配网自动化通信系统的研究_杜浩东.docx

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1、 Research of the Communication System on Power Distribution Automation System A Dissertation Submitted for the Degree of Master Candidate： Du Haodong Supervisor： Prof. Wei Gang Senior Engineer Du Tiancang South China University of Technology Guangzhou, China 分类号： TN915.02 学校代号： 10561 学号： 20102020355

2、0 华南理工大学硕士学位论文 (配网自动化通信系统的研究 ) 作者姓名：杜浩东 申请学位级别：工程硕丄 工程领域名称：电子与通信工程 校内指导教师姓名、职称：韦岗教授校外指导教师姓名、职称：杜天苍高级工程师 论文形式： 产品研发 工程设计 应用研究 工程 /项目管理 调研报告 研究方向：通信理论与技术 论文提交 n期 J年 6月 曰 论文答辩 H期 y年 6 月日 学位授予单位：华南理工大学 学位授予円期： 年月曰 答辩委员会成员： 主席： 朴 .明辉教授 委员： 韦岗教授，马丽红教授，杨 #玲教授，杜兆坤高级工程师 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑不 :声明：所呈交的论文足本人在导师

3、的指导卜独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特別加以标注引用的内容外，本论文 +包含仟 何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文屮以明确方式标明。本人完全意识到木声明的 法律后果由本人承担。 本学位论文作者完全 /解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文 T.作的知识产权单位属华南理工大学。学校 有权保存并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位 论文被查阅 （ 除在保密期内的保密论文外 ）； 学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位 论文。木人电子

4、文档的内容和纸质论文的内容相一致。 本学位论文属于： 保密，在 _ 年解密后适用本授权书。 0不保密，问意在校园网上发布，供校内师生和与学校有共享协议 的单位浏览；同意将本人学位论文提交中国学术期刊 (光盘版 )电子杂志社 全文出版和编入 CNKT中国知识资源总库，传播学位论文的全部或部分内 容。 (请在以上相应方框内打 “ V” ） 曰期： 学位论文版权使用授权书 U 期. 电子邮箱： 联系地址 (含邮编 : 随着经济发展和技术进步，智能电网已被认为是电力系统未来的发展方向。电网的 智能化涵盖了发、输、配、用等电力系统的各个环节，其中智能配网是智能电网的重要 组成部分。要实现配网的智能化，一

5、个先进高效的配网自动化系统是不可或缺的因素， 而配网通信系统承担着配网自动化系统信息采集、命令传递的任务，是配网自动化系统 实现调度控制、设备管理、故障保护等多种功能的基础。因此，研究适合智能配网发展 方向的配网通信系统方案，对于实现智能电网这一目标有重要的意义。 配网自动化系统一般分为骨干层、接入层和终端层。出于业务安全性和投资经济性 的考虑，配网自动化系统骨干层的通信基本依赖于光传输网。而在接入层面，目前主要 采用的通信技术有光纤通信、中压电力载波通信、无线公网通信、无线专网通信这几种。 它们均有各自的优缺点和适用范围，相对而言，在满足同等业务需求 的基础上，无线专 网技术具有较好的灵活性

6、和较高的性价比。 本文首先介绍了配网自动化系统的结构和功能，分析其对通信系统的需求，并研宄 现有的配网自动化通信技术，对它们的通信原理、技术特点、组网方式、性能等进行比 较分析。在此基础上，结合配网自动化系统的具体应用场合和未来发展预期，设计了一 个结合光传输网和无线专网技术的配网自动化通信系统方案，并对方案进行测试及分 析，验证了方案设计的合理性和可行性，对无线专网在配网自动化系统中的应用作了一 定研宄。 关键词：配网自动化；通信系统；无线专网 Abstract With the economic development and technological progress, the sma

7、rt grid has been considered to be the future direction of development of the power system. The smart grid covers all aspects of the power system such as the generation, transmission, distribution, consumption etc. An advanced and efficient power distribution automation system is an indispensable fac

8、tor of the smart grid, and variety functions of power distribution automation system such as scheduling control, equipment management, fault protection are on the basis of communication system, which transfers information and command for the power distribution automation system. Therefore, the resea

9、rch of the power distribution automation system communication system has great significance for development of smart grid. The power distribution automation system could be divided into the backbone layer, access layer and terminal layer. For service security and investment economic considerations,

10、the power distribution automation system backbone layer communication mainly depends on the optical transmission network. Currently there are many types of communication technology used in the access level, such as optical fiber communication, medium voltage power line communication, wireless public

11、 network communication and wireless private network communication. They have their own advantages and disadvantages, relatively speaking, to meet the same service needs, communication system which based on wireless private network technology has good flexibility and a higher cost-effective. This pap

12、er introduces the structure and function of the distribution automation system first, then analyze its requirement for communication system,and research some communications technologies by comparing their communication fundamentals, technical features, networking and performance. On this basis of sp

13、ecific applications for distribution automation system and expected future developments,this paper designed a communication network program for distribution automation system which combines optical fiber communication and wireless private network. This paper has done some research on wireless privat

14、e network application to power distribution automation system. By program testing and analysis, this paper has verified the rationality and feasibility of the this program, and confirmed its theoretical and practical significance. Keywords : Distribution automation system / Communication system / wi

15、reless private network II 目录 m-m mt . 1 n研宄背景 . i 1.2研宄意义 . 1 1.3配网自动化技术发展现状 . 2 1.4配网自动化通信技术发展现状 . 2 1.5本文所做的工作 . 3 第二章配网自动化通信系统现状及需求分析 . 4 2.1配网自动化通信系统现状 . 4 2.2配网自动化通信系统结构 . 4 2.3配网自动化通信系统业务介绍 . 6 2.4配网自动化通信系统需求分析 . 7 2.4.1基础要求分析 . 7 2.4.2业务类型 . 8 2.4.3通信带宽需求 . 10 2.4.4可靠性需求 . 12 2.4.5业务安全性要求 . 1

16、3 第三章配网自动化通信技术方案研究 . 15 3.1配网自动化通信方案研宄 . 15 3.1.1光纤通信技术 . 15 3.1.2中压电力载波通信 . 16 3.1.3无线公网通信 . 17 3.1.4无线专网通信 . 18 3.2无线专网通信技术研究 . 19 3.2.1专用通信网的形成与发展 . 19 3.2.2无线专网技术与无线公网的不同 . 19 3.2.3国内外电力企业无线通信专网发展状况 . 21 3.2.4电力无线专网建设主要问题 . 22 3.3分析与小结 . 22 III 第四章配网自动化通信系统方案设计 . 24 4.1项目背景 . 24 4.1.1项巨背景 . 24 4

17、.1.2存在问题 . 24 4.2通信系统方案组网原则 . 25 4.3配网自动化通信系统层次划分 . 25 4.4核心层通信方案设计 . 26 4.4.1核心层通信组网方案 . 27 4.4.2核心层业务保护模式 . 27 4.5接入层通信方案设计 . 30 4.5.1接入层通信组网方案 . 30 4.5.2安全分区划分 . 31 4.5.3技术体制选择 . 33 4.5.4频段及带宽选择 . 34 4.5.5终端寻址及业务等级划分 . 37 4.5.6安全性策略 . 38 4.6终端层接入方案设计 . 38 4.6.1终端层通信方案 . 38 4.6.2终端层配置 . 39 第五章通信系统

18、方案测试及分析 . 41 5.1测试方案规模 . 41 5.1.1核心层配置 . 41 5.1.2接入层配置 . 41 5.1.3终端层配置 . 43 5.2测试数据及分析 . 43 5.2.1覆盖点测情况 . 43 5.2.2远距离覆盖测试 . 44 5.2.3覆盖半径测试 . 47 5.2.4覆盖难点及解决方案 . 49 5.2.5带宽、时延及可靠性 . 50 IV 5.2.6 小结 . 51 5.3综合效益分析 . 52 5.3.1经济效益 . 52 5.3.2社会效益 . 55 总结与展望 . 56 . 57 翻寸 . 58 V 第一章绪论 第一章绪论 本章主要介绍本文所选课题的背景和

19、意义，介绍目前国内外配网自动化及配网通信 技术的发展情况，同时提出了本课题的研宄方向，最后介绍了本文的工作内容。 1.1研究背景 配网自动化是指利用通信技术、计算机技术及网络技术，将配电网数据、用户数据、 电网结构和地理图形进行信息集成，构成完整的自动化系统，实现配电系统正常运行及 事故情况的监测、保护、控制 1，它可以提高电网供电可靠性，实现配网管理自动化， 提高管理水平和劳动生产率；减少运行维护费用和各种损耗，实现配网经济运行 2。 配网自动化系统一般由下列层次组成：配电主站、配电子站和配电终端。其中配网 自动化通信系统承载着大量的生产和管理业务，负责连接配网主站、配电子站和配电终 端，是

20、保证电力安全生产的基础设施，它的可靠性与技术水平直接影响到配网系统的运 行。所以配网自动化系统的水平决定了配网供电的可靠稳定，而配网通信系统的性能是 影响配网自动化系统水平的重要因素。 1.2研究意义 近年来，随着经济和技术的发展，智能电网被认为是电力系统未来的发展模式。实 现智能电网，必须依托高速、宽带、可靠的电力通信网络，在共享信息模式的基础上， 通过终端将用户之间、用户和电网、电厂与电网、电网内部之间形成网络互动和数据连 接，实现各类电网信息的实时、高速、双向传递的总体效果。 从技术上讲，智能电网集成了通信技术、 IT技术、新能源、材料、传感器等技术， 覆盖发电、输电、变电 、配电、用电

21、、调度等环节，而通信技术是实现各个环节智能运 行的枢纽。要实现智能配网的配电自动化，支持智能电网各阶段、各类业务的灵活接入， 建立一个经济合理、技术先进、高速、可靠的双向配网自动化通信系统是其坚实的基础。 目前配网通信技术方案有光纤通信、中压载波通信、无线公网通信、无线专网通信 几种。虽然有多种通信技术可以使用，但由于配网通信具有结构复杂，通信节点分散， 单个节点数据量少但节点数量众多等特点，目前还没有一种使用单一的通信技术便满足 所有配网自动化系统的需求的方案 u。本文通过分析自动化业务的需 求，提出一种结合 光传输网和无线专网的配网自动化通信系统方案，并结合实际应用进行测试分析，对无 _

22、华南理工大学工程硕士学位论文 _ 线专网在配网自动化中的应用作出了研究。 1.3配网自动化技术发展现状 国际上的配网自动化往往称为馈线自动化 4。国外的配网自动化经历了从各种单项 自动化林立的配网自动化系统，向开放式 、一 体化和集成化的综合自动化系统发展的过 程，目前在发达国家已具有相当的规模，在提高配网的运行可靠性和安全性，充分利用 现有设备的能力，带来了可观的经济效益和社会效益 1， 5。随着计算机及通信技术的发展， 国外的配网自动化已进入了配电网监控与管理综合自动化发展阶段。其发展过程经历了 局部馈线自动化、配电网馈线自动化、配电网监控与管理综合自动化等三个阶段 6,7 。 国内配电网

23、自动化起步较晚，主要开展了两方面的工作 1: (1)建立了配网的实时 监控系统 （ 2)实施了各种类型馈线自动化。国内馈线自动化的几种主要形式有采用重 合器和分段器的馈线自动化、采用环网柜配置 FTU实现的馈线自动化和采用断路器并 加装差动保护的馈线自动化这几种 11。 由于国内配网自动化的建设起步较晚，限于我国当时的经济水平和配网现状，加上 同期电力工业发展的主要矛盾是电源不足，因此，长期以来供电行业形成了 “ 重视主网， 轻视配网 ” 的建设思路和建设政策，导致配网建设投入少，配网设备相对比较落后和陈 旧，配网的网架结构不健全，没有实现环网，更没有实现主网要求的 N-1冗余，大多 数配网网

24、络还是以架空线路为主，以树形结构为主，网络可靠性差 12。 近年来，国内部分城市开始推进配网自动化建设，配网自动化技术的发展很快。目 前负荷管理系统 (LM)、 基于 GIS地理信息系统的配网 AM/FM/GIS的管理系统，需方 用电管理系统 (DSM)、 远方抄表系统 (AMR)、 实现 SCADA/DA系统、负荷控制系统和 远程抄表系统于一体的配电网管理系统 (DMS)等系统技术已取得一定进展和应用。 1.4配网自动化通信技术发展现状 目前常用的配网通信技术有光纤通信、中压载波通信、无线公网通信、无线专网通 信几种。其中光纤通信具有可靠性高、频带宽、容量大等特点，目前多在配电自动化通 信主

25、干网中使用。中压线载波通信利用现有的电网线路作为通信信道，其优点是易安装 维护，建设和运行成本低，缺点是易受干扰，传输速率低，一旦停电便会造成通信中断， 无法保障业务。无线公网通信是指租用电信运营商的业务通道，优点是建设成本少、业 务开展快、后续维护简单，但是安全保障措施不完善、网络通道稳定性低、带宽容量不 2 _ 第一章绪论 _ 高。无线专网技术具备覆盖面广、易于实施、网络结构灵活等特点，其业务质量、带宽、 覆盖范围安全隔离都能满足配网自动化业务需求，同时由于它的专用特性，具备良好的 安全性。在配电网通信中， WiMAX、 McWiLL、 TD-LTE是最具代表性的无线宽带技术。 从国内外配

26、网自动化系统采用的通信技术看，尚没有一种通信技术可以很好地满足 于配网自动化系统所有层次的需要，通常组合使用几种通信技术，在配网自动化系统的 不同层次按具体需求采用不同的通信技术。欧美国家广泛采用无线通信网络和有线通信 相结合的方式，同时无线传感网络也有很大的发展前景。目前工业以太网技术、中压电 力线载波技术已经在我国配电网中得到广泛应用，而在欧美得到大量应用的无线专网技 术如 WiMAX、McWiLL、 Mobitex等也在部分地区开展了试点工作 U314， 15， 16。 电力系统在逐步向智能电网发展，而通信系统是支撑坚强智能电网的重要组成部 分，先进的通信技术是坚强智能电网通信支撑的关键

27、。随着通信技术的不断发展，一些 数据通信速率和可靠性不足的通信技术如调频电台等将越来越少的应用 1。 随着配电网向智能配网方向的发展，配网自动化的业务种类将越来越多，它们对配 网通信技术的要求也有各自不同的特点。因此必须在分析各种通信技术的性能、特点、 应用范围和建设投资成本的基础上，选择合适的配网通信技术，并以此为依据设计配网 自动化通信系统。 1.5本文所做的工作 本文设计了一个结合光传输网和无线专网技术的配网自动化通信系统方案，并对基 于TD-LTE技术的无线专网在配网自动化系统中的应用做了探索研宄，各章节内容安排 如下： 第一章绪论介绍了国内外配网自动化和配网通信技术的发展现状，以及本

28、课题的选 题背景和意义。 第二章研宄了配网自动化系统的现状及对通信系统的要求 第三章分析研宄目前常用的配网自动化通信技术方案，对各种方案进行优缺点对比 并指出其适用范围，并分析无线专网适用于在电网领域的技术体制。 第四章结合 F市供电局的电力通信网络现状，设计了一个结合光传输网和无线专 网 技术的配网自动化通信系统方案。 第五章对基于 TD-LTE技术的无线专网进行测试并分析。 最后对课题所做的工作进行总结，并对课题的后续研究和应用提出展望。 3 华南理工大学工程硕士学位论文 第二章配网自动化通信系统现状及需求分析 2.1配网自动化通信系统现状 F市供电局目前的电力通信网络以光通信为主，主要覆

29、盖办公场所、营业所和 llOkV 及以上等级的厂站、线路，按电网等级可分为主网通信网和配网通信网两个部分。主网 通信网包括电网的调度控制中心、管理平台、 llOkv及以上变电站组成的通信系统；配 网通信网主要包括 l kv配电网、配变台区、用户电表和电器等的通信系统，主要实现 配用电网络的自动化、智能化管理等，提高供电可靠性、实现用户与电网的双向互动、 实现智能用电等。 目前主网通信网络形成了以光纤通信为主，载波、无线通信为补充的通信网络， llOkv及以上电压变电站光纤通信覆盖率达到 100%。然而， 10kV及以下的线路、设备、 终端构成的配电网部分通信网络覆盖较少，主要采用租用公网的 G

30、PRS/CDMA承载配网 自动化业务，并在少量试点建设了中压电力载波、光纤通信 （ 包括光 MODEOM、 工业 以太网、无源光网络等技术）。 为了提高配网供电可靠性和自动化水平， F市供电局自 2009年开始进行配网自动 化通信系统建设，项目共分为三期，第一、二期完成敷设光缆 632km、 完成 839间电房 的光纤设备安装工作、建设载波通道电房共 327间，完成电力载波设备安装 305台，第 三期完成敷设光缆 391.lkm、 完成 118间电房的光纤设备安装工作、完成电力载波设备 安装 79台，与同期 F市配网自动化建设数据的对比如下表： 表 2-1配网自动化及通信系统建设现状数据 分期

31、 光缆长度 (km) 光 纤 通 信 (节点数） 中压载波 (节点数） 架空线路 (km) 电缆线路 (km) 开关房 (节点数） 综合房 (节点数） 第一、二期 632 839 305 - - - - 第三期 391.1 118 79 - - - - 合计 1023.1 957 384 10364 12272 4865 3982 可 以看出目前 F市配网节点通信网络覆盖率很低，面对智能 N 1 网配网自动 叱业务通 信的紧迫需求，在满足业务高可靠性、安全性要求的同时，迅速实现配网自动化节点的 广泛覆盖是配网通信最迫切需要解决的问题。 4 图 2-1配网自动化系统结构图 与配网自动化系统类似，

32、配网通信系统一般也分为三层，包括骨干通信网、接入通 信网和终端层，接入层先对信息进行预处理，根据重要性进行筛选再上传，避免信息的 拥挤。其中骨干通信网是实现配网通信子站至配网通信主站的通信，一般采用的通信技 术为光纤通信技术；接入通信网主要是实现终端层至配网通信子站的通信，一般可采用 的通信 技术包括光纤通信、载波通信、无线通信技术等。典型的配网通信系统结构如下 图所示： 2.2配网自动化通信系统结构 配网自动化系统的结构一般分为三层，即主站系统层、通信系统层、终端系统层。 通常在市局调度中心设立一个自动化系统主站，通过电力通信网络或无线公网将配网采 集终端的数据统一送到自动化系统主站集中处理

33、 17。典型的配网自动化系统结构如下 图： 5 华南理工大学工程硕士学位论文 图 2-2配网通信系统结构图 2.3配网自动化通信系统业务介绍 近期配网自动化业务主要包括配电自动化和计量自动化业务，覆盖开关站、环网柜、 柱上开关、公用 /专用配网变压器、配电线路、 220/380kV低压抄表集中器等，其各自的 业务内容如下： 配电自动化业务： 业务点范围包括所有配网节点（开关站、环网柜、柱上开关、公用 /专用配网变压器、 配电房等）设备遥信信息的采集；部分配网节点（如重要开关 ） 设备的遥测、遥控采集 和控制。 计量自动化业务： 业务点范围包括发变电侧 （ 发电厂、变电站）和用电侧 （ 大客户、

34、低压客户），主 要业务为负荷管理与控制、电能量数据自动采集、配变监测、集中抄表等，以实现供用 电数据采集管理的一体化。 未来智能电网的配网自动化业务包括高级配电运行、高级量测体系、高级资产管理 6 _第二章配网自动化通信系统现状及需求分析 _ 等组成部分，其业务内容为： 配网运行监测、决策、控制、配电线路纵联保护； 用电数据采集分析、负荷控制，电动汽车使用跟踪、充换电监测、计费、运行管理 ; 分布式电源、储能、微网等系统的控制、管理应用需求； 电力场所视频监控、用户室内业务、设备监测等。 2.4配网自动化通信系统需求分析 2.4.1基础要求分析 随着社会对电力需求的不断增长，配电网自动化建设也

35、进入了飞速发展时期，配电 网自动化对电力通信网络的建设提出的要求也越来越高，配网自动化的业务模型、业务 架构、业务规格决定着对配电网自动化通信系统的需求特点，主要体现在以下几个方面。 1) 先进性 采用科学的、主流的、符合发展方向的技术、设备和理念，使电力通信网络能可持 续发展。根据现网问题及故障情况分析得出最优化、适合电力通信网发展的方案。 2) 安全性 安全是网络运行的基础，网络系统本身要有较高的安全性，关键设备和模块应该有 冗余备份。 2) 实时性和可靠性 正常运行时配网主站会定期召唤各配网终端的数据；而在发生电网故障时，主站和 子站己经配网终端之间需要交换大量故障数据。因此，通信系统的

36、带宽和速率不仅要能 满足系统日常通信的要求，还要能在系统故障时快速及时地传送大量数据 4。此外网络 设计应采用冗余连接，保证重要设备和线路在故障发生时能自动切换。系统结构设计、 设备选型、系统建设、网络管理需要充分考虑网络整体可靠性、可用性以及可维护性， 确保网络是一个不间断的运行系统。 3) 可扩展性和开放性 由于智能配网的发展前景很广，网络设计不但要保证目前业务的要求，也要考虑今 后网络的发展，满足当前以及今后相当一段时间内的业务需求，便于向新技术的升级和 衔接，同时又需要保护原有的投资。 4) 可管理性 在网络不断扩展的同时，随着网络中的设备越来越多，网络的复杂性和管理的难度 7 _ 华

37、南理工大学工程硕士学位论文 _ 相应的增加，通信系统应具有实时监测、统计分析、故障告警等设备管理功能。 5) 网络规模大、覆盖面广 配电网规模比输电网大得多，在节点终端设备上两者相差近两个数量级，这对通信 网络的规模、架构规划和覆盖能力提出了很高的要求 18。 6) 良好的性价比 总体设计要求确保系统具有足够的实用性和可靠性，并具有足够的升级扩展空间以 满足未来智能配网的业务需求。整个配网通信系统需要在先进性、安全性、实用性、可 靠性和稳定性以及建设投资成本上进行综合平衡，要求具有较优的系统性价比。 2.4.2业务类型 传统的配网自动化系统的业务主要为配电自动化和计量自动化业务，其数据类型为 状态信息、测量信息、控制信息及其他业务数据等。各