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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)正常運行、故障快速響應、資源高效利用、業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)實(shí)現、電力生產(chǎn)可持續的信息通道。配用電通信得到廣泛關(guān)注，主要是存在很多問(wèn)題：配用電通信系統缺乏總體規劃，各種業(yè)務(wù)獨立建立通信網(wǎng)，多采用專(zhuān)有通信協(xié)議，業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò )相互孤立，電力設備通信接口專(zhuān)用等因素造成通信網(wǎng)兼容性差，通信資源浪費嚴重，新業(yè)務(wù)建設通信網(wǎng)難度日益增大等。隨著(zhù)社會(huì )經(jīng)濟的發(fā)展，智能電網(wǎng)成為未來(lái)提高供電質(zhì)量、增強企業(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(wèn)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、設備實(shí)時(shí)監控和資產(chǎn)無(wú)縫的管理、用電服務(wù)多樣和定制等新需求，對這些問(wèn)題，目前并沒(méi)有有效的解決途徑。
國內外對于智能電網(wǎng)和相關(guān)信息通信網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展開(kāi)展了廣泛的研究@4]。在通信網(wǎng)絡(luò )的建設方面，考慮通信系統建設向網(wǎng)絡(luò )化和標準化發(fā)展，通過(guò)統一接口標準、統一基礎網(wǎng)協(xié)議規范、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，從而達到簡(jiǎn)化基礎設施復雜多樣、簡(jiǎn)化系統功能設計難度、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，系統地研究把這種系統化理論和原則應用到配用電通信網(wǎng)建設的具體規劃和設計中，以解決配用電通信網(wǎng)規劃缺乏系統性、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(wèn)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(zhù)手，分析業(yè)務(wù)的類(lèi)型、分布特性等，確定信息通信的需求、通信網(wǎng)絡(luò )架構、通信協(xié)議類(lèi)型等網(wǎng)絡(luò )建設模式；另外，考慮了通信網(wǎng)絡(luò )的建設適應配用電網(wǎng)實(shí)際、具有繼承性，特別是把當前的示范工程等試點(diǎn)建設成果，體現在提出的設計方案中。
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)節點(diǎn)多、覆蓋面廣、分散，運行環(huán)境差；2)配電網(wǎng)受擴容、城建影響大；3)通信距離較遠，業(yè)務(wù)種類(lèi)多，差異性大，總信息量大，單點(diǎn)容量��；4)運行維護量大、管理問(wèn)題多，建設復雜。早期配網(wǎng)監測點(diǎn)數量少，多采用專(zhuān)線(xiàn)形式傳輸電力業(yè)務(wù)。智能配電網(wǎng)的實(shí)現意味著(zhù)大量業(yè)務(wù)的傳輸，傳統通信模式不可行，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。
根據多種業(yè)務(wù)的關(guān)系，融合并劃分出滿(mǎn)足各自需求的網(wǎng)絡(luò )體系是通信網(wǎng)構建的前提。詳細的業(yè)務(wù)內容和劃分類(lèi)型見(jiàn)圖1。傳統自動(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(hù)用電信息采集、客戶(hù)交費管理、需求側管理、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(yíng)銷(xiāo)管理等歸于用電信息采集網(wǎng)絡(luò )。
通過(guò)配電業(yè)務(wù)、營(yíng)銷(xiāo)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(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
配電自動(dòng)化系統是配電網(wǎng)的重要業(yè)務(wù)，實(shí)現現場(chǎng)配電終端和主站的業(yè)務(wù)數據交互。早期的配網(wǎng)通信多采用專(zhuān)線(xiàn)的形式，通信協(xié)議采用諸如CDT、Polling串行通信協(xié)議，線(xiàn)路資源利用率很低。當前的數字化變電站網(wǎng)絡(luò )在向著(zhù)IEC61850、IEC61968、IEC61970通信協(xié)議演進(jìn)，目前基本實(shí)現站層級的Internet標準。
建立基于以太網(wǎng)技術(shù)的高級配電自動(dòng)化業(yè)務(wù)系統是新時(shí)期自動(dòng)化業(yè)務(wù)實(shí)現的有效方式。經(jīng)過(guò)大量的建設實(shí)踐和交換式以太網(wǎng)技術(shù)仿真，證明在網(wǎng)絡(luò )設備30%負載的情況下，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)中的應用能滿(mǎn)足自動(dòng)化業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性、通道帶寬、通信節點(diǎn)數量、新型配電業(yè)務(wù)等需求，有效實(shí)現基于以太網(wǎng)的配電自動(dòng)化和調度自動(dòng)化綜合管理功能。
2.2用電負荷管理系統
用戶(hù)電量采集業(yè)務(wù)朝著(zhù)全自動(dòng)化、全預付費、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(wú)線(xiàn)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域的用電信息，經(jīng)電信專(zhuān)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據，通信網(wǎng)絡(luò )簡(jiǎn)單；問(wèn)題是GPRS設備在線(xiàn)率低、不能實(shí)現實(shí)時(shí)電價(jià)和及時(shí)響應用戶(hù)側需求，同時(shí)網(wǎng)絡(luò )租賃費用高。
解決用電負荷管理業(yè)務(wù)的有效方式是建立基于TCP/IP的以太網(wǎng)通信專(zhuān)網(wǎng)，連接用電信息管理主站與各個(gè)電力用戶(hù)終端(如專(zhuān)變采集終端、公變采集終端、廠(chǎng)站采集終端、小區集中器、分布式電源和充電站計量終端)；本地通信采用RS-485總線(xiàn)、載波、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(wirelesssensornetwork，WSN)等連接到各種電力用戶(hù)終端表計。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)現用戶(hù)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(yǔ)音、視頻、數據業(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(hù)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(hù)的表計和用戶(hù)終端。用能服務(wù)網(wǎng)絡(luò )架構如圖4所示。
2.4視頻/環(huán)境輔助監測網(wǎng)絡(luò )
視頻監控系統在配電網(wǎng)中有廣泛的應用，例如無(wú)人值守變電站的監視、重要開(kāi)關(guān)設備的監視、現場(chǎng)維修安全監視、事故搶修現場(chǎng)分析等。電力公司監控中心可以對所有的變電站視頻信息統一管理，進(jìn)行圖像的顯示、錄像、回放、管理等。應用于電網(wǎng)視頻監控的系統通常構建成如圖5所示的客戶(hù)/服務(wù)器(client/server，C/S)網(wǎng)絡(luò )結構。
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)的重復建設、實(shí)現數據有效利用、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(wú)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(guò)多年來(lái)的實(shí)踐，先后經(jīng)歷了電纜、載波、無(wú)線(xiàn)、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(wú)源光網(wǎng)絡(luò )(Ethernetpassiveopticalnetwork，EPON)技術(shù)、光交換機、微波存取全球互通(worldwideinteroperabilityformicrowaveaccess，WIMAX)無(wú)線(xiàn)寬帶技術(shù)、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(wirelesslocalareanetwork，WLAN)技術(shù)、WSN技術(shù)、無(wú)線(xiàn)公網(wǎng)GPRS技術(shù)、高中低壓載波技術(shù)、非對稱(chēng)數字用戶(hù)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)、調度中心、營(yíng)業(yè)場(chǎng)所等節點(diǎn)，實(shí)施分區無(wú)線(xiàn)覆蓋的網(wǎng)絡(luò )覆蓋模式，解決光網(wǎng)絡(luò )覆蓋不到的區域通信問(wèn)題。載波和線(xiàn)纜通信解決用戶(hù)端的多媒體業(yè)務(wù)、用電信息采集業(yè)務(wù)、配電網(wǎng)的設備和線(xiàn)路監測業(yè)務(wù)。
2)融合的數據網(wǎng)絡(luò )。
配用電多業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò )特點(diǎn)決定需要采用數據融合技術(shù)，見(jiàn)圖6，融合的業(yè)務(wù)網(wǎng)除了滿(mǎn)足業(yè)務(wù)通信需求外，還需要滿(mǎn)足以下幾方面要求：
�、侔踩砸�。根據電力二次系統安全防護規定，電力二次系統應堅持安全分區、網(wǎng)絡(luò )專(zhuān)用、橫向隔離、縱向認證的原則，合理實(shí)現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)側重采用不同的通信在3層的基礎上增加網(wǎng)絡(luò )層和傳輸層。綜合配用電通信特點(diǎn)，提出圖8所示結構通信協(xié)議模型，應用時(shí)可針對需要進(jìn)行簡(jiǎn)化，如為了提高配電自動(dòng)化通信實(shí)時(shí)性，應用層數據長(cháng)度較短，可以去掉傳輸層而以4層協(xié)議結構通信。
利用這種結構可統籌兼顧配用電各種業(yè)務(wù)相應通信網(wǎng)協(xié)議的規范和統一要求。
圖8通信協(xié)議結構技術(shù)，自動(dòng)化網(wǎng)側重使用光纖網(wǎng)絡(luò )、載波網(wǎng)；用電和監測網(wǎng)絡(luò )可以利用光纖網(wǎng)、載波網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)寬帶網(wǎng)、WSN技術(shù)等。
3)綜合網(wǎng)管技術(shù)。
網(wǎng)絡(luò )化的通信結構和多種通信技術(shù)在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò )中的綜合運用，擴大了網(wǎng)絡(luò )的規模，增加了網(wǎng)絡(luò )的復雜性，給網(wǎng)絡(luò )的運行維護增加了很大的困難。因此需要建立統一的網(wǎng)管系統(見(jiàn)圖7)，對這種復合的通信網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行管理，實(shí)現網(wǎng)絡(luò )設備的集中管理、設置、管理網(wǎng)絡(luò )業(yè)務(wù)和保障網(wǎng)絡(luò )的QoS。結合地理信息系統(geographicalinformationsystem，GIS)，可以對通信網(wǎng)絡(luò )的故障進(jìn)行準確的定位，方便運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(kāi)放的網(wǎng)絡(luò )，大量的終端設備可以隨時(shí)要求接入這個(gè)網(wǎng)絡(luò )，網(wǎng)絡(luò )的安全性和數據的保密性是應用中的關(guān)鍵內容，可以從應用層、網(wǎng)絡(luò )層、物理層入手設置認證加密過(guò)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)施防護技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )安全事件監控技術(shù)、惡意代碼防范與應急響應技術(shù)、數據備份與可生存技術(shù)、可信計算平臺技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )安全管理與統一威脅管理(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)應用缺點(diǎn)，建立以光纖網(wǎng)絡(luò )為骨干，無(wú)線(xiàn)技術(shù)、載波為補充的網(wǎng)絡(luò )結構(見(jiàn)圖9)，滿(mǎn)足配調自動(dòng)化、用電信息采集、用能服務(wù)、環(huán)境監測、臨時(shí)應急通信等多業(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。
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)管理的調度數據網(wǎng)和信息管理的綜合數據網(wǎng)。
2)遠程接入網(wǎng)絡(luò )。實(shí)現技術(shù)包括工業(yè)交換機、XPON技術(shù)、中壓載波、無(wú)線(xiàn)技術(shù)，完成用戶(hù)側數據的匯聚上傳。具體技術(shù)應用見(jiàn)表1。
3)本地接入網(wǎng)絡(luò )。本地接入技術(shù)(如WLAN、電力線(xiàn)載波(powerlinecarrier，PLC))等解決電網(wǎng)局
4)網(wǎng)管系統�；旌闲团潆娡ㄐ啪W(wǎng)網(wǎng)管主要負責管理工業(yè)以太網(wǎng)、XPON網(wǎng)絡(luò )、本地的WLAN、WSN網(wǎng)絡(luò )、無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)、載波通信網(wǎng)絡(luò )等通信設備和網(wǎng)絡(luò )設置的管理。表3給出網(wǎng)管的實(shí)現功能。
5結語(yǔ)
配電通信網(wǎng)絡(luò )建設涉及技術(shù)、經(jīng)濟、需求、發(fā)展等眾多因素，綜合全面規劃才能提出可行的建設方案。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(lèi)業(yè)務(wù)塊，根據業(yè)務(wù)類(lèi)型采用不同的業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò )模型，滿(mǎn)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)議結構、綜合網(wǎng)管和網(wǎng)絡(luò )安全策略等。3)把配電通信網(wǎng)的結構分成骨干傳輸網(wǎng)、遠程接入網(wǎng)和本地接入網(wǎng)，理順了通信網(wǎng)結構，給出了各層網(wǎng)絡(luò )可采用的通信技術(shù)。
配電通信網(wǎng)規劃建設日益緊迫，但是建設符合未來(lái)現代電網(wǎng)發(fā)展需求的配用電通信網(wǎng)絡(luò )更重要，本文從系統化的角度論述了配用電通信網(wǎng)建設的幾個(gè)關(guān)鍵方面，接下來(lái)的工作是結合相關(guān)項目，細化不同部分的實(shí)現方法，探索工程的實(shí)現技術(shù)，組織開(kāi)展通信網(wǎng)建設的標準化工作，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)建設模式。
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