架空配电系统用以馈线自动化的分阶段实施及通信方式

1　引言
　　架空配电系统用以电压型馈线自动化为基础的配电自动化系统可分为3个阶段实现。图1给出了整体方案的基本构成。

　　CB—断路器； PVS—真空开关；SPS—电源变压器； RTU—遥控终端单元；FSI—故障指示器；TCR—遥控接收单元；TCM—遥控主站单元； CPU—中央处理单元；CD—控制台；CRT—显示器； G-CRT—图形显示器； LP/PRN/HC—打印设备
　　图1　电压型馈线自动化系统的构成
　　Fig.1　Structure of automated voltage controlled type distribution feeders
　　第一阶段，真空自动配电开关PVS、遥控终端单元RTU和电源变压器SPS同杆架设。利用RTU自身所具有的智能化检测功能，可与开关设备配合，共同完成故障区段的隔离、非故障区段的恢复供电，并且利用站内故障区段指示设备，通过计算站内断路器合分闸时间，判断出故障区段并通知运行人员检修。这一阶段的特点是：无需通信系统，利用杆上设备自身智能化功能就能够独立完成架空系统配电自动化的基本功能。这一阶段的完成，可减少停电区间，缩短停电时间，提高供电可靠性，实现了馈线自动化的基本功能。
　　为了使配电自动化再上一个台阶，以提高供电可靠性、改进供电质量、实现优秀的电力信息管理、为用户提供完善的服务、降低运行费用和运行人员劳动强度为目标,在完成了第一阶段的基本功能后，实现以遥测、遥控自动化为纽带的计算机管理配电自动化，是配电自动化的更高层次的发展。在此阶段中，作为联系杆上设备和站内全面计算机管理中间环节的遥测、遥控自动化阶段，起到了承上启下的重要作用。
　　本文针对以电压型馈线自动化为先导的配电自动化系统分层次扩展的思路，着重讨论了由杆上配电自动化向遥测、遥控自动化发展实现的基本思路，对遥测、遥控自动化基本模式的通信方式进行了对比。
2　遥测、遥控自动化实现的基本思路
　　从图1可以看出，电压型馈线自动化基本方案的特点是：RTU是连接杆上配电自动化阶段和遥测遥控自动化阶段的基本设备。在第一阶段，RTU发挥了其自身的智能化的故障查询特点，完成故障区段的判断和隔离。但是，这一阶段的RTU，还不能称为真正意义上的RTU，因为它只起到故障搜查器的作用。只有在它将杆上设备与站内遥控主控台TCM的通信功能发挥出来后,才能称作真正意义上的RTU。
　　遥测遥控自动化阶段，从本质上讲是计算机管理配电自动化阶段的一个重要组成部分。将其作为独立的一个阶段来讨论的主要目的是加强配电自动化实现过程的层次性，即从户外一次设备的应用（第一阶段）到信号的采集和传送（第二阶段）到计算机管理（第三阶段）。配电自动化是一个庞大的系统工程，电力部门的初期规划对这项工程的经济、合理的实施将起决定作用。遥测、遥控自动化是配电自动化的重要环节，是初期规划时必须考虑的问题。因此，选择通信方式的问题是实现遥测、遥控自动化的关键问题。
　　在实施以电压型馈线自动化为基础的配电自动化系统中，如果想抛开目前牵扯太多的通信方式的选择，等到通信方案确定后再扩展，那么可以选择发挥这套设备中RTU的智能化故障检测功能，同时预留接口，待需要进行遥测遥控时再配上独立通信的RTU，实现遥测、遥控自动化；如果想抛开杆上繁复的安装并一次完成配电自动化杆上设备的投入，则在选择通信方式后，直接采用同时具备故障查询和远方通信功能的一体化RTU，一步到位实现杆上设备选择。无论哪种方式，都能将系统完成遥测、遥控自动化，向计算机辅助配电自动化发展。
3　不同通信方式的特点
　　3.1　电力线载波通信
　　电力线载波方式以电力线路作为通道，从电源点到变电点到配电点直到所有用户之间无需铺设专用通道即可构成几乎所有点的通信，因此在新架、移动设备时无需移动通信通道，并且这种通信网与电力生产过程的物流流向吻合，使信息流和数据处理容易达到分级、分层管理的要求［1］。电力线载波方式过去较多地应用于高压输电网。
　　而对于配电网，由于其结线和元件参数非常复杂，有架空线和电缆网，干线上连接许多不同长度、截面的支线以及支线上又有多次连接，并且有容量不一的配电变压器分布各处,信号衰减较大。而且中压配电网的噪音构成与高压输电线路的噪音有所区别。虽然高压引起的电晕放电和绝缘表面漏泄放电带来的随机噪音在中低压网上相对较低，但中压电网面向用户电器，大量电器的频繁操作使脉冲杂音成分增大,会造成信号的干扰。因此，电力线载波方式用于配电网时会存在以下问题：
　　（1）载波信号在配电网络传输时，因为有分支而使配线信号衰减、反射。尤其是在各结点处，必然产生程度不同的信号反射和折射。使任一点上的信号强度总是有关信号叠加后的矢量和，它随结线方式、运行方式和气候变化而变化，这为接收带来了困难。
　　（2）当配电线结构发生改变（如分支数量多少、线路长短或开关数目变化）时，就会出现收不到信号的现象，而且调整较困难。
　　（3）配电网断点众多，对于不是由于故障而带来的开关断开的场合，电力线载波传输的信号需要判断是故障引起的还是开关正常断开。
　　（4）电力线上如果有相近频率使用时，则会产生干扰，因此需要准备多种频率。
　　（5）电力线载波的传输速率一般在50～200b/s，采用RTU轮循通信方式时，若台数太多，信号传送慢，周期长，实用性较差。这也不利于机能的提高和未来的扩展。
　　日本东京电力系统较早实施配电自动化而且采用电力线载波方式，目前面临着通信网限制整个系统机能提高的问题，正考虑采用光纤通信方式。因此，采用电力线载波方式通信需慎重考虑上述问题。
　　3.2　音频有线通信方式
　　音频有线通信方式是一种目前应用较广的通信方式，主要是因为它的可靠性、经济性、扩展性均较好的缘故。采用这种方式需要架通信线，但通信线的布设及各通信端的连接都无特殊要求。这种方式的特点是：
　　（1）传输速率在1200b/s以上。它适合于传输信息量较大的系统。
　　（2）可以实现多路并行处理。由于信号传输路径较固定，当不同路径独立时可以使用相同地址，这样在编程软件的实现上，从主站向RTU发送信号就很简单。
　　（3）在故障后变电站要恢复时，可以向所有RTU发出一个共同的命令来同时控制，且可在短时内确认开关状态。
　　（4）可以方便地增加路径，有利于提高机能和未来的扩展。
　　一种典型的通信线传输方式的基本参数：
　　通信电缆：采用ESI 双绞电缆，每路2线或4线；
　　调制方式：FSK；
　　传输速率：1200 b/s；
　　载波频率：上行 1.3 kHz（根据用户要求）；
　　下行 2.1 kHz；
　　输出电平：最大0 dBm；
　　接收电平：0～－30 dBm；
　　信噪比（S/N）：25 dB。
　　3.3　光纤通信方式
　　光纤通信的特点：
　　（1） 传送速度快，并具备传输声音、数据和图象的能力，按通信速率9600 b/s考虑，每个光纤通信环最多可链接100个通信节点［2］，完全可以满足配电网自动化系统通信网扩展的需要；
　　（2） 传输损耗小，大约在0.2～1.0 dB/km，可以实现长距离传送。采用单模光纤，传输距离大于20 km；采用多模光纤，一般传输距离在6.5 km以上；
　　（3） 可靠性高、抗干扰能力强，不受电磁波或其他强电磁场的影响；
　　（4）采用环网通信，互为热备用，一旦通信环有故障，光端设备能自选路由，自动愈合，提高了可靠性；
　　（5） 配置灵活，扩展方便，若需要增加新的点，可在就近的光纤通信环网内打开环路直接链接。
　　但光纤通信应用于配电网时光纤的敷设费用将大大提高；不同光纤的光端设备的价格不同，且每一个分段点都需要完成光/电转换的光端设备，这样设备费用很高；维护需要专业技术人员来完成。并且光纤通信在配电网自动化中的应用刚起步，在实际应用中还将不断出现技术问题。因此，如果目前仅局限于配电网信息传送，则使光纤通信很不经济。若与其他系统并用，则光纤通信方式不失为一种好的通信方式。
　　3.4　无线通信方式
　　由于科学技术的发展，使无线通信技术突飞猛进，应用也更普遍。对比无线通信的3种方式：微波通信设备及整个工程投资昂贵，且不适用于配电网的多点通信；扩频通信具有抗干扰能力强、误码率低、发射功率小等优点，适用于如变电所与调度中心等长距离通信，但用于城市配电网时，由于通信环境不理想而其绕射能力差，信号的接受会受到波传输的影响，效果不佳［3］；普通电台无线电通信是一种较实用的方法，但在应用中也必须面对以下问题：
　　（1）电磁噪音的干扰，使通信可靠性下降，误码率上升；
　　（2）要受到电波法的限制，需要向无委会申请专用频道；
　　（3）如果传输距离超出一定范围，需要设立中继站；
　　（4）传输信号在遇到专有频率干扰时，会影响可靠性；
　　（5）由于无线通信技术的发展，使个人干扰切入特定频率变得容易，一旦发生这种情况，则会给整个配电网带来危险。
4　不同通信方式的综合评价
　　4.1　可靠性分析
　　从上述4种通信方式的特点来看，电力线载波和无线通信方式由于信号传输路径的敞开性，因此易于受外界噪音和人为因素的干扰；通信线方式和光纤通信方式路径封闭，因而可靠性均很高。
　　4.2　经济性
　　由于配电网量大面广，因此，通信方式的经济性也是必须优先考虑的问题。
　　（1）基础费用　电力线载波无基础费用，有线通信方式需要架设通信线路，因此有架设费用；光纤通信敷设光缆的费用是一笔较大的投入；无线电通信方式根据地域情况需要可能设置中继局，因此这一费用也较可观。相比之下，电力线载波在基础费用上最低。
　　（2）设备费用　电力线载波需要设置结合滤波器、耦合电容器、线路阻波器等，这些设备的成本较高，并且设备可靠性对通道畅通与否的影响很大，因此这项费用高；通信线方式仅需配备调制解调器并且可以置于控制器RTU内，因此价格便宜；光纤通信在每个分端口需要光端设备，费用较高；对于无线电通信，控制器 RTU中的调制解调器因受无线通信发射功率的影响，费用中等。因此，相比而言，有线通信方式的设备费用最低。
　　在维护费用上，除光纤通信方式外，其他方式基本是免维护的。
　　由此可看出，采用有线通信方式和无线电通信方式的总体费用都比较低，从经济性来看均是较好的通信方式。
　　4.3　传输能力
　　电力线载波方式的传输速率在50～200 b/s；有线通信的传输速率在2000～1.5　Mb/s, 在电力线载波10倍以上；光纤通信的传送速率可达4 Gb/s，可以传输大量的信息；普通电台无线电传播方式传输速率在2000　b/s左右，但开启时间较长。因此，光纤通信具有最高的传输能力，有线通信次之。
　　综上分析可以看出，从应用性能上来讲，光纤通信是一种好的通信方式但综合可靠性、经济性、实用性等方面，加上配电网的特点，有线通信传输方式在信号干扰严重、投资力量有限的条件下，似应是现阶段较佳的选择方式。
5　通信规约
　　通信规约（主要针对计算机软件通信）是各种远动装置、数据库等与计算机系统交换数据应当遵循的规则。目前我国电力系统调度自动化应用较多的是CDT、 POLLING等规约。其中循环CDT规约，由于通道利用率低而不适合作为配电网杆上设备和变电站之间的通信规约；而查询式（Polling）规约，由于面对配电网通信点众多，主站采用一点多址方式，采用问答方式巡访一遍，时间长，会影响重要信息（如故障信息）的及时传递。较佳的方式是RTU主动向控制主站报告变化信息，而主站隔一定间隔访问一次各RTU［4］。
　　目前，国际电工委员会制定的IEC 870.5及在北美应用较多的DNP 3.0规约是两个较适用于配网自动化系统的通信规约，具有对通信通道速率要求较低、效率高，支持RTU主动上报方式，支持多个主站配置等优点，可参考使用。DNP 3.0与IEC87 0.5中的FT2较接近，两种基本兼容并可根据实际需要修改。
6　结论
　　（1） 采用电压型配电自动化系统的发展思路，杆上配电自动化阶段可以不依赖通信方式，独立实现配电自动化的基本功能，而遥测遥控自动化可以方便地从杆上自动化阶段扩展而来。
　　（2）电力线载波方式应用于10　kV架空系统在可靠性、经济性上均有一定的不足；无线电通信方式基础投资小，但由于目前城市发展和电波干扰，可靠性有所降低；光纤通信在投资充足并与其他系统可以兼顾的条件下，是一种优秀的通信方式；有线通信传输方式在外界干扰严重、投资有限的条件下，从可靠性、经济性、实用性等方面综合来看，不失为一种较好的通信方式。
　　（3） 通信规约采用标准规约很重要，IEC 870.5及DNP3.0规约是两个较适用于配网自动化系统的通信规约，可参考使用。
7　参考文献
　　1　陈崇浩. 中压配电线载波技术及应用.供用电，1998（4）：22～24
　　2　林功平，王开斌.光纤通信技术在配电网自动化系统中的应用.’98烟台配电网自动化第一届学术交流会，1998
　　3　徐腊元.我国配电网自动化的现状及发展方向.’98烟台配电网自动化第一届学术交流会，1998
　　4　徐丙垠.馈线自动化技术.电网技术，1998（4）