配电网通信模式研究与实现实施方案.doc

配电网通信模式研究与实现实施方案32目 录第一章 项目需求及背景介绍11.1 引言11.2 配电网自动化对通信系统的要求11.3项目内容21.4 配电网自动化系统采用的几种通信模式及其优缺点3第二章 WiMAX无线宽带技术概述62.1 WiMAX简介62.2 WiMAX技术优势7第三章 WiMAX无线宽带网络方案设计93.1 需求分析93.2 设计原则93.3 方案设计103.3.1系统原理103.3.2系统说明113.3.3数据流113.3.4参考方案13第四章 设备开发关键技术及指标154.1 中心控制软件154.2中心控制模块154.3 终端控制模块164.4 SunMAX3500 BS设备研制174.5 SunMAX3500 CPE设备研制21配电网通信模式研究与实现第一章 项目需求及背景介绍1.1 引言随着电力事业的迅速发展，用户对供电质量和供电可靠性的要求越来越高。城市电网改造对提高城市配网自动化技术与可靠性提出了亟待解决而且必须解决好的课题，同时也带来了前所未有的发展机遇。城市电网应在未来的几年内加速网架结构建设和城区配网自动化系统建设，提高供电质量和供电可靠性，以满足现代化建设的供电需求。配电网自动化系统（DMS）是集计算机软硬件技术、计算机网络技术、自动控制技术、数据通信技术及相关电力系统技术于一体的信息管理系统，为配电网络的数据采集、运行监视、快速故障定位、故障隔离、供电恢复以及需求侧管理等提供了有力的技术手段，能够有效地缩短事故停电时间、提高供电可靠性、改善供电质量。配电网自动化要借助可靠的通信手段，将各远方监控单元（RTU、FTU、DTU、TTU）所采集的数据上传至控制中心，同时将控制命令下发到各远方单元或执行机构。因此，通信系统是实施配电网自动化的关键环节，它在很大程度上决定了系统性能的优劣和功能的发挥，我国从上世纪90年代初即开始实施配电自动化工作，但这么多年没有得到迅速普及，通信系统的限制是一个极为重要的因素。1.2 配电网自动化对通信系统的要求配电网系统拥有众多的配变、用户变、箱变、开闭所、配电变压器、柱上开关等电气设备，地域分布广、种类多、运行状态复杂、自然环境恶劣，要对这些设备进行实时监控就需要安装大量的RTU、FTU、DTU、TTU等终端设备，规模较大的配电网还要配置子站，其总体规模要比调度自动化系统大得多。因此，配电网自动化系统的通信网络必须满足下述要求：（1）高可靠性：配电网通信设备大多安装在室外，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。因此要求配电网通信系统要能够长期稳定可靠地工作，并在线路停电时仍能正常工作；（2）良好的经济性：限于配电网一次设备的状况，通信系统的投资不能过大，并要能充分利用已有的各种通信资源；（3）技术性能优越：速率、容量等不仅要满足目前需要，还要考虑综合数据通信和未来升级扩容的需要，不仅考虑配电网系统的需要，还要综合考虑数据网络、语音电话、图形图像等多媒体业务的需要；（4）低运行维护成本：要易于建设、易于使用、易于维护；（5）结构灵活、扩展方便：配电网络在不断发展，通信系统要能方便地覆盖到新的配电网络区域以及兼容新的通信手段。1.3项目内容由于电力配网系统规模较大、投资较高、技术复杂，因此一个开发性、分布式的实用、高效、稳定而可靠的系统才能达到预期的目的。其中通信系统是建设配电自动化系统的关键技术，通信系统的好坏从很大程度上决定了自动化系统的优劣，配电自动化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，同时将各远方监控单元（FTU/TTU等）所采集的各种信息上传至控制中心。1.4 配电网自动化系统采用的几种通信模式及其优缺点配电网自动化的通信方式分为有线方式和无线方式，有线包括架空明线或电缆、配电载波、邮电本地网、租用电话线、光纤、有线电视网（CATV）、现场总线等；无线包括微波、无线电通信（AM、FM、PM等）、无线扩频、卫星通信、无线寻呼、数控电台、GPRS等，还有近年来比较热门的WiMAX。以下对几种主要通信模式作一简单分析：（1）架空明线或电缆：其优点是建设简单，但线路衰耗大、频带窄、噪声大、易受干扰、占地多、投资大；（2）配电载波：目前典型的配电载波机传输速率可达到150300bit/s，基本能满足配电网自动化系统对通信的要求。配电载波有两种变形即脉动控制技术和工频控制技术，都是利用电力线路作为信号的传输途径，并都有应用实例。此外，扩频载波机也开始应用，它根据香农信息理论，用加大带宽来换取传输的可靠性，将话音带宽扩展到整个输电线路频谱，提高了传输速率。配电载波通信有如下优点： 技术简单，建设容易。配电载波可以连接电力公司管理的任何测控点，沿着电力线路传输到配电网的各个环节，不必考虑另架专用线路； 安全性好，所有资源都受电力部门控制； 便于管理，不必经过无线电管理委员会的许可。但停电区数据如何用配电载波上传，仍然是一个有待解决的技术难题，还有由于反射效应在馈线的某些部分存在盲点、数据传输速率较低、容易受到干扰以及非线性失真和信道间交叉调制的影响、采用的电容器和电感器体积较大价格较高等缺点； （3）光纤通信：光纤通信是以光导纤维作为传输介质、以光波作为信息载体的先进的通信手段。光纤通信具有传输频带宽、通信容量大、传输损耗小、光电隔离不受电磁干扰、抗腐蚀、可靠性高、保密性好、运行维护成本低等优点。在配电网自动化中，可以利用已建成的变电站到主控中心的光纤电话网络进行数据传输，也可以架设专门的光纤网络进行数据传输，如可以用光纤以太网或光纤自愈环网来进行数据通信。但是光纤价格高，铺设光纤工作量大，时间周期长，相应的通信网络的成本就提高。因此在配电网自动化系统中，光纤仅被作为通信主干线应用。（4）微波通道：微波在电力通信中发挥着重要的作用，对调度自动化和变电站综合自动化的数据传输有重要意义。微波频率为1G以上，属视距传输，它传输容量大，稳定性能好，同时由于微波通信在电力系统应用多年，已积累了丰富的经验。但微波为点对点传输，而配电系统点多面广，显然不适合配网应用。（5）无线电通信：传统的无线通信方式如AM、FM、PM、无线寻呼等也可以应用于配电网自动化的数据传输，但速率低且大多只能进行单向发送，对于需要进行双向数据通信的场合则要使用具有双向通信功能的新型无线通信技术。800MHz为无线数据通信频段，可以应用于配电系统通信。（6）基于移动通信技术的GPRS通信：GPRS采用无线分组技术，将无线通信与英特网紧密结合，作为一种先进的全新的无线网络承载手段，全面提升了无线数据通信服务，其主要特点表现在：a) 资源利用率高，对于分组交换模式，只在发送或接收数据时才占用资源，这意味着多个用户可高效率地共享同一无线信道，从而提高资源的利用率。b) 传输速率高，GPRS可提供171.2Kbps的传输峰值（含FEC），净数据速率可达115Kbps。c) 接入时间短，分组交换接入时间小于1秒，能提供快速即时的连接，可大幅度提高一些应用（如远程监控）的效率。 但是GPRS网络属于开放型无线网络，安全保密性差，覆盖范围受到移动基础设施的限制，人群集会或移动业务繁忙时会对GPRS网络连接造成严重阻塞；同时，GPRS网络实时性差，延时时间较长且极不稳定，不能够满足某些设备的实时遥控应用；GPRS网络带宽不高，无法满足某些配电网络地区的一些特殊传输要求。（7）WiMAX无线通信技术：WiMAX是近几年比较热门的通信技术。已广泛应用在许多领域。下面将简单的介绍WiMAX技术、并研究其如何在配电网自动化通信系统中应用。各种通信方式拥有不同的特性，适用于不同的场合。在考虑配电网通信系统的建设方案时，应遵循综合考虑“先进性、经济性、实用性、可扩展性、可维护性”的原则，因地制宜地优化选择。新建通信系统可考虑在重要的通信主干线采用高速可靠性价比优越的光纤通信，配电子站到一般终端设备间则可以采用灵活方便、安全可靠、运行稳定、投资运行成本适中的WiMAX通信方式。第二章 WiMAX无线宽带技术概述无线网络自诞生以来，已被公认为可为用户提供前所未有的灵活性、便利性及显著提高工作效率，在减少工作压力、改善生活水平乃至提高用户社会地位等方面都具有得天独厚的优势。随着Internet的蓬勃发展，信息的获得更为便利。信息的及时交换与传递显得非常重要，很多企业相继开办了分支机构，第二厂区等多个办公，生产点。而随着企业管理上的需求，需要将这些分散的点的计算机组成一个局域网，无线宽带就应运而生，以安全、方便、快捷、经济多项优点受到人们青睐，成为多点联网的首先方案。近几年IEEE802.16系列宽带无线接入技术标准受到业界的广泛关注，Intel等世界大型电信设备制造商成立了WiMAX论坛旨在协调网络设备的互操作性以及推动WiMAX的发展和普及。作为定位于户外应用的宽带无线接入技术WiMAX，无论从技术角度上还是从应用角度上看都有着一系列显著的特点。因此，无论对于用户还是对于电信运营商都有着极大的吸引力。2.1 WiMAX简介 WiMAX全称为World Interoperability for Microwave Access，即全球微波接入互操作性。WiMAX的另一个名字是IEEE802.16标准，又称WiMAX，或广带无线接入(Broadband Wireless Access, BWA)标准。它是一项无线城域网(WMAN)技术，是针对微波和毫米波频段提出的一种新的空中接口标准。它用于将802.11a无线接入热点连接到互联网，也可连结公司与家庭等环境至有线骨干线路。它可作为线缆和DSL的无线扩展技术，从而实现无线宽带接入。WiMAX是一项新兴的无线通信技术，能提供面向互联网的高速连接，该技术能提供覆盖三十英里范围的高速宽带连接。WiMAX联盟于2001年4月成立，为了推广遵循IEEE802.16和ETSIHIPERMAN的宽带无线接入设备，并确保其兼容性及互用性，由一些主要的通信部件及设备制造商结成了一个工业贸易联盟组织，即WiMAX。 WiMAX的目标是促进IEEE 802.16的应用。 WiMAX的成员包括一些主要的运营商、设备及部件制造商。WiMAX组织将提供一致性测试用工具，加快并增进成功的互用性测试。这些工具将在设备制造商研发阶段就被使用，以确保产品及其在以后的发展及演进过程中始终遵循标准。2.2 WiMAX技术优势l 可靠的通信抗射频干扰性能。理想的接收灵敏度，宽范围天线能提供强大的、可靠的无线传输。l 低成本可以避免安装线缆的高成本费用，租用线路的月租费用以及与设备需要经常移动，增加和改变相关的费用。由于使用同一技术标准，不同厂商设备可在同一系统中工作，增加了运营商选择设备时的自主权，降低了成本l 非视距传输采用OFDM技术，具备非视距传输能力，可方便更多用户接入中心站，大大减少基础建设投资。l 灵活性由于没有线缆的限制，您可以随心所欲的增加工作站或重新配置工作站。l 快速安装无须施工许可证，不需要开挖沟槽，安装无线网络所需的时间只是安装有线网络的零头。l 高吞吐量 WiMAX所能提供的最高接入速度在20MHz载波情况下可达75M，目前实际应用时每3.5MHz载波可传输净速率为10Mbps，频率利用率高。l 保护用户投资可实现向未来技术的平滑升级，无须更换设备重复投资。l 抗多径干扰在无线通信中，抗多径问题一直是难以解决的问题，WiMAX设备采用OFDM(正交频分复用)调制技术将可用带宽划分成若干个子载波，这样每个子载波的带宽较窄，每个OFDM符号的持续时间就比较长，由多径时延扩展带来的影响将减小，可以有效地提高系统的抗多径干扰能力，扩大设备的适用范围。l 点对多点传输l 安全性通过在MAC层中定义了一个保密子层来提供安全保障。保密子层主要包括两个协议：数据加密封装协议和密钥管理协议（PKM）。其中数据加密封装协议定义了IEEE 802.16支持的加密套件，即数据加密与完整性验证算法，以及对MAC PDU载荷应用这些算法的规则。而密钥管理协议则定义了从中心站向用户工作站分发密钥数据的安全方式，两者之间密钥数据的同步以及对接入网络服务的限制。第三章 WiMAX无线宽带网络方案设计3.1 需求分析 为了实现配网自动化，需要将各远方监控单元（FTU、DTU、TTU）所采集的数据上传至控制中心，同时将控制命令由控制中心下发到各远方监控单元或执行机构。3.2 设计原则l 安全可靠性原则WiMAX IEEE802.16-2004标准中使用PKMv2来传输EAP消息，增强EAP体系的同时也在一定程度上提高了整个系统的认证强度。由于终端设备和用户的同时认证，网络安全性的水平也会得到提高。用户流在网络单元间以隧道传输，是安全性设计重要的特征，可以阻止攻击者接入WiMAX控制或网络管理通道。IEEE802.16还支持AES-CCM算法。CCMP使用AES有助于满足传输安全性、认证和数据完整性要求，而该要求也符合了政府级应用标准。WiMAX标准还采用了多项先进的IP层安全标准，如IPSec和GRE通道，来为802.16中心站和ASN网关的连接提供网络安全。端到端WiMAX解决方案，考虑了数据链路层加密的安全性，使用严格的加密算法，确保加密过程的安全，信息尽可能少的被窃听，解析攻击较少发生，防御网络入侵。l 使用灵活性原则在有线网络中，网络设备的安放位置受网络信息点位置的限制。而一旦WiMAX网络建成后，在无线网的信号覆盖区域内任何一个位置都可以接入网络。由于有线网络缺少灵活性，这就要求网络规划者尽可能地考虑未来发展的需要，这就往往导致预设大量利用率较低的信息点。而一旦网络的发展超出了设计规划，又要花费较多费用进行网络改造。而WiMAX网络可以避免或减少以上情况的发生。 l 可维护可扩展性原则WiMAX网络有多种配置方式，能够根据需要灵活选择。这样，WiMAX网络就能胜任从只有一个中心站与几个用户端的小型组网到多个中心站的大型网络。 3.3 方案设计3.3.1系统原理由于开闭所、中心站、箱变较为分散，且周围环境复杂，因此该方案考虑使用二级组网方式进行传输。如下图3.1所示：每个开闭所、箱变配有具有绕射能力的SunMAX230，由于SunMAX230传输距离有限（500m左右），将多个SunMAX230CPE的数据汇聚到一点，通过SunMAX3500 CPE（SunMAX3500用户端），将数据传输到SunMAX3500BS（SunMAX3500基站），SunMAX3500BS架设在具有电力内部光纤的地方，通过光纤直接将数据传输到控制中心。图3.1系统连接说明3.3.2系统说明数据采集模块对外提供标准485或232接口，每个数据采集模块通过拨码开关设定一个自身识别编码，该编码在网络范围内具有唯一性，用来识别各数据采集模块。数据采集模块与SunMAX230CPE为一体化设计。数据采集模块用户端与数据采集模块基站之间通过空中接口连接。数据采集模块基站增加485或232转IP模块，通过以太网与SunMAX3500 CPE之间直接连接。SunMAX3500 BS与SunMAX3500 CPE之间通过空中接口连接。如果在SunMAX3500 BS处有电力公司提供的IP网络接口，可直接使用以太网与电力公司内部网络连接；如果SunMAX3500 BS处只有电力公司提供的光纤接口，在SunMAX3500 BS上增加IP转光纤设备，通过光纤与电力公司控制中心连接。3.3.3数据流要实现SunMAX3500BS与任一个SunMAX230CPE之间实现双向通信，即保证从控制中心发出的对被控终端a的控制信息，只能被a收到，其他的被控终端收不到。被控终端发出的应答信息也只能被控制中心收到。图3.2 功能模块连接示意图如图3.2所示，在SunMAX3500 CPE与SunMAX230BS之间增加中心控制模块，该模块具有唯一IP地址，并实现IP与485间接口转换。在SunMAX230CPE后增加终端控制模块，该模块具有自定义ID，该ID具有唯一性，并提供485接入口，485输出口。下行数据（从控制中心到终端控制模块）：在控制中心控制电脑上安装控制中心软件，控制中心软件实现的功能如下：控制中心软件接收控制中心发出的控制命令，并根据中心控制模块的IP地址，将控制命令转发到每个中心控制模块。中心控制模块接收到控制中心的控制命令后，将控制命令头增加终端控制模块ID，封装后命令，以广播的方式到每个SunMAX230CPE。SunMAX230CPE接收到SunMAX230BS中心站发送来的命令后，将该命令透传给终端控制模块。 终端控制模块接收到控制命令后，解封装命令，根据该命令中的ID判断该命令是否是控制中心发给自己的命令，如果是，透传给控制终端，否则丢弃。上行数据（从终端控制模块到控制中心）：终端控制模块接收到应答数据后，将数据重新封装，即增加中心控制模块ID，然后将重新封装后的数据发出。SunMAX230BS中心站、其他SunMAX230CPE都可以收到重新封装后的应答数据，解出该数据包所携带的ID，根据该ID判断该数据是否发给自己。如果是则去除ID后，继续上传，否则丢弃。中心控制模块接收到SunMAX230BS中心站上传的应答数据后，将该数据发到控制中心电脑所设置的IP。3.3.4参考方案项目中预计使用1个SunMAX3500BS设备，2个SunMAX3500CPE设备，2个SunMAX230BS设备，14个SunMAX230CPE，每个SunMAX230BS设备下连接5个10KV开关和2个配电网综合测试仪，同时联合智能终端设备厂家，对14台配网智能终端设备（配网10KV 开关、变压器监测装置或低压表计集中器）进行软硬件改造，通过WiMAX无线网络，将智能终端设备的实时数据传输到配电管理系统的主站，并将配网管理系统主站的控制命令传输到智能终端设备。整个系统实现的拓扑连接图如下图3.3所示：图3.3 系统实现拓扑连接图第四章 设备开发关键技术及指标4.1 中心控制软件使用VC6.0编写，在后台运行。给主机设定一个IP，监听控制中心发出的所有控制命令，根据每个中心控制模块的IP地址，将该命令转发到所有中心控制模块。4.2中心控制模块中心控制模块为可编程控制的时分IP与485互转板，该板具有拨码开关，用来设置中心控制模块ID，该ID在网络内具有唯一性，用来识别各个中心控制模块。软件查询网口与485接口，如果网口有下行数据，则将该数据头增加各终端控制模块ID，通过485口将数据发出；如果485口有上行数据，则将该数据通过网口发到控制中心PC所设置的IP上。4.3 终端控制模块终端控制模块为可编程485控制板，该板具有8位拨码开关，4位用来设置终端控制模块ID，另外4位用来设置所在SunMAX230BS中心站的ID；并提供两个485接口：上行485口与下行485口。上行485口接收到数据包后，取出该数据包所包含的ID，与自身ID比较，如果一致则将该数据包去除ID后，发给下行485口。下行485口接收到数据包后，在数据包头增加所在SunMAX230BS中心站ID，将数据通过上行485口发出。为了提高监控系统的实时性，ARM不断查询用户端数据，把现场数据不断地刷新到RAM中。在此设计下，监控终端一旦接收到监控中心服务器的数据请求，立刻就把缓冲区中的当前数据发送出去，有效地提高了监控终端的响应速度，而且数据最迟也是前12秒的现场数据，对于配电网监控系统而言，是完全可以满足其需求的。4.4 SunMAX3500 BS设备研制该中心站BS包括中心站硬件子系统、中心站单板软件子系统、网管软件子系统和中心站结构子系统四个部分。中心站硬件设计主要包括基带信道单板（BSCH）、射频单板（RF）、电源板。中心站硬件子系统模块框图如下： 图4.1中心站硬件子系统示意图各部分功能分述如下：（1）中心站室内单元由中心站信道单板（包括OFDM调制解调子卡）、射频板和电源板组成，中心站室内单元通过一根射频电缆与室外单元和天线相连。（2）中心站室外单元和天线将发射机的高频能量转换为电磁波辐射出去，同时将接收到的信号转换为射频信号送给接收机。中心站信道单板主要完成业务数据处理、空中协议处理及数字调制解调、射频板配置等功能。基带单板提供1个100BASE-T接口并预留1个100BASE-T接口作为扩展功能使用，提供一个射频板接口（可以直接插入射频模块）和一个串口（用于调试使用），提供一根外部同步信号接口用来作为多扇区中心站之间同步使用。4.2中心站信道单元原理框图中心站信道单板由三个部分组成：通用通信处理器MPC8280、FPGA、基带调制解调。通信处理器、电源等构成网络接口单板（BSNI），基带调制解调（BSBB）单独成为一个子卡插在网络接口单板上。各个组成部分的接口为：1、处理器MPC8280最小系统负责802.16媒体接入控制（MAC）处理。2、FPGA完成接口转换工作以及一些底层业务LINK层功能。3、处理器MPC8280和FPGA之间通过Local Bus口进行数据通讯。4、网络处理器和FPGA之间通过SPI接口对外围芯片进行配置。5、 FPGA和基带处理芯片之间通过DSI总线进行数据通讯，FPGA外接两片OFDM PHY芯片MB87M3550；另外射频板的配置也是通过FPGA的转换，由处理器完成或者由FPGA完成。A:通信处理器处理器MPC8280完成系统大部分功能，包括802.16MAC，网管等等。MPC8280是一个多功能的通信处理器，它内部包含一个高性能的PowerPC RISC处理器和一个通信处理模块CPM。B: FPGA FPGA的功能框图如下图所示：4.3 FPGA功能框图完成的功能包括：1、MPC8280和FPGA的32bit数据接口。2、MB87M3550的DSI接口转换。3、MPC8280的SPI和FPGA接口。4、8M 电路接口以及和MPC8280 Local Bus之间的接口转换，扩展功能。5、射频板控制以及和射频板控制接口之间的转换。C:基带调制解调模块中心站信道单元基带调制解调部分成五部分的工作： 1、数据的调制和发送。这部分主要由一片富士通MB87M3550芯片完成，MB87M3550直接将调制后模拟IQ信号送给射频板。 2、数据的接收和解调。这部分由放大电路和一片MB87M3550芯片组成。 3、提供给射频板所需的工作电源(+7V，+5V，+3.3V)。 4、提供射频板的控制接口发射功率控制，接收增益控制、以及射频板寄存器配置接口等。 5、基带板基准20MHz时钟是由射频板上的VCTXO提供，并由基带板提供一个模拟电压信号控制，因此基带板上还有一个DAC来实现模拟电压的输出。 基带调制解调部分的硬件原理框图如下：图4.4 基带调制解调部分的硬件原理框图中心站预期外形尺寸与效果图： 中心站的室内单元 中心站室外单元中心站室内单元为高度2U的19英寸标准机箱，室外单元预期尺寸约为：340 x 130 x 60 (mm).以下是WiMAX中心站的主要技术指标：射频和调制解调部分空中传输能力视距，近可视距点对多点应用支持的WiMAX标准WiMAX IEEE802.16标准双工方式TDD调制方式自适应调制：BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM最大输出功率+23dBm空中传输距离视距 点对多点5 - 10公里注意：空中传输距离与实际应用时的周围地理环境关系很大。IP网络数据数据接口标准IEEE 802.3 CSMA/CD网络物理接口10/100 Ethernet (RJ-45)以太网最大传输速率10 Mbps 3.5 MHz channel22 Mbps 7 MHz channel供 电电源电压48V DC nominal, 90 - 265V AC功耗28W环 境工作温度室外单元：-40C to 60C室内单元：0C to 40C工作湿度5%-95%，非冷凝，不受天气影响4.5 SunMAX3500 CPE设备研制本系统中的用户端CPE设备采用核心微控制器外带各专用外围功能模块的组成结构；其中的WiMAX功能模块采用富士通公司的MB87M3550的WiMAX处理器来实现。MB87M3550系统芯片采用的是正交频分复用(OFDM)256物理层(PHY)，这种物理层支持1.75MHz到20MHz之间的信道，可在时分双工模式(TDD)和频分双工模式(FDD)下工作，支持所有可使用的信道带宽。芯片中可编程的频率选择可为任何需要的带宽设置采样时钟。如果在一个2