电力系统通信

7.1.1 概述

电力系统覆盖面积辽阔，但各组成部分相互之间的联系十分密切，需要随时进行准确可靠的信息交互和数据共享。电力系统通信业务主要包括电力调度、远动自动化、语音通信、办公自动化，以及视频会议等。由于电力系统具有其特殊性，体现在电力生产的不间断性、事故出现的快速性，以及电力对国民经济影响的严重性等方面，为了保证电力系统的安全经济远行，必须建立服务于电力系统的专用通信，即电力系统通信网，以实现将各发电厂及变电所的运行情况及时反映到调度所，把调度的指令迅速传送到发电厂、变电所和调度机构，完成系统内部各部门之间的电话及数据信号的传送，对电力系统各部分运行及控制信息进行快速可靠的传送等。可见，电力系统通信是电力系统自动化的重要保证。根据电力系统对通信的特殊需要，电力通信系统具有以下特点。

1.实时性

实时性即信息的传输延时必须很小。这是由电力系统事故的快速性所要求的。如果利用公用通信网通信，则常会遇到“占线”、“不通”的情况，显然不能满足电力系统的要求。

2.可靠性

可靠性即信息传输必须高度可靠、准确，否则，很可能会造成控制设备拒动或误动，这在电力系统中是不允许的。

3.连续性

由于电力生产的不间断性，电力系统的许多信息（如远动信息）是需要占用专门信道，长期连续传送的，这在公网通信中难以实现。

4.信息量较少

电力通信网主要是传送电力系统的生产、控制、管理信息，故网络传输的信息量比公网少。

5.网络建设可利用电力系统独特的资源

为实现跨区域、长距离电能的输送，电力系统建设了遍及各地的高压输电线路；为满足城乡广大民众生产生活用电需求，又有纵横交错、密布街道村庄的输配电杆路和沟道。可以说，输配电线路是目前覆盖面最广的网络基础设施，而且基础坚固，较之其他网络，如电信、广电网络等，有着更高的可靠性，这是电力系统建设通信网的一个突出优势。因此，可以充分利用电力系统这一得天独厚的网络资源，比如利用高压输电线进行的载波通信，利用电力杆塔架设光缆等。

电力通信作为电力系统的重要组成部分，起着通信、远动、继电保护、办公自动化等诸多重要作用，它的自动化程度基本体现了电力系统的自动化程度。稳定可靠、高效率的电力通信网络可以提高整个电力系统的安全管理和经营管理工作效率。目前，我国已形成以数字微波为干线覆盖全国的电力通信网络，各支线则充分利用电力线载波、绝缘地线载波、架空电线载波等电力系统特有的通信方式，同时，光纤通信、卫星通信、移动通信、数字程控交换以及数字数据网等通信技术在我国电力通信中也获得了较广泛的应用。因此，电力通信网是多用户、多种通信方式构成的综合通信网。

7.1.2 光纤通信

光纤通信是—种以光波为信息载体，以光导纤维为传输媒介的通信方式。

1.光纤通信系统的基本组成

光纤通信系统和一般有线通信系统相似，光纤系统在线路上传送信息的运载工具是激光，有线通信是频率比光波低的电信号。光纤通信系统主要由光发送机、光纤光缆、中继器和光接收机组成，如图7.1.1所示（图中只画出了一个传输方向）。此外，系统中还包含了一些互连和光信号处理部件，如光纤连接器、隔离器、光开关等。

图7.1.1 光纤通信系统构成

2.光纤通信系统的分类

根据调制信号的类型，光纤通信系统可以分为模拟光纤通信系统和数字光纤通信系统。根据光源的调制方式，光纤通信系统可以分为直接调制光纤通信系统和间接调制光纤通信系统。根据光纤的传导模数量，光纤通信系统可以分为多模光纤通信系统和单模光纤通信系统。根据系统的工作波长，光纤通信系统可分为短波长光纤通信系统、长波长光纤通信系统和超长波长光纤通信系统。现在普遍采用的长波长光纤通信系统的工作波长为1.1～1.6μm，超长波长光纤通信系统的工作波长大于2μm，采用的光纤为非石英光纤，具有损耗极低、中继距离极长的优点，是光纤通信的发展方向。

3.电力系统光纤通信

随着通信网络光纤化趋势进程的加速，我国电力专用通信网在很多地区已经基本完成了从主干线到接入网向光纤过渡的过程。目前，电力系统光纤通信承载的业务主要有语音、数据、宽带业务、IP等常规电信业务；电力生产专业业务有保护、安全自动装置和电力市场化所需的宽带数据等。当光纤通信应用在保护和安全自动装置中时，则对光缆、中继器等通信设备的可靠性和安全性有着更高的要求。可以说，光纤通信已经成为电力系统安全稳定运行以及电力系统生产生活中不可缺少的一个重要组成部分。因此，随着技术的进步，一些有别于传统光缆的附加于电力线和加挂于电力杆塔上的光电复合式光缆被开发出来，这些光缆被统称为电力特种光缆。电力系统光纤通信与其他光纤通信系统最大区别之一，就是通信光缆的特别性。电力特种光缆受外力破坏的可能性小，可靠性高，虽然其本身造价相对较高，但施工建设成本较低。特种光纤依托于电力系统自己的线路资源，避免了在频率资源、路由协调、电磁兼容等方面与外界的矛盾和纠葛，有很大的主动权和灵活性。今后进一步大量使用高带宽、强稳定、便维护的光纤进行信息传输是电力系统通信发展的必然趋势。

7.1.3 微波中继通信

1.微波中继通信的概念

微波中继通信是利用微波作为载波并采用中继（接力）方式在地面上进行的无线电通信。它作为一种成熟的无线通信技术，在国内外已获得广泛应用。微波频段的波长范围为1m～1mm，频率范围为300MHz～300GHz，可细分为特高频（UHF）频段／分米波频段、超高频（SHF）频段／厘米波频段和极高频（EHF）频段／毫米波频段。由于卫星通信实际上也是在微波频段采用中继（接力）方式进行的通信，只是其中继站设在卫星上而已，因此，为与卫星通信相区别，微波中继通信是限定在地面上的。A、B两地间远距离地面微波中继通信系统的中继示意如图7.1.2所示。

图7.1.2 微波中继通信示意图

对于地面的远距离微波通信，采用中继方式的直接原因有两个：首先是因为微波波长短，接近于光波，是直线传播，具有视距传播特性，而地球表面是个曲面，因此，若在通信两地直接通信，当通信距离超过一定数值时，电磁波传播将受到地面的阻挡，为了延长通信距离，需要在通信两地之间设立若干中继站，进行电磁波转接；其次是因为微波传播有损耗，随着通信距离的增加信号衰减，有必要采用中继方式对信号逐段接收、放大后发送给下一段，延长通信距离。微波中继通信主要用来传送电话、宽带信号（图像）、数据信号、移动通信系统基地与移动业务交换中心之间的信号等，还可用于通向孤岛等特殊地形的通信线路，以及内河船舶电话系统等移动通信的入网线路。由于微波通信传输容量大，能方便地跨越江河湖泊，设备安装调试比较方便，线路建设成本较低，曾一度成为公用及专用通信网主干线路的主要通信方式。微波通信分为模拟微波通信和数字微波通信，随着传输网络数字化过程的加快，微波通信已逐步以数字制式完全取代了模拟制式，并与卫星通信、光纤通信一起成为当今三大通信传输技术。

2.数字微波通信系统的组成

数字微波通信系统组成可以是一条主干线，中间有若干支线，其主干线可以长达几百千米甚至几千千米，除了在线路末端设置微波终端站外，还在线路中间每隔一定距离设置若干微波中继站和微波分路站。数字微波通信系统设备由用户终端、交换机、终端复用设备、微波站等组成。狭义地说，数字微波通信系统设备指微波站设备。

3.微波通信特点

微波通信的优点有：通信频段的频带宽，传输信息容量大；微波频段占用的频带约300GHz，而全部长波、中波和短波频段占有的频带总和不足30MHz；一套微波中继通信设备可以容纳几千甚至几万条话路同时工作，或传输电视图像信号等宽带信号；通信稳定、可靠、抗干扰性强；通信灵活性较大；天线增益高、方向性强；投资少、建设快。

但微波通信也有其无法克服的缺陷：因其经空中传送，易受干扰，在同一微波电路上、向同一方向传输的信号不能使用相同的频率，因此，微波电路必须经无线电管理部门批准才可以建设。此外，由于微波直线传播的特性，在电波波束方向上，不能有高楼阻挡，并且一次造价过高，稳定性差。

目前，虽然光纤通信异军突起，微波通信在通信网中占有的地位有所下降，但其独有的特点（不受地理条件的限制），使它在今后仍将会发挥重要作用。

7.1.4 电力线载波通信

电力线载波通信是电力系统特有的通信方式，用于电力调度所与变电所、发电厂之间的通信，它是利用现有电力线作为信息传输媒介，通过载波方式高速传输模拟或数字信号的一种特殊通信技术，由于使用坚固可靠的电力线作为载波信号的传输介质，因此，具有信息传输稳定可靠、路由合理的特点，是唯一不需要线路投资的有线通信方式。电力线载波通信是先将数据调制成载波信号或扩频信号，然后通过耦合器耦合到220V或其他交／直流电力线甚至是没有电力的双绞线上。电力线载波通信具有物理链路现成、易维护、易推广、易使用、低成本等优点，显示出了良好的前景和巨大的市场潜力。

电力线通信的关键是如何保证在电力线上长距离的可靠通信，在电力线上通信存在以下问题：电力线间歇性噪声较大（某些电器的启动、停止和运行都会产生较大的噪声）；信号衰减快，线路阻抗经常波动等。这些问题使电力线通信非常困难，电力线载波通信的关键是采用功能强大的电力线载波专门电路。

1.频分复用多路通信的基本原理

频分复用是指在一条公共线路或信道上利用不同频率来传送各路相互无关的信息，以实现多路通信的方式，适用于模拟通信系统。载波通信系统就是典型的频分复用多路通信系统。

实现频分复用多路通信，首先必须在发信端把各路原始话音信号的基带频谱0.3～3.4k Hz，通过“频率搬移”搬到适合线路传输的频带内并依次排列起来，且互不重叠；然后在线路上传输到收信端，在收信端，利用各路信号所占用的线路传输频带的位置不同，通过“频率分割”把各路信号频带分割出来，再各自进行反“变换”，恢复其原来的基带频谱，之后分别由各自对应的用户接收，从而实现了频分复用多路通信。

2.电力线载波通信系统的组成

电力线载波通信系统的组成示意如图7.1.3所示。由此可见，整个系统主要由电力线载波机ZJ，电力线路和耦合装置组成。其中，耦合装置包括线路阻波器GZ、耦合电容器C、结合滤波器JL和高频电缆GL。通常将A、B用户间的部分称为电路，而将A、B两端载波机外线输出端D、E之间的各组成部分统称为电力线高频通道。

图7.1.3 电力线载波通信系统组成示意图

1—发电机；2—变压器；3—断路器；4—电力线

图7.1.3中，电力线载波机ZJ的作用是对用户的原始信息信号实现调制与解调，并使之满足通信质量的要求。耦合电容器C和结合滤波器JL组成一个带通滤波器，其作用是通过高额载波信号，并阻止电力线上的工频高压和工频电流进入载波设备，确保人身、设备安全。线路阻波器GZ串接在电力线路和母线之间，又称为电力系统一次设备的“加工设备”。加工设备的作用是通过电力电流、阻止高额载波信号漏到电力设备（变压器或电力线分支线路），以减小变电所或分支线路对高频信号的介入衰减，以及同母线不同电力线路上高频通道之间的相互串扰。在电力系统中，载波站一般设置在发电厂或变电所内。

7.1.5 电力系统远动及其规约

1.电力系统远动基本概念

电力系统由发电厂、变电站、输／配电网络和用电设备等组成，地域分布非常辽阔。为了保证整个系统稳定、可靠、安全、经济地运行，必须对全系统进行统一的调度、控制和管理。为此，调度控制中心必须能对分布于不同地点的发电厂、变电站等进行监视和控制，这就是电力系统远动，或称为远程监控。电力系统远动的具体任务就是：将表征电力系统运行状态和各厂、站设备的实时信息采集到调度中心；把调度中心的命令发往相关厂、站，完成对电力设备的控制和调度。

在远动系统中，远地的监控终端RTU（Remote Terminal Unit）和调度中心通过适当的通信系统（如微波、光纤、电力线载波等）相联系，相互传递有关数据和命令。如果RTU向调度中心传送被测模拟量的实时采样数据，称为远程测量，简称遥测；如果传送的是设备的开关状态信息，则称为遥信；若由调度中心向RTU发送改变设备运行状态（如断路器的分／合闸）的命令，则称之为遥控；当调度中心需要对厂、站某些设备的运行状态进行调节，例如，改变发电机组的有功出力，则发出相应的调节命令，这就是遥调，即远程调节。遥测、遥信、遥控、遥调统称为“四遥”，是远动系统的基本功能。随着科学技术的迅速发展和电力系统自动化水平的不断提高，远程视频监视在近年来获得了广泛的推广和应用，即采用视像系统把远方厂站的设备、环境的实时画面传送到调度中心，给调度自动化系统提供直观的现场信息。这种功能称为遥视，从而使远动系统的基本功能由“四遥”扩充到“五遥”。对电力系统远动的技术要求最主要的是可靠、准确和及时。如果远动提供的遥测、遥信数据有差错或不及时，就有可能导致调度中心判断或决策失误；如果遥控、遥调命令有差错或不及时，则将直接影响到系统的运行，甚至引发严重的后果。

2.远动系统工作模式

远动系统由厂、站端远动装置RTU，调度端远动装置及通信系统共同组成。RTU负责采集现场数据，执行调度端下发的遥控、遥调命令；调度端则接收遥测遥信数据，进行分析处理，做出决策后发出相应的命令；通信系统是两者的传输通道。一般而言，RTU以微处理器为核心构成，而调度端则往往是一个比较复杂的计算机系统，甚至计算机局域网。通常一个远动系统由一个调度中心和多个远方终端RTU所组成。常将调度中心称为主站，远方终端称为从站，或子站。所谓远动系统的工作模式，是指远动信息在主站和从站间的传输方式。基本的工作模式有以下三种。

（1）循环传输模式。从站将所有远动信息按规定格式构成远动数据帧，周期性地主动向主站反复发送，周而复始。

（2）自发传输模式。在这种模式中，只有当从站发生事件（如遥测越限、遥信变位等）时，从站才向主站发送信息；若无事件发生，则不传送。

（3）问答（轮询）传输模式。循环和自发模式都是由从站发起通信，问答模式则是由主站发起通信的。工作过程是主站询问某从站有无信息要发送，若有，则该从站发出远动信息，主站接收后继续询问下一个从站；若无，则主站直接询问下一从站。如此反复循环，故也称为轮询模式。

上述三种模式是三种基本的传输模式，实际运用时往往是它们的组合。如将循环模式和自发模式相结合，正常情况下按循环模式工作，一旦发生紧急事件，则立即转换为自发模式，插入事件信息。事件信息传输成功后，又恢复为正常的循环模式。

3.电力系统远动规约

规约是一组规则和约定，也就是常说的协议。为了有效地实现双方的通信，通信的发送方与接收方需要预先对数据的传输速率、数据结构、同步方式等进行约定，两侧通信设备应符合和遵守的这些约定，称为通信规约。

电力系统远动规约，对远动系统中各种远动信息的组织办法（信息结构）、各种上行（从站发往主站）、下行（主站发往从站）信息的优先级顺序及主从站间的传送规则均做出了明确的规定，以保证所有信息的正确传输和整个系统的可靠运行。如果不遵循相同的规约，两个通信站就无法进行通信；远动规约不同的远动设备则无法在一起共同组网；远动规约的标准化程度不高，则无法适应市场开放的需要；同时，远动规约的效率高低也直接制约着网络的通信效率。

我国现在执行的远动规约主要是原电力部于1991年颁布的《循环式远动规约》，即CDT（Circle Data Transfer）规约；也有部分地区仍执行较早的部颁《问答式远动规约（试行）》，即polling规约。20世纪90年代，国际电工委员会TC－57技术委员会先后发布了IEC60870－5－101、IEC60870－5－102、IEC60870－5－103和IEC60870－5－104等四个远动标准，分别是基本远动任务、电能计量信息、继电保护信息和网络通信的远动通信标准，我国正在逐步采用这些国际标准。

电网调度的通信规约包括三个层次：厂站内系统（站级通信总线以及间隔级采用基于以太网的IEC61850系列标准），主站与厂站之间（扩展的IEC61850系列标准或者IEC60870－6TASE.2），主站侧（遵从IEC61970系列标准）。统一的通信规约既是通信的需要，也是开放性的需要。

7.1.6 电力通信网络技术

1.混合通信网络

电力调度自动化系统的目的是保证电力系统安全、稳定、经济地运行，有大量信息要在端站、调度所和电力设备间传递。不同业务信息的传输距离、传输质量要求各有不同，这就要求有一个完善、可靠的通信网络来完成各种业务信息的可靠通信。从地理覆盖范围及采用的网络技术来分，可把整个电力通信网络划分为主干网和本地网两种类型。

主干网指连接国家电力调度中心和各网、省电力公司及特别重要的发电厂站的骨干通信网络，网、省公司与所辖地区电力局的通信干线也可视为主干网的一部分，或视其为主干网的末梢。主干网承担长途通信的任务，目前，主要以光纤和微波为传输链路，普遍采用IP over SDH网络技术，最终将过渡到IP over WDM，微波线路则基本上被光纤所取代。IP over SDH技术是将IP分组通过点到点协议直接映射到SDH帧，省掉了中间的ATM层，从而保留了Internet的无连接特征，简化了网络体系结构，提高了传输效率，降低了成本，易于兼容不同技术和实现网间互联。IP over WDM也称光因特网，其基本原理和工作方式是：在发送端，将不同波长的光信号组合（复用）送入一极光纤中传输，在接收端，又将组合光信号分开（解复用）并送入不同终端。IP over WDM由于使用了指定的波长，在结构上将更加灵活，并具有向光交换和全光选路结构转移的可能，极大地提高了带宽和相对的传输速率，还可以支持未来的宽带业务网及网络升级。对主干通信网络的要求主要有带宽大、速率高、误码率低、传输可靠、组态灵活、路由迂回能力强等。

本地网则指局限于较小范围的通信网络，包括城域网和厂站通信系统等。电力调度自动化的功能主要由本地网实现，由于不同业务信息对通信的要求不同，各地通信网络的条件也不一样，没有任何一种单一的通信手段能够全面满足电力调度自动化的需要，因此，电力调度自动化的通信功能往往需由多种通信系统组合在一起构成混合通信网络，共同完成相关功能。常用的通信技术包括电力线路载波、光纤通信、现场总线、无线扩频通信技术等。

2.通信网络管理与安全

现代电力通信网络地域广阔、结构复杂、设备种类繁多、通信业务不断扩展，而电力系统自动化对通信网络和服务质量要求越来越高，这就要求建立一个完善、统一、先进的网络管理系统，以充分利用通信网资源，降低运行维护费用，为电力系统自动化提供优质的通信服务。网络管理系统功能有五类，即性能管理、故障管理、配置管理、安全管理和账目管理。性能管理负责对通信设备和网络单元的有效性能进行评价；故障管理是对设备和网络的故障进行检测、隔离和校正；配置管理负责系统设备和网络状态管理、系统运行配置、系统升级扩容等；安全管理利用各种安全措施，保证网络的安全运行；账目管理旨在确定网络服务使用情况，并计算服务费用。

此外，目前电力系统的正常运营对于信息系统的依赖性越来越大，为了保障电力系统的安全稳定经济运行，必须从多方面确保电力信息网络的安全。电力信息网络的安全问题包括“电力通信网络”的安全和“电力信息系统”的安全两个大的方面。为了保证电力信息网络的安全，应根据网络实际运行情况和条件，采取全面的技术措施，包括运用防火墙技术、认证加密技术、防病毒技术、入侵检测技术和漏洞扫描技术等。