1、配網自動化中的通信解決方案杜宏(北京四方華能電網控制系統有限公司, 100085, 北京)摘要：本文對配網自動化中的通信問題進行了探討，并針對光纖（光纖以太網、光纖環網）、現場總線（Lonworks、Profibus、Can）、新型數字式電力線載波（NDLC）等多種配網自動化中常用的通信方式，結合配網自動化工程實際，總結了四方華能公司CSDA2000配網自動化系統的多種解決方案。本文可為關心配網自動化中通信問題的廣大用戶提供參考。關鍵詞：配網自動化，通信，光纖，現場總線，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 配電網通信網絡總體結構1上圖描述了配網自動化的總體結構，配網自動化的通信系統是與此密切相關的。為了貫徹功能下

4、放，分級分層，提高事故響應速度的原則，配網自動化系統一般分三層：主站、子站、饋線。依據配網規模的大小，主站層還可在分為主站和區域站兩層。在主站與子站之間，由于信息量大，要求高速可靠的通信通道，但節點又不多，目前一般采用光纖通信，分兩種：光纖以太網、光纖環網，這兩種光纖通信方式的造價相近。光纖環網更成熟一些，但光纖以太網是發展方向，光纖以太網目前技術實現及相關設備都已得到實踐檢驗，正在推廣應用。子站與饋線通信網一般統一考慮，饋線網結構復雜，情況多樣，各地的特點不同，很難找到一種統一的通信模式。目前一般采用光纖、雙絞線、電力線載波、無線等多種通信手段混合的方式。常見的結構為：以光纖構建干線通信網絡

5、；通過雙絞線，采用現場總線技術（如Lonworks、Can、Profibus）或485，將干線TTU、支線的FTUTTU，連接到干線FTU，由其通過高速光纖通道，將信息上傳到子站、主站，干線FTU應具備這種集中轉發的能力。饋線通信網采用光纖通信，也可分為兩種：光纖以太網、光纖環網，這兩種光纖通信方式的造價相近。有些問題是光纖環網難于解決而只能用光纖以太網的，例如子站管理的FTU范圍會發生變化，換言之，有些FTU本屬于A子站管理，由A 子站負責與之通訊，運行方式發生變化后，變為B子站管理，由B子站負責與之通訊，這種情況，光纖環網是處理不了的；再比如饋線保護功能，要求FTU之間，與子站之間，快速的

6、交換信息（在100MS之內），也只有光纖以太網才能達到這種要求。10KV電力線載波，也是一種饋線上值得關注的通信手段，特別適用于城鄉結合部的長支線。對于低壓（220/380V）的抄表系統，電力線載波抄表是最好的方式，性能價格比最高。低壓電力線載波抄表常用的有兩種模式：一是對于集中的10-30塊脈沖電表裝一抄表器，抄表器通過低壓電力線載波與配變處的集中器相連； 二是在每塊電表中，加裝一個載波模塊，由載波模塊直接與集中器相連。第一種方式更加經濟，但要求電表相對集中；第二種方式造價較高，但適用于電表分散的情況。集中器一般放在配電變壓器處，一個臺區一個，集中器也可與TTU合一。配網自動化主要的通信方式

7、有DLC、光纖、電話、雙絞線、無線，功能比較如下：通信介質數據速率對DA的適用性投資運行費用覆蓋范圍改動的靈活性前景DLC光纖電話雙絞線無線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統典型結構外，根據實際情況的不同還有其它一些配置方式，下面列舉幾種不同配置方式。 1FTU單元直接與通信系統連接，而不需要通過子站連接，具體連接方式如圖2所示（與典型配置相同的部分簡略，只描述不同連接處，后面各圖均相同）：2.抄表系統通過FTU與通信系統連接，而不是通過子站與通信系統連接，具體連接方式如圖3所示：3抄表系統通過通信處理機直接和主站系統連接，具體連接方式如圖4所示：以

8、上只列舉了我公司產品的幾種系統典型結構，在實際使用中可以根據配網的規模、環境等具體實際情況加以修改和調整，以適合實際應用的需要。2 配網自動化通信系統幾種主要的通信方式：2.1 光纖通信光纖環網在配網自動化中的應用在配電自動化系統中，光纖網以前較多的是組成環狀網。一則結構簡單，二則可靠性強。采用光纖自愈環網通信方式時，網絡由各節點雙向閉環串接而成。正常時，一環路工作另一環路備用，若其中某一段光纖因施工等意外原因而開斷，則可以利用光纖雙環網的自愈功能，繼續保持通信聯系，這種通信具有很高的可靠性。光纖環網配電自動化實現方案：1）主站與子站之間采用單模光纖，以光纖以太網方式相連，通信速率100M，需

9、光纖轉換模塊2對（2個子站）；2）子站與干線上環網柜、開閉所、FTU之間采用單模光纖，通過光纖雙環相連（采用單模雙發雙收的光MODEM）實現帶自愈的雙環通信；3） 干線TTU，支線FTU、TTU，通過雙絞線就近連到干線的FTU，采用Lonworks現場總線協議，由FTU集中轉發信息，本公司FTU產品CSF101具備此功能。終端層環上設備與子站交換信息，環間通過主站子站光纖以太網交換信息；干線TTU，支線FTU、TTU，通過雙絞線就近連到干線的FTU，進入到本通信網。對于一個子站，通過本站環和主站子站光纖以太網獲取本子站范圍內的信息，從而完成DA功能。見光纖環網配網系統通信示意圖圖5光纖以太網在

10、配網自動化中的應用光纖以太網高速靈活，技術資源豐富，有些問題是光纖環網難于解決而只能用光纖以太網的，例如子站管理的FTU范圍會發生變化，換言之，有些FTU本屬于A子站管理，由A 子站負責與之通訊，運行方式發生變化后，變為B子站管理，由B子站負責與之通訊，這種情況，光纖環網是處理不了的；再比如饋線保護功能，要求FTU之間，與子站之間，快速的交換信息（在100MS之內），也只有光纖以太網才能達到這種要求。光纖以太網配電自動化實現方案：1）主站與子站之間采用單模光纖，以光纖以太網方式相連，通信速率100M，需光纖轉換模塊2對（2個子站）；2）子站與干線上環網柜、開閉所、FTU之間采用光纖，采用通信處

11、理機CSE200和網絡交換機，通過網絡交換機與主干線FTU采用光纖通信，其中FTU內要加裝智能光纖接口；通過CSE200完成變電站RTU接入，GPS接入，當地維護/或遠傳、電子設備接入等功能；3） 干線TTU，支線FTU、TTU，通過雙絞線就近連到干線的FTU，采用Lonworks現場總線協議，由FTU集中轉發信息，本公司FTU產品CSF101具備此功能。見光纖以太網配網系統通信示意圖圖6。采集器采集器低壓配電載波HUB圖5 光纖環網配網系統通信示意圖采集器采集器低壓配電載波HUB智能光纖接口圖6 光纖以太網配網系統通信示意圖2.2 現場總線2.2.1.LonWorks現場總線網 2LonWo

12、rks是又一具有強勁實力的現場總線技術。它是由美國Echelon公司推出并由它與摩托羅拉、東芝公司共同倡導，于1990年正式公布而形成的。通過網絡變量把網絡通信設計簡化為參數設置其通信速率從300bps至1.5Mbps不等，直接通信距離可達2700m(78kbps,雙絞線)；支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線、電力線等多種通信介質。并開發了相應的本質安全防爆產品，被譽為通用控制網絡。LonWorks技術采用的LonTalk協議被封裝在稱之為Neuron的神經元芯片中而得以實現。集成芯片中有3個8位CPU，一個用于完成開放互連模型中第1和第2層的功能，稱為媒體訪問處理器；實現介質訪問的控制

13、與處理；第二個用于完成第3-6層的功能，稱為網絡處理器，進行網絡變量的尋址、處理、背景診斷、路徑選擇、軟件計時、網絡管理并負責網絡通信控制，收發數據包等。第三個是應用處理器，執行操作系統服務與用戶代碼。芯片中還具有存儲信息緩沖區，以實現CPU之間的信息傳遞，并作為網絡緩沖區和應用緩沖區。Echelon公司的技術策略是鼓勵各OEM開發商運用LonMARK互操作協會，開發推廣LonWorks技術與產品。它已被廣泛應用在樓宇自動化、家庭自動化、保安系統、辦公設備、交通運輸、工業過程控制等行業。另外，在開發智能通信接口、智能傳感器方面，LonWorks神經元片也具有獨特的優勢。LonWorks網絡技術

14、性能美國Echelon公司推出的LonWorks實時測控網絡。 其主要特點如下：采用Lontalk通信協議，該協議遵循國際標準化組織ISO定義的開放系統互聯OSI全部七層模型，網絡協議開放，可以實現互操作。可在任何介質下通信，包括雙絞線、電力線、光纖、同軸電纜等，并且多種介質可以在同一網絡中混合使用。網絡操作系統結構可以是主從式、對等式、客戶/服務式結構。提供總線型、星型、環型、混合型等網絡拓撲結構。改善了CSMA，采用一種新的成為Predictive P-Persistent CSMA，可以在負載較輕時使介質訪問延遲最小化，而在負載較重時使沖突的可能性最小化。網絡通信采用面向對象的設計方法，

15、LonWorks技術將其稱之為“網絡變量”，不但節省了大量的設計工作量，同時增加了通信的可靠性。網絡的主要組成部分Neuron芯片，由美國MOTOROLA和日本東芝二大IC芯片制造商同時生產。下表列出了采用帶隔離變壓器驅動器的雙絞線網的LonWorks的主要指標。波 特 率最大通信距離最大通過能力最 大 接 點 數78k bps2000M400幀/秒*641.25M bps500M700幀/秒*64* 在平均幀長為12字節時測量目前，LonWorks網絡已擁有世界上近3000個公司用戶，覆蓋各行各業，包括：AT&T、GM、IBM、Motorolar、英國National Grid Co

16、mpany、Bell、ABB等等。截止1998年底，預計有近1000萬個LonWorks網絡節點在各種應用系統中運行。LonWorks網絡聯接方式就網絡的角度看，每一個聯在網絡上的節點都應包括三個部分：本接點功能部分，例如 一個FTU，TTU等。Neuron芯片，它是本接點同網絡交換信息的接口。網絡驅動器，用于驅動信道媒介，如光纖驅動器、雙絞線驅動器等。如下圖所示。圖7 Lonworks網絡連接LonWorks網絡在饋線自動化中的應用由于LonWorks網絡采取了配置1500伏直流隔離變壓器隔離等適合于工業現場環境等措施，具有很強的抗干擾、抗振動性能，適用于較大的溫度范圍。適合于較惡劣的工業環

17、境和戶外環境。運行至今，未發生過任何LonWorks網因受干擾而誤響應的情況。總線型CSMA/CD（載波監聽多路訪問/沖撞檢測）協議，并且采用重要報文加優先級方式，適合于放射狀運行的饋線自動化系統。ISO七層規約中，六層固化。減少了二次開發的工作量，同時提高了可靠性。根據理論計算、試驗及現場驗證，LonWorks現場測控網絡完全滿足饋線自動化系統傳輸速度的要求。LonWorks網絡特別適用于分支線上FTU、TTU與主干線上FTU的連接，和干線上TTU與鄰近的FTU的連接。我公司已率先將LonWorks技術應用于饋線自動化。ProdiBus概述：（1） PROFIBUS是一種國際化開放式不依賴于

18、設備生產商的現場總線標準。廣泛適用于制造業自動化流程工業自動化和樓宇交通電力等其他領域自動化。（2） PROFIBUS由三個兼容部分組成，即PROFIBUSDP（ Decentralized Periphery）PROFIBUSPA（Process Automation ）PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification )。（3） PROFIBUS DP: 是一種高速低成本通信，用于設備級控制系統與分散式IO的通信。使用PROFIBUSDP可取代辦24VDC或420mA信號傳輸。（4） PORFIBUSPA：專為過程自動化設計，可使傳感器和執行機構聯在

19、一根總線上，并有本征安全規范。（5） PROFIBUSFMS：用于車間級監控網絡，是一個令牌結構實時多主網絡。（6） PROFIBUS是一種用于工廠自動化車間級監控和現場設備層數據通信與控制的現場總線技術。可實現現場設備層到車間級監控的分散式數字控制和現場通信網絡，從而為實現工廠綜合自動化和現場設備智能化提供了可行的解決方案。（7） 與其它現場總線系統相比，PROFIBUS的最大優點在于具有穩定的國際標準EN50170作保證，并經實際應用驗證具有普遍性。目前已應用的領域包括加工制造過程控制和自動化等。PROFIBUS開放性和不依賴于廠商的通信的設想，已在10多萬成功應用中得以實現。市場調查確認

20、，在德國和歐洲市場中PROFIBUS占開放性工業現場總線系統的市場超過40。PROFIBUS有國際著名自動化技術裝備的生產廠商支持，它們都具有各自的技術優勢并能提供廣泛的優質新產品和技術服務。Profibus 協議結構PROFIBUS協議結構是根據ISO7498國際標準，以開放式系統互聯網絡（Open System Interconnection-SIO）作為參考模型的。該模型共有七層。（1）PROFIBUSDP：定義了第一二層和用戶接口。第三到七層未加描述。用戶接口規定了用戶及系統以及不同設備可調用的應用功能，并詳細說明了各種不同PROFIBUSDP設備的設備行為。（2）PROFIBUSFM

21、S：定義了第一二七層，應用層包括現場總線信息規范（Fieldbus Message Specification - FMS）和低層接口(Lower Layer Interface LL)。FMS包括了應用協議并向用戶提供了可廣泛選用的強有力的通信服務。LL協調不同的通信關系并提供不依賴設備的第二層訪問接口。（3）PROFIBUSPA：PA的數據傳輸采用擴展的PROFIBUSDP協議。另外，PA還描述了現場設備行為的PA行規。根據IEC11582標準，PA的傳輸技術可確保其本征安全性，而且可通過總線給現場設備供電。使用連接器可在DP上擴展PA網絡。注：第一層為物理層，第二層為數據鏈路層，第三六層

22、末使用，第七層為應用層。目前，Profibus在綜自站有較多應用，在饋線自動化中，國內有少量應用。CAN是控制局域網（Control Area Network）的簡稱，最早由德國BOSCH公司推出，用于汽車內部測量與執行部件之間的數據通信。其總線規范現已被ISO國際標準組織制訂為國際標準。由于得到了Motorola, Intel, Philip, NEC等公司的支持，它廣泛應用在離散控制領域。CAN協議也是建立在國際標準組織的開放系統互連模型基礎上的，不過，其模型結構只有三層，即只取OSI底層的物理層、數據鏈路層和頂層的應用層。其信號傳輸介質為雙絞線。通信最高可達1Mbps/40m，直接傳輸距

23、離最遠可達10km/5kbps。可掛接設備數最多可達110個。CAN的信號傳輸采用短幀結構，每一幀的有效字節數為8個，因而傳輸時間受干擾的概率低。當節點嚴重錯誤時，具有自動關閉的功能，以切斷該節點與總線的聯系，使總線上的其他節點及其通信不受通信影響，具有較強的抗干擾能力。目前，Can在一些電表接入時有應用，在饋線自動化中，國內有少量應用。2.3電力線載波通信 34四方的新一代中壓數字載波通信系統NDLC（Network-based Distribution Line Carrier）四方研究所于1998年底，推出具有國際先進水平的以數字信號處理（DSP）解碼技術為核心的窄帶多頻NDLC技術。該

24、技術從原理上突破了現有的電力線擴頻DLC的局限性，具有-80dB絕對電平的接收能力，采用了專用的耦合方式，具有強大的網絡管理功能，并充分考慮了NDLC的可靠性，為饋線自動化、自動抄表系統提供了強有力的通信支持。 2.3.2 電力線載波在低壓抄表中的應用 低壓抄表主要采用電力線數字載波通信方式，主要有以下四部分組成：電力線路（載波通道）、配電自動化系統設備（采集終端、集中器、耦合設備等）、變電站數據收集子站及變電站轉發環節（CSE200系列通訊處理機）。在小區配電變壓器低壓側通過低壓配電線載波將用戶電量由采集終端采集到集中器，與此同時,集中器就地采集配電變壓器低壓側的各個交流遙測數據，并將所有電

25、量、遙測數據通過中壓電力載波方式傳送到變電站收集子站，載波通信采用101簡化規約，設計波特率為2400BPS。變電站收集子站將載波數據通過RS232串口轉發到CSE200數據接收端， CSE200接收后通過現有的光纖通道將數據轉發到配電中心的自動化抄表后臺，與后臺接口的通信規約方式為DNP3.0。配電變壓器側的系統連接示意圖如圖8所示，低壓載波采用相地耦合方式，這里全部選用B相耦合。采集終端（也稱采集器）共9個，分別安裝在以上9個電表柜中，每個采集終端采集該電表柜所有電表的電度量。脈沖電表的電度脈沖信號通過信號線接入采集終端的脈沖信號輸入端口。采集終端通過載波收發器將所有電度數字量耦合到B相低

26、壓電力線上。集中器通過低壓載波收集采集終端上傳的電度量，同時通過PT和CT測量配電變壓器低壓側的各個遙測量，并將所有收集的電度量和遙測量通過10KV耦合設備耦合到10KV的中壓線上。圖8 配電變壓器側系統連接示意圖變電站側系統連接圖如圖9所示，10KV母線耦合相同樣為B相（中間相），中壓載波數字量通過耦合設備進入變電站內的數據收集子站，然后由RS232串口傳送到CSE轉發單元。CSE將數據按電力遠動DNP3.0規約通過光纖通道轉發到配電中心的抄表后臺接口，從而實現由后臺到采集終端的整個遠程抄表通訊。整個通訊通道都是全雙工通道，后臺召喚下送報文和采集終端主動上送報文可以同時進行。圖9 變電站側系統連接示意圖整個遠程抄表系統通信網絡如圖10所示：圖10 *遠程抄表系統通信示意圖3. 配網自動化中的通信解決方案總結綜上所述，配網自動化系統一般分三層：主站、子站、饋線。依據配網規模的大小，主站層還可在分為主站和區域站兩層。在主站與子站之間，最好采用高速光纖以太網方案，依據可靠性要求不同，投資不同，分別可采用樹狀結構、單環結構、雙環結構，這三種結構目前都有專業廠家的產品支持。子站與饋線通信網一般統一考慮，目前一般采用光纖