項(xiàng)目背景

通信技術(shù)是智能電網(wǎng)研究與建設(shè)中的關(guān)健技術(shù)。目前智能變電站、智能配電網(wǎng)、并網(wǎng)型微電網(wǎng)的通信技術(shù)都已得到了深入地研究及廣泛地應(yīng)用。

智能變電站的通信網(wǎng)絡(luò)主要承載保護(hù)、測(cè)量、控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、告警、計(jì)量等信息流的傳輸，根據(jù)信息類型的不同可以分為SV報(bào)文、GOOSE報(bào)文、MMS報(bào)文及對(duì)時(shí)報(bào)文。SV報(bào)文具有傳輸數(shù)據(jù)量大，報(bào)文長度固定，對(duì)實(shí)時(shí)性和同步性要求高的特點(diǎn)。GOOSE報(bào)文具有報(bào)文數(shù)據(jù)量小，報(bào)文長度短，有一定的突發(fā)性等特點(diǎn)，同樣對(duì)實(shí)時(shí)性和同步性也有很高的要求。由于智能變電站對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)在擴(kuò)展性、可靠性、實(shí)時(shí)性方面提出了更高的要求，所以目前智能變電站的通信組網(wǎng)方案一般采用三層設(shè)備兩層網(wǎng)絡(luò)(三層設(shè)備：站控層、間隔層、過程層，兩層網(wǎng)絡(luò)：過程層網(wǎng)絡(luò)、站控層網(wǎng)絡(luò))的結(jié)構(gòu)。而針對(duì)保護(hù)裝置多采用直采直跳方式，合并單元與裝置直接通過光纖相連，不經(jīng)過過程層交換機(jī)，以最大限度地避免信息丟失及保證采樣間隔和傳輸延時(shí)的穩(wěn)定性。

智能配電網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)為完成生產(chǎn)控制與信息管理而建設(shè)，承載配電網(wǎng)SCADA、負(fù)荷控制管理、遠(yuǎn)程抄表等業(yè)務(wù)。根據(jù)狀態(tài)信息、測(cè)量信息、控制信息等不同類型數(shù)據(jù)信息對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、可靠性、帶寬的要求，以及由于配電網(wǎng)具有配電設(shè)備數(shù)量多、分布廣;通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量相對(duì)少;結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變等特點(diǎn)，配電通信網(wǎng)采用骨干層、接入層的分層組網(wǎng)模式。骨干層網(wǎng)絡(luò)采用光纖自愈環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，接入層采用以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)(EPON)、工業(yè)以太網(wǎng)等高速網(wǎng)絡(luò)。其中EPON通過分光器形成點(diǎn)到多點(diǎn)傳輸網(wǎng)絡(luò)，本身適應(yīng)配電網(wǎng)復(fù)雜多變的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且可以節(jié)省大量光纖資源，為配電通信網(wǎng)接入層的首選方案。

并網(wǎng)型微電網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)連接元件級(jí)、微網(wǎng)級(jí)、調(diào)度級(jí)三級(jí)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)相對(duì)于大電網(wǎng)為單一受控單元、微電網(wǎng)內(nèi)部自主控制管理功能。微電網(wǎng)通過工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)絡(luò)聯(lián)連，采集各元件運(yùn)行參數(shù)，下發(fā)控制命令。

兆瓦(MW)級(jí)海島微電網(wǎng)包含發(fā)、輸、變、配、用、調(diào)度六大環(huán)節(jié)。本文借鑒智能變電站、智能配電網(wǎng)、并網(wǎng)型微電網(wǎng)所采用的通信技術(shù)，提出適用于兆瓦(MW)級(jí)海島微電網(wǎng)的對(duì)“上”至上級(jí)電網(wǎng)、主站內(nèi)兩層信息網(wǎng)絡(luò)、對(duì)“下”至配用電環(huán)節(jié)的三級(jí)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系。并在文中以我國首個(gè)兆瓦級(jí)的南麂島工程為例，簡(jiǎn)述該海島微電網(wǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，闡述了南麂島微電網(wǎng)保護(hù)控制及管理系統(tǒng)的架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的架構(gòu)組成及關(guān)鍵技術(shù)、配置原則及設(shè)備選型等。

兆瓦級(jí)海島微電網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

以浙江南麂島工程為例說明海島微電網(wǎng)設(shè)備配置和接線方式等系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，南麂島離網(wǎng)型微網(wǎng)示范工程充分利用陽光和風(fēng)，在島上建設(shè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)以及儲(chǔ)能系統(tǒng)，同時(shí)還結(jié)合電動(dòng)汽車充換電站、智能電表、用戶交互(可中斷負(fù)荷交互)等先進(jìn)的智能電網(wǎng)技術(shù)。系統(tǒng)采用單母分段主接線方式，由6組500?kW儲(chǔ)能變流器PCS、4組500?kWh鋰電池、2組500?kWx10?s超級(jí)電容構(gòu)成儲(chǔ)能系統(tǒng)，545kWp光伏電池組、10臺(tái)100kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及2臺(tái)300kW柴油發(fā)電機(jī)、2臺(tái)500kW柴油發(fā)電機(jī)構(gòu)成發(fā)電系統(tǒng)，平均負(fù)荷在1MW左右。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示，其中柴發(fā)距離主站0.5km，10臺(tái)風(fēng)機(jī)分成兩組，每5臺(tái)共用一臺(tái)變壓器升壓，兩條風(fēng)力發(fā)電輸電線路長4km，光伏發(fā)電后隆站輸電線路長2.5km，兩條配電線路分別長8.5km和4km，共有23臺(tái)配電變壓器，用電負(fù)載為1?MW。

南麂島微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

兆瓦級(jí)海島微電網(wǎng)系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)分析

海島微電網(wǎng)管控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1、海島微電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)需求分析

具體海島微電網(wǎng)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的需求主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1)?微電網(wǎng)的保護(hù)信息、測(cè)量控制信息、狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息、告警計(jì)量信息(MMS服務(wù))的傳輸需求?；诖祟愋畔?，微網(wǎng)主站調(diào)控層完成常規(guī)的監(jiān)控及經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度。相對(duì)于智能變電站，微電網(wǎng)的信息采集地理范圍更廣，設(shè)備分類眾多。

(2)?跳閘報(bào)文和快速報(bào)文(GOOSE服務(wù))、原始數(shù)據(jù)報(bào)文(SV)的傳輸需求。基于此類信息，實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)內(nèi)集中式保護(hù)、功率擾動(dòng)控制及故障數(shù)據(jù)信息記錄功能。此類信息具有實(shí)時(shí)性及高可靠性的要求，需要有高實(shí)時(shí)和高可靠的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)作支撐。

(3)?經(jīng)濟(jì)性和高效管理的需求。對(duì)于微電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化和性能提升，可以有效降低組網(wǎng)的復(fù)雜度，適應(yīng)海島微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)高效的運(yùn)行要求。

2、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)分析

(1)?分層分網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)

現(xiàn)行智能變電站自動(dòng)化系統(tǒng)基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)定義的數(shù)據(jù)接口模型，采用“三層設(shè)備，兩層網(wǎng)絡(luò)”結(jié)構(gòu)，二次設(shè)備裝置分為站控層、間隔層和過程層，層與層設(shè)備間通過站控層網(wǎng)絡(luò)、過程層網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。

站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)用來傳輸保護(hù)、測(cè)控、計(jì)量、向量測(cè)量、故障錄波等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，主要數(shù)據(jù)報(bào)文有制造報(bào)文(MMS)、面向通用對(duì)象的變電站事件(GOOSE)、采樣值(SV)和同步信息PTP共4類。站控層采用雙星形或星形以太網(wǎng)絡(luò)，MMS、SNTP共網(wǎng)傳輸，過程層網(wǎng)絡(luò)一般采用保護(hù)直采直跳方案，GOOSE、SV獨(dú)立組網(wǎng)模式。SV和GOOSE獨(dú)立組網(wǎng)一方面不利于整站信息共享互動(dòng)，另一方面造成過程層交換機(jī)數(shù)量過多，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和接線復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可靠性降低。

(2)?SV和GOOSE共網(wǎng)傳輸技術(shù)

SV報(bào)文用于過程層和間隔層間設(shè)備的單向采樣值傳輸。SV報(bào)文傳輸數(shù)據(jù)量大，報(bào)文長度固定，由于采樣頻率固定，占用通信網(wǎng)絡(luò)資源也固定，對(duì)實(shí)時(shí)性和同步性有很高的要求。GOOSE報(bào)文用于間隔層之間的聯(lián)閉鎖信號(hào)和間隔層與過程層間的位置信號(hào)、狀態(tài)信號(hào)和控制信號(hào)等。GOOSE報(bào)文數(shù)據(jù)量小，報(bào)文長度短，網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)輕，同樣對(duì)實(shí)時(shí)性和同步性有很高的要求。系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，報(bào)文有一定的突發(fā)性。在智能變電站的通信組網(wǎng)方案中，一般采用GOOSE和SV獨(dú)立組網(wǎng)的方式。對(duì)于GOOSE、SV共網(wǎng)傳輸?shù)慕M網(wǎng)方式進(jìn)行信息的采集和數(shù)據(jù)的傳輸，這種組網(wǎng)方式下，間隔層的設(shè)備信息直接通過一根光纖就可以實(shí)現(xiàn)與過程層的數(shù)據(jù)交換，無論是從安裝還是運(yùn)維方面都是比較簡(jiǎn)單方便的。過程層傳輸?shù)男畔⒊薙V采樣值和GOOSE信息外，還可以有少量輔助信息，如對(duì)信息、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備管理信息等。理論分析證明了該技術(shù)的可行性。

(3)?配電接入網(wǎng)通信技術(shù)

配用電通信網(wǎng)絡(luò)：采用兩臺(tái)OLT，10臺(tái)ONU及20臺(tái)分光器，每個(gè)ONU對(duì)應(yīng)兩個(gè)分光器，形成跨OLT保護(hù)。分光器10%的分支與ONU的PON相連接，90%的分支通過ODF架繼續(xù)延伸至下級(jí)業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)位置，以此類推。ONU連接配網(wǎng)的智能終端采集信息。

以太網(wǎng)與PON的結(jié)合，產(chǎn)生了以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)(EPON)。它同時(shí)具備了以太網(wǎng)和PON的優(yōu)點(diǎn)。EPON媒質(zhì)的性質(zhì)是共享媒質(zhì)和點(diǎn)到點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，在下行方向，擁有共享媒質(zhì)的連接性，傳輸數(shù)據(jù)采用廣播的方式，而在上行方向其行為特性就如同點(diǎn)到點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)傳輸采用時(shí)分多址技術(shù)，由于其光分配網(wǎng)絡(luò)采用無源光器件，無需租用機(jī)房和配電電源，維護(hù)簡(jiǎn)單。EPON技術(shù)在電力系統(tǒng)配電自動(dòng)化、電力光纖到戶等領(lǐng)域已逐步開展應(yīng)用。

兆瓦級(jí)海島微電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

通過深入分析智能變電站及智能配電網(wǎng)、并網(wǎng)型微電網(wǎng)的通信架構(gòu)方案特點(diǎn)及相關(guān)技術(shù)，結(jié)合海島微電網(wǎng)的保護(hù)控制及管理系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求，提出了海島微電網(wǎng)對(duì)“上”至上級(jí)遠(yuǎn)方調(diào)度主站、微網(wǎng)主站內(nèi)兩層信息網(wǎng)絡(luò)、對(duì)“下”至配用電環(huán)節(jié)的三級(jí)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系。

海島微電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

南麂島微電網(wǎng)通信系統(tǒng)案例

南麂島微電網(wǎng)示范工程的通信系統(tǒng)采用文中論述的分級(jí)結(jié)構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的方案。

(1)?站內(nèi)調(diào)控層通信網(wǎng)絡(luò)：選用4臺(tái)多電口光口工業(yè)級(jí)交換機(jī)構(gòu)成，連接集中控制層設(shè)備12臺(tái)、就地控制層設(shè)備27臺(tái)、其它智能設(shè)備5臺(tái)。

(2)?站內(nèi)過程層通信網(wǎng)絡(luò)。選用3臺(tái)16光口工業(yè)級(jí)交換機(jī)構(gòu)成，連接集中控制層設(shè)備8臺(tái)、就地綜合智能終端19臺(tái)，PCS6臺(tái)，SV采樣頻率24點(diǎn)/周。

(3)?配用電通信網(wǎng)絡(luò)：采用兩臺(tái)OLT，10臺(tái)ONU及20臺(tái)分光器，每個(gè)ONU對(duì)應(yīng)兩個(gè)分光器，形成跨OLT保護(hù)。分光器10%的分支與ONU的PON相連接，90%的分支通過ODF架繼續(xù)延伸至下級(jí)業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)位置，以此類推。ONU連接配網(wǎng)的智能終端采集信息。

(4)?對(duì)時(shí)網(wǎng)絡(luò)：采用一臺(tái)主時(shí)鐘設(shè)備、二臺(tái)對(duì)時(shí)擴(kuò)展裝置。主站調(diào)度層設(shè)備采用SNTP網(wǎng)絡(luò)報(bào)文授時(shí)，就地安裝的智能終端及集中控制層設(shè)備采用光B碼信號(hào)授時(shí)。

結(jié)論

海島微電網(wǎng)涵蓋電力系統(tǒng)的發(fā)、輸、變、配、用、調(diào)度的六大環(huán)節(jié)，其運(yùn)行控制與管理模式完全依賴于可靠的信息采集與傳輸，可靠、安全、經(jīng)濟(jì)、高效的通信系統(tǒng)是微電網(wǎng)運(yùn)行控制與管理的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。本文在系統(tǒng)分析了微電網(wǎng)通信系統(tǒng)的特殊問題及主要需求后，綜合智能變電站、智能配電網(wǎng)中的通信架構(gòu)及相關(guān)通信技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了分級(jí)結(jié)構(gòu)的海島微電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并結(jié)合南麂島微電網(wǎng)示范工程，介紹了該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在工程應(yīng)用的實(shí)際應(yīng)用方案。基于此通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的南麂島微電網(wǎng)已于2014年9月26日正式投入運(yùn)行，已為島上居民提供光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等清潔能源。本文提出的分級(jí)結(jié)構(gòu)的海島微電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，為海島微電網(wǎng)的通信系統(tǒng)的研究與建設(shè)提供了重要的理論支撐和實(shí)踐依據(jù)，將為微電網(wǎng)和海島微電網(wǎng)的工程設(shè)計(jì)及建設(shè)提供很好的借鑒作用。

作者簡(jiǎn)介

田盈(1975-)，女，本科，工程師，從事智能電網(wǎng)保護(hù)與控制領(lǐng)域研究工作;

孟賽(1989-)，男，本科，助理工程師，從事變電運(yùn)行管理工作;

鄒欣潔(1980-)，女，本科，從事智能電網(wǎng)保護(hù)與控制領(lǐng)域研究工作。