李 俊，丁浩川，李 莉

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，用電負(fù)荷日益增加，用電可靠性逐漸成為電力用戶最關(guān)切的問題［1-3］，而配網(wǎng)自動化技術(shù)的快速發(fā)展則為解決這個問題提供了有力的技術(shù)支撐［4-5］。目前的配網(wǎng)自動化系統(tǒng)主要由配電主站、配電終端以及通信網(wǎng)絡(luò)層組成［6-8］。配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)通過現(xiàn)代通信技術(shù)，對配電網(wǎng)實(shí)時信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂撇僮?，從而建立起穩(wěn)定可靠的配電自動化系統(tǒng)來提升配電網(wǎng)絡(luò)供電可靠性［9-11］。

DTU作為測控終端被廣泛應(yīng)用于10 kV配電網(wǎng)中，DTU從設(shè)計結(jié)構(gòu)上分為集中式DTU和分散式DTU，集中式DTU作為電網(wǎng)公司早期推廣的終端型式在工程應(yīng)用較多，但是也存在著間隔擴(kuò)充難、檢修運(yùn)維不靈活以及終端體積過大等不足，而分散式DTU終端能很好地彌補(bǔ)這些不足，因此分散式DTU終端的技術(shù)近年來發(fā)展迅猛。然而截至目前，分散式DTU終端的全業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)如何傳輸?shù)脚潆娭髡救匀粵]有很好的通信技術(shù)方案。在現(xiàn)有的通信協(xié)議架構(gòu)下，本文提出了基于分散式DTU公共單元多端口透明轉(zhuǎn)發(fā)的通信技術(shù)方案，能有效地解決配電主站與分散式DTU終端進(jìn)行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)交互的問題，為分散式DTU終端的工程推廣起到了關(guān)鍵通信技術(shù)支撐的作用。

1 配網(wǎng)自動化通信協(xié)議

在配網(wǎng)自動化系統(tǒng)的建設(shè)過程中，配電主站與終端之間的通信協(xié)議是非常關(guān)鍵的一個部分［12-13］。當(dāng)前配電自動化系統(tǒng)主要采用《配電自動化系統(tǒng)應(yīng)用DLT634.5101-2002實(shí)施細(xì)則》和《配電自動化系統(tǒng)應(yīng)用DLT634.5104-2009實(shí)施細(xì)則》來實(shí)現(xiàn)配電主站和終端之間的通信數(shù)據(jù)交互。根據(jù)上述細(xì)則的規(guī)定，配電終端需要支持包括三遙信息、定值參數(shù)、定點(diǎn)、極值以及波形文件等數(shù)據(jù)上送配電主站，以實(shí)現(xiàn)配電主站對終端實(shí)時監(jiān)控［14-15］。

2 配網(wǎng)自動化通信方式

配電自動化通信系統(tǒng)一般有穩(wěn)定性、實(shí)時性、雙向性和經(jīng)濟(jì)性四個方面的要求［16-18］。首先穩(wěn)定性主要指通信系統(tǒng)必須工作穩(wěn)定，具備良好的抗干擾能力。其次實(shí)時性主要指的是配電自動化系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集有實(shí)時性的要求，以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)控。再次雙向性指的是配電自動化主站除了接收來自終端的監(jiān)測數(shù)據(jù)，還需要具備向終端發(fā)送指令的能力。最后經(jīng)濟(jì)性主要指通信系統(tǒng)的建設(shè)成本，在建設(shè)過程中通過優(yōu)化規(guī)劃設(shè)計方案和設(shè)備選型，能夠降低建設(shè)運(yùn)維成本，實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行［19-21］。結(jié)合配電自動化通信系統(tǒng)的建設(shè)要求，下面對配電通信系統(tǒng)中主要的通信方式進(jìn)行介紹。

2.1 光纖通信

光纖通信是目前最常見的通信方式之一，主要利用光纖和光波來作為傳輸介質(zhì)和載體。其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在通信速度快、通信容量大、抗干擾性強(qiáng)、可靠性高等方面。其缺點(diǎn)則主要體現(xiàn)在初期建設(shè)成本大，光纖敷設(shè)路徑選擇要求高，后期維護(hù)成本和技術(shù)要求較高。光纖通信方式通常適用于對數(shù)據(jù)可靠性傳輸要求高、大數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膱龊稀?/p>

2.2 電力線載波通信

電力線載波通信將電力線路作為信道載體，其優(yōu)點(diǎn)是實(shí)施方便，經(jīng)濟(jì)性好，組網(wǎng)靈活，通信接口兼容性良好，與電氣網(wǎng)連接理論上可以實(shí)現(xiàn)任意2個電氣節(jié)點(diǎn)的通信。而由于電力載波具有頻率選擇性和使命性一些固有特征，使得電力載波通信方式存在著一些缺點(diǎn)，如信號容易受到干擾、易受供電線路中斷影響、信號傳輸距離有限等。

2.3 無線公網(wǎng)通信

目前，我國的電信、移動等運(yùn)行商是中國無線公網(wǎng)建設(shè)的主體，中國無線公網(wǎng)主要是面向公共開發(fā)的一種通信系統(tǒng)以及相關(guān)設(shè)備。配電通信系統(tǒng)中無線公網(wǎng)作為租用網(wǎng)絡(luò)，具有建設(shè)維護(hù)成本低、無線公網(wǎng)通信技術(shù)成熟、無線通信覆蓋面廣等優(yōu)點(diǎn)。無線公網(wǎng)在配電通信系統(tǒng)的建設(shè)中也存在著一些缺點(diǎn)。首先，無線公網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量與多種因素有關(guān)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性難以保證。其次，無線公網(wǎng)作為廣泛覆蓋的公共網(wǎng)絡(luò)資源，安全防護(hù)能力較弱，需要在業(yè)務(wù)層增加有效的安全措施才能滿足配電自動化業(yè)務(wù)安全需求。

2.4 無線專網(wǎng)通信

無線專用通信網(wǎng)絡(luò)是在OFDM技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展出來的，無線專網(wǎng)通信技術(shù)主要包括TD-LTE、McWill等通信技術(shù)。無線專網(wǎng)LTE技術(shù)采用多輸入多輸出的關(guān)鍵技術(shù)，能顯著提升數(shù)據(jù)的傳輸速率，因此能保證配電通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性。同時無線專網(wǎng)組網(wǎng)靈活，且大多屬于專網(wǎng)專用，數(shù)據(jù)的安全性能得到更多的保障。配電自動化通信系統(tǒng)中建設(shè)無線專網(wǎng)缺點(diǎn)也很明顯，首先無線專網(wǎng)建設(shè)運(yùn)維成本極高，其次無線專網(wǎng)存在頻點(diǎn)申請、基站選址等問題。

2.5 配網(wǎng)自動化通信方式選擇

基于以上對各種通信方式的分析，光纖通信在實(shí)時性、可靠性、安全性及帶寬等方面具有優(yōu)勢，但由于光纖鋪設(shè)組網(wǎng)成本過高，適用于對于安全、可靠性有嚴(yán)格要求的業(yè)務(wù)。電力載波通信方式施工簡單，建設(shè)成本低，但是受配電線路運(yùn)行情況影響，信號傳輸易受干擾，適合實(shí)時性、并發(fā)性要求不敏感的業(yè)務(wù)場合。無線專網(wǎng)方式目前還處于試點(diǎn)應(yīng)用階段，頻段選擇、技術(shù)體質(zhì)選擇、建設(shè)及運(yùn)維模式仍存在很多問題，需要對承載業(yè)務(wù)及部署方式進(jìn)行規(guī)范。無線公網(wǎng)方式易于建設(shè)且覆蓋面廣，適合用于安全性、可靠性、實(shí)時性相對要求較低的應(yīng)用場合，由于其建設(shè)運(yùn)維成本低，基于現(xiàn)有的通信狀況，是配電自動化通信系統(tǒng)中主要選擇的一種通信方式。

3 DTU終端與主站的通信方案

在現(xiàn)有的配電自動化通信架構(gòu)下，配電主站主要以無線公網(wǎng)的方式通過IEC104和IEC101通信協(xié)議對接入所轄區(qū)域內(nèi)的DTU終端，并采集DTU終端的三遙信息、參數(shù)定值以及定點(diǎn)、極值文件等數(shù)據(jù)。接下來具體分析一下集中式DTU終端和分散式DTU終端與配電主站之間的通信方案。

3.1 集中式DTU終端與主站的通信方案

集中式DTU終端數(shù)據(jù)模型里包括了所有間隔的遙測、遙信、遙控和參數(shù)定值等，集中式DTU終端通過電纜能夠直接采集配電房或環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)所有間隔的遙信、遙測數(shù)據(jù)，同時依據(jù)配網(wǎng)通信協(xié)議細(xì)則產(chǎn)生定點(diǎn)、極值以及波形文件，并將所有數(shù)據(jù)存儲在DTU終端內(nèi)。因此，集中式DTU終端與配電主站之間僅需要通過IEC104或者IEC101協(xié)議建立數(shù)據(jù)傳輸通道后即可實(shí)現(xiàn)與配電主站之間所有數(shù)據(jù)的交互傳輸。集中式DTU終端與配電主站通信方案的示意圖如圖1所示。

圖1 集中式DTU終端與主站通信方案Fig.1 Communication plan between centralized DTU terminal and master station

3.2 分散式DTU終端與主站的通信方案

分散式DTU終端由1個公共單元終端和若干個間隔單元終端共同組成，分散式DTU終端對于配電主站而言仍然是一個整體設(shè)備，受限于配電主站前置機(jī)資源，配電主站給每個分散式DTU終端僅分配一個IP資源，即配電主站直接與公共單元終端通過IEC104或者IEC101協(xié)議建立數(shù)據(jù)交互傳輸通道。

分散式DTU終端中公共單元終端本體可以采集配電房或者環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)電源管理模塊、溫濕度采集器等智能二次設(shè)備的數(shù)據(jù)，并通過IEC104協(xié)議上送配電主站，同時也支持配電主站來獲取本體的固有參數(shù)。分散式DTU終端中各間隔單元則獨(dú)立負(fù)責(zé)各間隔遙測、遙信數(shù)據(jù)的采集以及產(chǎn)生定點(diǎn)極值等文件數(shù)據(jù)，并將所有數(shù)據(jù)存儲于各間隔單元內(nèi)，這就導(dǎo)致在現(xiàn)有的配電自動化通信系統(tǒng)架構(gòu)下配電房或環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)各間隔的遙信、遙測、定值、文件等數(shù)據(jù)無法傳遞到配電主站。針對這一問題本文提出了通過公共單元與配電主站建立多端口TCP連接透明轉(zhuǎn)發(fā)的方式來實(shí)現(xiàn)配電主站與各間隔單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的方案。分散式DTU終端與配電主站通信方案的示意圖如圖2所示。

圖2 分散式DTU終端與主站通信方案Fig.2 Communication plan between centralized DTU terminal and master station

下面以6間隔的環(huán)網(wǎng)柜為例，假定分散式DTU終端公共單元與配網(wǎng)主站以IEC104協(xié)議建立數(shù)據(jù)傳輸通道，詳細(xì)闡述該方案的具體實(shí)現(xiàn)過程如下：

1）公共單元與配電主站之間采用104協(xié)議通信，配電主站作為TCP客戶端，公共單元作為TCP服務(wù)端，由端口透明轉(zhuǎn)發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)同時監(jiān)聽2404、24041、24042、24043、24044、24045、24046共7個端口，其中2404端口TCP連接用于配電主站與公共單元本體數(shù)據(jù)交互，24041～24046端口的TCP連接用于配電主站與間隔單元1～間隔單元6的數(shù)據(jù)交互。配電主站與公共單元之間一共建立7個TCP連接。

2）公共單元與各間隔單元之間采用104協(xié)議通信，公共單元作為TCP客戶端，各間隔單元作為TCP服務(wù)端，間隔單元支持104協(xié)議，間隔單元1～間隔單元6依次監(jiān)聽24041、24042、24043、24044、24045、24046的端口，公共單元的端口透明轉(zhuǎn)發(fā)模塊建立與各間隔單元的TCP連接。

3）當(dāng)配電主站與公共單元通過24041端口建立TCP連接時，公共單元同時與間隔單元1通過24041端口建立對等的TCP連接；當(dāng)配電主站斷開與公共單元之間的24041端口的TCP連接時，公共單元同時也關(guān)掉自身與間隔單元1建立的24041端口的TCP連接。

4）當(dāng)配電主站向間隔單元1發(fā)送104協(xié)議報文時，首先通過其與公共單元建立的24041端口的TCP連接向公共單元發(fā)送該104協(xié)議報文，公共單元在收到該報文后再通過自身與間隔單元1建立的24041端口的TCP連接透明轉(zhuǎn)發(fā)該104協(xié)議報文至間隔單元1，由此實(shí)現(xiàn)了配電主站向間隔單元1下發(fā)104協(xié)議報文的功能。

5）當(dāng)間隔單元1向配電主站響應(yīng)或突發(fā)上送104協(xié)議報文時，首先通過其與公共單元建立的24041端口的TCP連接將該報文發(fā)送給公共單元，公共單元收到該報文后再通過自身與主站之間建立的24041端口的TCP連接將該報文透明轉(zhuǎn)發(fā)給配電主站。由此實(shí)現(xiàn)了間隔單元1向配電主站發(fā)送104協(xié)議報文的功能。

6）該方案通過建立上下兩層24041端口的TCP連接實(shí)現(xiàn)了配電主站與分散式DTU間隔單元1之間按照配網(wǎng)實(shí)施細(xì)則通信的功能。間隔單元2～間隔單元6與配電主站的整個通信實(shí)現(xiàn)過程與上述間隔單元1的實(shí)現(xiàn)過程完全一致。配電主站與各間隔單元的通信交互過程和配電主站與集中式DTU終端通信交互過程保持一致，可以按照配網(wǎng)實(shí)施細(xì)則實(shí)現(xiàn)全數(shù)據(jù)的交互。

4 工程應(yīng)用

分散式DTU終端目前正在江蘇、山東等省份進(jìn)行工程化落地，以江蘇中標(biāo)的分散式DTU終端為例，中標(biāo)終端廠家需要將分散式DTU終端的整個環(huán)網(wǎng)柜送到江蘇電科院進(jìn)行到貨檢測，江蘇電科院的模擬主站測試臺體已經(jīng)支持本文所提出的分散式DTU終端與配電主站通信的技術(shù)方案，依據(jù)該方案分散式DTU終端可以將終端所有數(shù)據(jù)正確上送到模擬主站，成功通過了所有到貨檢測項目。分散式DTU終端的到貨檢測結(jié)果驗(yàn)證了本文所提方案的可行性。

5 結(jié)語

隨著配網(wǎng)自動化技術(shù)的不斷發(fā)展，配網(wǎng)自動化技術(shù)將逐步由集中控制向分散控制發(fā)展。文中對DTU終端與配電主站的通信技術(shù)進(jìn)行了分析，針對當(dāng)前分散式DTU終端間隔數(shù)據(jù)無法上送配電主站的問題，提出了基于公共單元多端口TCP連接透明轉(zhuǎn)發(fā)的方案，有效地解決了分散式DTU終端與配電主站數(shù)據(jù)交互傳輸?shù)膯栴}，同時該方案可以確保配電主站僅做少量的開發(fā)工作即可全面接入分散式DTU終端，具有一定的工程應(yīng)用價值。