IP网络在配电自动化中的应用探究

摘要：近些年来，随着民航事业的飞速发展，对空管系统的通信、导航、监视、气象等设备配电有了更高的要求，配电设备在通信系统自动化基础上建设分层IP通信网络的方案也逐渐被提出来。文章针对IP通信网络的数据流量、性能及分支网络组网技术进行分析，仿真研究采用OPNET软件，结果显示，配电自动化技术中对IP网络的应用效果较好。

关键词：IP网络；配电自动化；变电站；通信系统；空管系统 文献标识码：A

中图分类号：TN929 文章编号：1009-2374（2016）24-0041-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.24.020

在电力行业中，智能电网属于研究的热门问题，是未来电力系统发展的一个主要方向。配电主站与终端之间通过相关通信技术进行连接，通信技术发挥着枢纽的作用。对于空管系统中通信、导航、雷达等边远台站的配电终端而言，具有运行环境差、面广、点多等特点，很大程度上限制了通信技术的应用。早期，国内主要采用光纤Modem环网、电力载波等通信技术，是点对点串行通信方式，管理维护工作量大、通信速率较低，无法实现就地控制等功能。随着通信技术的不断发展，IP通信网络的优势逐渐显现出来，在主站与终端之间应用实现了智能设备之间的对等通信与透明传输，对分布式智能控制功能完全支持，因此是配电网智能化、自动化发展的重要方向。

1 配电自动化通信系统

1.1 系统结构研究

配电自动化系统的主要结构形式是集中控制、分布式、分层式体系结构，系统结构包含配电主站层、终端设别层、变压器终端单元级开闭所配点终端单元等。系统只在通信方面设立配电子站层，用于数据集中与转发。该配电自动化系统结构中，核心是主站，位于控制中心，主要功能是实现馈线自动化、数据采集与监控等功能。子站属于网络汇接设备，具有上下连接作用，位于变电站，能够将配电线路上分散的馈线终端单元、配电变压器终端单元及开闭所配电终端单元等装置信息进行汇总，并传输给主站，然后将主站的信息又分配给对应终端。系统中的通信主要分为终端之间的通信和主站与子站、子站与终端间的通信。通信架构采用分层模式，主干网络将控制中心与变电站连接起来；变电站与配电线路上各个终端单元之间通过分支网络连接在一起。

1.2 通信报文传递

通信报文传递的时间与数据刷新的周期是报文实时性的两个要求，报文传递时间包含收发两端报文处理时间及网络中传输的时间。按照报文类型与应用的环境差异，可以将报文划分为五种不同类型，不同类型对应的报文传递时间也是不同的。快速报文是终端之间快速跳闸命令、状态量变化报文；中速报文是终端之间参数传递、测量量、状态量报文；低速报文3a专网：主站与终端之间参数传递、测量量、状态量报文，3b公网：主站与终端之间参数传递、测量量、状态量报文；命令报文，4a终端之间，4b主站与终端之间；时间同步是系统对时精度满足的要求。

根据网络状况、应用环境的不同，状态量、测量量数据对刷新周期的要求也有差异。快速刷新，1a终端间变化状态量，1b终端间测量量与状态量；中速刷新，2a主站与终端间变化状态量，2b主站与终端间测量量与状态量；低速刷新，主站与终端之间测量量与状态量刷新，根据终端所处位置的重要性及通信方式进行选择。

2 配电自动化IP通信网络结构

分层结构是配电自动化IP通信网络的主要结构，主干网络与分支网络通过变电站3层交换机进行连接，如果所在地区无光纤网络，可以采用通用分组无线业务或码分多址等方式与公共数据网络接通。配电自动化建设中，重点是变电站与配电终端之间的分之网络，其设备多、范围广，配电自动化的运行效果直接受到其建设质量的影响。

2.1 主干网络

现阶段，基本上都已经建成主干网络，采用高速光纤网络，带宽可达100Mbit/s以上。

2.2 分支网络

配电自动化中，光纤以太网络通信方式逐渐成为普遍的通信方式，多年来，构建分支网络的主要形式分为两种：一种是以太网无源光纤网络（EPON）；另一种是工业以太网。一些无法实现光纤网络的区域，应用GPRS/CDMA等无线公网也可实现。（1）EPON。是一种支持多种业务接口、拓扑灵活的纯光介质接入技术。与工业以太网模式相比，EPON适用于配电自动化通信，如果环网柜等一次設备失电，直接影响到工业以太网交换机，造成交换机无法工作，整个光纤环网通信中断。在应用EPON后，如果环网柜等一次设备失电，其只会影响该单元无法通信，对整个光纤环路通信不会产生影响；（2）工业以太网。在数据传输中，主要采用光缆和双绞线，与商用以太网可以兼容，在适用性、产品强度及材质选择上也能满足工业需求。其交换机具有适应性强、耐高温、功耗小等特点，在多数地区配电网自动化系统中已经得到广泛应用；（3）GPRS/CDMA。当前，国内无线公共网络主要包含中国联通CDMA与中国移动GPRS两种，信号覆盖范围非常广，因此在配电自动化网络中，可以将其作为电力专用网络，对电力网络系统进行补充。

3 IP网络性能分析

3.1 计算数据流量

由于配电终端的不同所采集到的信息量也是不同的，其协议也不同，产生的数据量、数据刷新周期也不同，对两种不同的协议通信数据报文进行对比，结果如表1所示：

3.2 网络仿真

3.2.1 仿真模型。对变电站自动化网络采用OPNET网络通信进行仿真，仿真内容如下：（1）采用Video Conference服务对全数据信息进行模拟；（2）采用文件传输协议服务对变位遥信进行模拟；（3）采用FTP服务对网络中的突发事件进行模拟，如信息文件传递。

3.2.2 主站和终端的通信。采用光纤对IP网络进行组网，主站与配电终端数据通信基于主干网络、分支网络实现，根据时间要求对遥信信息进行刷新，并对全数据进行刷新。为达到仿真结果具有代表性，配电终端设置为3000个，2000个环网柜馈线终端单元、1000个柱上开关馈线终端单元，本模型不考虑配电变压器终端单元接入。将整个网络进行划分，分为11个局域网，其中控制中心局域网1个，变电站局域网11个。通过100Mbit/s光纤网络将11个局域网连接到IP-Cloud，构成一个整体网络。各变电站局域网内包含30个10Mbit/s的交换局域网，模拟环网柜馈线终端单元20个，模拟柱上开关馈线终端单元10个。对主站与终端进行30分钟的模拟通信，采用IEC 60870-5与IEC 61850 MMS通信协议，对两种协议通信延时进行观察，如图1。根据图1可知，通信稳定后，IEC 61850 MMS通信延迟0.25ms左右，IEC 60870-5通信延迟0.13ms左右，尽管都有延迟，但都能满足配电自动化通信的要求。

3.2.3 终端与终端通信。在同一环网柜馈线终端单元或柱上开关馈线终端单元间，通过分支网络可以实现快速通信的功能，数据刷新用快速刷新，根据时间要求对遥信变位等信息进行刷新，对全数据进行刷新。以环网柜馈线终端单元为例，10个环网柜馈线终端单元构成一个局域网，传输速率为10Mbir/s，建立模型。终端与终端进行30分钟的方针通信，结果如图2。从图2可知，待数据稳定以后，IEC 61850 MMS协议通信延时3ms左右，IEC 60870-5协议通信延迟0.7ms左右。进行文件传递的过程中，因为数据量比较大，则网络延迟增大，IP网络可满足终端之间的快速通信要求。

4 结语

采用OPNET仿真模型试验，结果可知，响应速度与光纤接入有关系，光纤接入的终端报文传递时间较短。随着通信设备成本的下降和通信技术的发展，将IP网络用于民航空管设备配电自动化主站、子站、终端中，完全能够适应配电自动化的需求，满足边远台站供电的较高可靠性要求，促进了配电自动化与智能化的发展。

参考文献

[1] 石文江，冯松起，夏燕东.新型智能配电自动化终端自描述功能的实现[J].电力系统自动化，2012，（36）.

[2] 李惠宇，罗小莉，于盛林.一种基于GPRS的配电自动化系统方案[J].电力系统自动化，2013，（24）.

[3] 刘宇，薛玮，荀吉辉.配电网自动化通信系统测试方法探讨[J].湖南电力，2011，（1）.

[4] 张军，郜士其，胡阳.配电通信接入网中混合通信组网的研究[J].电力系统通信，2011，（9）.

作者简介：袁维（1972-），女，广东韶关人，中国民用航空西北地区空中交通管理局工程师，研究方向：供配电。

（责任编辑：蒋建华）