摘要：对配电网自动化中的通信问题进行了探讨，并针对光纤网(光纤以大网、光纤环网)、现场总线(LonWorks、PROFIBUS、CAN)、新型数宇式电力线载波(NDLC)等多种配网自动化中常用的通信方式，结合配电网自动化工程实际，总结了四方华能公司CSDA2000配电网自动化系统的多种解决方案。
1、引言：
随着电力工业的迅速发展，用户对用电可靠性的要求越来越高，配电网自动化已成为我国电力系统自动化领域的新兴热点，是电力行业发展的重要阶段。要实现配电网自动化，关键在于通信，选择通信方式应当适合我国配电网的现状和用户的现场实际。目前主要的通信方式包括光纤、现场总线、载波等。本文可为关心配电网自动化中电力通信问题的广大用户提供参考。
配网自动化的通信系统是配网自动化密不可分的一部分。为了贯彻功能下放，分级分层，提高事故响应速度的原则，配网自动化系统一般分3层：主站、子站、馈线。依据配网规模的大小，主站层还可再分为主站和区域站2层。
在主站与子站之间，信息量大，要求高速可靠的通信通道，但由于节点不多，目前一般采用光纤以太网或光纤环网，这2种光纤通信方式的造价相近。光纤环网虽然更成熟一些，但光纤以太网是主要发展方向，光纤以太网目前技术实现及相关设备都已得到实践检验，正在推广应用。
子站与馈线通信网一般统一考虑，馈线网结构复杂，情况多样，各地的特点不同，很难找到一种统一的通信模式。目前一般采用光纤、双绞线、电力线陇波、无线等多种通信手段混合的方式。常见的结构为：以光纤构建干线通信网络;通过双绞线，采用现场总线技术(如LonWorks、CAN、PROFIBUS)或RS485，将干线TTU、支线的FTU/TTU，连接到干线FTU，由其通过高速光纤通道，将信息上传到子站、主站，干线FFU应具备这种集中转发的能力。
馈线通信网也可采用光纤以太网或光纤环网这2种光纤通信方式的造价相近。根据它们不同的性能和特点，满足不同的使用需要。
10kV电力线载波，也是一种馈线上值得关注的通信手段，特别适用于城乡结合部的长支线。
对于低压(220/380V)的抄表系统，电力线载波抄表是最好的方式，其性能价格比最高。低压电力线载波抄表常用的有以下2种模式：其一是对于集中的10~30块脉冲电表装一抄表器，抄表器通过低压电力线载波与配变处的集中器相连;其二是在每块电表中，加装一个载波模块，由载波模块直接与集中器相连。前者更加经济，但要求电表相对集中;后者造价较高，但适用于电表分散的情况。
集中器一般放在配电变压器处，每个台区1个，集中器也可与TTU合一。
配网自动化主要的通信方式有DLC、光纤、电话、双绞线、无线，它们的功能比较见表1。
除了系统典型结构外，根据实际情况的不同还有其他一些配置方式，下面列举几种不同配置方式。
(1)FTU单元直接与通信系统连接，而不需要通过子站连接，具体连接方式如图2所示(与典型配置相同的部分简略，只描述不同连接处，后面各图均相同)。
(2)抄表系统通过FTU与通信系统连接，而不是通过子站与通信系统连接，具体连接方式如图3所示。
(3)抄表系统通过通信处理机直接和主站系统连接，具体连接方式如图4所示。
以上只列举了本公司产品的几种系统的典型结构，在实际使用中可以根据配网的规模、环境等具体情况加以修改和调整，以满足实际应用的需要。
2、配网自动化系统几种主要的通信方式
2.1光纤通信
2.1.1光纤环网在配网自动化中的应用
在配电自动化系统中，以前应用较多的光纤网是环状网。其结构简单，可靠性强。采用光纤自愈环网通信方式，网络由各节点双向闭环串接而成。正常时，一环路工作另一环路备用，若其中某一段光纤因施工等意外原因而断开，则可以利用光纤双环网的自愈功能，继续保持通信联系，因此，这种通信具有很高的可靠性。
光纤环网配电自动化实现方案如下：
(1)主站与子站之间采用单模光纤，以光纤以太网方式相连，通信速率100Mbps，需光纤转换模块2对(2个子站);
(2)子站与干线上环网柜、开闭所、FTU之间采用单模光纤，通过光纤双环相连(采用单模双发双收的光调制解调器)实现带自愈功能的双环通信;
(3)干线TTU，支线FTU、TTU，通过双绞线就近连接到干线的FTU，采用LonWorks现场总线协议，由FTU集中转发信息，本公司FTU产品CSF101具备此功能。
终端层环上设备与子站交换信息，环间通过主站—子站光纤以太网交换信息;干线TTU，支线FTU、TTU，通过双绞线就近连接到干线FTU，进入到本通信网。对于一个子站，通过本站环网和主站—子站光纤以太网获取本子站范围内的信息，从而完成配电自动化功能。光纤环网配网系统通信示意图见图5。
2.1.2光纤以太网在配网自动化中的应用
光纤以太网灵活高速，技术资源丰富，有些光纤环网难于解决的问题只能应用光纤以太网来解决，比如，子站管理的FTU范围发生变化时，有些FTU本属于A子站管理，由A子站负责与之通信，运行方式发生变化后，变为B子站管理，由B子站负责与之通信，这种情况，光纤环网是处理不了的;再比如馈线保护功能，要求FTU之间，FTU与子站之间快速地交换信息(在100Mbps之内)，只有光纤以太网才能满足这种要求。
光纤以太网配电自动化方案如下：
(1)主站与子站之间采用单模光纤，以光纤以太网方式相连，通信速率100Mbps，需光纤转换模块2对(2个子站);
(2)子站与干线上环网柜、开闭所、FTU之间采用光纤，采用通信处理机CSE200和网络交换机，通过网络交换机与主干线FTU采用光纤通信，其中FTU内要加装智能光纤接口;通过CSE200完成变电站RTU接入，GPS接入当地维护或远传、电子设备接入等功能;
(3)干线TTU，支线FTU、TTU，通过双绞线就近连接到干线FTU，采用LonWorks现场总线协议，由FTU集中转发信息，本公司FTU产品CSF101具备此功能。光纤以太网配网系统通信示意图见图6。
2.2现场总线
2.2.1LonWorks现场总线网
LonWorks是又一具有强劲实力的现场总线技术。它是由美国Echelon公司推出并由它与摩托罗拉、东芝公司共同倡导，于1990年正式公布的。
通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其通信速率从300bps至1.5Mbps不等，直接通信距离可达2.7km(78kbps，双绞线);支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等多种通信介质，并开发了相应的本质安全防爆产品，被誉为通用控制网络。
LonWorks技术采用的konTalk协议被封装在称之为神经元(Neuron)的芯片中而得以实现。集成芯片中有3个8位CPU，第一个用于完成开放互连模型中第1和第2层的功能，称为媒体访问处理器，实现介质访问的控制与处理;第二个用于完成第3-6层的功能，称为网络处理器，进行网络变量的寻址、处理、背景诊断、路径选择、软件计时、网络管理并负责网络通信控制，收发数据包等;第三个是应用处理器，执行操作系统服务与用户代码。
神经元芯片中还具有存储信息缓冲区，以实现CPU之间的信息传递，并作为网络缓冲区和应用缓冲区。Echelon公司的技术策略是鼓励各OEM开发商运用LonMARK互操作协会，开发推广LonWorks技术与产品。它已被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统等行业。另外，在开发智能通信接口、智能传感器方面，LonWorks神经元片也具有独特的优势。
以下就LonWorks网络的技术性能、联结方式及其在馈线自动化中的应用作一简要介绍。
2.2.1.1网络技术性能
LonWorks是美国Echelon公司推出的LonWorks是一种实时测控网络，其主要特点如下：
(1)采用Lontalk通信协议，该协议遵循国际标准化组织ISO定义的开放系统互联OSI的全部7层模型，网络协议开放，可以实现互操作;
(2)可在任何介质下通信，包括双绞线、电力线、光纤、同轴电缆等，多种介质可以在同一网络中混合使用;
(3)网络操作系统结构可以是主从式、对等式、客户/服务式结构;
(4)提供总线型、星型、环型、混合型等网络拓扑结构;
(5)改善了载波监听多路存取(CSMA)，采用新型的具有碰撞回避算法的CSMA，可以在负载较轻时使介质访问延迟最小化，而在负载较重时使冲突的可能性最小;
(6)网络通信采用面向对象的设计方法，LonWorks技术将其称之为“网络变量”，节省了大量的设计工作量，同时增加了通信的可靠性;
(7)网络的主要组成部分神经元芯片，由美国Motorola和日本东芝两大IC芯片制造商同时生产。
表2列出了采用带隔离变压器驱动器的双绞线网的LonWorks的主要指标。
目前，LonWorks网络已拥有世界上近3000个公司用户，覆盖各行各业。截至1998年底，预计有近1000万个LonWork网络节点在各种系统中运行。
2.2.1.2LonWorks网络联接方式
就网络的角度看，每个联在网络上的节点都应包括三个部分(如图7所示)：①本节点功能部分，例如FTU、TTU等;②神经元芯片，它是本节点同网络交换信息的接口;③网络驱动器，用于驱动信道媒介，如光纤驱动器、双绞线驱动器等。
2.2.1.3konWorks网络在馈线自动化中的应用
由于LonWorks网络采取了配置1.5kV直流隔离变压器隔离等适合于工业现场环境等措施，具有很强的抗干扰、抗振动性能，适用于较大的温度范围，适合于较恶劣的工业环境和户外环境。至今未发生过任何LonWorks网因受干扰而误响应的情况。
总线型载波监听多路访问/冲撞检测(CSMA/CD)协议，并且采用重要报文加优先级方式，适合于放射状运行的馈线自动化系统。
ISO7层规约中，6层固化，减少了二次开发的工作量，同时提高了可靠性。
根据理论计算、试验及现场验证，LonWorks现场测控网络完全满足馈线自动化系统传输速度的要求。
LonWorks网络特别适用于分支线上FTU、TTU与主干线上FTU的连接，干线上TTU与邻近的FTU的连接。本公司已率先将LonWorks技术应用于馈线自动化。
2.2.2PROFIBUS
PROFIBUS是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准。广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通电力等其他领域自动化系统。PROFIBUS由以下3个兼容部分组成，简介如下。
(1)PROFIBUS-DP：是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式I/O的通信，可取代24VDC或4-20mA信号传输;
(2)PORFIBUS-PA：专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构连在1根总线上，并有本征安全规范;
(3)PROFIBUS-FMS：用于车间级监控网络，是一个令牌结构，实时多主网络。
PROFIBUS是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。
与其他现场总线系统相比，PROFIBUS的最大优点在于用稳定的国际标准EN50170作保证，并经实际验证其普遍性。目前已应用的领域包括加工制造、过程控制和自动化等。PROFIBUS开放性和不依赖于厂商的通信设想，已在10多万例成功应用中得以实现。PROFIBUS有国际著名自动化技术装备的生产厂商支持，它们都具有各自的技术优势并能提供广泛的优质新产品和技术服务。
PROFIBUS协议结构是根据ISO7498国际标准，以开放式系统互联网络作为参考模型的。该模型共有7层(第1层为物理层，第2层为数据链路层，第3-6层未使用，第7层为应用层)，定义方式如下。
(1)PROFIBUS—DP：定义了第1、2层和用户接口。第3到7层未加描述。用户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能，并详细说明了各种不同PROFIBUS-DP设备的设备行为。
(2)PROFIBUS—FMS：定义了第1、2、7层，应用层包括现场总线信息规范和低层接口。FMS包括了应用协议并向用户提供了可广泛选用的强有力的通信服务。LLI协调不同的通信关系并提供不依赖设备的第2层访问接口。
(3)PROFIBUS-PA：PA的数据传输采用扩展的PROFIBUS—DP协议。另外，PA还描述了现场设备行为的PA行规。根据IECll58—2标准，确保其本征安全性，而且可通过总线给现场设备供电。使用连接器可在DP上扩展PA网络。目前，PROFIBUS在综合自动化站有较多应用，在馈线自动化中，国内有少量应用。
2.2.3控制局域网(CAN)
CAN最早由德国BOSCH公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。其总线规范现已被ISO国际标准组织制订为国际标准。由于得到了Motorola，Intel，Philip，NEC等公司的支持，它广泛应用在离散控制领域。CAN协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的，其模型结构只有3层，即只取OSI底层的物理层、数据链路层和顶层的应用层。其信号传输介质为双绞线。通信最高可达1Mbps/40m，直接传输距离最远可达10kin/5kbps。可挂接设备数最多可达110个。CAN的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，因而传输时间受干扰的概率低。当节点严重错误时，具有自动关闭的功能，使总线上的其他节点及其通信不受影响，具有较强的抗干扰能力。目前，CAN在一些电表接人时有应用，在馈线自动化中，国内有少量应用。
2.3电力线载波通信
2.3.1新一代中压数字载波通信系统(NDLC)
四方研究所于1998年底，推出具有国际先进水平的以数字信号处理(DSP)解码技术为核心的窄带多频NDLC技术。该技术从原理上突破了现有的电力线扩频DLC的局限性，具有-80dB绝对电平的接收能力，采用了专用的耦合方式，具有强大的网络管理功能，并充分考虑了NDLC的可靠性，为馈线自动化、自动抄表系统提供了强有力的通信支持。
2.3.2电力线载波在低压抄表中的应用
低压抄表主要采用电力线数字载波通信方式，主要有以下4部分组成：电力线路(载波通道)、配电自动化系统设备(采集终端、集中器、耦合设备等)、变电站数据收集子站及变电站转发环节(CSEl00系列通信处理机)。
在小区配电变压器低压侧通过低压配电线载波将用户电量由采集终端采集到集中器，与此同时，集中器就地采集配电变压器低压侧的各个交流遥测数据，并将所有电量、遥测数据通过中压电力载波方式传送到变电站收集子站。载波通信采用101简化规约，设计波特率为2400bps。变电站收集子站将载波数据通过RS232串口转发到CSEt00数据接收端，CSEl00接收后通过现有的光纤通道将数据转发到配电中心的自动化抄表后台，与后台接口的通信规约方式为DNP3.0。
配电变压器侧的系统连接示意图如图8所示，低压载波采用相地耦合方式，这里全部选用B相耦合。采集器共9个，分别安装在以上9个电表柜中.每个采集g3采集该电表柜所有电表的电量。脉冲电表的电器脉冲信号通过信号线接入采集终端的脉冲信号输入端口。采集器通过载波收发器将所有电量数字耦合到B相低压电力线上。集中器通过低压载波收集采集终端上传的电量，同时通过TV和TA测量配电变压器低压侧的各个遥测量，并将所有收集的电量和遥测量通过10kV耦合设备耦合到10kV的中压线上。
变电站侧系统连接如图9所示，10kV母线耦合相同样为B相(中间相)，中压载波数字量通过耦合设备进入变电站内的数据收集子站，然后由RS232串口传送到CSE转发单元。CSE将数据按电力远动DNP3.0规约通过光纤通道转发到配电中心的抄表后台接口，从而实现由后台到采集终端的整个远程抄表通信。整个通信通道都是全双工通道，后台召唤下送报文和采集终端主动上送报文可以同时进行。
整个远程抄表系统通信网络如图10所示。
3、结束语
配网自动化系统一般分主站、子站、馈线3层。依据配网规模的大小，主站层还可再分为主站和区域站2层。在主站与子站之间，最好采用高速光纤以太网方案，依据可靠性要求不同，投资不同，分别可采用树状结构、单环结构、双环结构，这3种结构目前都有专业厂家的产品支持。子站与馈线通信网一般采用光纤、双绞线、电力线载波等多种通信手段混合的方式。常见的结构为：以光纤构建干线通信网络;通过双绞线，采用现场总线技术，将干线TTU、支线的FTU/TTU，连接到干线FTU，通过高速光纤通道，将信息上传到子站、主站。馈线通信网采用光纤通信网(光纤以太网、光纤环网)，这2种光纤通信方式的造价相近，但光纤以太网更有发展前景;10kV电力线载波，也是一种值得关注的通信手段;电力线载波抄表是最好的低压(220/380V)的抄表方式。
