配电系统接入层通信的实现及方式

接入层通信网络实现配电主站（子站）和配电终端之间的通信。接入层可采用以下几种通信方式：

1.光纤通信

光纤是一种适合光波传播、损耗小、可弯曲的玻璃丝。通信中常用的是低损耗光纤，以SiO为基本玻璃材料，其结构包括纤芯、缓冲层和包层，它们都是玻璃的，外面还有由涂覆材料和塑料制成的涂层和保护层。纤芯和包层决定了光特性，所以纤芯采用高纯度材料，以避免杂质引起损耗；包层采用纯度稍差的材料，其折射率稍高于缓冲层，但低于纤芯。包层的作用是加大外直径，使光纤结实，能抵抗弯曲；缓冲层的作用是防止包层中的杂质离子移入纤芯。把多根光纤同加强复合保护材料组合在一起就构成了光缆。光纤通信是以光波作为信息载体，以光导纤维作为传输介质的一种通信方式。

光纤网有架空电缆、地埋电缆和架空地线复合光缆三种敷设形式。光纤通信容量大，传输距离长（在多模光纤中光信号可传输6km左右，在单模光纤中可传输30km左右），体积小、重量轻、可绕性强、敷设方便，传送速度快，传输频带宽，具备传输声音、数据和图像的能力，传输衰耗小，可靠性高、抗干扰能力强，保密性好。但是，光纤通信的强度不如金属线、连接比较困难、分路和耦合不便，通信介质和设备的成本较高。

光纤通信按传输的光波长划分，光纤通信系统可分为短波长光纤通信系统、长波长光纤通信系统和超长波长光纤通信系统。短波长光纤通信系统工作波长为0.8～0.9μm，中继距离短于10km；长波长光纤通信系统工作波长为1.0～1.6μm，中继距离可大于100km；超长波长光纤通信系统工作波长为2.0μm以上，中继距离可达1000km以上。

按光纤的种类划分，光纤通信系统可分为多模光纤通信系统和单模光纤通信系统。多模光纤通信系统采用多模光纤，传输容量小，一般在140Mbit/s以下；单模光纤通信系统采用单模光纤，传输容量大，一般在140Mbit/s以上。

根据光信号的发生方式分为工业以太网和以太网无源光网络EPON。

（1）工业以太网

在配电通信中所采用的光纤通信设备主要有综合数据光端机（PDH或SDH）、光收发器和工业以太网交换机。图3-33所示为一工业以太网的通信系统组成。

图3-33 工业以太网通信系统的组成

图3-33中，电端机完成对信息源的处理，如多路复用和复接分接等；光端机的发送端内含有光源，它的作用是将电信号转换成光信号，然后经光缆传输；信号在传输过程中具有衰减和受各种干扰而出现波形的畸变，因此需要有中继器将经过长距离传输后被衰减和畸变了的光信号放大、整形和再生成一定强度后，继续送向远方；光端机的接收端内含有光检测器，它的作用是将来自光纤的光信号还原成为电信号，并输入到电端机的接收端。

配电子站和配电终端的通信采用工业以太网通信方式时，工业以太网从站设备和配电终端通过以太网接口连接；工业以太网主站设备一般配置在变电站内，负责收集工业以太网自愈环上所有站点数据，并接入骨干层通信网络。

（2）以太网无源光网络EPON

无源光网络（PON）技术作为一种新兴的覆盖最后一千米的宽带接入光纤技术，其在光分支点不需要节点设备，只需安装一个简单的光分路器，因此具有节省光缆资源、带宽资源共享、节省机房投资、设备安全性高、建网速度快、综合建网成本低等优点。PON技术是一种点到多点（P2MP）的光纤接入技术，它由局侧的光线路终端（Optical Line Terminal，OLT）、用户侧的光网络单元（Optical Network Unit，ONU）以及无源光纤分支器（Passive Optical Splitter，POS）组成。

PON（无源光网络）采用无源光节点将信号传送给终端用户，其优势主要是初期投资少，维护简单，易于扩展，结构灵活，可充分利用光纤的巨大带宽和优良的传输性能。PON系统是面向未来的技术，大多数PON系统都是一个多业务平台，对于向全光IP网络过渡是一个很好的选择。

PON技术可细分为多种，主要区别体现在数据链路层和物理层的不同。而以太网无源光纤网络（Ethernet Passive Optical Networks，EPON）使用以太网作为数据链路层，并扩充以太网使之具有点到多点的通信能力。EPON综合了PON技术和以太网技术的优点：低成本、高带宽、扩展性强、灵活快速的服务重组、与现有以太网的兼容性、方便的管理等。

图3-34为EPON的系统组成。配电子站和配电终端的通信采用EPON通信方式时，ONU配置在配电终端处，通过以太网接口或串口与配电终端连接；OLT一般配置在变电站内，负责将所连接EPON网络的数据信息综合，并接入骨干层通信网络。

图3-34 EPON系统的组成

EPON主要有以下几点技术特性：

1）资源利用率高：采用“单纤双向”技术，主干线路只需要一芯光纤，通过无源分光设备，最大可以辐射出64路光信号。

2）P2MP通信方式：通过EPON分光器可以形成点到多点网络模式，适应复杂的线路资源情况。

3）无源分光：EPON分光器不需要电源，对恶劣的环境的适应能力非常强，工作稳定、不易损坏。

4）灵活的扩展能力：EPON网络在扩展新终端和新线路的时候对网络的影响很小，无源分光器的设计使EPON网络扩容变得简单、灵活。

5）强大的网管能力：单点或多点故障不影响系统稳定运行，彼此间有明确的业务界点，在OLT设备的网管上可以清晰地区分出不同的ONU设备。

光缆布放是顺着配电网电缆走向布置的，通信网络的结构应与电力配电网缆线结构相符合，结合现有几种常用的配电网络拓扑结构，EPON网络有3种组网结构，即链形组网、全链路保护组网和双T组网，分别如图3-35、图3-36、图3-37所示，分别适用于单电源辐射网络、手拉手环网和双电源双T网。

图3-35 单电源辐射网——EPON链形组网

图3-36 手拉手环网——EPON全链路保护组网

图3-37 双电源双T网——EPON双T组网

EPON网络的保护模式主要有4种，即主干光纤冗余保护、OLTPON口冗余保护、全程光纤冗余保护和ONUPON口冗余保护。

（1）主干光纤冗余保护

主干光纤冗余保护方式如图3-38所示。OLT采用单个PON端口，PON口处内置1×2光开关；使用2∶N光分路器；ONU无特殊要求。

倒换动作：由OLT检测线路状态，倒换由OLT完成。

（2）OLTPON口冗余保护

OLTPON口、主干光纤冗余保护方式如图3-39所示。备用OLT的PON端口处于冷备用状态；使用2∶N光分路器；ONU无特殊要求；

倒换动作：由OLT检测线路状态、OLT PON端口状态，倒换由OLT完成。

图3-38 主干光纤冗余保护方式

图3-39 OLTPON口冗余保护

（3）全程光纤冗余保护(https://www.xing528.com)

全程光纤冗余保护方式（包括OLTPON口、主干光纤、光分路器、配线光纤冗余保护）如图3-40所示。主、备用OLT的PON端口均处于工作状态；使用2个1∶N光分路器；在ONU的PON端口前内置光开关装置。

倒换动作：由ONU检测线路状态，并决定主用线路，倒换由ONU完成。

（4）ONUPON口冗余保护

图3-40 全程光纤冗余保护方式

ONUPON口冗余保护方式（OLTPON口、主干光纤、光分路器、配线光纤冗余保护、ONUPON口）如图3-41所示。主、备用OLT的PON端口均处于工作状态；主、备用ONU的PON端口均处于工作状态，但只有主用ONU的PON承载业务，备用ONU的PON只完成协议交互；使用2个1∶N光分路器。

图3-41 ONUPON口冗余保护方式

倒换动作：由ONU检测线路状态，并决定承载业务的主用线路，倒换由ONU完成。

EPON系统中，当进行光纤保护倒换时，四种光纤保护类型的光通道倒换时间都满足50ms。

考虑到保护范围和保护成本，现在的主流保护模式是OLTPON口、主干光纤冗余保护方式，这需要在OLT上预留备用PON口，分光器需配置2∶N的，备用光纤最好实现物理路由的冗余。

2.配电线载波通信

载波通信是利用某一载波频率经非通信线路传输信息的通信方式。电力线载波通信是电力系统常用的通信方法，在电力调度通信、远动信息传输和作为高频保护的高频通道已经有了成熟的经验，使用效果很好。

（1）电力线载波通道（高额通道）的组成

以输电线路作为高频通道传输高频信号，必须对输电线路进行高频加工。在输电线路的两相上作高频加工的通道，称为“相—相”制高频通道；只在一相上加工的，称为“相—地”制高频通道。“相—相”制高频通道的衰耗小，但所需加工设备多，投资大；“相—地”制高频通道的传输效率较低，但所需的加工设备较少，投资较小。国内一般都采用“相—地”制高频通道，其构成如图3-42所示。

1）高频阻波器。高频阻波器串联在线路两端，它是由电感线圈和可变电容组成一个对高频信号的并联谐振电路，因此对高频电流呈现最大的阻抗，从而将高频信号限制在本线路的范围内。由于电感线圈电感量很小，对50Hz的工频电流呈现阻抗很小（约0.04Ω），所以工频电流可以在输电线路上顺利通过。

2）耦合电容器。耦合电容器的作用是将低压的高频收发信机耦合到高压线路上。耦合电容器的电容量很小，对工频电流呈现很大的阻抗，使工频高电压几乎全部降落在耦合电容器上。

图3-42 “相—地”制高频通道的构成

1—输电线 2—高频阻波器 3—耦合电容器 4—结合滤波器 5—放电间隙 6—接地隔离开关 7—高频电缆 8—高频收发信机

3）结合滤波器。结合滤波器是一个可调节的空心变压器，在其连接至高频电缆的一侧串接有电容器。结合滤波器与耦合电容器共同组成对高频信号的串联谐振回路，对高频信号呈现最小的阻抗，让高频电流顺利通过。高频电缆侧线圈的电感与电容也组成高频串联谐振回路。此外，结合滤波器在线路一侧的输入阻抗与输电线路的波阻抗匹配（约400Ω），而在高频电缆侧的输入阻抗与高频电缆的波阻抗（100Ω）相匹配，这样就可以避免高频信号的电磁波在传送过程中产生反射，因而减小高频能量的附加损耗，提高传输效率。

4）高频电缆。高频电缆用来连接高频收发信机与结合滤波器。高频电缆采用同轴电缆，它具有高频损耗小，抗干扰能力强等优点。

5）放电间隙。放电间隙用以防止过电压对收发信机的损坏。

6）高频收发信机。高频收发信机的作用就是接收和发送高频信号。高频发信机包含高频振荡器、调制器、放大部分和接口部分。高频振荡器用来产生一个频率和振幅均稳定的高频信号，以便于进行调制；调制器完成调制任务；放大器是将调制器输出的高频信号放大，以获得所需要的输出功率。接口部分通常由滤波器与衰耗器组成，滤波器主要是滤掉非工作频率信号，衰耗器是为了某种需要而降低对侧送来的高频信号幅值。收信机主要包含收信滤波器、放大部分和解调器。收信滤波器是为了滤掉干扰信号，使工作频率信号顺利通过，经放大后将高频信号进行解调，即还原成原信号。

（2）配电线载波通信系统

载波通信主要应用在10kV电力线路中，是配电网自动化系统的数据传输手段之一。它具有投资小、覆盖面广、安装维护方便等优点。中压载波一般分为架空和地埋电力电缆两种线路方式，前者可实现全程无主波器应用，而后者的线路分布参数较大，衰减大，电感耦合衰减高达20～30dB。采用这种通信方式，在设备选择时需参照相关标准对其技术特性和实际应用综合进行考察，并需要进行实地试运行检验。

配电线载波通信组网采用一主多从组网方式，一台主载波机可带多台从载波机，组成一个逻辑载波网络，主载波机通过通信管理机将信息接入骨干层通信网络。通信管理机接入多台主载波机时，必须具备串口服务器基本功能和在线监控载波机工作状态的网管协议，同时支持多种配电自动化协议转换能力。

图3-43所示为一个典型配电线载波通信系统。

图3-43中，在主变电站安装多路配电线载波机（称主站设备）并与区域工作站相连，在馈线分段开关处安装配电终端，采用配电线载波机（称从站设备）经结合滤波器及耦合电容耦合到馈线，并通过馈线与相应的区域工作站相联系，这样就可以把分散的配电终端上报的信息集中至主变电站的区域工作站，区域工作站再通过高速数据通道将收集到的信息转发给配电自动化调度中心，反之调度中心也可以把各种指令发送到区域工作站或转发到相应的设备上。为了避免在线路开关分断时切断载波通道，在开关处通过耦合电容器构成载波桥路。

图3-43 典型配电线载波通信系统的组成

3.无线公网

无线公网通信技术的应用，是指配电网终端设备通过无线通信模块接入到无线公网中，再经由专用光纤网络接入到主站系统的通信方式。目前无线公网通信主要包括GPRS、CD-MA、3G等。GPRS是一种基于GSM的无线分组交换技术，目的是为GSM客户提供分组形式的数据业务。CDMA是在数字技术的分支——扩频通信技术上发展的一种新的无线通信技术。3G指第三代移动通信技术，主要包括TD-SCDMA、WCDMA和CDMA1x（CDMA2000）等，目前3G在我国商用化进程正在快速推进中，但在配电网中的应用尚处于萌芽阶段。

在电力系统中，无线公网通信技术主要应用在一些非实时性，重要性不太高的场合。短信方式采用GSM或CDMA技术时，终端通信设备无需始终联网，较为经济，但传输的数据量有限且实时性较差。在线传送采用GPRS或CDMA技术时，终端通信设备必须始终联网，传输数据量较大，实时性较短信方式高，但必须申请一个固定的因特网IP地址，因而使数据传输暴露于公网中，实时性仍然不能满足配网自动化重要实时信息的传输且可能有不确定度延时。

无线公网适用于无线公共网络覆盖完整且无线信号优良的城市。采用无线公网方式时，每台配电终端均应配置GPRS/CDMA/3G无线通信模块，实现无线公网的接入。无线公网运营商通过专线将汇总的配电终端数据信息经路由器和防火墙接入配网通信综合接入平台。

4.无线专网

电力通信网现网依托于高压输电线路已建成光纤骨干网络，光缆已经覆盖到35kV以上变电站，而如果全部配电网采用光纤覆盖，则存在投资高、施工难度大等问题，而普遍采用的公网的无线传输方式也存在传输速率低、可靠性低、保密安全性差的缺点，鉴于这些原因，无线专网在电力中的应用成为电力无线通信技术发展趋势。

目前主流的无线专网有1800MHz专网系统和TD-LTE无线专网。现以TD-LTE 230MHz无线专网系统为例介绍无线专网在配电自动化中的应用。

TD-LTE 230MHz无线专网系统主要解决最后100m的用户接入，鉴于配电网数据业务具有接线复杂、分布分散、通信点多、单个通信点数据量不大但基础数据库信息量庞大的特点，TD-LTE230MHz无线专网系统可以较好地解决智能电网对低压配电网业务所要求的双向通信问题。TD-LTE230MHz无线专网系统结构如图3-44所示。

配电自动化终端的数据通过无线通信终端传至无线基站，无线基站一般建设在变电站中，变电站中通信管理机将无线基站的信息接入，进行协议转换，再接入至骨干层通信网络，完成空中与地面电路之间的信息转换与桥接。

与1800MHz频段无线专网相比，TD-LTE230MHz无线专网系统具有覆盖能力强、建设运维成本低等优点。1800MHz无线专网由于载波频率较高，覆盖能力有限，城区覆盖不超过1km，且该频段设备建网和网络维护成本都较高，不适用于配电网业务中。TD-LTE230MHz无线专网系统在密集城区覆盖超过3km，农村地区可达30km，且信号传播损失小，建网维护成本小，具备明显的低成本覆盖优势。

图3-44 TD-LTE230MHz无线专网系统结构