中安装的位置不同可分为变电站主站载波设备和配电 终端子站载波设备。两者工作原理基本相同，如图2 - 6 所示，包括载波收发信机 和耦合设备等部分。 图2 - 6 载波设备基本组成原理 载波收发信机的主要作用是接收主站或子站的数据并调制成3 - 2 0 k h z 的载 波信号经功放发送到配电线路上，或者从配电线路上接收载波调制的信号井将 它解调后送入数据终端。 东北电力大学硕十学位论文 数据终端来的数据信号在微机主控单元进行载波调制，发送滤波，功率放 大后，经耦合设备注入电网；由耦合设备接收的载波信号送入载波接收单元进 行滤波、比较，由微机主控单元进行载波解调后输入数据终端。 耦合设备的作用是将载波信号从电力线路上接收下来或将信号注入到电力 线上，它由两个部分组成，即结合滤波器和耦合电容器。 2 3 电话线调制解调器方式 这种方式是通过电话线和调制解调器提供信道。具体又可以分为通过租用 电话专线和公用电话网拨号两种方式。它的优点是技术成熟，容易实现比较高 的数据速率，由于其利用了现有的资源，因此结构简单，投资少，使用方便。 缺点是电话线无法覆盖一些偏远区域，电力企业无法保证通道的可靠运行，传 输差错率较高，传输距离也受到限制。 2 4 现场总线方式 现场总线( f i e l db u s ) 是近二十年来发展起来的新技术，它是连接智能现场 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。在配电自动化 系统中，现场总线适合于用来满足f t u 和附近区域工作站间的通信，以及变电 站内自动化系统中智能模块之间的通信。 现场总线具有如下特点：全数字化的双向数据传输，智能程度高，可以完 成差错控制和一些采集与控制算法，可以具有一定的报文处理能力，拓扑结构 灵活，可构成总线型、环形、星形等各种结构，开放式结构，便于设备间互联。 现场总线促使变电站自动化通信网络从早期的r s 4 8 5 r s 4 2 2 和c c i t l v 2 4 方式的标准异步串行通信，发展到现在大多数系统正在使用的各种现场总线 ( f i l e db u s ) ，如国内常见的东方电子采用的f d kb u s 、四方公司采用的l o n w o r k s 、南自研究院采用的c a n b u s 、西门子公司采用的p r o f i b u s 等。 现场总线网络与早期的异步串行网络相比具有抗干扰性强、效率高等优点， 现场总线网络的出现极大的推动了我国变电站自动化的发展。但现场总线网络 也存在着自身无法克服的弊端，首先其带宽相对较低，无法适应日益增长的自 动化系统对网络的需求：其次互操作性差，由于不同厂家采用的现场总线不同， 导致变电站内部不同生产厂家的设备互连几乎是不可能的，即使采用同一种现 场总线，如c a nb u s ，由于该现场总线没有定义完备的应用层通信标准，各生 产厂家采用自己的应用层通信协议，不同厂家基于c a nb u s 的智能设备不能互 连。随着电力自动化技术的发展，现场总线的一些局限性逐渐暴露出来，已不 能满足诸如高压超高压大型变电站自动化系统的要求。 2 5 无线通信方式 无线电通信系统，具有投资少、组网方便、易于安装、覆盖面大等优点， 而且具有双向通信的功能。无线电通信在配电自动化系统中得到广泛应用 2 2 1 。 实践证明，就我国城市条件，采用甚高频无线电信道构成配电自动化系统的数 据传输通道是可行的。只要合理地布置天线并保证一定的无线信号场强，避开 和控制电磁场干扰，则无线电信道传输数据的误码率可优于1 0 ，可以满足配电 自动化系统的要求。 无线数据传输系统在应用中存在一定的局限性，不能适合于多高层建筑物 的市中心及多山地区；在有强烈的电磁干扰的区域，无线通信成功率很低，甚 至不可能进行。 无线电通信有微波、数传电台、扩频、g p r s 、商用电台等方式。微波投资 较大，一般只用于控制中心与大变电站之间的通信，随着光纤通信技术应用新 建通信线路已很少采用。商用电台尽管价格低，但开启时间较长，传输速率低， 难以满足实时控制需要，只是在负荷控制中有应用。 目前，在配电通信有较好应用前景的主要有g p r s 和无线扩频通信技术。 2 5 1g p r s 配电通信技术 通用分组无线业务g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) ，是移动通信技术 和互联网技术融合产生的移动高速分组数据业务口3 1 。它是在g s m 网的基础上通 过增加s g s n 、g g s n 、p c u 等设备，升级b s s 系统软件、计费软件发展而成。 g p r s 采用了g s m 相同的无线调制技术，相同的频率，相同的t d m a 帧结构。 东北电力大学硕+ 学位论文 g p r s 允许用户在端到端分组转发模式下发送和接收数据。特别适用于间断的、 突发性的、频繁的少量数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。 g p r s 无线数据传输具有以下特点： 永远在线：开机即能自动连接到g p r s 网络上，并与应用的数据中心建立 通信链路，随时可以收发数据，具有很高的是实时性。 按流量计费：按照接收和发送的数据报的数量来收取费用，没有数据流的 传递时不收费。 高速通信：传输的最大速率可高达1 6 0 k b p s ，速度的高低取决于网络运营商的 控制。一般可以稳定在2 0 4 0 k b p s 。 组网简单：g p r s 的无限d d n 可以通过i n t e m e t 构建覆盖全国的虚拟移动 数据通信专用网。 无需维护：通信链路维护有专业运营商中国移动负责，免除通信链路维护。 无线通信：发射功率非常小，天线非常短，无需高架，克服了有线传输须 铺设线路的缺点。 无线覆盖和移动：g p r s 是基于无线通信网的业务，继承了蜂窝移动通信的 无线覆盖和移动性的基本特点。无线用户可随意分布和移动自己的网点，保持 很好的接入特性。在g p r s 网中，用户与网络建立一次连接，可长时间保持这 种连接。建设新的监测点简单，无需线路的维护。较有线通信系统投资较少， 设备安装方便。 通信成本低：终端价格比较低，g p r s 资费便宜，计费较合理。电力数据采 集业务没有大数据量的信息传输，不必要采用资费很高的专线( d d n 、帧中继) 。 g p r s 可根据通信的数据量和服务质量进行计费。只在数据传输时占用信道并被 计费，保持连接不占用信道不计费。因此，监测点不用频繁建立连接，能最好 地支持频繁的、少量突发型数据业务，且通信质量稳定可靠。 g p r s 也存在下面的缺点：通信链路依赖于移动的蜂窝通信网，和语音业务 竞争使用相同的非常有限频谱资源，传输速率受到限制，无法满足快速增长的 高速数据业务需要。租用无线运营商提供的通信带宽，需定期向业务提供商支 付大量资费，每开通一个通信节点需增加相应通信费用，当存在大量需要实时 监控这样的连续、高速通信端点时，通信费用十分可观。电力系统属于强电磁 第2 幸配电自动化通信技术研究 干扰通信环境，可能会对无线通信造成严重的通信质量恶化。 g p r s 在配电中的应用领域主要包括了电力大用户计量数据采集、居民用户 ( 低压) 计量数据采集、变电站运行参数采集、配电变压器运行参数采集四个 主要方面。 2 5 2 无线扩频通信 扩展频谱通信( s p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n ) 技术是一种先进的信息传 输方式，简称扩频通信叫】。扩频通信是用一组速率远高于信息速率的伪随机码 调制原始信息，简称扩频调制。接收时采用相同的扩频序列进行相关解调。扩 频通信属于宽带通信技术。 常用的直接序列扩频技术采用高速伪随机码( p n 码) ，将所要传输信息的 带宽拓展1 0 0 1 0 0 0 倍，使之成为宽频带、低功率谱密度信号。接收端利用相关 解扩技术恢复原始信息【2 5 1 。 无线扩频通信具有如下特点： ( 1 ) 抗干扰性强。由于信号的接收要相同的扩频码进行相关处理才能解扩得 到，所以即使用同类信号进行干扰，在不知道信号扩频码的情况下，利用不同 扩频码编码之间的不相关性，可以有效地抑制干扰。 ( 2 ) 隐蔽性强、干扰小。由于信号被扩展到很宽的频带上，功率谱密度很小， 信号通常淹没在噪声中，极难发现，对外界的干扰很小。 ( 3 ) 易于实现码分多址，组网方便。利用扩频编码之间的不相关性，对不同 用户分配不同的扩频码，多用户可以在同一频率互不干扰地进行数据传输。 ( 4 ) 抗多径干扰。利用扩频码的相关特性，在接收端可以采用r a k e 接收技 术，把多个路径同一信号相加提高接收信噪比，从而有效对付多径干扰。 无线扩频通信系统比较适合于构成1 0 k v 开闭所、小区变或用于集结分散测