面向智能電網(wǎng)的配用電通信網(wǎng)絡(luò)研究論文
0引言
配用電網(wǎng)是電能分配使用的重要通道，是電網(wǎng)的重要組成部分。配用電通信網(wǎng)是保障配用電網(wǎng)正常運(yùn)行、故障快速響應(yīng)、資源高效利用、業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)、電力生產(chǎn)可持續(xù)的信息通道。配用電通信得到廣泛關(guān)注，主要是存在很多問題：配用電通信系統(tǒng)缺乏總體規(guī)劃，各種業(yè)務(wù)獨(dú)立建立通信網(wǎng)，多采用專有通信協(xié)議，業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)相互孤立，電力設(shè)備通信接口專用等因素造成通信網(wǎng)兼容性差，通信資源浪費(fèi)嚴(yán)重，新業(yè)務(wù)建設(shè)通信網(wǎng)難度日益增大等。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，智能電網(wǎng)成為未來提高供電質(zhì)量、增強(qiáng)企業(yè)服務(wù)水平等的重要手段；但是智能電網(wǎng)要求配用電通信網(wǎng)解決更多業(yè)務(wù)信息的接入問題，包括高級配電自動(dòng)化、用電信息自動(dòng)全采集、風(fēng)光儲新能源接入、設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控和資產(chǎn)無縫的管理、用電服務(wù)多樣和定制等新需求，對這些問題，目前并沒有有效的解決途徑。
國內(nèi)外對于智能電網(wǎng)和相關(guān)信息通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展開展了廣泛的研究@4]。在通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)方面，考慮通信系統(tǒng)建設(shè)向網(wǎng)絡(luò)化和標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展，通過統(tǒng)一接口標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一基礎(chǔ)網(wǎng)協(xié)議規(guī)范、建立網(wǎng)絡(luò)化的通信網(wǎng)絡(luò)、多業(yè)務(wù)融合傳輸模式等，從而達(dá)到簡化基礎(chǔ)設(shè)施復(fù)雜多樣、簡化系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)難度、提高業(yè)務(wù)終端信息交互兼容性等的目的。本文即是在這樣的背景下，系統(tǒng)地研究把這種系統(tǒng)化理論和原則應(yīng)用到配用電通信網(wǎng)建設(shè)的具體規(guī)劃和設(shè)計(jì)中，以解決配用電通信網(wǎng)規(guī)劃缺乏系統(tǒng)性、業(yè)務(wù)網(wǎng)孤立建網(wǎng)、多技術(shù)優(yōu)化組網(wǎng)等方面的問題。
本文一方面從通信網(wǎng)絡(luò)承載的智能化配用電網(wǎng)業(yè)務(wù)著手，分析業(yè)務(wù)的類型、分布特性等，確定信息通信的需求、通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、通信協(xié)議類型等網(wǎng)絡(luò)建設(shè)模式；另外，考慮了通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)適應(yīng)配用電網(wǎng)實(shí)際、具有繼承性，特別是把當(dāng)前的示范工程等試點(diǎn)建設(shè)成果，體現(xiàn)在提出的設(shè)計(jì)方案中。
1智能配用電業(yè)務(wù)分析
智能配電網(wǎng)業(yè)務(wù)特點(diǎn)是：1)業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)多、覆蓋面廣、分散，運(yùn)行環(huán)境差；2)配電網(wǎng)受擴(kuò)容、城建影響大；3)通信距離較遠(yuǎn)，業(yè)務(wù)種類多，差異性大，總信息量大，單點(diǎn)容量小；4)運(yùn)行維護(hù)量大、管理問題多，建設(shè)復(fù)雜。早期配網(wǎng)監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量少，多采用專線形式傳輸電力業(yè)務(wù)。智能配電網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)意味著大量業(yè)務(wù)的傳輸，傳統(tǒng)通信模式不可行，需要用網(wǎng)絡(luò)的概念融合多種業(yè)務(wù)，同時(shí)保障業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量(qualityofservice，QoS)特性。
根據(jù)多種業(yè)務(wù)的關(guān)系，融合并劃分出滿足各自需求的網(wǎng)絡(luò)體系是通信網(wǎng)構(gòu)建的前提。詳細(xì)的業(yè)務(wù)內(nèi)容和劃分類型見圖1。傳統(tǒng)自動(dòng)化業(yè)務(wù)、電網(wǎng)狀態(tài)分析、新型充電站業(yè)務(wù)、分布式能源業(yè)務(wù)等歸于高級配電自動(dòng)化。電力用戶用電信息采集、客戶交費(fèi)管理、需求側(cè)管理、配網(wǎng)能耗評測、階梯電價(jià)實(shí)施、分布式電源置換交易和營銷管理等歸于用電信息采集網(wǎng)絡(luò)。
通過配電業(yè)務(wù)、營銷業(yè)務(wù)、用能服務(wù)業(yè)務(wù)等的分析，按照業(yè)務(wù)需求指標(biāo)(如網(wǎng)絡(luò)帶寬、實(shí)時(shí)性、可靠性、安全性等)提出配電通信網(wǎng)業(yè)務(wù)網(wǎng)通信模式。
2配用電業(yè)務(wù)網(wǎng)模型
2.1高級配電自動(dòng)化系統(tǒng)
配電自動(dòng)化系統(tǒng)是配電網(wǎng)的重要業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場配電終端和主站的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)交互。早期的配網(wǎng)通信多采用專線的形式，通信協(xié)議采用諸如CDT、Polling串行通信協(xié)議，線路資源利用率很低。當(dāng)前的數(shù)字化變電站網(wǎng)絡(luò)在向著IEC61850、IEC61968、IEC61970通信協(xié)議演進(jìn)，目前基本實(shí)現(xiàn)站層級的Internet標(biāo)準(zhǔn)。
建立基于以太網(wǎng)技術(shù)的高級配電自動(dòng)化業(yè)務(wù)系統(tǒng)是新時(shí)期自動(dòng)化業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)的有效方式。經(jīng)過大量的建設(shè)實(shí)踐和交換式以太網(wǎng)技術(shù)仿真，證明在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備30%負(fù)載的情況下，網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性和可靠性是最好的。推廣IEC60870-5-104在配電網(wǎng)中的應(yīng)用能滿足自動(dòng)化業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性、通道帶寬、通信節(jié)點(diǎn)數(shù)量、新型配電業(yè)務(wù)等需求，有效實(shí)現(xiàn)基于以太網(wǎng)的配電自動(dòng)化和調(diào)度自動(dòng)化綜合管理功能。
2.2用電負(fù)荷管理系統(tǒng)
用戶電量采集業(yè)務(wù)朝著全自動(dòng)化、全預(yù)付費(fèi)、全覆蓋的方向發(fā)展。目前電能采集方式較為典型的是米用通用無線分組業(yè)務(wù)(generalpacketradioservice，GPRS)網(wǎng)絡(luò)。這種方式采用帶有GPRS模塊的集中器匯集局部區(qū)域的用電信息，經(jīng)電信專網(wǎng)接入電力公司主站。集中器下行采用采集器讀取電表數(shù)據(jù)，通信網(wǎng)絡(luò)簡單；問題是GPRS設(shè)備在線率低、不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)電價(jià)和及時(shí)響應(yīng)用戶側(cè)需求，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)租賃費(fèi)用高。
解決用電負(fù)荷管理業(yè)務(wù)的有效方式是建立基于TCP/IP的以太網(wǎng)通信專網(wǎng)，連接用電信息管理主站與各個(gè)電力用戶終端(如專變采集終端、公變采集終端、廠站采集終端、小區(qū)集中器、分布式電源和充電站計(jì)量終端)；本地通信采用RS-485總線、載波、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wirelesssensornetwork，WSN)等連接到各種電力用戶終端表計(jì)。如圖3所示。
2.3用能服務(wù)網(wǎng)絡(luò)
用能服務(wù)網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)用戶用電需求定制、多種用能策略、多樣化服務(wù)等的業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)承載的業(yè)務(wù)包括語音、視頻、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，帶寬需求很大，需要寬帶的通信技術(shù)和基于TCP/IP技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)方式。
用電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)可以利用電力通信網(wǎng)和公共互聯(lián)網(wǎng)，用戶需求經(jīng)公共互聯(lián)網(wǎng)上傳至電力服務(wù)網(wǎng)站，定制的服務(wù)經(jīng)由電力通信網(wǎng)傳輸至用戶的表計(jì)和用戶終端。用能服務(wù)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖4所示。
2.4視頻/環(huán)境輔助監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)
視頻監(jiān)控系統(tǒng)在配電網(wǎng)中有廣泛的應(yīng)用，例如無人值守變電站的監(jiān)視、重要開關(guān)設(shè)備的監(jiān)視、現(xiàn)場維修安全監(jiān)視、事故搶修現(xiàn)場分析等。電力公司監(jiān)控中心可以對所有的變電站視頻信息統(tǒng)一管理，進(jìn)行圖像的顯示、錄像、回放、管理等。應(yīng)用于電網(wǎng)視頻監(jiān)控的系統(tǒng)通常構(gòu)建成如圖5所示的客戶/服務(wù)器(client/server，C/S)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
3配用電通信網(wǎng)關(guān)鍵要素
業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)融合是今后的發(fā)展趨勢，可以避免通信網(wǎng)的重復(fù)建設(shè)、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)有效利用、提高網(wǎng)絡(luò)的利用效率。下面分析支撐多業(yè)務(wù)的配用電通信網(wǎng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)。
1)無源光網(wǎng)絡(luò)等多種通信技術(shù)。
我國配電網(wǎng)通信經(jīng)過多年來的實(shí)踐，先后經(jīng)歷了電纜、載波、無線、光纖通信等階段。目前這些技術(shù)尤其是光通信技術(shù)發(fā)展很快，如以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)(Ethernetpassiveopticalnetwork，EPON)技術(shù)、光交換機(jī)、微波存取全球互通(worldwideinteroperabilityformicrowaveaccess，WIMAX)無線寬帶技術(shù)、無線局域網(wǎng)(wirelesslocalareanetwork，WLAN)技術(shù)、WSN技術(shù)、無線公網(wǎng)GPRS技術(shù)、高中低壓載波技術(shù)、非對稱數(shù)字用戶環(huán)路(asymmetricdigitalsubscriberline，ADSL)技術(shù)等，各種技術(shù)提供的通信帶寬都有了很大的`提高。
配電通信網(wǎng)的構(gòu)建必須綜合采用多種通信方式，合理建立起光纖網(wǎng)絡(luò)為主干，貫穿重要配電站點(diǎn)、調(diào)度中心、營業(yè)場所等節(jié)點(diǎn)，實(shí)施分區(qū)無線覆蓋的網(wǎng)絡(luò)覆蓋模式，解決光網(wǎng)絡(luò)覆蓋不到的區(qū)域通信問題。載波和線纜通信解決用戶端的多媒體業(yè)務(wù)、用電信息采集業(yè)務(wù)、配電網(wǎng)的設(shè)備和線路監(jiān)測業(yè)務(wù)。
2)融合的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。
配用電多業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)決定需要采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)，見圖6，融合的業(yè)務(wù)網(wǎng)除了滿足業(yè)務(wù)通信需求外，還需要滿足以下幾方面要求：
�、侔踩砸�。根據(jù)電力二次系統(tǒng)安全防護(hù)規(guī)定，電力二次系統(tǒng)應(yīng)堅(jiān)持安全分區(qū)、網(wǎng)絡(luò)專用、橫向隔離、縱向認(rèn)證的原則，合理實(shí)現(xiàn)4個(gè)業(yè)務(wù)網(wǎng)的信息交互。
�、诳煽啃砸�。各業(yè)務(wù)網(wǎng)側(cè)重采用不同的通信在3層的基礎(chǔ)上增加網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層。綜合配用電通信特點(diǎn)，提出圖8所示結(jié)構(gòu)通信協(xié)議模型，應(yīng)用時(shí)可針對需要進(jìn)行簡化，如為了提高配電自動(dòng)化通信實(shí)時(shí)性，應(yīng)用層數(shù)據(jù)長度較短，可以去掉傳輸層而以4層協(xié)議結(jié)構(gòu)通信。
利用這種結(jié)構(gòu)可統(tǒng)籌兼顧配用電各種業(yè)務(wù)相應(yīng)通信網(wǎng)協(xié)議的規(guī)范和統(tǒng)一要求。
圖8通信協(xié)議結(jié)構(gòu)技術(shù)，自動(dòng)化網(wǎng)側(cè)重使用光纖網(wǎng)絡(luò)、載波網(wǎng)；用電和監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)可以利用光纖網(wǎng)、載波網(wǎng)、無線寬帶網(wǎng)、WSN技術(shù)等。
3)綜合網(wǎng)管技術(shù)。
網(wǎng)絡(luò)化的通信結(jié)構(gòu)和多種通信技術(shù)在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的綜合運(yùn)用，擴(kuò)大了網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模，增加了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，給網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行維護(hù)增加了很大的困難。因此需要建立統(tǒng)一的網(wǎng)管系統(tǒng)(見圖7)，對這種復(fù)合的通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的集中管理、設(shè)置、管理網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)和保障網(wǎng)絡(luò)的QoS。結(jié)合地理信息系統(tǒng)(geographicalinformationsystem，GIS)，可以對通信網(wǎng)絡(luò)的故障進(jìn)行準(zhǔn)確的定位，方便運(yùn)維人員迅速排除故障。
4)網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)。
融合了多種通信技術(shù)、承載了多種業(yè)務(wù)和遍布互聯(lián)的配電通信網(wǎng)是一個(gè)開放的網(wǎng)絡(luò)，大量的終端設(shè)備可以隨時(shí)要求接入這個(gè)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的安全性和數(shù)據(jù)的保密性是應(yīng)用中的關(guān)鍵內(nèi)容，可以從應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、物理層入手設(shè)置認(rèn)證加密過濾技術(shù)，提出完整的解決方案。利用安全測試評估技術(shù)、安全存儲技術(shù)、主動(dòng)實(shí)施防護(hù)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全事件監(jiān)控技術(shù)、惡意代碼防范與應(yīng)急響應(yīng)技術(shù)、數(shù)據(jù)備份與可生存技術(shù)、可信計(jì)算平臺技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)安全管理與統(tǒng)一威脅管理(unifiedthreatmanagement，UTM)技術(shù)，為配電通信網(wǎng)的安全提供保障措施4。
4典型配用電通信技術(shù)混合組網(wǎng)示例
根據(jù)配用電通信網(wǎng)的要求和多種通信技術(shù)特征，考慮充分發(fā)揮各種通信技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，減弱各種技術(shù)應(yīng)用缺點(diǎn)，建立以光纖網(wǎng)絡(luò)為骨干，無線技術(shù)、載波為補(bǔ)充的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(見圖9)，滿足配調(diào)自動(dòng)化、用電信息采集、用能服務(wù)、環(huán)境監(jiān)測、臨時(shí)應(yīng)急通信等多業(yè)務(wù)網(wǎng)的需求�；旌吓溆秒娡ㄐ啪W(wǎng)的組成模式劃分成以下3個(gè)層面和綜合網(wǎng)管系統(tǒng)。
1)骨干傳輸層。指覆蓋35kV以上變電站點(diǎn)的光纖網(wǎng)，用作生產(chǎn)管理的調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)和信息管理的綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)。
2)遠(yuǎn)程接入網(wǎng)絡(luò)。實(shí)現(xiàn)技術(shù)包括工業(yè)交換機(jī)、XPON技術(shù)、中壓載波、無線技術(shù)，完成用戶側(cè)數(shù)據(jù)的匯聚上傳。具體技術(shù)應(yīng)用見表1。
3)本地接入網(wǎng)絡(luò)。本地接入技術(shù)(如WLAN、電力線載波(powerlinecarrier，PLC))等解決電網(wǎng)局
4)網(wǎng)管系統(tǒng)�；旌闲团潆娡ㄐ啪W(wǎng)網(wǎng)管主要負(fù)責(zé)管理工業(yè)以太網(wǎng)、XPON網(wǎng)絡(luò)、本地的WLAN、WSN網(wǎng)絡(luò)、無線專網(wǎng)、載波通信網(wǎng)絡(luò)等通信設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)置的管理。表3給出網(wǎng)管的實(shí)現(xiàn)功能。
5結(jié)語
配電通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)涉及技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、需求、發(fā)展等眾多因素，綜合全面規(guī)劃才能提出可行的建設(shè)方案。本文從業(yè)務(wù)需求出發(fā)，梳理了配用電通信網(wǎng)涉及的多個(gè)方面：1)把智能配電網(wǎng)業(yè)務(wù)劃分成5類業(yè)務(wù)塊，根據(jù)業(yè)務(wù)類型采用不同的業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)模型，滿足各自的通信需求。2)網(wǎng)絡(luò)化的配用電通信網(wǎng)涉及5個(gè)方面的關(guān)鍵因素，包括通信技術(shù)的選擇、業(yè)務(wù)網(wǎng)分布、通信協(xié)議結(jié)構(gòu)、綜合網(wǎng)管和網(wǎng)絡(luò)安全策略等。3)把配電通信網(wǎng)的結(jié)構(gòu)分成骨干傳輸網(wǎng)、遠(yuǎn)程接入網(wǎng)和本地接入網(wǎng)，理順了通信網(wǎng)結(jié)構(gòu)，給出了各層網(wǎng)絡(luò)可采用的通信技術(shù)。
配電通信網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)日益緊迫，但是建設(shè)符合未來現(xiàn)代電網(wǎng)發(fā)展需求的配用電通信網(wǎng)絡(luò)更重要，本文從系統(tǒng)化的角度論述了配用電通信網(wǎng)建設(shè)的幾個(gè)關(guān)鍵方面，接下來的工作是結(jié)合相關(guān)項(xiàng)目，細(xì)化不同部分的實(shí)現(xiàn)方法，探索工程的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，組織開展通信網(wǎng)建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)化工作，從而及早落實(shí)符合發(fā)展需求、切實(shí)可行的配電通信網(wǎng)建設(shè)模式。
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