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面向智能電網(wǎng)的配用電通信網(wǎng)絡研究論文
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)務實時實現(xiàn)、電力生產可持續(xù)的信息通道。配用電通信得到廣泛關注，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)務獨立建立通信網(wǎng)，多采用專有通信協(xié)議，業(yè)務網(wǎng)絡相互孤立，電力設備通信接口專用等因素造成通信網(wǎng)兼容性差，通信資源浪費嚴重，新業(yè)務建設通信網(wǎng)難度日益增大等。隨著社會經濟的發(fā)展，智能電網(wǎng)成為未來提高供電質量、增強企業(yè)服務水平等的重要手段；但是智能電網(wǎng)要求配用電通信網(wǎng)解決更多業(yè)務信息的接入問題，包括高級配電自動化、用電信息自動全采集、風光儲新能源接入、設備實時監(jiān)控和資產無縫的管理、用電服務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。
國內外對于智能電網(wǎng)和相關信息通信網(wǎng)絡的發(fā)展開展了廣泛的研究@4]。在通信網(wǎng)絡的建設方面，考慮通信系統(tǒng)建設向網(wǎng)絡化和標準化發(fā)展，通過統(tǒng)一接口標準、統(tǒng)一基礎網(wǎng)協(xié)議規(guī)范、建立網(wǎng)絡化的通信網(wǎng)絡、多業(yè)務融合傳輸模式等，從而達到簡化基礎設施復雜多樣、簡化系統(tǒng)功能設計難度、提高業(yè)務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)化理論和原則應用到配用電通信網(wǎng)建設的具體規(guī)劃和設計中，以解決配用電通信網(wǎng)規(guī)劃缺乏系統(tǒng)性、業(yè)務網(wǎng)孤立建網(wǎng)、多技術優(yōu)化組網(wǎng)等方面的問題。
本文一方面從通信網(wǎng)絡承載的智能化配用電網(wǎng)業(yè)務著手，分析業(yè)務的類型、分布特性等，確定信息通信的需求、通信網(wǎng)絡架構、通信協(xié)議類型等網(wǎng)絡建設模式；另外，考慮了通信網(wǎng)絡的建設適應配用電網(wǎng)實際、具有繼承性，特別是把當前的示范工程等試點建設成果，體現(xiàn)在提出的設計方案中。
1智能配用電業(yè)務分析
智能配電網(wǎng)業(yè)務特點是：1)業(yè)務節(jié)點多、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)務種類多，差異性大，總信息量大，單點容量�。�4)運行維護量大、管理問題多，建設復雜。早期配網(wǎng)監(jiān)測點數(shù)量少，多采用專線形式傳輸電力業(yè)務。智能配電網(wǎng)的實現(xiàn)意味著大量業(yè)務的傳輸，傳統(tǒng)通信模式不可行，需要用網(wǎng)絡的概念融合多種業(yè)務，同時保障業(yè)務服務質量(qualityofservice，QoS)特性。
根據(jù)多種業(yè)務的關系，融合并劃分出滿足各自需求的網(wǎng)絡體系是通信網(wǎng)構建的前提。詳細的業(yè)務內容和劃分類型見圖1。傳統(tǒng)自動化業(yè)務、電網(wǎng)狀態(tài)分析、新型充電站業(yè)務、分布式能源業(yè)務等歸于高級配電自動化。電力用戶用電信息采集、客戶交費管理、需求側管理、配網(wǎng)能耗評測、階梯電價實施、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。
通過配電業(yè)務、營銷業(yè)務、用能服務業(yè)務等的分析，按照業(yè)務需求指標(如網(wǎng)絡帶寬、實時性、可靠性、安全性等)提出配電通信網(wǎng)業(yè)務網(wǎng)通信模式。
2配用電業(yè)務網(wǎng)模型
2.1高級配電自動化系統(tǒng)
配電自動化系統(tǒng)是配電網(wǎng)的重要業(yè)務，實現(xiàn)現(xiàn)場配電終端和主站的業(yè)務數(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。當前的數(shù)字化變電站網(wǎng)絡在向著IEC61850、IEC61968、IEC61970通信協(xié)議演進，目前基本實現(xiàn)站層級的Internet標準。
建立基于以太網(wǎng)技術的高級配電自動化業(yè)務系統(tǒng)是新時期自動化業(yè)務實現(xiàn)的有效方式。經過大量的建設實踐和交換式以太網(wǎng)技術仿真，證明在網(wǎng)絡設備30%負載的情況下，網(wǎng)絡的實時性和可靠性是最好的。推廣IEC60870-5-104在配電網(wǎng)中的應用能滿足自動化業(yè)務的實時性、通道帶寬、通信節(jié)點數(shù)量、新型配電業(yè)務等需求，有效實現(xiàn)基于以太網(wǎng)的配電自動化和調度自動化綜合管理功能。
2.2用電負荷管理系統(tǒng)
用戶電量采集業(yè)務朝著全自動化、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線分組業(yè)務(generalpacketradioservice，GPRS)網(wǎng)絡。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)絡簡單；問題是GPRS設備在線率低、不能實現(xiàn)實時電價和及時響應用戶側需求，同時網(wǎng)絡租賃費用高。
解決用電負荷管理業(yè)務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量終端)；本地通信采用RS-485總線、載波、無線傳感器網(wǎng)絡(wirelesssensornetwork，WSN)等連接到各種電力用戶終端表計。如圖3所示。
2.3用能服務網(wǎng)絡
用能服務網(wǎng)絡是實現(xiàn)用戶用電需求定制、多種用能策略、多樣化服務等的業(yè)務網(wǎng)絡。網(wǎng)絡承載的業(yè)務包括語音、視頻、數(shù)據(jù)業(yè)務，帶寬需求很大，需要寬帶的通信技術和基于TCP/IP技術的網(wǎng)絡方式。
用電服務網(wǎng)絡可以利用電力通信網(wǎng)和公共互聯(lián)網(wǎng)，用戶需求經公共互聯(lián)網(wǎng)上傳至電力服務網(wǎng)站，定制的服務經由電力通信網(wǎng)傳輸至用戶的表計和用戶終端。用能服務網(wǎng)絡架構如圖4所示。
2.4視頻/環(huán)境輔助監(jiān)測網(wǎng)絡
視頻監(jiān)控系統(tǒng)在配電網(wǎng)中有廣泛的應用，例如無人值守變電站的監(jiān)視、重要開關設備的監(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，進行圖像的顯示、錄像、回放、管理等。應用于電網(wǎng)視頻監(jiān)控的系統(tǒng)通常構建成如圖5所示的客戶/服務器(client/server，C/S)網(wǎng)絡結構。
3配用電通信網(wǎng)關鍵要素
業(yè)務網(wǎng)絡融合是今后的發(fā)展趨勢，可以避免通信網(wǎng)的重復建設、實現(xiàn)數(shù)據(jù)有效利用、提高網(wǎng)絡的利用效率。下面分析支撐多業(yè)務的配用電通信網(wǎng)涉及的關鍵技術。
1)無源光網(wǎng)絡等多種通信技術。
我國配電網(wǎng)通信經過多年來的實踐，先后經歷了電纜、載波、無線、光纖通信等階段。目前這些技術尤其是光通信技術發(fā)展很快，如以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(Ethernetpassiveopticalnetwork，EPON)技術、光交換機、微波存取全球互通(worldwideinteroperabilityformicrowaveaccess，WIMAX)無線寬帶技術、無線局域網(wǎng)(wirelesslocalareanetwork，WLAN)技術、WSN技術、無線公網(wǎng)GPRS技術、高中低壓載波技術、非對稱數(shù)字用戶環(huán)路(asymmetricdigitalsubscriberline，ADSL)技術等，各種技術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)絡為主干，貫穿重要配電站點、調度中心、營業(yè)場所等節(jié)點，實施分區(qū)無線覆蓋的網(wǎng)絡覆蓋模式，解決光網(wǎng)絡覆蓋不到的區(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、用電信息采集業(yè)務、配電網(wǎng)的設備和線路監(jiān)測業(yè)務。
2)融合的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡。
配用電多業(yè)務網(wǎng)絡特點決定需要采用數(shù)據(jù)融合技術，見圖6，融合的業(yè)務網(wǎng)除了滿足業(yè)務通信需求外，還需要滿足以下幾方面要求：
①安全性要求。根據(jù)電力二次系統(tǒng)安全防護規(guī)定，電力二次系統(tǒng)應堅持安全分區(qū)、網(wǎng)絡專用、橫向隔離、縱向認證的原則，合理實現(xiàn)4個業(yè)務網(wǎng)的信息交互。
�、诳煽啃砸蟆８鳂I(yè)務網(wǎng)側重采用不同的通信在3層的基礎上增加網(wǎng)絡層和傳輸層。綜合配用電通信特點，提出圖8所示結構通信協(xié)議模型，應用時可針對需要進行簡化，如為了提高配電自動化通信實時性，應用層數(shù)據(jù)長度較短，可以去掉傳輸層而以4層協(xié)議結構通信。
利用這種結構可統(tǒng)籌兼顧配用電各種業(yè)務相應通信網(wǎng)協(xié)議的規(guī)范和統(tǒng)一要求。
圖8通信協(xié)議結構技術，自動化網(wǎng)側重使用光纖網(wǎng)絡、載波網(wǎng)；用電和監(jiān)測網(wǎng)絡可以利用光纖網(wǎng)、載波網(wǎng)、無線寬帶網(wǎng)、WSN技術等。
3)綜合網(wǎng)管技術。
網(wǎng)絡化的通信結構和多種通信技術在同一個網(wǎng)絡中的綜合運用，擴大了網(wǎng)絡的規(guī)模，增加了網(wǎng)絡的復雜性，給網(wǎng)絡的運行維護增加了很大的困難。因此需要建立統(tǒng)一的網(wǎng)管系統(tǒng)(見圖7)，對這種復合的通信網(wǎng)絡進行管理，實現(xiàn)網(wǎng)絡設備的集中管理、設置、管理網(wǎng)絡業(yè)務和保障網(wǎng)絡的QoS。結合地理信息系統(tǒng)(geographicalinformationsystem，GIS)，可以對通信網(wǎng)絡的故障進行準確的定位，方便運維人員迅速排除故障。
4)網(wǎng)絡安全技術。
融合了多種通信技術、承載了多種業(yè)務和遍布互聯(lián)的配電通信網(wǎng)是一個開放的網(wǎng)絡，大量的終端設備可以隨時要求接入這個網(wǎng)絡，網(wǎng)絡的安全性和數(shù)據(jù)的保密性是應用中的關鍵內容，可以從應用層、網(wǎng)絡層、物理層入手設置認證加密過濾技術，提出完整的解決方案。利用安全測試評估技術、安全存儲技術、主動實施防護技術、網(wǎng)絡安全事件監(jiān)控技術、惡意代碼防范與應急響應技術、數(shù)據(jù)備份與可生存技術、可信計算平臺技術和網(wǎng)絡安全管理與統(tǒng)一威脅管理(unifiedthreatmanagement，UTM)技術，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特征，考慮充分發(fā)揮各種通信技術的優(yōu)點，減弱各種技術應用缺點，建立以光纖網(wǎng)絡為骨干，無線技術、載波為補充的網(wǎng)絡結構(見圖9)，滿足配調自動化、用電信息采集、用能服務、環(huán)境監(jiān)測、臨時應急通信等多業(yè)務網(wǎng)的需求。混合配用電通信網(wǎng)的組成模式劃分成以下3個層面和綜合網(wǎng)管系統(tǒng)。
1)骨干傳輸層。指覆蓋35kV以上變電站點的光纖網(wǎng)，用作生產管理的調度數(shù)據(jù)網(wǎng)和信息管理的綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)。
2)遠程接入網(wǎng)絡。實現(xiàn)技術包括工業(yè)交換機、XPON技術、中壓載波、無線技術，完成用戶側數(shù)據(jù)的匯聚上傳。具體技術應用見表1。
3)本地接入網(wǎng)絡。本地接入技術(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)管主要負責管理工業(yè)以太網(wǎng)、XPON網(wǎng)絡、本地的WLAN、WSN網(wǎng)絡、無線專網(wǎng)、載波通信網(wǎng)絡等通信設備和網(wǎng)絡設置的管理。表3給出網(wǎng)管的實現(xiàn)功能。
5結語
配電通信網(wǎng)絡建設涉及技術、經濟、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方案。本文從業(yè)務需求出發(fā)，梳理了配用電通信網(wǎng)涉及的多個方面：1)把智能配電網(wǎng)業(yè)務劃分成5類業(yè)務塊，根據(jù)業(yè)務類型采用不同的業(yè)務網(wǎng)絡模型，滿足各自的通信需求。2)網(wǎng)絡化的配用電通信網(wǎng)涉及5個方面的關鍵因素，包括通信技術的選擇、業(yè)務網(wǎng)分布、通信協(xié)議結構、綜合網(wǎng)管和網(wǎng)絡安全策略等。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)絡可采用的通信技術。
配電通信網(wǎng)規(guī)劃建設日益緊迫，但是建設符合未來現(xiàn)代電網(wǎng)發(fā)展需求的配用電通信網(wǎng)絡更重要，本文從系統(tǒng)化的角度論述了配用電通信網(wǎng)建設的幾個關鍵方面，接下來的工作是結合相關項目，細化不同部分的實現(xiàn)方法，探索工程的實現(xiàn)技術，組織開展通信網(wǎng)建設的標準化工作，從而及早落實符合發(fā)展需求、切實可行的配電通信網(wǎng)建設模式。
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