[文章]：光纤通信技术在配电网自动化系统中的应用

tline_gy

光纤通信技术在配电网自动化系统中的应用
《电力系统自动化》98年8月

摘要： 重点介绍在配电网自动化系统中，如何根据配电网的特点合理设计和配置光纤通信设备，包括光纤环网通信方式、光纤通信路由设计、光纤环路通信接口、光缆及光纤收发设备的选择、光纤的防护及光缆敷设技术。为拥护在选择通信时提供了技术参考。
关键词：配电网    光纤通信    光缆    光纤收发设备

1.        引言
配电网通信系统的特点是测点多、分散、覆盖面广。应根据各个城市配电网的具体情况，按照市中心、市区、郊区、农电等不同条件，选择不同的通信方式。市中心、市区负荷密集，由于杂散波干扰、高层建筑阻挡等因素，不宜采用无线电通信方式。而光纤通信具有高速、可靠、抗干扰的特点，应是市中心、市区配电网首选的一种通信方式。对于光纤通信，人们普遍关心的是价格问题，其实随着光纤通信技术的发展，性能价格比已经适中。
2.        光纤通信网络功能及特点
光纤通信与其他通信方式相比有其独特性，配电自动化系统光纤通信是环网通信方式，其主要功能与特点为：
（1）        是一种高速率数据通信网。
（2）        可靠性高，抗干扰能力强。其误码率达到10-9数量级，远优于其他通信方式。光纤通信不受电磁波或其他强电场的影响。
（3）        通信网络具有自愈功能。在环形结构光纤通信网络中，若通信链接的测点比较多，为了提高光纤通信的可靠性，草用双环通信网，互为热备用，一旦通信有故障，光端设备能自选路由，自动愈合，保证主站到各个之间通信畅通，确保了通信的可靠性。
（4）        配置灵活，扩展方便。配电网若要增加新的测点，只要在就近的光纤通信环网内，打开环路之间链接即可。通信速率按9600bit/s考虑，如果在一定的工作温度范围内每个节点造成的码形宽度畸变小于10s，接收所允许的码形宽度畸变小于10%，那么允许的节点数N=[（1/9600）×10%]÷（0.1×10-6）>100。也就是说，在这种情况下，每个光纤通信环最多链接100个通信接点，完全可以满足配电网自动化系统通信网扩展的需要。
（5）        完善的光端设备通信接口方式。具有标准的EIA-422或EIA-485通信接口，若用户采用RS-232通信口，可以通过接口转换器，转换成所需要的通信接口。
（6）        光端设备体积只有10cm×5cm×2cm，重量不到200g。其结构模块化，安装调试简便。
（7）        工作电源+12V，静态工作电流30mA左右，传送数据时工作电流小于100mA。这种低功耗光端设备，有利于减少配电网不间断电源电能消耗。
（8）        光缆防护等级高，易于敷设。采用带有铠装、充油、束管式电缆。光缆张力强，有一定柔性，防水、防挤压。光缆传输的是光信号，因此不怕强电场和磁场。这给光缆蝮敷设带来很大方便，地面下可以与动力电缆同沟敷设，地面上可以与架空高压线同杆架设。
3.        光缆通信配置方式及路由设计
3.1点对点配置
两站之间以光的方式互联，实现点对点通信。这种方式一般用于点对点之间距离比较长，例如几十千米以上，或者这个站距中心站较远，难以链接到环形网络中，因此只能采用点对点配置方式的情况。
这种方式下，光端设备转发开关全部置于“OFF（断开）”位置，详见图1。










图1：点对点配置方式
Fig.1    Configuration of point-to-point mode
3.2环网通信的主站-子站配置方式
这种配置方式支持两个以上多点通信。在这种环形通信系统中，只有一个主站，对链接在环路上的子站接收来自主站所有的查询命令，只有确认其查询报文中的地址时才予以响应。参见图2。










图2：主站-子站环形配置方式
Fig.2  Configuration of master-slave loop mode
此配置方式，比较适合配电系统分散、多点通信的特点，是配电网光纤通信首选的配置方式。
光端设备转发开关设置：主站置于“OFF（断开）”位置；子站置于“REF（转发）”位置。这样设置可避免主站收到环路信息时，以光的方式沿着环路返回再继续转发（再传输）。所有子站处于半双工通信状态。
3.3环网通信的对等配置
这种配置方式如图3所示，具有下列主要特点；
（1）        环路中各点都可以成为主站，但每次数据传输时只有一个主站。
（2）        主站与子站的区别在于转发开关设置。当环路无信息传送时，大家都是子站，转发开关设置于“REF”（转发）”位置；当某一子站升为主站时，转发开关设置于“OFF（断开）”位置。
（3）        各站转发开关有软件控制，平时都处于子站状态，一旦要发送信息，则转发开关置于“OFF（断开）”位置，该子站升为主站信息传送完毕，转发开关恢复到“REF”位置。这一功能通过软件控制DB25        插头的23脚实现，23脚高电平（大于3V）时，转发开关处于断开状态；23脚低电平（小于1V）时，转发开关处于转发状态。








图3：对等环路配置方式
Fig.3   Configuration of peer-to-peer mode
3.4光纤单环网或双环网
当一个光纤通信环路节点比较多时，为了防止光缆或光端设备等因素引起光纤环路通信故障，造成整个环路通信中断，采用光纤栓环路通信（见图4）。双环路的光端设备具有自愈功能，即使某一段光缆故障，故障段两端的光端设备能自动愈合，两端各自生成环路，保证通信畅通。双环路光纤通信，每个站配置两个光端设备，这两个光端设备具有自动切换和自愈功能。光端设备的自愈功能，是通过光端设备双环切换控制器来实现的。









图4：双环路光纤通信系统
Fig.4  Two-way-loop optical fiber communication system
正常情况下，无论是主站的查询命令还是子站响应的报文，光纤通信A环和B环沿着各自的环路进行传送。子站同时接收来自A环和B环的信息，经光端设备双环切换控制器，只选择其中一个环路的信号，传送到FTU或RTU；主站有一个串行口发送信息，同时在A环和B环中传送，由两个串行口分别接收A环和B环的信息。
当光纤通信环路出现故障，假设在K处（见图4）光缆被施工切断，造成A环和B环都不能生成环路，K断点处两侧的光端设备只能收到一个环路信息。断点左侧光端设备只能收到B环的信息，断点右侧光端设备只能收到A环的信息。双环切换控制器检测到只接收一个环路信息时，经过一定延时，自动把接收的信号切换到另一个环路的发送端，生成新的通信环路，即断点两侧的光端设备，A环和B环相互链接，构成新的光纤路径，实现光纤环路自愈功能。
3.5光纤通信环网路由设计
根据配电网各个测点布局，同意规划，既要考虑目前现有的测点，又要卡率将来的发展。根据电缆沟走向或是架空线走向，以选择最小路径为原则，合理设计光缆通信网络。
4.        光纤通信环路接口及其收发器的诊断
配电网所用的光端设备是一种简单的光纤数据传输收发设备。光端设备是完成光/电转换的信号收发器。每个光端设备都具有光端口和数据通信接口。
3.1光纤通信接口
3.1.1光端口
每个光端口具有两个光端口T和R，电信号转换成光信号，经光端口发出。光端口采用“ST”型接头，以便与光缆连接。光缆上的光接头可由技术人员使用专用工具进行制作。
3.1.2数据通信口
光信号转换成电信号，通过光端机数据通信口。与终端设备（FTU或RTU）相连接。通信接口采用标准的EIA-422或EIA-485。光端机数据通信借口方式灵活，可以满足用户的需求。
4.2光端设备诊断
光端设备诊断功能是通过光端设备内的4个发光二极管来实现的，不同的发光二极管分别代表电信号和光信号的接收与发送。当发光二极管电亮时，表示相应的通路运行，发光二极管闪烁，表示通路上有数据传输。
借助于对发光二极管的观察，可判断光端设备的运行情况，寻找并排除光纤通信系统的故障。
5.        光缆及光纤收发设备选择
光纤可分为单模光纤和多模光纤。
（1）        单模光纤：纤芯直径通常为7m~13m。着这样细的光纤，仅有一条轴向通路用于光的传播。用于驱动单模光纤的光束必须高聚焦。所用的光发射和接收设备价格较高，但传输距离比较远（大于20 km）。
（2）        多模光纤：纤芯直径大于50m。这种大口径光纤，允许不同的通路传输光束。光发射和接受设备价格较低，但传输距离一般在6.5km以内。
根据环路上节点之间传送距离选择不同类型的光纤和光端设备及光的工作波长。割据配电系统通信网的特点，建议采用光纤环网通信，主站-子站式配置方式，如果节点之间距离不长，可采用多模光缆，工作波长为短波长，选820m~850m的光端设备。多模光纤的规格为：62.5m/125m。当节点之间距离比较远时，随着单模光缆价格的降低，可优先选用单模光缆。
选择光缆，应考虑防挤压、防碰撞、防弯曲、防潮等防护措施，这对光缆使用寿命至关重要。束管式光缆具有高性能防护措施，可以架空、管道或直埋敷设。
6.        结语
光纤通信在配电网自动化系统中的应用，在国内刚刚起步，人们只有在实际应用中，不酸解决所出现的技术问题，才能使配电系统光纤通信网的应用更趋完善。