中國儲能網(wǎng)訊：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)、測量、控制、狀態(tài)監(jiān)測、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)，同樣對實(shí)時(shí)性和同步性也有很高的要求。由于智能變電站對通信網(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、測量信息、控制信息等不同類型數(shù)據(jù)信息對網(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、微網(wǎng)級、調(diào)度級三級設(shè)備，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)相對于大電網(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)級海島微電網(wǎng)的對“上”至上級電網(wǎng)、主站內(nèi)兩層信息網(wǎng)絡(luò)、對“下”至配用電環(huán)節(jié)的三級通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系。并在文中以我國首個(gè)兆瓦級的南麂島工程為例，簡述該海島微電網(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。
兆瓦級海島微電網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)
本文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)以及儲能系統(tǒng)，同時(shí)還結(jié)合電動汽車充換電站、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儲能變流器PCS、4組500?kWh鋰電池、2組500?kWx10?s超級電容構(gòu)成儲能系統(tǒng)，545 kWp光伏電池組、10臺100 kW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及2臺300 kW 柴油發(fā)電機(jī)、2臺500 kW 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0.5 km，10臺風(fēng)機(jī)分成兩組，每5臺共用一臺變壓器升壓，兩條風(fēng)力發(fā)電輸電線路長4 km，光伏發(fā)電后隆站輸電線路長2.5 km，兩條配電線路分別長8.5 km和4 km，共有23臺配電變壓器，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
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、測量控制信息、狀態(tài)監(jiān)測信息、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?；诖祟愋畔?，實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)內(nèi)集中式保護(hù)、功率擾動控制及故障數(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。對于微電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡化和性能提升，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。
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)、測控、計(jì)量、向量測量、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，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)閉鎖信號和間隔層與過程層間的位置信號、狀態(tài)信號和控制信號等。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OLT，10臺ONU及20臺分光器，每個(gè)ONU對應(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)簡單。EPON技術(shù)在電力系統(tǒng)配電自動化、電力光纖到戶等領(lǐng)域已逐步開展應(yīng)用。
兆瓦級海島微電網(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“上”至上級遠(yuǎn)方調(diào)度主站、微網(wǎng)主站內(nèi)兩層信息網(wǎng)絡(luò)、對“下”至配用電環(huán)節(jié)的三級通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系。
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臺多電口光口工業(yè)級交換機(jī)構(gòu)成，連接集中控制層設(shè)備12臺、就地控制層設(shè)備27臺、其它智能設(shè)備5臺。
(2)?站內(nèi)過程層通信網(wǎng)絡(luò)。選用3臺16光口工業(yè)級交換機(jī)構(gòu)成，連接集中控制層設(shè)備8臺、就地綜合智能終端19臺，PCS 6臺，SV采樣頻率24點(diǎn)/周。
(3)?配用電通信網(wǎng)絡(luò)：采用兩臺OLT，10臺ONU及20臺分光器，每個(gè)ONU對應(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)?對時(shí)網(wǎng)絡(luò)：采用一臺主時(shí)鐘設(shè)備、二臺對時(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?；诖送ㄐ啪W(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。
