（通信与信息系统专业论文）xpon和工业以太网技术在配电网中的应用研究.pdf

1 lj1 华北电力人学硕十学位论文 摘要 目前，在我国3 5 k v 及以下中低压配电网，通信一直是薄弱环节，严重制约了 配用电自动化系统的实现。现有的配电网通信多采用光纤、无线、电力线载波等多 种通信技术的混合组网，光纤通信具有高速、可靠、抗干扰性强等优点，是一种最 佳的通信方式。文章根据配电自动化系统的业务及特点，分析了对通信系统的需求。 简要介绍了光m 在配电自动化系统中的组网应用；重点研究了无源光网络( x p o n ) 和工业以太网技术。利用i x i a 数据网络分析仪对e p o n 和工业以太网交换机进行 吞吐量等性能测试，并在此基础上分析了它们在配电自动化系统中的应用适用性、 成熟性，最后提出了组网应用方案。 本文认为，随着智能电网的建设，未来智能配电网对通信容量和可靠性需求的 增加，需要采用高带宽、高保护机制的光通信技术来实现，x p o n 和工业以太网将 在配电自动化中得到广泛应用。 关键词：配电网通信，x p o n 技术，工业以太网，组网应用 a b s t r a c t c o m m u n i c a t i o nr e s t r i c t sm e d i u ma n dl o w - v o l t a g ed no f35 k va n db e l o w a c c o r d i n gt ot h eb u s i n e s sa n df e a t u r e so fd a s ，t h ep a p e ra n a l y s e s t h ed e m a n d st o c o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h en e t w o r k i n ga p p l i c a t i o no fo p t i c a lm o d e mi nd a si s i n t r o d u c e db r i e f l y , x p o na n di n d u s t r i a le t h e m e tt e c h n o l o g ya r er e s e a r c h e di m p o r t a n t l y t h r o u g h p u ta n do t h e rp e r f o r m a n c eo fe p o na n di n d u s t r i a le t h e r n e tt e c h n o l o g ys w i t c h a r et e s t e db yi x i ad a t an e t w o r ka n a l y z e r o nt h i sb a s i s ，t h e i ra p p l i c a b i l i t ya n dm a t u r i t y o fa p p l y i n gi nd a si sa n a l y z e d l a s t ，t h en e t w o r k i n ga p p l i c a t i o ni sp r o p o s e d t h ep a p e ra r g u e s 缅a ft h ef u t u r es m a r td ni n c r e a s e st h ed e m a n d so fc o m m u n i c a t i o n c a p a c i t ya n dr e l i a b i l i t y , w h i c hn e e d so p t i c a lc o m m u n i c a t i o no fh i g h - - b r o a d b a n da n d h i g h p r o t e c t i o nt or e a l i z e ，s ox p o na n di n d u s t r i a le t h e r n e tw i l lb ea p p l i e di nd a s s u nx i a o x i 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 ) d i r e c t e db yp r o f z h a im i n g y u e k e yw o r d s ：d i i s t r i b u t i o nn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n ，x p q 0 n ，i n d u s t r i a le t h e r n e t ， n e t w o r k i n ga p p l i c a t i o n 华北电力人学硕十学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 课题背景及意义l 1 2 配电网自动化通信的现状2 1 2 1 国外配电网通信现状2 1 2 2 国内配电网通信现状2 1 3 本文的主要工作3 第二章配电网自动化系统5 2 1 配电网及其特点5 2 2 配电自动化简介5 2 2 1 配电自动化的概念5 2 2 2 配电自动化系统的主要内容6 2 2 3 配电网自动化系统的结构7 2 3 配电自动化通信规约简介8 2 4 配电网自动化对通信系统的要求9 2 4 1 业务性能指标及对通信的要求9 2 4 2 配电网结构对通信的要求1 0 2 4 3 配电网环境条件对通信的要求1 0 第三章光m 在配电网自动化系统中的应用1 2 3 1 组网方式1 2 3 2 存在的问题1 4 第四章x p o n 与工业以太网技术研究1 5 4 1x p o n 技术1 5 4 1 1x p o n 技术的发展1 6 4 1 2e p o n 原理2 0 4 1 3e p o n 关键技术2 5 4 1 4e p o n 技术和产品现状2 7 4 2 工业以太网技术3 2 4 2 1 工业以太网技术3 2 华北电力大学硕士学位论文 4 2 2 工业以太网的技术标准3 4 4 2 3 工业以太网交换机的特点3 7 4 3x p o n 和工业以太网技术的比较3 8 4 4 应用于配电网自动化系统存在的问题3 9 第五章x p o n 和工业以太网应用于配电网自动化系统的可行性4 1 5 1e p o n 和工业以太网交换机性能测试4 1 5 1 1e p o n 性能测试4 l 5 1 2 工业以太网交换机性能测试4 3 5 1 3 保护倒换功能测试4 4 5 2x p o n 与工业以太网应用于配电网自动化系统的可行性4 5 5 2 1 传输能力4 5 5 2 2 可靠性4 6 5 2 3 安全性4 7 5 2 4 系统扩容能力4 8 5 2 5 经济性4 8 第六章基于x p o n 和工业以太网的配电网自动化通信组网方案5 0 6 1 总体方案5 0 6 2 配电自动化终端设备的接入5 1 6 3 实用化方案5 1 6 3 1x p o n 组网方案5 1 6 3 2 工业以太网组网方案5 3 6 4 通信协议5 5 6 5 系统的兼容性和包容性设计5 6 第七章总结5 7 参考文献5 8 致谢6 2 在学期间发表的学术论文和参加科研情况6 3 i i 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题背景及意义 第一章绪论弟一早三：酉下匕 配电网是连接并从输电网( 或本地区发电厂) 接收电力，就地或逐级向各类用 户供给和配送电能的重要环节。配电网的安全稳定运行，对于提高供电可靠性，保 障用户电能质量，提升电网企业综合效益具有十分重要的意义。长期以来，由于重 发轻供等原因使我国配电网基础薄弱、设备简陋、供电可靠性差。随着国民经济的 发展、人民生活水平的提高和电网规模的不断扩大，对电能质量的要求更为严格， 要求电力系统提供更为安全、可靠、经济和高质量的电能1 1 , 2 】，这些需求必须依靠配 电网自动化来实现。 配电网自动化是国家电网公司“十一五”期间的重要发展方向，其为电网的运行 监测、快速故障定位、故障隔离等提供有力的保障措施。配电网自动化系统传输的 数据可分为实时监控数据和非实时的营销生产管理数据，一般包含配电自动化系 统、用电信息采集系统、负荷管理系统等，各系统对通信系统的要求也不相同。 配电自动化系统具有馈线开关的远方操作、电网接线状态的在线更新、配变监 测和线损分析等业务，这些业务均能带来可观的社会效益和经济效益。与传统的调 度自动化系统相比，配电自动化系统具有通信终端节点数量大且分散、通信距离短、 节点通信数据量小、受配电网扩容和城建影响大等特点。许多配电自动化的通信装 置安装在户外，要适应苛刻的运行条件，必须具有很高的可靠性【3 】。从目前成熟的 通信技术看，没有一种通信方式能够单独满足配电网通信的要求，通信问题已成为 制约配电自动化发展的瓶颈。 用电信息采集系统实现计量装置在线监测和用户负荷、电量、电压等重要信息 的实时采集，及时、准确地为“s g l 8 6 工程”营销业务应用提供用户实时用电信息 数据，为“分时电价、阶梯电价、全面预付费”的营销业务策略的实施提供技术基 础，从而提升企业集约化、精益化和标准化管理水平的管理要求。用电信息的实时 采集，特别是预付费信息也需要可靠、稳定的通信网来支撑。 并且随着智能电网的发展，智能配电网和智能用电是重要环节，迫切需要一种 高灵活、高保护机制、智能化管理、高性价比、综合业务的宽带通信解决方案【4 】。 因此，本文通过分析x p o n 和工业以太网技术及其在配电网中的应用适用性， 为配电网通信系统的建设提供初步的应用方案。 华北电力人学硕士学位论文 1 2 配电网自动化通信的现状 1 2 1 国外配电网通信现状 国外从2 0 世纪7 0 年代就开始了配电自动化技术及产品的研究和开发，在日本、 北美和欧洲已进行了大面积推广。相比较而言，日本、美国自动化系统的覆盖面积 广，欧洲相对少1 5 , 6 j 。 日本配电网以架空线路为主，架空线路易受环境、气候等自然因素和外力撞杆、 断线等人为因素影响，为了保证高供电可靠性要求，研发了各种就地控制方式和配 电线路柱上开关的远方监视和控制装置，构成网格式配电网络，实现故障后按时限 自动顺序送电。通信方式最早以双绞线、音频电缆为主，少量的电力线载波方式； 随着光缆成本的降低，最近几年光纤应用在增岁7 1 。 美国的配电网与日本基本相同，架空线路为多。在配电网自动化系统中通信方 式主要采用无线通信，特别是扩频通信技术，由于可靠性高、保密性好，不需要许 可证，在各个电力公司得到广泛应用。只有无线通信质量得不到保证时，因地制宜 的采用光纤或专线电话通信捧 9 】。 欧洲配电自动化系统的应用率远不及日本和美国，原因是欧洲配电网以电缆线 路为主。由于电缆线路基本不受上述架空线路中环境、气候、可靠性等外界因素影 响，所以即使没有自动化手段的支持，也能获得高供电可靠性，但是电缆线路的造 价要远高于架空线路。但在2 0 世纪8 0 年代以后也得到了较多应用【5 6 】，其中有代表 性的是英国e m e 电力公司、意大利国家电力公司( e n e l ) 、法国电力公司( e d f ) 、荷 兰( e d o n ) 、爱尔兰( e s b ) 、德国( v e m ) 以及比利时、西班牙、丹麦、芬兰等国的配 电网自动化系统应用。主要的通信方式是无线公网、无线电台、电话线及载波通信 【1 0 】 o 从国外配电自动化系统采用的通信方式看，尚没有一种通信技术可以很好地满 足配电系统自动化所有层次的需要。在一个配电自动化系统中，通常由多种通信技 术组合成综合的通信系统，各个层次按实际需求采用合适的通信方式。 1 2 2 国内配电网通信现状 在配网方面，国家电网公司6 3 5 k v 配电网线路共计1 6 0 6 万条，总长1 6 4 8 5 万公里，为实现自动抄表、配网管理、用户双向通信等功能，公司范围内的1 3 个 网省在部分地市开展了相关系统建设，配网通信系统的建设综合利用电力线通信 ( p l c ) 、g p r s 、c d m a 、2 3 0 m h z 无线电专网等多种方式，形式多样，但缺乏统一 的规划设计和功能规范，各地的发展均存在一定的局限性。 目前，国家电网公司的电力通信专网已颇具规模，m s t p s d h 技术得到广泛应 2 华j 匕电力大学硕士学位论文 用，基本建设了覆盖到各级变电站的光纤骨干网。据统计，光纤覆盖了9 5 以上的 1 1 0 1 0 k v 变电站和7 5 以上的3 5 1 0 k v 变电站，并且具备向下延伸的能力。3 5 k v 及以上的中高压配电网采用电力专用光纤网络，通信问题基本解决。而1 0 k v 及以 下的中低压配电网通信尚待解决，也是制约配电自动化系统的关键和难点。 在电力负荷控制系统和大用户远程抄表系统中采用2 3 0 m h z 无线专用通道和 g p r s c d m a 公网通信技术；配电自动化系统使用光m ( 光m o d e m ) ，少量使用光 纤通信方式( x p o n 无源光网络技术) 和2 3 0 m h z 专用无线通信方式；低压抄表通 信方式多使用窄带电力线载波p l c 、短距离无线通信、e i ar s 4 8 5 双绞线等通信方 式。 2 3 0 m h z 专用无线通信方式带宽有限，用于点对多点业务，难以用于时间敏感 的业务应用；光m 通信方式没有充分利用光纤资源，可靠性和实时性得不到保障； g p r s c d m a 公网通信技术不适用于配电网干线通信，在安全性、稳定性、实时性 方面尚无法得到可靠保证，并且难以适应时间敏感的保护与控制业务且要支付运行 费用；标准光纤以太网不支持环网功能。目前干线通信没有统一高效经济的传输交 换和接入平台，也不支持数据加密、优先级业务传输；配电网接入通信协议多种多 样，使得配电通信网接入更为复杂。这些问题的存在增加了配电通信网运行维护成 本。 总体来看，我国建设的配电自动化系统不少是试验性工程，系统的稳定性、可 靠性，特别是实用性有待考验。系统单位投资过大，阻碍配电自动化的推广。 1 3 本文的主要工作 本文是在分析现有的配电网自动化通信技术的基础上，根据配电网的特点及自 动化业务对通信的需求，研究新型光通信技术，如x p o n 无源光网络接入技术和工 业以太网技术，提出将其应用于配电自动化系统中解决1 0 k v 及以下中低压配用电 网通信传输问题，并进行组网研究，综合分析技术可行性，包含传输能力、可靠性、 安全性、系统扩容能力和经济性。本文主要研究了以下几个方面： 1 全面分析了配电网的结构特点、配电网自动化的主要内容和结构，以及智能 电网的概念，特别对涉及通信的业务需求进行了深入分析； 2 分析了配电网自动化的业务性能指标、体系结构和环境特点对通信系统的要 求； 3 深入研究无源光网络( x p o n ) 和工业以太网技术现状和存在的问题，并通 过数据网络分析仪进行吞吐量、时延、保护倒换功能等性能测试，说明其应用于配 电网自动化通信传输系统中的适用性； 4 重点分析x p o n 和工业以太网技术应用于配电自动化中的传输能力、可靠 性、安全性、系统扩容能力和经济性； 3 华北电力人学硕十学位论文 5 提出了基于x p o n 和工业以太网技术的配电网自动化通信组网方案，为我国 配电网通信系统的建设、运行管理提供依据。 4 华北电力大学硕士学位论文 2 1 配电网及其特点 第二章配电网自动化系统 配电网面向用户，从输电系统接收电能，再分配到最终用户，按电压等级来分， 可分为高压、中压和低压配电网。高压配电网一般由1 1 0 k v ( 或6 6 k v ) 高压线路和 变电所构成，中压配电网的电压等级是1 0 k v 或6 k v ，低压配电网由3 8 0 2 2 0 v 架空 线路或电缆线路构成，直接给沿线用户供科1 3 】。 配电网结构复杂多样，网络接线有辐射状、树状及环网，环网又分为普通环网 和手拉手环网，如图2 1 所示，目前配网输电线路多为手拉手结构。 ( a ) 辐射状( b ) 树状( c ) 手拉手环网 图2 1 配电网网络结构 具体的配电网结构可能是多种网络形式的组合，更增加了配电自动化系统结构 设计的难度。 配电网与输电系统相比较，具有以下特点：配电网内设备类型多，数量大且分 散；运行方式多变，运行管理水平低；数据容量大，网络结构复杂；面向用户，供 电容量和可靠性要求不同。这些因素都直接影响了配电网自动化系统的实施与管理 方式【1 1 。 2 2 配电自动化简介 2 2 1 配电自动化的概念 配电自动化利用现代计算机及通信技术，将配电网的实时运行、电网结构、设 备、用户以及地理图形等信息集成，构成完整的自动化系统，从而实现配电网运行 监控及管理的自动化、信息化【3 1 。 配电自动化系统主要包括1 1 0 1 0 k v 变电站( 部分地区有6 6 1 0 k v 变电站，农 村地区有3 5 1 0 k v 变电站) 的1 0 k v 部分，1 0 k v 馈线，以及从1 0 k v 馈线到配电 自动化终端和用户端集中抄表系统的全部配电系统元件的综合自动化。 5 华北电力人学硕： 学位论文 2 2 2 配电自动化系统的主要内容 配电自动化das三三三三动伲 胜绫监控 6 华北电力大学硕十学位论文 其内容包括负荷监控和管理以及远方抄表与计费自动化两方面。 负荷监控和管理确定最优运行和负荷控制计划，对集中负荷及部分工厂用电负 荷进行监控、管理和控制，并通过合理的转移负荷，达到平坦负荷曲线、实现负荷 均衡化。 远方抄表及计费自动化( a m r ) ，通过通信方式读取远方用户电表数据，并将 其传至控制中心，自动生成电费报表和曲线，从而实现复费率和各项统计功能。 配电自动化从总体上可分为馈线自动化、大用户及配电变压器监测及负荷管理 和居民集中抄表三部分。 2 2 3 配电网自动化系统的结构 配电网自动化由配电主站、配电子站、通信网络和各种现场终端组成，如图2 3 所示： 图2 3 配电自动化系统结构图 现场终端采集并向主站传送断路器、负荷开关、变压器等配电设备的运行数据， 并接受主站的控制命令，完成开关的操作，包括d t u ( 安装在馈线回路配电所和开 闭所的站内监控终端) 、f t u ( 安装在1 0 k v 馈线回路环网柜内和柱上开关等处的馈 线监控终端) 、t t u ( 安装在分支链路配电变压器上的配电变压器监测终端) 和专变 终端或集中器等采集设备( 安装在现场) 。f t u 将配电设备的运行数据发送到主站， 并接受主站的控制命令，实现对各种类型重合器、断路器和负荷开关的功能控制。 d t u 完成对开闭所等开关设备的位置信号，电压、电流、有功、无功、功率因数、 电量等数据的采集与计算，并执行主站的遥控命令，对开关进行分、合闸操作。t t u 主要完成对配电网中配电变压器的监测与控制，采集三相交流电压、电流等数据。 通信网络提供现场终端与主站之间的通信通道。主站与数据量较大的变电所、 配电子站通信为主干通道，目前多采用s d h m s t p 技术实现；变电所配电子站与 其管辖范围内的现场终端通信为分支通道，目前没有统一的通信系统支撑，成为阻 碍配电自动化发展的瓶颈。 配电主站是一个安装在配电网调度中心内的计算机局域网络系统，收集并保存 7 华北电力人学硕：卜学位论文 现场终端设备的实时数据；对故障区段进行判别和隔离，并恢复非故障区段的供电； 提供图形化用户界面，使调度人员对配电网进行实时监控、管理及系统本身的维护； 提供与其它系统( 如配电g i s 、m i s ) 的接口等。 2 3 配电自动化通信规约简介 i e c6 0 8 7 0 5 系列远动协议是电力系统r t u 或现场自动装置与主站之间的远动 通信协议。i e c6 0 8 7 0 5 1 0 1 、i e c6 0 8 7 0 5 。1 0 2 、i e c6 0 8 7 0 5 1 0 3 分别适用于远动、 电能计量、继电保护设备通信。i e c6 0 8 7 0 5 1 0 4 在i e c6 0 8 7 0 5 1 0 1 的基础上增加 了t c p i p 协议层次，以满足广域数据网两点之间进行对等通信的需要【3 】。目前，我 国已把i e c8 7 0 5 1 0 1 作为电力行业标准。 1 ) 1 0 1 规约 ( 1 ) f t l 2 帧格式：采用f t l 2 异步字节传输帧格式，有固定帧长和可变帧长 两种。固定帧长用于子站回答主站的确认报文或主站向子站发送询问报文；可变帧 长用于主站和子站之间传输数据。 ( 2 ) 参考模型：1 0 1 规约为了提高通信的实时性，采用了只有物理层、链路层 和应用层三层的增强型结构( e p a ) 。 ( 3 ) 物理层：1 0 1 规约适用于拓扑结构为点对点、多个点对点、多点共线、多 点环形、多点星型等网络配置的远动系统中，可以是全双工或半双工通信。1 0 1 规 约采用i t u 推荐的v 和x 系列数据终端设备d t e 、数据连接设备d c e 标准，常用 的是e i a r s 2 3 2 4 2 2 4 8 5 串口。 ( 4 ) 链路传输规则：链路层规定了平衡传输和非平衡传输两种模式，采用窗 口尺寸为l 的链路传输规则，即由启动站向从动站触发一次传输服务，或者成功的 完成，或者报告产生差错，之后才能开始下一轮的传输服务。对于发送确认和请求 n i l 应传输服务在传输过程中受到干扰时，用等待超时一重发的方式发送下一帧。并 严格规定只有在点对点或多个点对点的全双工通道才采用平衡式传输，实现终端状 态量变位的主动上报，其它网络拓扑结构都采用非平衡式传输，即存在主从关系， 主站使用快速校验过程传输规则，解决在多点共线的情况下多个自动化终端同时 发生重要状态量变位时通道上发生的冲突竞争问题，保证高优先级的数据优先传输 【l l 。1 2 o 2 ) 1 0 4 规约 1 0 4 规约定义了用于网络的开放t c p i p 接口，实际上是将1 0 1 规约与t c p i p 提供的网络传输功能相组合，使得1 0 1 规约在t c p i p 内各种网络类型都可以使用， 包括x 2 5 、帧中继f r 、a t m 和综合业务数据网i s d n 。 1 0 4 规约的网络参考模型可分为五层：物理层、链路层、网络层、传输层和应 用层，在应用层以下，1 0 4 规约采用标准的t c p i p 网络传输协议，从而得到可靠的 8 华北电力大学硕十学位论文 连接；在应用层，应用规约数据单元由应用规约控制信息a p c i 和应用服务数据单 元a s d u 组成。 1 0 4 规约实现远动信息的网络传输，平衡传输模式彻底改变主站和终端的主从 关系，使网络数据可双向传输，实现各个通信终端的网络平等 1 3 , 1 4 1 。 2 4 配电网自动化对通信系统的要求 配电网自动化对通信系统的要求，取决于配电网自动化系统的规模、复杂程度 和自动化程度，可从配电网自动化的业务性能指标要求、配电网的结构和环境特性 三个方面分析其对通信的要求。 2 4 1 业务性能指标及对通信的要求 配电自动化系统传输的数据可分为实时监控数据和非实时的营销生产管理数 据。目前数据采集系统一般包含配电自动化系统、电能量计量计费系统、负荷管理 系统、营销管理系统等，各系统对通信系统的要求也不相同。 根据配电自动化和配电终端( f t u 、d t u 、t t u ) 实现的功能，馈线自动化和 配电开闭所变电站自动化通信系统需传输的数据如表2 1 所示 1 5 , 1 6 】： 表2 1 配电自动化通信系统传输的数据 数据内容性能指标对通信的要求 故障区段隔离 1 m i n ；非故障对通信速率要求最高， 故障信 故障前和故障时的最大故障电区段恢复供电 2 m i n ；事故i 田i需要实时快速的传输 流、电爪幅值、负荷电流、故障面推出时间 1 5 s ；当有7 个故障信息，必须由高带 息量 功率等f t u 时，传输速率为6 0 0 b i t s宽、高町靠性的光纤通 时，故障识别时间为1 s 3 s信来实现 遥信、遥控、遥调量，包括负荷 开关和分段开关位置、储能完成开关量变位由终端传递到了 信号、监视信号、保护及报警装站 5 s ，由终端传递到主站 状态量信息对通信速 状态量 率要求岛，需用实时町 置的动作状态、断路器分合、远 l o s ；遥控完成信息 2 0 s ( f t u 靠的光纤通信来实现 方合分闸操作、自动化终端运行级) 状态等 1 0 k v 馈线柱上开关进出线处的 电压、电流、有功和无功功率、 重要模拟量越死区传递时间 遥测量 对通信速率要求次之 功率因数等，过电流记录、历史 1 5 s 数据记录和统计s o e 等 电能量有功无功电能数据等通信速率最低 用电信息采集系统( 即远程自动抄表系统) 根据电力用户性质和营销业务的需 要，可将采集数据分为以下类型【17 1 ，如表2 2 所示： 表2 2 用电信息采集系统数据类型 数据内容性能指标对通信的要求 1 ) 异常事件； 对通信速率要求最高， 异常告2 ) 工况数据：开关状态、终端即计 主站巡检终端重要信息 需要快速传输故障信 警信息 量设备状态信息； 时间( 状态信息等) 息、设备t 况信息，必 1 5 m i n 须由高带宽的光纤通 3 ) 数据异常分析的处理记录 信来实现 1 ) 电能数据：总电能量、各费率电系统控制操作时间( 遥控 能量、最大需量等；命令下达到终端响应的 对通信速率要求较高， 遥测量需要可靠、安全的光纤 2 ) 交流电气量：电胝、电流、有功、时间) 5 s ；常规数据查询 无功、功率因数等；响应时间 5 s ；常规遥测信 通信来实现 华北电力大学硕+ 学位论文 3 ) 电能质量：电压、功率凶数、谐息响应时间 1 5 s 、历史遥 波等越限统计数据；测信息响应时间 3 0 s 4 ) 终端和电能表记录的事件记录 数据 1 ) 主站实时采集用户当前用屯量 和每用户 - i 冻结量，将当前剩 对通信信道的可靠性 预付费 余电费下发给用户做信息提示； 和带宽要求较高，需采 信息 2 ) 在用户电费不足时下发跳闸指 令停止供电，续交电费后恢复供 用光纤通信来实现 电 其它 负荷控制信息 由此可知，配电自动化系统中不同业务对通信速率的要求不同，故障信息和状 态量等对通信速率、实时性和可靠性要求很高，所以适合用光纤通信来实现，一般 的电压、电流等遥测量对通信速率要求次之。 光纤通信可用于各类配电自动化监控终端f t u d t u t t u 、各类高压用户的专 变采集终端和各类低压用户集中器的远程信道，并且目前3 5 k v 及以上变电站已形 成骨干光纤网，具备了向下延伸的网络基础。智能电网的数据获取、保护和控制也 需要高速、双向、实时、集成的通信系统的支撑，所以建设这样的光纤通信系统也 是实现智能电网的基础。 2 4 2 配电网结构对通信的要求 配电网主要包括中压电网和低压电网两种。中压配电网多采用架空线或以架空 线为主、电缆线为辅的混合结构，一般为放射型、手拉手供电方式，由于线路沿线 地理条件较复杂，线路绝缘水平较低，所以线路故障率高。因此提高中压配电网供 电可靠性是中压配电网改造和建设的重点，需要通过高可靠、低时延的光纤通信来 实现。 低压配电网直接面向用户，具有用户多、分布广且分散、节点数据量小、受配 电网扩容和城建影响大的特点，要求通信设备单位造价低廉、网络运行可靠、维护 管理方便、设备环境适应力强，并且能够适应一次系统的改造和运行方式的多变， 以免重复建设。 2 4 3 配电网环境条件对通信的要求 配电网通信设备很多安装在室外，自然环境恶劣，高温、低温、日晒、雨淋、 风雪、冰雹和雷电等自然侵袭以及射频、工频等强电磁干扰时时发生，因此要求通 信设备支持宽温工作、防水、防尘、避免各种电磁干扰，能够长期稳定可靠的工作 在上述恶劣环境中，并要求在线路停电时，通信系统仍能正常工作。 虽然自然环境恶劣，但是馈线自动化终端f t u 安装在1 0 k v 馈线的柱上开关或 环网柜处，外部有箱子，并非直接暴露于室外；开闭所监控终端d t u 在开闭所内， 配电变压器监控终端t t u 安装在箱式变压器或柱上公网变压器附近，也在室内，如 果通信设备安装在自动化终端附近，环境条件并非很恶劣，所以对于室内的通信设 华北电力人学硕：卜学位论文 备在防尘、防水等方面的环境要求相对较宽松。 华北电力人学硕十学位论文 第三章光m 在配电网自动化系统中的应用 目前，配电自动化终端f t u 、d t u 、t t u 多采用r s 2 3 2 4 8 5 4 2 2 串口通信，因 此光m 以其异步串口通信方式、结构简单、管理方便和价格低廉等优点得到较多应 用。 光m 是利用一对光纤进行单e l 或单v 3 5 或单1 0 b a s e t 点到点传输的单端口 光端机，传输速率为o 1 0 0 k b p s ，可进行电信号与光信号的互转换。 自愈型光m 的产生，使光m 不仅能实现点到点传输，而且可组成链型网、星 型网和环型网。自愈型光m 是实现串口电信号光信号转换功能和双发双收具有自 愈功能的环路收发器【i 引，主要包括完成光电转换的信号收发器和处理自愈功能的切 换控制器等，传输电接口通常为r s 2 3 2 r s 4 8 5 r s 4 2 2 可选，通信速率可达到2 m b i t s 或更高，可同时传输一到多路数字信号。 3 1 组网方式 大量的配电自动化终端和各终端在地理位置上分散分布的特点决定了配电网 自动化通信系统必须采用多点共线( 即链型) 或环形结构。 1 ) 链型网 f t u d t u 沿1 0 k v 馈线分布，光缆沿线铺设，通过光m 将信号传送到子站。 各光m 沿每一组“手拉手”供电线路构成双控链状光纡网络，结构如图3 1 所示： 图3 1 链型网结构示意图 在“手拉手”线路两端的变电站处设置配电子站，各放置一台主光m ，分别为一 主一备，与配电终端连接的光m 设置为从站方式。正常工作时，主光m 1 发送控制、 查询等命令并接收配电终端的上报数据，主光m 2 作备份用；链路故障或单点设备 故障时( 如图所示) ，主光m 2 可自动升级为主站，从而由原来的一条链路变成两条 链路，然后通过配电子站变电站间的s d h p d h 网络将备份主站所在链的信息传输 到子站，完成自愈功能，保证通信不中断。并且当主光m 1 出现故障不能工作时， 主光m 2 可替代主光m 1 完成数据的收发。 1 2 华北电力人学硕士学位论文 2 ) 单环网 目前，配电网光纤网通常设计成环状结构，采用主站子站配置方式，主站不进 行转发，以免收到环路消息，只有子站进行转发，数据沿着光纤环单向传输【1 9 】。在 环网结构中，与配电子站相连的光m 工作方式设定为主站方式，与配电终端相连的 光m 设定为从站方式【2 0 1 ，采用1 0 1 规约中非平衡传输模式，主站使用快速校验 过程传输规则，保证高优先级的数据优先传输。不靠近1 0 k v 主干线的零散的1 v r u 通过r s 4 8 5 4 2 2 串口就近接入f t u ，如图3 2 所示： 图3 2 环形网络结构示意图 但是，该环网结构的网络安全性较差，如果光m 之间的光纤链路发生故障时， 则整个环路通信受阻。为了解决此问题，通常构建成双环自愈网。 3 ) 双环自愈网 为了保证通信的可靠性，防止某段光纤或某个光m 故障造成整个网络通信中 断，通常采用双环网结构，如图3 3 所示： 图3 3 双环自愈网 该结构采用一主一备的双环通信，主、备环采用相反的传输方向。正常情况下 主环工作，若主环链路断裂，备用环路自动升级为主环传输数据。但是由于主备环 路光纤通常为同路径敷设，链路故障时一般主备环路全都故障( 如图所示) ，或从 站光m 单点故障时，相邻节点的主备通路自动环回( 如图所示) ，使系统不丢失传 输数据，实现网络的自愈功能，从而增加了系统传输的可靠性。 4 ) 相切环网 华北电力人学硕士学位论文 由于配电网的复杂网络结构，子站和主干f t u d t u 之间通常构成主光纤通信 环网，各支路t t u 构成分支光纤环网，最终形成相交环或相切环，如图3 4 所示： l ：妯 图3 4 光m 相切环 但是该结构存在弊端，由于右边网络中所有数据都需通过从站l 转发到主站， 这增加了从站l 的通信数据量，并且过多的依赖从站l ，如果从站l 发生故障，系 统将彻底瘫痪。 3 2 存在的问题 1 ) 光m 进行串口通信，链型网、环网配置为主从方式，采用1 0 1 规约问答式， 配电终端所存放的重要数据，如故障信息，不能主动上报。虽然子站采用快速校验 过程方式及时召唤突发事件，但配电终端较多，造成循环周期长，不能快速隔离故 障区域，影响实时性。 2 ) 当环网中增加新节点时，需打开环网，重新组网，使整个网络通信暂时中 断运行；并且只能抗单点失效，即某一处链路故障或某一个光m 故障才能实现自愈。 3 ) 光m 不能划分优先级和v l a n ，重要数据可靠性和实时性得不到保障。 4 ) 光m 双环结构中，正常情况下，若采用单环运行机制则另一环处于闲置状 态，没得到充分利用；若采用双环机制使数据在两个环内同时传递，又增加了网络 负担。 虽然光m 由于结构简单、价格低廉等优势目前广泛应用于配电网自动化系统 中，但是，光m o d e m 技术在通信速率、可靠性、实时性以及自愈性等方面已经不 能满足当前以及以后配电网通信的要求，特别是智能电网的要求，需要被新的通信 技术替代。 1 4 华北电力大学硕+ 学位论文 第四章x p o n 与工业以太网技术研究 异步串口通信模式接入速率低，不能满足故障信息、状态信息等实时性要求高 的数据传输，r s 4 8 5 2 3 2 线缆中含金属，与电力线同路径实施时感应电流较大，易 受雷击，并且网络上的设备无法统一管理。以太网的通信容量大，高效稳定，可满 足配电网故障信息快速响应的要求，并且t c p i p 协议的开放性好、成熟可靠，实 现子站与主站的无缝连接，同时网络的安全性也得到提高，因此成为配电网自动化 发展的趋势。 4 1x p o n 技术 x p o n ( xp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ) 是一种无源光接入技术，由局侧的光线路终 端o l t ( o p t i c a ll i n et e r m i n a l ) 、用户侧的光网络单元o n u ( o p t i c a ln e t w o r ku n i t ) 和 不使用有源器件的光分配网络o d n ( o p t i c a ld i s t r i b u t i o nn e t w o r k ) 组成，为单纤双向 系统【2 1 1 ，其原理图如图4 1 所示。 1 f i n ni f p o n 用，：黔口 图4 1x p o nt 作原理图 下行方向( 从o l t 到o n u ) 是一点对多点的分布式网络，o l t 拥有整个下行 带宽，广播发送数据包，o n u 选择性接收自己的数据。上行方向( 从o n u 到o l t ) 是“多点对一点”的网络，多个o n u 向一个o l t 发送数据，采用t d m a 时分多址或 w d m a 波分多址接入技术来共享一根干路光纤。o d n 保证一个o n u 发送的信号不 会被其它o n u 检测到，提高了系统的安全性。p o n 可以灵活的组成树形、总线型、 环形以及混合型等结构，如图4 2 所示。 a ) 树形拓扑 1 5 华北电力大学硕十学位论文 b ) 总线型拓扑 c ) 环形拓扑 图4 2p o n 的拓扑结构 ，图中，树形结构多用于电信运营商f t t h f t t b ( 光纤到户光纤到楼) 模式， o n u 位于用户处，分光器最多级联三级( 减小光纤链路总的插入损耗) ，适用于用 户较分散的场合；总线型结构采用不均匀分光器，适用于链型的网络结构；环形结 构物理上为闭环，逻辑上为开环，同样采用不均匀分光器，是总线型拓扑的特例， 适用于环形网络结构。 4 1 1x p o n 技术的发展 由于x p o n 上行方向是“多点对一点”的网络，为了避免不同o n u 同时发送信 号可能产生的碰撞，x p o n 可分为t d m p o n ( 时分多址复用p o n ) 和w d m p o n ( 波分多址复用p o n ) 。相关标准化组织规范了几种t d m p o n ，即基于a t m 的 a p o n ，采用通用成帧规程( g f p ) 的g p o n 和基于以太网的e p o n ，它们的主要 区别在于数据链路层承载协议的不同。p o n 的分类如图4 3 所示。 图4 3x p o n 的分类 1 a p o n 1 9 9 7 年，根据全业务接入网组织( f s a n ) 建议，i t u t 提出了以a t m 为基础， 上下行速率均为1 5 5 m b i t s 的a p o n 标准( 3 9 8 3 1 ，规范了光物理层。a p o n 后来被 称为宽带p o n ，即b p o n ，b p o n 在日本有相当规模的应用。i t u t 相继批准了一 些b p o n 方面的标准建议，包括( 3 9 8 3 2b p o no n t 管理和控制接口规范，g 9 8 3 3 通过波长分配增强业务能力的宽带光接入系统，g 9 8 3 4 采用动态带宽分配d b a 增 强业务能力的宽带光接入系统，g 9 8 3 5 增强生存性的宽带光接入系统等【2 2 ，2 3 1 。 1 6 华北电力人学硕士学位论文 我国工信部于2 0 0 0 年和2 0 0 3 年分别发布了y d t1 0 9 0 2 0 0 0 接入网技术要求 基于a t m 的无源光网络( a p o n ) 标准和y d t1 2 5 0 2 0 0 3 接入网测试方法 基于a t m 的无源光网络( a p o n ) 标准【2 引。 a p o n 以a t m 作为承载协议，采用两种速率不同的帧结构：一种是上、下行 速率均为1 5 5 5 2 m b i t s 的对称速率；另一种是上行为1 5 5 5 2 m b i t s ，下行为 6 2 2 0 8 m b s 的非对称速率。a p o n 下行方向的数据传输由a t m 信元、物理层管理 维护信元( p l o a m ) 和用于适配速率的空闲信元组成；上行方向的数据由a t m 信 元( 或上行p l o a m 信元或用于报告带宽请求的分割时隙) 和3 字节的上行物理层 开销组成。上下行帧长均为1 5 2 7 u s ，所以必须通过a a l l 或a a l 2 适配来承载t d m 业务( 抽样频率为8 k h z ，即帧长为1 2 5 u s ) ，技术复杂，成本比较大。 根据网络的层级结构，将a p o n 分为传输媒质层( 又分为物理媒质层和传输汇 聚层t c ) 和通道层( 对应于a t m 层的虚通道v p ) ，如图4 4 所示： l 通道层l 适配层 l ip o n 侍输层l l 物理层 i 图4 4a p o n 的层级结构 其中，t c 层又分为适配层和p o n 传输层。p o n 传输层的主要功能有测距、时 隙带宽分配、私密性和安全性、帧定位突发同步、比特字节同步等，并要提供相 关的o a m 功能e 2 , , 2 3 】。 a p o n 传输媒质层o a m o a m 信息以及t c 层带宽分配、测距等信息通过p l o a m 信元来传输。上下行 p l o a m 信元中有专门的1 0 字节m e s s a g ef i e l d 用于传输o a m 告警和测距信 息，为了确保这些信息的正确性，标准规定对m e s s a g e 做c r c 校验，若校验出 错则丢弃它所保护的那段m e s s a g e 信息【2 3 1 。 a p o n 标准对o a m 的规范很全面，在o l t 和o n u 侧检测的o a m 相关项目 有o l t 激光器发送失败、对o n u 测距不成功启动失败、o n u 信号丢失、下行 p l o a m 帧丢失、链路失配等。 a p o n 的带宽分配 p l o a m 里的g r a n t 授权主要用于控制各o n u 在上行哪个时隙接入以及可接入 的时隙类型。可接入的时隙类型有a