配網(wǎng)自動(dòng)化通信技術(shù)

1、11 配電網(wǎng)自動(dòng)化通信技術(shù)11.1 概述 （2000）11.1.1 通信網(wǎng)通信網(wǎng)連接著配電網(wǎng)自動(dòng)化的主站系統(tǒng)和遠(yuǎn)方終端，是配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的重要組成部分，其性能與可靠性的好壞，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)及運(yùn)行可靠性有著決定性的影響。事實(shí)上，許多建成的配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)不能很好地發(fā)揮作用的主要原因就是通信網(wǎng)絡(luò)工作不正常。因此，在設(shè)計(jì)、建設(shè)配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)時(shí)，要認(rèn)真研究通信網(wǎng)絡(luò)的解決方案。與傳統(tǒng)的調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)相比，配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的通信站點(diǎn)眾多，大型系統(tǒng)的監(jiān)控站點(diǎn)數(shù)量有上萬個(gè)，一個(gè)中等規(guī)模的系統(tǒng)的站點(diǎn)數(shù)量也有數(shù)千個(gè)；此外，還有站點(diǎn)分散、通信距離短、站點(diǎn)通信數(shù)據(jù)量較小等特點(diǎn)；許多通信裝置安裝在戶外，運(yùn)行條

2、件比較苛刻，對(duì)可靠性要求比較高。為減少通信與系統(tǒng)處理的負(fù)擔(dān)，配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)一般采用“例外報(bào)告（Report by exception）”的通信機(jī)制，傳輸電流越限、開關(guān)變位等異常信息；而遙測(cè)數(shù)據(jù)刷新的周期則選得相對(duì)較長(zhǎng)，往往是幾分鐘甚至幾十分鐘刷新一次，遠(yuǎn)低于調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)中數(shù)秒內(nèi)就刷新一次的要求。11.1.2 通信規(guī)約目前，配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)通信使用的規(guī)約主要有IEC 60870-5-101/104、DNP3.0等。這些規(guī)約把監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分為模擬量、狀態(tài)量、遙控量等幾種類型進(jìn)行傳輸，沒有對(duì)配電網(wǎng)自動(dòng)化應(yīng)用數(shù)據(jù)模型做出統(tǒng)一的規(guī)定，導(dǎo)致不同的廠家設(shè)備之間不能互通互聯(lián)、通信系統(tǒng)配置調(diào)試工作量大。發(fā)展方向

3、是擴(kuò)展變電站通信協(xié)議體系IEC 61860，將其推廣應(yīng)用到配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)自動(dòng)化設(shè)備的即插即用。11.2 光纖通信技術(shù) （5000）光纖通信技術(shù)指的是采用光纖介質(zhì)的通信技術(shù)，具有傳輸速率高、抗干擾性能強(qiáng)、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，在條件允許的情況下，應(yīng)是分支通信網(wǎng)的首選。以前制約光纖通信在配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)中應(yīng)用的主要原因是投資大、敷設(shè)工程量大，而近年來隨著技術(shù)的發(fā)展，光纜價(jià)格有了大幅度的下降，光端機(jī)的價(jià)格也接近其他類型的通信終端，為光纖通信的大量應(yīng)用創(chuàng)造了條件。目前，配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)分支通信網(wǎng)采用光纖通信技術(shù)有專線通道或以太網(wǎng)兩種方式。11.2.1 光纖專線通道光纖專線通道是以光纖作為通信

4、介質(zhì)的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)串行數(shù)據(jù)傳輸通道，其光端設(shè)備是一種簡(jiǎn)單的光纖數(shù)據(jù)傳輸收發(fā)設(shè)備，具有T和R兩個(gè)光端口，與光纜連接。光端機(jī)的數(shù)據(jù)通信接口與數(shù)據(jù)終端設(shè)備（主站、子站、DRTU等）相連接，通信接口采用EIA/RS-232/485標(biāo)準(zhǔn)接口。光纖專線通道有以下配置方式：1）主從式。主從方式是環(huán)形通信系統(tǒng)，支持多點(diǎn)通信，只有一個(gè)作為主單元，如圖7-2所示。這種配置方式比較適合配電系統(tǒng)多點(diǎn)、分散通信的特點(diǎn)。圖7-2 主從式光纖通信方式2）環(huán)路通信對(duì)等配置。該配置方式物理結(jié)構(gòu)與圖7-2一樣，但環(huán)路上各點(diǎn)都可以設(shè)置為主單元。不過，每次數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，只能選擇環(huán)路中一個(gè)單元作為主單元，其余各單元都處于從單元狀態(tài)。3）雙環(huán)

5、自愈網(wǎng)。當(dāng)環(huán)路上節(jié)點(diǎn)比較多時(shí)，為防止光纜或光端設(shè)備故障，造成通信中斷，采用雙光纖環(huán)路自愈網(wǎng)，如圖7-3所示。環(huán)網(wǎng)上每個(gè)站配置支持具有自愈功能的光纖收發(fā)器，該收發(fā)器具有自動(dòng)切換和自愈功能。正常情況下，通信報(bào)文分別在A環(huán)和B環(huán)里傳輸。分站同時(shí)接收來自A環(huán)和B環(huán)的信息，光端設(shè)備只選擇其中一個(gè)環(huán)路的信號(hào)傳送給DRTU。主站由一個(gè)串行口發(fā)送信息，同時(shí)在A環(huán)與B環(huán)里傳送，由兩個(gè)串行口分別接收A環(huán)和B環(huán)的信息。當(dāng)光纜出現(xiàn)故障時(shí)，如k點(diǎn)斷開，兩側(cè)的光端設(shè)備只能接收到一個(gè)環(huán)路信息，經(jīng)過一段延時(shí)，雙環(huán)路切換控制器自動(dòng)把接收的信號(hào)切換到另一個(gè)環(huán)路發(fā)送端，生成新的環(huán)路，即斷點(diǎn)兩側(cè)的光端設(shè)備，A環(huán)和B環(huán)相互鏈接，自動(dòng)構(gòu)

6、成回路而形成雙環(huán)工作，實(shí)現(xiàn)光纖環(huán)路自愈功能。圖7-3 雙環(huán)路光纖自愈環(huán)網(wǎng)光纖專線通道結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，傳輸延時(shí)小并且可控，不足之處只能采用輪詢的方式訪問DRTU，不支持主動(dòng)上報(bào)通信機(jī)制，更不能實(shí)現(xiàn)DRTU之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)對(duì)等數(shù)據(jù)交換，不能充分發(fā)揮光纖介質(zhì)的傳輸速率高的優(yōu)點(diǎn)。光纖專線通道在我國(guó)早期建設(shè)的配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)中應(yīng)用比較多，現(xiàn)在有被光纖以太網(wǎng)所取代的趨勢(shì)。 11.2.2 光纖工業(yè)以太網(wǎng)光纖以太網(wǎng)是以光纖為通信介質(zhì)的以太網(wǎng)。配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)采用以太網(wǎng)通信，可以充分地利用光纖帶寬，提高數(shù)據(jù)傳輸速率與容量，更重要的是能夠更好地適應(yīng)配電網(wǎng)自動(dòng)化應(yīng)用特點(diǎn)，主動(dòng)上報(bào)數(shù)據(jù)，支持“例外報(bào)告”機(jī)制。此外，接

7、到以太網(wǎng)上的DRTU之間能夠?qū)Φ冉粨Q數(shù)據(jù)，支持快速故障自愈控制等分布式智能控制應(yīng)用。工業(yè)光纖以太網(wǎng)是面向工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的光纖以太網(wǎng)。工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)上與以太網(wǎng)（IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)）兼容，并在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、材質(zhì)選用等方面考慮了實(shí)時(shí)性、互操作性、可靠性、抗干擾等工程應(yīng)用的需要。工業(yè)以太網(wǎng)有以下技術(shù)特點(diǎn)：1）交換機(jī)通過快速生成樹冗余（RSTP）、環(huán)網(wǎng)冗余（RapidRingTM）到主干冗余（TrunkingTM）等技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)光纖環(huán)網(wǎng)及多環(huán)耦合功能，其中環(huán)網(wǎng)冗余技術(shù)可以在300ms內(nèi)完成自愈。2）交換機(jī)采用了工業(yè)級(jí)元器件，無風(fēng)扇設(shè)計(jì)，可以在高溫、強(qiáng)電磁輻射的環(huán)境下使用，適用能力較強(qiáng)。3）交換機(jī)的功耗較小

8、，雙光口配置的設(shè)備功率約為6W。4）網(wǎng)管可在線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)。5）工業(yè)以太網(wǎng)各個(gè)廠家都有一部分私有協(xié)議，無法在環(huán)網(wǎng)冗余等層面上實(shí)現(xiàn)互聯(lián)；如果要實(shí)現(xiàn)不同廠家之間的互聯(lián)，網(wǎng)絡(luò)只能支持到快速生成樹冗余，網(wǎng)絡(luò)自愈能力將從300ms增加到1到2min。6）用工業(yè)以太網(wǎng)組建網(wǎng)絡(luò)需要嚴(yán)格的整體規(guī)劃。環(huán)網(wǎng)冗余等技術(shù)應(yīng)用的是數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。根據(jù)以太網(wǎng)組網(wǎng)規(guī)定，一個(gè)二層網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)需限制在200個(gè)左右，才能很好控制網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴。采用工業(yè)以太網(wǎng)的配電網(wǎng)自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)如圖7-4所示。圖7-4 光纖工業(yè)以太網(wǎng)工業(yè)光纖以太網(wǎng)的不足之處是對(duì)一次網(wǎng)架結(jié)構(gòu)變化的適應(yīng)能力較差。當(dāng)因網(wǎng)架結(jié)構(gòu)變化，改變DRTU布局時(shí)，需要對(duì)多個(gè)節(jié)點(diǎn)

9、進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)整，配置維護(hù)工作量比較大。11.2.3 以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)（Ethernet Passive Optical Network，EPON）是無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）技術(shù)中的一種，EPON采用點(diǎn)到多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、無源光纖傳輸方式，是一種能夠提供多種綜合業(yè)務(wù)的新型的寬帶接入技術(shù)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于寬帶接入市場(chǎng)。作為一種拓?fù)潇`活、支持多種業(yè)務(wù)接口的純光介質(zhì)的接入技術(shù)，EPON已在配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)中獲得應(yīng)用并呈現(xiàn)了廣闊的前景。EPON一種無源網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，比工業(yè)光纖以太網(wǎng)更加適合配電網(wǎng)自動(dòng)化通信。因?yàn)樵谝粋€(gè)站點(diǎn)失去電源時(shí)，站點(diǎn)上的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)不能正常工作，可能導(dǎo)致整個(gè)光纖環(huán)路的通信中斷

10、；而對(duì)EPON來說，僅僅是該站點(diǎn)無法正常通信，并不影響整個(gè)光纖環(huán)路的正常工作。我們知道，電源是目前DRTU應(yīng)用的薄弱點(diǎn)，故障率比較高，EPON的這一優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于提高配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的可用性十分重要。1EPON系統(tǒng)的構(gòu)成EPON系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)側(cè)的光線路終端（Optical Line Terminal，OLT）、用戶側(cè)的光網(wǎng)絡(luò)單元（Optical Network Unit，ONU）和光分配網(wǎng)絡(luò)（Optical Distributio Network，ODN）組成，可以靈活組成樹型、星型、總線型等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。所謂“無源”指ODN中不含有任何有源電子器件。在下行方向（OLT到ONU），OLT發(fā)送的信號(hào)通過OD

11、N到達(dá)各個(gè)ONU。在上行方向（ONU到OLT），ONU發(fā)送的信號(hào)只會(huì)到達(dá)OLT，而不會(huì)到達(dá)其他ONU。為了避免數(shù)據(jù)沖突并提高網(wǎng)絡(luò)利用效率，上行方向采用時(shí)分多址（TDMA）接入方式并對(duì)各ONU的數(shù)據(jù)發(fā)送進(jìn)行仲裁。ODN由光纖和一個(gè)或多個(gè)無源光分路器和相關(guān)無源光器件等組成，在OLT和ONU間提供光傳輸通道。EPON系統(tǒng)參考結(jié)構(gòu)如圖7-5所示。圖7-5 EPON系統(tǒng)參考結(jié)構(gòu)按照ONU在接入網(wǎng)中所處位置的不同，EPON系統(tǒng)通常有以下幾種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用類型：光纖到路邊（FTTCurb）、光纖到樓宇/分線盒（FTTB/C）、光纖到戶（FTTH）、光纖到辦公室（FTTO）等。配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)中應(yīng)用的EPON光纖網(wǎng)

12、絡(luò)主要有以下三個(gè)部分組成：1）OLT：光線路終端，是xPON網(wǎng)絡(luò)的頭端設(shè)備，負(fù)責(zé)ONU的接入?yún)R聚功能。2）POS（Passive Opical Splitter）：光分配網(wǎng)絡(luò)，打通OLT同ONU的通信光路。3）ONU：光網(wǎng)絡(luò)單元，是xPON網(wǎng)絡(luò)的終端設(shè)備，負(fù)責(zé)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的采集和主站命令的下發(fā)。網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)如圖7-6所示。圖7-6 EPON層次結(jié)構(gòu)2技術(shù)特點(diǎn)EPON的技術(shù)優(yōu)點(diǎn):1）長(zhǎng)距離，高寬帶（20km，1.25G）是EPON的一大優(yōu)點(diǎn)。光纖化的ONU/OLT，非常適合于FTTB和FTTO模式，光纖可以直接到用戶，很好的解決了通信寬帶最后“一公里”的問題。2）帶寬分配靈活，服務(wù)有保證。EPON對(duì)

13、帶寬的分配和保證都有一套完整的體系，EPON可以通過DiffServ、PQ/WFQ、WRED等來實(shí)現(xiàn)用戶級(jí)的SLA。MS-EPON可以根據(jù)需要對(duì)每個(gè)用戶甚至每個(gè)端口實(shí)現(xiàn)基于連接的帶寬分配（區(qū)別于普通交換機(jī)的基于端口的速率限制），并可根據(jù)業(yè)務(wù)合約保證每個(gè)用戶連接的通信質(zhì)量（QoS）。3）節(jié)省光纖資源、對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議透明傳輸。EPON的不足之處：1）組網(wǎng)結(jié)構(gòu)相對(duì)單一，組成樹形和鏈型網(wǎng)，無法實(shí)現(xiàn)ONU級(jí)別的通道保護(hù)。2）對(duì)以太網(wǎng)之外的業(yè)務(wù)支持能力較差。對(duì)于話音業(yè)務(wù)，其QoS是無法得到保障。3）雖然理論上鏈路上可以實(shí)現(xiàn)無限次分光，但設(shè)備廠家的建議是二級(jí)分光，鏈路的延伸受到一定的限制。11.3 無線通信技術(shù)

14、上節(jié)介紹，配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用光纖通信遇到的最大的問題，是在一些建筑密集的城市中心區(qū)施工難，此外，還存在易受外力破壞，站點(diǎn)布局調(diào)整工作量大的缺點(diǎn)；而無線通信具有安裝方便、成本低、抗自然災(zāi)害能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是對(duì)光纖通信的很好補(bǔ)充。對(duì)于城市郊區(qū)、農(nóng)網(wǎng)中一些偏遠(yuǎn)的站點(diǎn)來說，敷設(shè)光纖成本比較高，無線通信是一種很好的替代解決方案。無線通信在國(guó)際上配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)中應(yīng)用的比較廣泛。據(jù)美國(guó)Chartwell公司在2001年發(fā)布的對(duì)配電網(wǎng)自動(dòng)化通信方式的調(diào)查結(jié)果，無線通信的應(yīng)用排在第一位。近年來，光纖通信應(yīng)用有所增多，但無線通信仍然占有相當(dāng)大的比例。我國(guó)早期建設(shè)的配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)主要應(yīng)用光纖通信，對(duì)無線通信的應(yīng)

15、用有限。近年來，一些配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用了無線公網(wǎng)通信（GPRS）。而根據(jù)中國(guó)電監(jiān)會(huì)電力二次系統(tǒng)安全防護(hù)（5號(hào)令）規(guī)定，不得使用無線公網(wǎng)進(jìn)行開關(guān)的遙控操作，因此，GPRS也只是用于上傳故障指示器（FPI）、配變監(jiān)測(cè)終端（TTU）的數(shù)據(jù)。根據(jù)配電網(wǎng)自動(dòng)化通信點(diǎn)多、分散的特點(diǎn)，不可能整個(gè)系統(tǒng)僅使用一種通信方式解決問題，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用要求與站點(diǎn)分布情況，選擇合適的通信方式。為豐富配電網(wǎng)自動(dòng)化通信手段，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)無線通信在配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)中應(yīng)用的研究。無線通信按照網(wǎng)絡(luò)性質(zhì)分為無線公網(wǎng)和無線專網(wǎng)。目前應(yīng)用的無線公網(wǎng)主要是GPRS/CDMA技術(shù)，而無線專網(wǎng)有窄帶數(shù)據(jù)電臺(tái)、擴(kuò)頻電臺(tái)、寬帶無線通信技術(shù)等幾種形式。下

16、面簡(jiǎn)單介紹幾種無線通信方式的原理、優(yōu)缺點(diǎn)以及對(duì)配電網(wǎng)自動(dòng)化通信的適用性。11.3.1 窄帶數(shù)傳電臺(tái)窄帶數(shù)傳電臺(tái)（簡(jiǎn)稱數(shù)傳電臺(tái)）應(yīng)用無線超短波信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)，由發(fā)射、接收機(jī)與調(diào)制解調(diào)器（MODEM）三部分組成，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)串行通信方式，發(fā)射功率在150W之間，傳輸距離在數(shù)公里到數(shù)十公里之間，通信數(shù)率有300bps、600bps、1.2kbps、4.8kbps、9.6kbps、19.2kbps幾種。我國(guó)無線電管理委員會(huì)給用于工業(yè)控制的數(shù)傳電臺(tái)分配的頻段為223.025MHz235.000MHz與821MHz870MHz。窄帶數(shù)傳電臺(tái)具有發(fā)射功率大、覆蓋范圍廣、傳輸時(shí)延小的優(yōu)點(diǎn)，既可用于配電網(wǎng)

17、自動(dòng)化系統(tǒng)分支通信網(wǎng)中配電子站與DRTU之間通信，亦可用于配電子站與配電網(wǎng)自動(dòng)化主站之間的通信。不足之處是電臺(tái)發(fā)射功率大，需要向無線電管理委員會(huì)申請(qǐng)頻點(diǎn)。此外，它只能采用查詢式通信規(guī)約，不支持主動(dòng)上報(bào)功能，更不能支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)對(duì)等（Peer-to-Peer）數(shù)據(jù)傳輸。盡管安裝比較方便，但需要根據(jù)通信距離、兩個(gè)通信站點(diǎn)的之間障礙物情況，對(duì)電臺(tái)的發(fā)射功率、工作頻率以及天線的安裝位置與方向，進(jìn)行合理的配置與選擇，否則將達(dá)不到應(yīng)有的通信效果。參數(shù)的配置與天線的安裝，需要專業(yè)人士來完成并且要有一個(gè)調(diào)試的過程。這可能是除了需要申請(qǐng)頻點(diǎn)外，影響輸出電臺(tái)應(yīng)用的重要障礙。11.3.2 擴(kuò)頻電臺(tái)常規(guī)無線通信，其載波頻

18、譜寬度集中在其載頻附近的窄的帶寬內(nèi)，而擴(kuò)頻通信采用專門的調(diào)制技術(shù)，將調(diào)制后的信息擴(kuò)展到很寬的頻帶上去傳輸，然后在接收端采用與發(fā)送端相同的擴(kuò)頻碼進(jìn)行解調(diào)，還原出發(fā)送的數(shù)據(jù)信息。擴(kuò)頻通信特點(diǎn)主要有：1）擴(kuò)頻電臺(tái)發(fā)射功率大都在1W以內(nèi)，不用申請(qǐng)無線頻點(diǎn)。2）擴(kuò)頻電臺(tái)具有網(wǎng)絡(luò)（IP）與串行（RS-232）通信接口，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)對(duì)等通信方式。3）通信速率高，達(dá)數(shù)百bps。4）通信距離數(shù)km到數(shù)十km。5）具有網(wǎng)絡(luò)自愈功能，可靠性高。若干個(gè)擴(kuò)頻電臺(tái)構(gòu)成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)電臺(tái)既是一個(gè)數(shù)據(jù)收發(fā)終端，也同時(shí)起到中繼器的作用，向其他電臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂绞莿?dòng)態(tài)的，當(dāng)一個(gè)電臺(tái)出現(xiàn)故障時(shí)，

19、可以重新建立傳輸路徑，防止通信中斷。6）采用擴(kuò)頻碼調(diào)制，信噪比大為提高，抗干擾能力強(qiáng)，保密性好。擴(kuò)頻通信可用于配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)分支通信網(wǎng)與主干通信通道。由于不用申請(qǐng)頻點(diǎn)，且組網(wǎng)靈活，因而擴(kuò)頻通信在配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用多于窄帶電臺(tái)。其不足之處，也是參數(shù)配置與調(diào)試工作量大。11.3.3 寬帶無線通信目前應(yīng)用的比較多的寬帶無線通信技術(shù)是WiMAX，它是基于IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)的一項(xiàng)無線城域網(wǎng)技術(shù)，可提供最后一公里的固定和移動(dòng)寬帶無線接入。目前已經(jīng)發(fā)布的802.16系列標(biāo)準(zhǔn)有802.16、802.16a、802.16c、802.16d和802.16e，其中802.16d標(biāo)準(zhǔn)（發(fā)布名稱為IEEE8

20、02.16-2004）是802.16、802.16a和802.16c的整合和修訂版本，主要對(duì)工作于266GHz頻段的固定無線接入系統(tǒng)空中接口的物理層（PHY）和媒質(zhì)接入層（MAC）進(jìn)行規(guī)范，是目前最成熟和最具實(shí)用性的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)；而802.16e標(biāo)準(zhǔn)（發(fā)布名稱為IEEE 802.16-2005）則是為了支持移動(dòng)性而制定的標(biāo)準(zhǔn)，它增加了對(duì)小于6GHz許可頻段移動(dòng)無線接入的支持，支持用戶站以120km/h的車輛速度移動(dòng)，支持基站或扇區(qū)間的高層切換功能。除以上版本外，正在發(fā)展和計(jì)劃發(fā)展的802.16系列標(biāo)準(zhǔn)還包括802.16f、802.16g、802.16h、802.16i、802.16k、802.16

21、m等版本，基于這些標(biāo)準(zhǔn)的WiMAX技術(shù)也將逐步被完善。WiMAX技術(shù)支持ATM和IP兩種數(shù)據(jù)接口，主要應(yīng)用于高速傳輸?shù)臄?shù)據(jù)業(yè)務(wù)，但它同時(shí)也支持語(yǔ)音、視頻等多媒體業(yè)務(wù)的傳輸。802.16d系統(tǒng)在采用OFDM調(diào)制方式和20MHz信道帶寬下，最大傳輸 速率可達(dá)75Mbit/s，最大的覆蓋范圍可達(dá)50km，典型的覆蓋半徑為515km，因此已成為解決接入網(wǎng)“最后一公里”瓶頸的有效手段。而802.16e系統(tǒng)在5MHz的信道帶寬下，也可以實(shí)現(xiàn)15Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，它的典型覆蓋范圍為幾公里。WiMAX技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：1）提供距離最遠(yuǎn)至50km的無線信號(hào)傳輸，只要建設(shè)少量的基站就能實(shí)現(xiàn)全城覆蓋。2）最大帶寬

22、75 Mbit/s,具備QoS保證能力。可用WiMAX無線網(wǎng)絡(luò)輔助電力光纖網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)便捷、經(jīng)濟(jì)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋。3）電力系統(tǒng)的微波塔、變電站可作為基站的設(shè)置資源，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)周期短。WiMAX不足之處：1）WiMAX的產(chǎn)業(yè)規(guī)模以及技術(shù)和設(shè)備的成熟性還難以與現(xiàn)有的無線公網(wǎng)相比，相應(yīng)的安全管理等經(jīng)驗(yàn)不足。2）使用3.5G頻段，需要向無委會(huì)申請(qǐng)。3）一次性投資較大。4）網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)需要專業(yè)人員，成本較大。WiMAX被認(rèn)為是一種有前途的智能配電網(wǎng)通信技術(shù)。國(guó)外有供電企業(yè)在嘗試使用它完成配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)與智能電表通信。我國(guó)目前還沒有這方面的應(yīng)用報(bào)道。11.3.4 無線公網(wǎng)通信無線公網(wǎng)通信技術(shù)有全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（GS

23、M）與碼分多址系統(tǒng)（CMDA）兩種。目前，在配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)中應(yīng)用的主要是GSM中的GPRS。GPRS（General Packet Radio Service）是在現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)上開通的一種新型分組數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，具有永遠(yuǎn)在線、快速登陸、按數(shù)據(jù)流量計(jì)費(fèi)、自如切換、高速傳送、 安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。GPRS通信網(wǎng)絡(luò)能夠滿足可持續(xù)傳送業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的需求，并且能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)的交互數(shù)據(jù)傳送，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包為單位，每個(gè)數(shù)據(jù)包的大小不超過1024字節(jié)，通信網(wǎng)絡(luò)傳送一包數(shù)據(jù)的時(shí)延不超過1500ms。GPRS通信網(wǎng)絡(luò)能夠滿足可持續(xù)傳送業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的需求，并且能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)的交互數(shù)據(jù)傳送，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包為單位，每個(gè)數(shù)據(jù)包的大

24、小不超過1024字節(jié)，通信網(wǎng)絡(luò)傳送一包數(shù)據(jù)的時(shí)延不超過1500ms。使用GPRS可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)以及點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸。GPRS通信技術(shù)在傳輸速率，信號(hào)覆蓋范圍等方面有突出的優(yōu)勢(shì)，比較適合遠(yuǎn)程電能抄表，遠(yuǎn)程變壓器監(jiān)控，遠(yuǎn)程儀表監(jiān)控等領(lǐng)域的通信要求。對(duì)于一些分散在邊遠(yuǎn)地區(qū)的配電網(wǎng)監(jiān)控點(diǎn)來說，建設(shè)專用的通信通道投資比較大，使用社會(huì)上電信運(yùn)營(yíng)商提供的GPRS通信服務(wù)是一種比較合適的選擇。相對(duì)于其他通信方式，GPRS的不足之處是傳輸延遲較大， 有“掉線”現(xiàn)象，但能夠滿足大部分配電網(wǎng)自動(dòng)化應(yīng)用要求，是可以接受的。我國(guó)一些城市配電網(wǎng)自動(dòng)化工程實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，GPRS通信的在線率可以達(dá)到95%以上。考慮到安

25、全防護(hù)要求，GPRS網(wǎng)絡(luò)和配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)主網(wǎng)絡(luò)之間需要加入物理隔離裝置。根據(jù)電監(jiān)會(huì)5號(hào)令電力二次系統(tǒng)安全防護(hù)規(guī)定， 作為公網(wǎng)的GPRS不能用于遙控場(chǎng)合，在我國(guó)GPRS只能用于“一遙”、“二遙”終端的通信。5號(hào)令主要是針對(duì)變電站監(jiān)控制定的，至于中壓配電網(wǎng)控制是否有必要這樣要求，還有待于探討。事實(shí)上，國(guó)際上很多DA工程都使用公共電話或移動(dòng)通信網(wǎng)，在采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施后，其安全性是有保證的。11.4 配電線載波技術(shù) （3000）11.4.1 常規(guī)載波通信的問題電力線路載波（Power Line Carrier，PLC）利用電力線路作為信號(hào)傳輸通道，具有投資小、覆蓋面廣的優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是一種理想的電力

26、系統(tǒng)通信方式。盡管PLC在高壓與超高壓線路中有著廣泛的應(yīng)用，但將其用于配電線路卻有著許多實(shí)際的困難：1）出于成本等方面的考慮，配電線路載波（Distribution Line Carrier，DLC）不像在輸電線路中那樣使用阻波器將信號(hào)的傳播限制在線路兩端之間，載波信號(hào)受電源、分支線與負(fù)荷的影響，衰減比較大。2）配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)多變，對(duì)信號(hào)耦合與傳播有影響。分段開關(guān)打開后造成信號(hào)通路斷開，需在開關(guān)兩側(cè)安裝信號(hào)耦合中繼設(shè)備。3）信號(hào)經(jīng)過變壓器時(shí)的衰減大。4）信號(hào)在線路端點(diǎn)或阻抗不匹配點(diǎn)產(chǎn)生反射，反射信號(hào)與入射信號(hào)相互疊加可能造成“陷波”現(xiàn)象，使得一些點(diǎn)處于信號(hào)的波谷位置，信號(hào)幅值很小，影響檢測(cè)靈敏度。

27、5）線路故障影響通信可靠性。鑒于以上原因，利用配電線路導(dǎo)體的DLC難以滿足配電網(wǎng)監(jiān)控對(duì)可靠性與實(shí)時(shí)性的要求，因此在配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)中應(yīng)用的較少。目前，DLC主要用于自動(dòng)讀表系統(tǒng)中，解決用戶電表到安裝公共配電變壓器處的數(shù)據(jù)集中器之間的通信問題。11.4.2 電纜屏蔽層載波城市配電網(wǎng)中大量使用電力電纜，而利用電纜的絕緣屏蔽層（外屏蔽層）在電纜兩端進(jìn)行載波通信，信號(hào)在屏蔽層與大地（金屬護(hù)套）之間傳播，減少了電源、負(fù)荷等因素的影響，提高了通信可靠性。典型的三相統(tǒng)包型中壓交聯(lián)聚乙烯電纜的結(jié)構(gòu)如圖7-7所示，各導(dǎo)體線芯絕緣外為分相銅絲或銅皮屏蔽層，用于將電纜電場(chǎng)限制在電纜內(nèi)部與保護(hù)電纜免受外部電場(chǎng)干擾作用

28、；纏繞銅屏蔽的三個(gè)線芯與填充料放置在一起，由內(nèi)絕緣護(hù)層（套）統(tǒng)一包裹，內(nèi)絕緣護(hù)層的材料為塑料，起到防水、防潮作用；內(nèi)絕緣護(hù)層外為鋼帶或鋼絲鎧裝，稱為金屬護(hù)層，起到保護(hù)電纜免受外力破壞的作用；金屬護(hù)層外為外絕緣護(hù)層（套）。可見，銅屏蔽層與金屬護(hù)層之間有一層絕緣與防水性能都較好的內(nèi)絕緣護(hù)層，這樣在銅屏蔽層與金屬護(hù)層之間就構(gòu)成了一個(gè)良好的信號(hào)回路，可用來傳輸載波信號(hào)。 圖7-7 三芯中壓交聯(lián)聚乙烯電纜的典型結(jié)構(gòu)利用電纜屏蔽層的DLC有兩種信號(hào)耦合方式：1）注入式耦合，如圖7-8（a）所示。載波信號(hào)通過一耦合變壓器注入到電纜屏蔽層與大地之間回路中。電纜正常運(yùn)行時(shí)，三個(gè)線芯的屏蔽層和金屬護(hù)套都是接地的。

29、安裝耦合設(shè)備時(shí)，需把屏蔽層的接地解開，將耦合變壓器接在屏蔽層與大地之間。注入式耦合的信號(hào)耦合效果好，但安全起見，安裝時(shí)需要停電。2）卡接式耦合?？ń邮今詈掀鞯蔫F芯采用開合式結(jié)構(gòu)，安裝時(shí)卡在電纜上，鐵芯上的裝有高頻線圈用于將載波信號(hào)耦合到電纜上去。這種耦合方式的信號(hào)耦合效果相對(duì)較差，好處是安裝時(shí)不需要停電，施工方便。實(shí)際工程中，耦合器往往直接卡接到電纜金屬護(hù)層外面，如圖7-8（b）所示，這樣信號(hào)實(shí)際上是在屏蔽層、金屬護(hù)層（二者均在電纜頭處接地）與大地之間傳播的，受護(hù)層絕緣不良、大地導(dǎo)電率等因素的影響，傳輸距離有限。 （a） （b）圖7-8 電纜屏蔽層DLC系統(tǒng)（a）注入式耦合方式 （b）卡接式耦

30、合方式屏蔽層載波一般用于一段電纜兩端之間的通信，當(dāng)跨越兩段電纜時(shí)，則需要使用信號(hào)耦合網(wǎng)橋進(jìn)行通信連接，如圖7-9所示。網(wǎng)橋?qū)d波信號(hào)的衰減較大，當(dāng)級(jí)數(shù)較多時(shí)（如三級(jí)以后），可能因?yàn)樾盘?hào)衰減過大而無法可靠通信。必要時(shí)，可使用載波中繼技術(shù)，進(jìn)行分級(jí)組網(wǎng)。圖7-9 卡接式耦合網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)兩段電纜之間的通信連接電纜屏蔽層載波具有投資小、易于實(shí)施，受外力破壞的機(jī)會(huì)較小的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于光纜施工困難的場(chǎng)合，是一種很好的替代通信方案，因此，在我國(guó)的配電網(wǎng)自動(dòng)化工程中有著一定量的應(yīng)用。其不足之處是通信受一次系統(tǒng)電壓、電流變化的干擾影響，易出現(xiàn)誤碼。11.5 配電子站 （2000）11.5.1 功能和作用配電子站是一個(gè)安

31、裝在變電站或開閉所內(nèi)，收集處理一個(gè)供電小區(qū)內(nèi)DRTU數(shù)據(jù)的站端裝置。按照其實(shí)現(xiàn)的功能可以通信子站和監(jiān)控子站兩類。1）通信子站，稱為通信處理機(jī)，作為配網(wǎng)自動(dòng)化主站與DRTU之間的中間連接節(jié)點(diǎn)，能夠匯集小區(qū)內(nèi)DRTU數(shù)據(jù)，進(jìn)行規(guī)約轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。2）監(jiān)控子站，在完成通信處理機(jī)功能的基礎(chǔ)上，增加FLISR控制功能，并能提供必要的人機(jī)界面，完成一些基本的運(yùn)行監(jiān)控與系統(tǒng)調(diào)試維護(hù)功能。設(shè)置配電子站可以減少實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)與控制命令的傳輸處理層次，能夠不依賴于上級(jí)主站進(jìn)行FLISR，提高了控制速度與可靠性。在開展配網(wǎng)自動(dòng)化工作的初期，出于對(duì)主站的處理大量數(shù)據(jù)能力與穩(wěn)定性的擔(dān)心，不少供電企業(yè)選擇了由配電子站進(jìn)行F

32、LISR的做法，但設(shè)置配電子站也帶來了管理層次增加、系統(tǒng)的總體投資與管理維護(hù)工作量加大等問題。目前，配網(wǎng)自動(dòng)化主站技術(shù)日趨成熟，其數(shù)據(jù)處理能力與可靠性大為提高；另一方面可以采用基于對(duì)等通信的分布式智能控制（見本手冊(cè)3.4節(jié)的介紹）提高FLISR速度。因此，現(xiàn)在新建的配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)一般不再使用具有監(jiān)控功能的配電子站，而只是在采用串行通道時(shí)設(shè)置通信子站，用以優(yōu)化配網(wǎng)自動(dòng)化通信通道結(jié)構(gòu)（詳細(xì)見第7章“配網(wǎng)自動(dòng)化通信技術(shù)”的介紹）。此外，對(duì)一些規(guī)模不太大的配電網(wǎng)（如縣級(jí)配電網(wǎng)），監(jiān)控點(diǎn)不是很多，使用一個(gè)配電子站即可構(gòu)成一個(gè)小型的FA系統(tǒng)，完成FLISR控制。配電網(wǎng)的SCADA功能由調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)完成，

33、配電子站與調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)通信，交換監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。這種方式易于建設(shè)，投資少，特別適用于在已有調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)基礎(chǔ)上擴(kuò)展FA功能。據(jù)有關(guān)資料介紹，韓國(guó)就在農(nóng)村小城鎮(zhèn)配電網(wǎng)投運(yùn)了200多套這種小規(guī)模的配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)。11.5.2 構(gòu)成11.6 通信網(wǎng)設(shè)計(jì) （4000）根據(jù)配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)多、分散、節(jié)點(diǎn)通信數(shù)據(jù)量少的特點(diǎn)，不宜像在調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)中那樣，建設(shè)直接把主站與變電站內(nèi)終端裝置連接在一起的通信通道，而是采用主干通道與分支通信網(wǎng)相結(jié)合的結(jié)構(gòu)。這樣既可以優(yōu)化通道配置，減少通道投資，又使得系統(tǒng)層次清楚，便于通信網(wǎng)的建設(shè)、管理和維護(hù)。圖7-1給出了一個(gè)典型的配電網(wǎng)自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由主干通道、分支通信網(wǎng)

34、、通信網(wǎng)關(guān)或配電子站構(gòu)成。主干通道是主站與變電站或開閉所之間的數(shù)據(jù)傳輸通道。分支通信網(wǎng)變電站或開閉所與附近小區(qū)內(nèi)配電終端（DRTU）之間的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)。通信網(wǎng)關(guān)或配電子站是主干通道與分支通信網(wǎng)之間的連接點(diǎn)，一般安裝在HV/MV變電站或選定的開閉所、配電所內(nèi)，實(shí)現(xiàn)附近小區(qū)內(nèi)（大致是一個(gè)變電站的供電范圍）DRTU與主站之間的數(shù)據(jù)的匯集、轉(zhuǎn)發(fā)。主干通道數(shù)據(jù)傳輸量比較大，支持的通信速率在64k-2M bits/s之間?，F(xiàn)在，我國(guó)地、市一級(jí)的供電企業(yè)一般都建成了覆蓋所管轄變電站的SDH光纖骨干傳輸網(wǎng)?？衫眠@個(gè)骨干傳輸網(wǎng)提供的信道作為配電網(wǎng)自動(dòng)化通信的骨干通道。以前，配電網(wǎng)自動(dòng)化通常采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)串行通信方式

35、，需要使用配電子站進(jìn)行規(guī)約轉(zhuǎn)換，將來自DRTU（或主站）的數(shù)據(jù)重新打包、封裝后向主站（或DRTU）傳輸。發(fā)展方向是采用IP通信方式，使用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)作為通信網(wǎng)關(guān)連接骨干通道與分支通信網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)DRTU與主站之間的透明傳輸。IP通信方式省去了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)節(jié)，避免了使用專門設(shè)計(jì)的配電子站，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、數(shù)據(jù)傳輸速度快、且便于安裝調(diào)試與管理維護(hù)。分支通信網(wǎng)站點(diǎn)多而分散，每一個(gè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸量小，通信距離比較短（在一個(gè)變電站供電半徑內(nèi)），難以僅使用一種通信方式解決問題。實(shí)際工程中往往根據(jù)滿足應(yīng)用要求、經(jīng)濟(jì)、可靠的原則，因地制宜，選擇合適地通信方式。分支通信網(wǎng)常用的通信技術(shù)有光纖、無線專網(wǎng)、公共移動(dòng)通信網(wǎng)（

36、GPRS/CDMA）配電載波等，詳見下面的介紹。圖7-1 配電網(wǎng)自動(dòng)化通信網(wǎng)的結(jié)構(gòu)11.7 配電網(wǎng)自動(dòng)化通信協(xié)議基本概念 （5000）11.7.1 基本概念通信協(xié)議是通信實(shí)體間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的協(xié)議，工程上習(xí)慣上稱為通信規(guī)約（Protocol）。通信協(xié)議規(guī)定怎樣開始/結(jié)束通信，誰管理通信，怎樣傳輸信息，數(shù)據(jù)是怎樣表示與保護(hù)的，工作機(jī)理，支持的數(shù)據(jù)類型、“命令”，怎樣檢測(cè)/糾正錯(cuò)誤等。通信協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化早期的電力遠(yuǎn)動(dòng)（即電力監(jiān)控）通信協(xié)議是自發(fā)形成的，各個(gè)電力自動(dòng)化設(shè)備制造商以及電力企業(yè)根據(jù)自自的設(shè)備及應(yīng)用情況，開發(fā)出了許多不同的通信協(xié)議。世界各地應(yīng)用的不同版本的電力遠(yuǎn)動(dòng)通信協(xié)議有近百種，它們互相之間

37、不兼容，各種自動(dòng)化設(shè)備之間難以直接互聯(lián)，給自動(dòng)化系統(tǒng)集成帶來了極大的不便，造成了很大的投資浪費(fèi)。為改變這一局面，國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）在1980年代初期成立了TC57技術(shù)委員會(huì)，開始制定電力遠(yuǎn)動(dòng)通信協(xié)議，已頒布的通信協(xié)議有IEC 60870-5系列遠(yuǎn)動(dòng)通信協(xié)議體系、IEC 60870-6系列計(jì)算機(jī)（控制中心）數(shù)據(jù)通信協(xié)議體系以及IEC 61334-4 系列使用配電載波的配電網(wǎng)自動(dòng)化通信協(xié)議。早期的配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)使用的規(guī)約有DNP3.0、Modbus、SC1801等，近年來，IEC 60870-5-101/104獲得了廣泛的應(yīng)用。我國(guó)是IEC成員國(guó)，原則上是等同采用IEC標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)在，我國(guó)新建

38、的配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)普遍使用IEC 60870-5-101/104?，F(xiàn)有的遠(yuǎn)動(dòng)通信協(xié)議（IEC 60870-5-101/104、DNP3.0等）采用面向過程的抽象數(shù)據(jù)模型，即把監(jiān)控信息抽象為模擬量、狀態(tài)量、遙控量等幾種類型的數(shù)據(jù)打包傳輸，沒有對(duì)數(shù)據(jù)模型做出統(tǒng)一的規(guī)定，通信配置調(diào)試工作量大，不能實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)自動(dòng)化設(shè)備的即插即用。為解決這些問題，IEC TC57成立了專門的工作組，研究擴(kuò)展變電站自動(dòng)化通信標(biāo)準(zhǔn)IEC 61850，使其覆蓋電力遠(yuǎn)動(dòng)通信。因此，配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)通信協(xié)議研究與應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)是IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)。開放式系統(tǒng)互聯(lián)模型的應(yīng)用現(xiàn)在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織新頒布的電力系統(tǒng)通信協(xié)議，都是依據(jù)開放

39、式系統(tǒng)互聯(lián)模型標(biāo)準(zhǔn)OSI制定的。OSI是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO為保證不同的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間能夠相互通信交換數(shù)據(jù)定義的。OSI模型將通信協(xié)議分成物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會(huì)話層、表示層和應(yīng)用層7個(gè)層次上的內(nèi)容。當(dāng)然，并不是所有的通信協(xié)議都符合OSI模型，如早期的部頒循環(huán)遠(yuǎn)動(dòng)協(xié)議CDT、查詢式遠(yuǎn)動(dòng)協(xié)議SC1801就沒有OSI模型規(guī)定的層次劃分。目前，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信中應(yīng)用比較廣泛的TCP/IP協(xié)議，由于制定時(shí)間較早，也不完全符合OSI模型，實(shí)際上它只是包含了一部分傳輸層及網(wǎng)絡(luò)層的內(nèi)容。不過，按照OSI模型要求制定通信協(xié)議是發(fā)展趨勢(shì)，目前IEC、IEEE等國(guó)際性組織制定的通信協(xié)議如IEC 60

40、870-5-101、ICCP（TASE2）等都是符合OSI模型結(jié)構(gòu)的。需要指出，我們實(shí)際工作中講的通信協(xié)議，往往有兩個(gè)含義。一個(gè)含義是指一個(gè)完整的通信協(xié)議組或體系，它包含了一個(gè)具體應(yīng)用中兩個(gè)通信實(shí)體進(jìn)行數(shù)據(jù)交換需要的所有層次上的協(xié)議，如IEC 60870-5-101協(xié)議，包含了物理層、鏈路層及應(yīng)用層三個(gè)層次的內(nèi)容；另一個(gè)含義只是指一個(gè)具體層次上的通信協(xié)議，如TCP/IP僅僅包含傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層的部分內(nèi)容，它必須和其他層次上的協(xié)議配合，才能真正的實(shí)現(xiàn)兩個(gè)通信實(shí)體間的數(shù)據(jù)交換。根據(jù)協(xié)議的層次結(jié)構(gòu)，目前配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)通信協(xié)議可分為兩種：一種用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接的專線通道（如IEC 60870-5-101）

41、，包括物理層、鏈路層以及應(yīng)用層三個(gè)層次的內(nèi)容，如圖7-10（a）所示；另一種用于IP通信網(wǎng)絡(luò)（如IEC 60870-5-101），除前述三個(gè)層次上的內(nèi)容，還使用TCP/IP作為網(wǎng)絡(luò)層傳輸協(xié)議，如圖7-10（b）所示。（a） (b)圖7-10 配電自動(dòng)化通信協(xié)議的層次（a）專線通道 (b) 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)11.7.2 IEC 60870-5系列遠(yuǎn)動(dòng)協(xié)議常規(guī)配電網(wǎng)自動(dòng)化通信協(xié)議指現(xiàn)在配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)普遍使用的協(xié)議，主要有IEC 60870-5-101、IEC 60870-5-104、DNP3.0。IEC 60870-5-1011990年代初期，IEC頒布了60870-5系列遠(yuǎn)動(dòng)協(xié)議。它遵循OSI七層參考

42、模型，規(guī)定了物理層、鏈路層和應(yīng)用層三個(gè)層次之間的內(nèi)容，其中IEC 60870-5-101、IEC 60870-5-102、IEC 60870-5-103三個(gè)通信協(xié)議，分別適用于電力遠(yuǎn)動(dòng)、電能計(jì)量、繼電保護(hù)設(shè)備通信。我國(guó)已把IEC 60870-5-101協(xié)議（簡(jiǎn)稱101協(xié)議）作為電力遠(yuǎn)動(dòng)通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（非等效采用），因此，應(yīng)是配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)優(yōu)先考慮選用的協(xié)議。（1）物理層物理層規(guī)定了連接器機(jī)械特性、邏輯電平、位元寬度、接口線的定義與功能、連接線建立和切斷等內(nèi)容，提供傳送“1”、“0”碼的物理?xiàng)l件。101協(xié)議適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通道可以是雙工或半雙工，所規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸基本方式為8個(gè)數(shù)

43、據(jù)位、1個(gè)起始位和1個(gè)奇偶校驗(yàn)位。101協(xié)議采用國(guó)際電信聯(lián)盟ITU（CCITT）推薦的V和X系列數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）數(shù)據(jù)連接設(shè)備（DCE）標(biāo)準(zhǔn)。常用的是EIA/RS232/422/485電氣接口。（2）鏈路層鏈路層規(guī)定了建立鏈路聯(lián)系，從一點(diǎn)向另一點(diǎn)的傳送數(shù)據(jù)幀功能，包括數(shù)據(jù)“發(fā)出站”、“目的站”地址、連接控制信息、糾錯(cuò)處理等內(nèi)容。101協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式包括幀頭、應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元（Application Service Data Uni，ASDU）、校驗(yàn)碼及幀尾，其中ASDU是協(xié)議所傳送的信息體。數(shù)據(jù)幀又分為傳送鏈路信息的固定長(zhǎng)度幀、傳送應(yīng)用數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度可變幀以及握手信息幀。一幀中的應(yīng)用數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不

44、超過255個(gè)字節(jié)。（3） 應(yīng)用層101協(xié)議應(yīng)用層定義提供的應(yīng)用服務(wù)與應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元（Application Service Data Unit，ASDU）。101協(xié)議提供的應(yīng)用服務(wù)有：1）站點(diǎn)初始化2）召喚模擬量3）模擬量循環(huán)傳輸4）召喚狀態(tài)量5）總召喚6）時(shí)鐘同步7）控制命令傳輸8）累加量傳輸9）參數(shù)上載10）測(cè)試過程11）文件傳輸12）獲取傳輸延時(shí)ASDU的格式如表7-1所示。表中類型標(biāo)識(shí)說明信息體類型、結(jié)構(gòu)、格式。信息體順序說明信息體數(shù)據(jù)元素是否按順序排。公共地址指的是分站地址。信息體地址是數(shù)據(jù)序號(hào)，在數(shù)據(jù)按順序排時(shí)，所有的數(shù)據(jù)序號(hào)是連續(xù)的，只有一個(gè)地址，是第一個(gè)數(shù)據(jù)的序號(hào)，而在數(shù)據(jù)是

45、任意排列順序時(shí)，每一個(gè)數(shù)據(jù)前都有該數(shù)據(jù)的地址；信息體元素包括遠(yuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)，如模擬量輸入、數(shù)字量輸入、事件輸入等；信息體時(shí)標(biāo)是時(shí)間標(biāo)簽，在傳送遙信與遙測(cè)事件記錄時(shí)使用。表7-1 ASDU應(yīng)用數(shù)據(jù)單元格式ASDUASDU的域數(shù)據(jù)單元標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)單元類型類型標(biāo)識(shí)ASDU長(zhǎng)度信息體順序傳送原因公共地址信息體信息體地址信息體元素信息體時(shí)標(biāo)（4） 平衡式與非平衡式傳輸方式101協(xié)議有兩種傳輸方式：平衡式與非平衡式。在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)全雙工通道結(jié)構(gòu)中采用平衡式傳輸方式，在其它通道結(jié)構(gòu)中采用非平衡式傳輸方式。平衡式傳輸方式下，主站端和分站端都可以作為啟動(dòng)站；而在非平衡式傳輸方式時(shí)，只有主站端可以作為啟動(dòng)站。IEC 60870-

46、5-101在配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用101協(xié)議既可用于分支通信網(wǎng)中配電子站與DRTU之間的通信，也可用于主站與配電子站之間的通信。配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)中使用的串行通道一般都是半雙工的，因此只能使用非平衡傳輸方式。101協(xié)議是為EMS中變電站與主站之間的通信制定的，用于配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)時(shí)，還需要針對(duì)配電網(wǎng)自動(dòng)化應(yīng)用特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行必要的修改、補(bǔ)充。例如，101協(xié)議給鏈路（站點(diǎn)）地址分配了兩個(gè)字節(jié)，最多支持256個(gè)站點(diǎn)的通信。對(duì)EMS來說，256個(gè)站點(diǎn)地址能夠滿足應(yīng)用要求，而配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)中的通信站點(diǎn)有可能大于256個(gè)，因此，有些情況下需要修改協(xié)議，擴(kuò)充站址數(shù)。配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)中主站或配電子站與DRT

47、U之間的通道常采用半雙工的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)結(jié)構(gòu)。在這種通道結(jié)構(gòu)下，101協(xié)議不支持配網(wǎng)終端主動(dòng)上報(bào)數(shù)據(jù)，只能采用查詢的方式讀取開關(guān)變位、故障等異常事件信息。當(dāng)DRTU較多時(shí)，采用問答方式把所有的站點(diǎn)訪問一遍，花費(fèi)的時(shí)間比較長(zhǎng)，往往會(huì)影響異常事件信息的上傳與處理。這是其用于配電網(wǎng)自動(dòng)化存在的一大問題。11.7.2.1 IEC 60870-5-104為滿足在電力系統(tǒng)中應(yīng)用IP網(wǎng)絡(luò)傳輸遠(yuǎn)動(dòng)信息的要求，IEC TC57在IEC 60870-5-101基本遠(yuǎn)動(dòng)任務(wù)配套標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上制定了IEC 60870-5-104協(xié)議（簡(jiǎn)稱104協(xié)議）。它增加了TCP/IP協(xié)議層次，以滿足在廣域數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)上的兩點(diǎn)之間進(jìn)行對(duì)等通信

48、的需要。IP網(wǎng)絡(luò)對(duì)于主站（子站）端和配網(wǎng)終端來說都是一個(gè)全雙工高速網(wǎng)絡(luò)，使得104協(xié)議能夠采用平衡傳輸方式，在DRTU有數(shù)據(jù)變化時(shí)，不管主站有沒有進(jìn)行召喚，配網(wǎng)終端都可主動(dòng)上報(bào)；此外，還支持配網(wǎng)終端之間對(duì)等交換數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)分布式智能控制。因此，應(yīng)用IP通信網(wǎng)絡(luò)與104協(xié)議是配電網(wǎng)自動(dòng)化通信的方向。（1）104協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)104協(xié)議的結(jié)構(gòu)遵循開放式系統(tǒng)互聯(lián)的ISO-OSI參考模型，采用了其中的5層，如圖7-11所示。它實(shí)際上是處于應(yīng)用層位置上協(xié)議。基于TCP / IP的應(yīng)用層協(xié)議很多,每一種應(yīng)用層協(xié)議都對(duì)應(yīng)著一個(gè)網(wǎng)絡(luò)端口號(hào)。其中TCP協(xié)議是一種面向連接的協(xié)議，為用戶提供可靠的、全雙工的字節(jié)流服務(wù)

49、，具有確認(rèn)、流控制、多路復(fù)用和同步等功能，適用于數(shù)據(jù)傳輸；而UDP協(xié)議則是無連接的，每個(gè)分組都攜帶完整的目的地址，各分組在系統(tǒng)中獨(dú)立地從數(shù)據(jù)源走到終點(diǎn)，它不保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸，也不提供重新排列次序或重新請(qǐng)求功能。為保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸，104協(xié)議傳輸層使用的是TCP協(xié)議，其對(duì)應(yīng)的端口號(hào)為2404，已經(jīng)得到互聯(lián)網(wǎng)地址分配機(jī)構(gòu)（Internet Assigned Numbers Authority，IANA）的確認(rèn)。圖7-11 IEC 60870-5-104規(guī)約參考模型（2）應(yīng)用規(guī)約數(shù)據(jù)單元協(xié)議104協(xié)議的應(yīng)用規(guī)約數(shù)據(jù)單元（APDU）由應(yīng)用規(guī)約控制信息（Application Protocol Co

50、ntrol Information，APCI）和應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元（ASDU）組成，如圖7-12所示。圖7-12 IEC 60870-5-104協(xié)議應(yīng)用規(guī)約數(shù)據(jù)單元傳輸接口（TCP到用戶）是一個(gè)定向流接口，它沒有為ASDU定義任何啟動(dòng)或者停止機(jī)制。為了檢測(cè)出ASDU的啟動(dòng)和結(jié)束，每個(gè)APCI包括下列定界元素：?jiǎn)?dòng)字、APDU長(zhǎng)度以及控制域。啟動(dòng)字符68H定義了數(shù)據(jù)流中的起點(diǎn)。APDU長(zhǎng)度定義了APDU的長(zhǎng)度?？刂朴虬?個(gè)8位位組，根據(jù)其定義，將APDU分成3種報(bào)文格式：I格式報(bào)文，包含ASDU，用于傳送應(yīng)用數(shù)據(jù)；S格式報(bào)文，不包含ASDU，用于當(dāng)報(bào)文接收方收到發(fā)送方的I格式報(bào)文且沒有I格式報(bào)文

51、需要發(fā)送給對(duì)方時(shí)，對(duì)所接收到的報(bào)文進(jìn)行確任；U格式報(bào)文，也不包含ASDU，其作用主要是啟動(dòng)終端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸(STARTDT)、停止終端的數(shù)據(jù)傳輸(STOPDT)與TCP鏈路測(cè)試(TESTFR)。104 協(xié)議規(guī)定一個(gè)APDU 報(bào)文（包括啟動(dòng)字符和長(zhǎng)度標(biāo)識(shí)）不能超過255 個(gè)字節(jié)，因此，APDU最大長(zhǎng)度為253（255減去啟動(dòng)和長(zhǎng)度標(biāo)識(shí)共兩個(gè)8 位位組），ASDU 的最大長(zhǎng)度為249。104協(xié)議的ASDU與101協(xié)議的ASDU兼容，增加了類型標(biāo)識(shí)為58到64，以及類型標(biāo)識(shí)為107的新ASDU，主要用于帶時(shí)標(biāo)的命令。（3）防止數(shù)據(jù)丟失與重復(fù)傳輸?shù)拇胧㊣P網(wǎng)絡(luò)所提供的服務(wù)是不可靠的分組傳送。當(dāng)傳送過程

52、中出現(xiàn)錯(cuò)誤以及在網(wǎng)絡(luò)硬件失效或網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷太重時(shí)，有可能會(huì)造成數(shù)據(jù)包的丟失、延遲、重復(fù)和亂序，因此，應(yīng)用層協(xié)議必須使用超時(shí)和重傳機(jī)制。104協(xié)議的I格式報(bào)文控制域，定義了發(fā)送序號(hào)N（S）和接收序號(hào)R（S）。發(fā)送方每發(fā)送一個(gè)I格式報(bào)文，其發(fā)送序號(hào)應(yīng)加1；接收方每接收到一個(gè)與其接收序號(hào)相等的I格式報(bào)文后，其接收序號(hào)也應(yīng)加1。每次重新建立TCP連接后，主站（子站）和終端的接收序號(hào)和發(fā)送序號(hào)都應(yīng)清零。因此，在雙方開始數(shù)據(jù)傳送后，每當(dāng)接收方收到1個(gè)I格式報(bào)文，都應(yīng)判斷此I格式報(bào)文的發(fā)送序號(hào)是否等于自己的接收序號(hào)。若二者相等，說明報(bào)文傳送正常，將自己的接收序號(hào)加1。若此I格式報(bào)文的發(fā)送序號(hào)大于自己的接收序號(hào)，

53、說明發(fā)送方發(fā)送的一些報(bào)文出現(xiàn)了丟失；若此I格式報(bào)文的發(fā)送序號(hào)小于自己的接收序號(hào)，則意味著發(fā)送方出現(xiàn)了重復(fù)傳送。11.7.2.2 DNP3.0DNP3.0是1993年由加拿大HARRIS（原Westronic公司）推出的，2000年被美國(guó)電氣電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）推薦為SCADA系統(tǒng)主站與遠(yuǎn)方終端（RTU）之間的通信協(xié)議，2010年被列為IEEE標(biāo)準(zhǔn)IEEE Std 1815-2010。DNP3.0在北美地區(qū)有著廣泛的應(yīng)用。我國(guó)早期的一些配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)也使用了DNP3.0，原國(guó)家電力公司在2001年頒布的配電網(wǎng)自動(dòng)化監(jiān)控終端通信協(xié)議與DNP3.0類似。當(dāng)初制定DNP3.0時(shí)，101協(xié)議已部

54、分完成，因此DNP3.0參照了101協(xié)議，與101協(xié)議是基本兼容的。其主要的不同點(diǎn)有：1傳輸層按照IEC 60870-5的規(guī)定，鏈路層每一幀所傳送的應(yīng)用數(shù)據(jù)不超過255個(gè)字節(jié)，為此，DNP3.0增加了一個(gè)傳輸層，將超過255個(gè)字節(jié)的應(yīng)用數(shù)據(jù)分成若干個(gè)不超過255字節(jié)的數(shù)據(jù)段，送到鏈路層傳輸。2分站主動(dòng)上報(bào)信息DNP3.0支持分站主動(dòng)上報(bào)信息方式，如果兩個(gè)分站同時(shí)上報(bào)信息，有可能發(fā)生消息碰撞。因此，主站或分站都要檢測(cè)線路是否空閑，確認(rèn)線路上無數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，才可以發(fā)送數(shù)據(jù)。為了避免分站發(fā)出的信息在通道上碰撞，要為每個(gè)分站設(shè)置一個(gè)固定的時(shí)間延遲，每個(gè)分站的時(shí)間延遲大于主站時(shí)間延遲且各不相同?？砂凑辗终?/p>

55、的重要程度，確定優(yōu)先級(jí)，給定時(shí)間延遲，優(yōu)先級(jí)高的時(shí)間延遲就小，這樣就避免了消息碰撞。給分站確定不同的時(shí)間延遲帶來的問題是優(yōu)先級(jí)低的分站等待時(shí)間可能很長(zhǎng)，時(shí)間浪費(fèi)大。另一種方法是為每個(gè)分站設(shè)置一個(gè)大于主站時(shí)間延遲，但小于所有的分站時(shí)間延遲之和的隨機(jī)等待時(shí)間。這樣可以減少時(shí)間浪費(fèi)，但仍有消息碰撞的可能，如發(fā)生了碰撞，碰撞的兩個(gè)站再等待一個(gè)隨機(jī)時(shí)間，再上報(bào)信息，直到消息不再碰撞時(shí)，將數(shù)據(jù)發(fā)往主站。11.8 IEC 61850在配電網(wǎng)自動(dòng)化通信中的應(yīng)用 （6000）在配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)中，需要接入大量的來自不同生產(chǎn)廠家的配電終端設(shè)備。采用傳統(tǒng)的通信規(guī)約如IEC 60870-5-101/104，DNP3.

56、0等，難以做到互聯(lián)互通、即插即用，接入和維護(hù)的工作量都十分大。IEC 61850為變電站自動(dòng)化提供了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了不同智能設(shè)備之間的無縫接入。隨著IEC 61850的逐漸成熟和廣泛應(yīng)用，其技術(shù)和方法逐漸推廣至變電站自動(dòng)化以外的其它應(yīng)用領(lǐng)域，包括變電站與EMS主站之間的通信、水力發(fā)電（IEC 61850-7-410）、分布式電源（IEC 61850-7-420）、風(fēng)力發(fā)電（IEC 61400-25）等等。引入IEC 61850采用統(tǒng)一的模型、統(tǒng)一的接口，實(shí)現(xiàn)主站與DRTU以及不同DRTU之間的互操作，從而解決大量DRTU的有效接入問題，減少維護(hù)工作量，是配電網(wǎng)自動(dòng)化通信的發(fā)展方向。11.8.

57、1 IEC 61850簡(jiǎn)介IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)是IEC、IEEE與美國(guó)電科院（EPRI）合作的結(jié)果，其目的是建立一個(gè)真正的全球性標(biāo)準(zhǔn)，解決變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的互通互聯(lián)問題。下面介紹IEC 61850的采用的關(guān)鍵技術(shù)。面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型常規(guī)的通信協(xié)議（如IEC 60870-5系列、SC1801、ModBus等）從各種自動(dòng)裝置接收數(shù)據(jù)需要三個(gè)處理過程。首先，裝置把實(shí)際數(shù)據(jù)映射成適當(dāng)?shù)膮f(xié)議消息；將數(shù)據(jù)傳遞到請(qǐng)求者那里，并寫入數(shù)據(jù)庫(kù)中；最后，將數(shù)據(jù)以圖形符號(hào)的方式顯示給用戶。存在的問題是，在協(xié)議消息傳輸過程中，其中一個(gè)數(shù)據(jù)與其他數(shù)據(jù)的關(guān)系丟失了，因此，必須映射協(xié)議消息與其他數(shù)據(jù)的關(guān)系（一般叫作交叉關(guān)

58、系表映射）。在安裝調(diào)試變電站自動(dòng)化系統(tǒng)，處理所有的數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)，（映射）配置工作非常耗費(fèi)時(shí)間并且容易發(fā)生錯(cuò)誤。IEC 61850采用面向?qū)ο蟮男路椒?，來解決以上問題。單一的數(shù)據(jù)是沒有意義的，IEC 61850將信息分為可以訪問的邏輯信息組，例如保護(hù)信息、開關(guān)設(shè)備信息、測(cè)量信息組等。邏輯信息組被進(jìn)一步劃分為不同的邏輯節(jié)點(diǎn)。邏輯節(jié)點(diǎn)是組成變電站自動(dòng)化應(yīng)用功能，能夠互相交換信息的最小實(shí)體，是變電站最基本的虛擬表示單元。每一個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)由代表一些特定應(yīng)用功能的數(shù)據(jù)組成。按照定義好的通信方法與服務(wù)，包含在邏輯節(jié)點(diǎn)中的信息能夠同其他邏輯節(jié)點(diǎn)交換。用戶可以比較容易地研究和瀏覽這些邏輯節(jié)點(diǎn)，提取出所需要的信息。 圖7-13 邏輯節(jié)點(diǎn)XCBR的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)屬性 圖7-14 由邏輯節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的保護(hù)功能圖7-13給