縣域配電網(wǎng)配電自動化系統(tǒng)的通信方案選擇

秦 健，施金陽，孫 超

(1.江蘇省電力公司，江蘇南京 210024；2.江蘇省電力設(shè)計院，江蘇南京 211102)

智能配電網(wǎng)作為智能電網(wǎng)發(fā)展的熱點之一，已經(jīng)得到各電網(wǎng)公司的高度重視，并努力積極推廣應用，而智能配電網(wǎng)中最先推進實施的內(nèi)容就是配電自動化系統(tǒng)。隨著配電自動化系統(tǒng)建設(shè)的進一步推進，配電自動化系統(tǒng)將逐步由城市區(qū)域覆蓋到縣域范圍。縣域配電自動化工程的自動化系統(tǒng)實施方案可以根據(jù)配電自動化設(shè)計導則，按照負荷分區(qū)屬性確定具體的改造實施方案，而其配套的通信電路建設(shè)方案在設(shè)計導則里沒有做比較明確的規(guī)定。在現(xiàn)有通信技術(shù)手段如此繁多的情況下，如何找到最適合的、經(jīng)濟合理的、具有一定擴展性的通信電路建設(shè)方案，就成為擺在相關(guān)工程建設(shè)人員面前的焦點問題。昆山作為蘇南經(jīng)濟較發(fā)達地區(qū)的縣級市之一，其所轄花橋國際商務城被江蘇省電力公司選為配電自動化在縣域范圍內(nèi)推廣實施的先行示范區(qū)，其配網(wǎng)自動化系統(tǒng)的建設(shè)模式、通信方案的選擇，對今后其他地區(qū)的縣域配電自動化系統(tǒng)建設(shè)具有引領(lǐng)和示范作用。

1 配電自動化系統(tǒng)對通信通道的要求

1.1 配電自動化系統(tǒng)實施方案概況

昆山花橋國際商務城配電自動化工程對實施區(qū)域內(nèi)110 kV 古南變4 號、5 號10 kV 出線電纜線路上的2座開閉所、8 座環(huán)網(wǎng)柜進行改造，在這10個配電站點各配置1 套配電自動化終端DTU，實現(xiàn)“三遙”功能。相關(guān)配電網(wǎng)一次網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

昆山花橋國際商務城本期各配電自動化終端DTU的自動化“三遙”信息傳輸至蘇州供電公司主站系統(tǒng)，該主站系統(tǒng)已經(jīng)建成投運，本期按市縣一體化模式進行擴容改造。為提高系統(tǒng)運行效率，便于運行維護管理，昆山供電公司需要設(shè)置該主站系統(tǒng)的前置采集服務器和遠程工作站。

1.2 相關(guān)通信網(wǎng)現(xiàn)狀

配電通信網(wǎng)按照配網(wǎng)自動化系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)分為2個傳輸層面，即變電站與供電公司側(cè)配電自動化主站之間的配電通信骨干網(wǎng)和配電終端節(jié)點與變電站之間的配電通信終端接入網(wǎng)。

圖1 昆山花橋國際商務城相關(guān)配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

1.2.1 相關(guān)骨干通信網(wǎng)現(xiàn)狀

蘇州地區(qū)包括昆山縣區(qū)在內(nèi)的電網(wǎng)，電力專用光纜通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)覆蓋到35 kV 以上的變電站、生產(chǎn)調(diào)度大樓、供電營業(yè)廳以及其他各類生產(chǎn)辦公基地。蘇州地區(qū)電力光纜通信網(wǎng)分為2 層結(jié)構(gòu)：匯聚層、接入層。

蘇州地區(qū)電力通信網(wǎng)已建成匯聚層主網(wǎng)和備網(wǎng)2個光傳輸網(wǎng)絡(luò)。匯聚層主網(wǎng)采用網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)，技術(shù)體制為ASON，帶寬為2.5 GB，保護方式為動態(tài)重路由保護，環(huán)網(wǎng)采用中興光傳輸設(shè)備，節(jié)點包括蘇州供電公司所轄的市縣（區(qū)）公司及500 kV 變電站，共13個節(jié)點。匯聚層備網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)為單環(huán)結(jié)構(gòu)，技術(shù)體制為SDH，帶寬為10 GB，保護方式為復用段保護；環(huán)網(wǎng)采用中興S385 光傳輸設(shè)備，節(jié)點包括蘇州供電公司所轄的市縣公司以及常熟變（中繼站），共7個節(jié)點。

昆山縣區(qū)電力通信網(wǎng)接入層網(wǎng)絡(luò)已建成2.5 GB相交雙主環(huán)+6個支環(huán)的SDH 環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。主環(huán)容量為2.5 GB，采用中興S320，S330，S360，S385 等多種型號光傳輸設(shè)備，包括昆山供電公司及部分220 kV 變電站，共13個節(jié)點；支環(huán)容量為622 MB，采用中興S320，S330，S360 等型號光傳輸設(shè)備，包括昆山縣區(qū)部分220 kV 變電站，110 kV 及35 kV 變電站，6個支環(huán)共65個節(jié)點。其中，與本工程相關(guān)的2 號至4 號支環(huán)包括花橋變、古南變、曹安變、公橋變、集善變、金城變、陸家變、合豐變、玉峰變、秧浦變、震川變、兵希變、邵涇變、鹿城變等14個節(jié)點。

1.2.2 相關(guān)終端接入網(wǎng)現(xiàn)狀

蘇州地區(qū)電網(wǎng)于2011年在蘇州工業(yè)園區(qū)環(huán)金雞湖地區(qū)開展配電自動化建設(shè)，相應建成了該區(qū)域的配電通信接入網(wǎng)。蘇州工業(yè)園區(qū)配電通信接入網(wǎng)采用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)和EPON 技術(shù)相結(jié)合的方案，變電站到開閉所、環(huán)網(wǎng)柜劃為配電通信主環(huán)，采用工業(yè)以太網(wǎng)通信方式，對小區(qū)變以下終端和其他零散的終端采用EPON 通信方式。昆山縣區(qū)尚未開展配電自動化建設(shè)，沒有建成配電通信終端接入網(wǎng)。

1.3 配電通信相關(guān)概念

國際主流研究表明，智能電網(wǎng)發(fā)展大體可分為4個階段，即高級量測體系（AMI）、高級配電運行（ADO）、高級輸電運行（ATO）和高級資產(chǎn)管理（AAM）。其中AMI 是智能電網(wǎng)的第一步，在AMI的基礎(chǔ)上實現(xiàn)ADO，ATO 及AAM[1]。智能配電通信網(wǎng)要求覆蓋AMI 中智能電能表和負荷控制管理的業(yè)務節(jié)點，覆蓋ADO 中高級配電自動化、網(wǎng)絡(luò)保護、分布式能源接入的業(yè)務節(jié)點，覆蓋AAM 中設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)測節(jié)點[2]。

1.4 配電自動化系統(tǒng)通信通道需求分析

饋線自動化是實現(xiàn)配電網(wǎng)自動化的核心，也是解決配電網(wǎng)供電可靠性問題的主要環(huán)節(jié)[3]。昆山花橋國際商務城配電自動化實施區(qū)域內(nèi)的電纜線路本期需要實現(xiàn)主站集中式饋線自動化功能。主站集中式饋線自動化是主站根據(jù)各配電終端檢測到的故障報警，結(jié)合變電站、開閉所等的繼電保護信號、開關(guān)跳閘等故障信息，啟動故障處理程序，確定故障類型和發(fā)生位置，并采用聲光、語音、打印事件等報警形式，在自動推出的配網(wǎng)單線圖上，通過網(wǎng)絡(luò)動態(tài)拓撲著色的方式明確地表示出故障區(qū)段，根據(jù)需要，主站可提供事故隔離和恢復供電的一個或兩個以上的操作預案，輔助調(diào)度員進行遙控操作，達到快速隔離故障和恢復供電的目的。

結(jié)合上述自動化功能分析，花橋國際商務城配電自動化工程只需實現(xiàn)ADO 中的高級配電自動化業(yè)務，該類業(yè)務僅在終端站點與主站之間交互信息,終端站點之間不需要交互信息,因此僅需組織配電終端站點與自動化主站之間的雙向通信通道，其單向通道時延要求小于500 ms，每個終端站點的通道帶寬要求約為30 kb/s。在安全性方面，根據(jù)《電力二次系統(tǒng)安全防護規(guī)定》及《電力二次系統(tǒng)安全防護總體方案》的要求，智能配電網(wǎng)中的配電自動化業(yè)務屬于電力監(jiān)控系統(tǒng)的范疇，必須使用專用網(wǎng)絡(luò)的生產(chǎn)控制大區(qū)來承載。在可靠性方面，智能配電網(wǎng)應考慮通信通道備用且具有自愈功能，通信設(shè)備的可靠性應為工業(yè)級。

2 配電自動化通信系統(tǒng)建設(shè)方案

2.1 配電自動化通信電路建設(shè)技術(shù)原則

昆山花橋國際商務城配電自動化工程的通信電路屬于配電通信網(wǎng)范疇，其建設(shè)應遵循以下原則：

（1）配電通信網(wǎng)的建設(shè)結(jié)合配網(wǎng)業(yè)務發(fā)展需求和通信技術(shù)發(fā)展前景，統(tǒng)一規(guī)劃，分步實施、適度超前，避免重復建設(shè)。

（2）配電通信網(wǎng)按照骨干層、接入層分層建設(shè)模型，通信方式的選用應遵循“實用性、可靠性、可擴展性、可管理性”的原則。

（3）配電通信網(wǎng)骨干層充分利用現(xiàn)有光纖通信網(wǎng)絡(luò)資源，接入層優(yōu)先采用光纖通信，其他通信方式作為補充。

（4）配電通信接入網(wǎng)結(jié)構(gòu)應以配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，要考慮到未來電網(wǎng)網(wǎng)架的變動和發(fā)展，通信接入網(wǎng)需適度預留一定的通信容量，為通信網(wǎng)絡(luò)的變更、擴容提供保障。

2.2 骨干通信網(wǎng)建設(shè)方案

結(jié)合上述現(xiàn)狀分析，昆山縣區(qū)通信骨干網(wǎng)采用SDH 制式的光纜通信方式，光纜通信已覆蓋到所有35 kV 及以上等級的變電站。該網(wǎng)絡(luò)110 kV 古南變與昆山供電公司主站之間仍有155 Mb/s 空余帶寬可用。本期利用現(xiàn)有SDH 光傳輸網(wǎng)作為配電通信骨干網(wǎng)，并采用IP over SDH的技術(shù)體制構(gòu)建配電通信骨干網(wǎng)構(gòu)架。根據(jù)前述通道需求分析，本期工程10個配電站點最大帶寬需求為300 kb/s，110 kV 古南變與配電自動化主站之間需占用SDH 光傳輸網(wǎng)300 kb/s 帶寬。

2.3 終端接入網(wǎng)建設(shè)方案

2.3.1 終端接入網(wǎng)通信方式的確定

目前，適用于配電通信終端接入網(wǎng)的通信方式有：光纖專網(wǎng)—工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)、光纖專網(wǎng)—EPON 技術(shù)、無線寬帶專網(wǎng)、無線公網(wǎng)、中壓電力線載波等。這幾種通信方式的優(yōu)缺點如表1 所示。

表1 終端接入網(wǎng)常用通信方式比較

由表1 可以看出，光纖專網(wǎng)方式雖然投資較高，但其通道的安全性、可靠性較高，傳輸時延有保障。本配電自動化工程涉及的110 kV 古南變4 號、5 號出線均為電纜線路，長度各5 km，沿線已經(jīng)預留了光纜敷設(shè)管道，因此，對于本工程來說，若采用光纖專網(wǎng)通信方式，敷設(shè)光纜是切實可行的，工程造價適中。考慮到本工程配電自動化終端均按“三遙”功能設(shè)計，其他通信方式難以滿足其安全性、可靠性以及實時性要求，建議采用光纖專網(wǎng)通信方式。

2.3.2 終端接入網(wǎng)通信方案比選

（1）光纖專網(wǎng)通信方式有2 種技術(shù)可選，工業(yè)以太網(wǎng)和EPON（基于以太網(wǎng)的無源光網(wǎng)絡(luò)）。這2 種通信技術(shù)的優(yōu)缺點如表2 所示。

根據(jù)表2的分析結(jié)論，結(jié)合本期工程配電網(wǎng)一次網(wǎng)架結(jié)構(gòu)簡單、易于成環(huán)的特點，同時考慮到蘇州地區(qū)已經(jīng)先行實施的城市區(qū)域配電自動化系統(tǒng)通信電路的運行經(jīng)驗，昆山花橋國際商務城配電通信接入網(wǎng)推薦采用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)組建光纖自愈以太環(huán)網(wǎng)。其突出優(yōu)勢是環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)簡單清晰，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)成熟，保護倒換時間可以達到毫秒級，此外其強大靈活的交換功能，方便靈活擴展業(yè)務，同時也可支持多種其他網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

表2 工業(yè)以太網(wǎng)和EPON 技術(shù)比較

（2）根據(jù)本期一次網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，昆山花橋國際商務城配電通信接入網(wǎng)可以采用鏈型、單環(huán)網(wǎng)、雙環(huán)網(wǎng)等拓撲結(jié)構(gòu)組網(wǎng)。各拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點比較如表3 所示。

上述2個方案投資相差不大，雙環(huán)網(wǎng)組網(wǎng)方案雖然占用更多的纖芯資源，并需對2個骨干節(jié)點設(shè)備進行改造，但是配電自動化業(yè)務通過不同的網(wǎng)絡(luò)、不同的接入點接入配電通信骨干網(wǎng)，可靠性更高，故推薦昆山花橋國際商務城配電通信接入網(wǎng)采用雙環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的接入網(wǎng)方案，如圖2 所示。

表3 拓撲結(jié)構(gòu)比較

圖2 配電終端接入網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)

3 結(jié)束語

本文以花橋國際商務城配電自動化工程為例，在分析配電自動化系統(tǒng)的通信通道需求的基礎(chǔ)上，首先對幾種常用通信方式進行分析比選，在通信方式確定后再對通信技術(shù)體制進行比選分析，最后進行拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計。最終確定了該工程采用雙工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)的配電終端通信接入網(wǎng)方案。本文僅僅為縣域配電自動化系統(tǒng)提供了一種通信方案的選擇設(shè)計思路。然而由于配電網(wǎng)接線型式、配電站點分布密度、供電負荷特性等配電網(wǎng)一次網(wǎng)架多種多樣。配電自動化實施方式也不盡相同，有的采用主站集中式，有的采用分布式，有的采用混合式。此外，目前適用于配電網(wǎng)的通信技術(shù)也多種多樣，并且還有新的通信技術(shù)正不斷涌現(xiàn)出來，以上諸多因素決定了配電自動化通信電路解決方案的多樣性。至于其它的縣域配電自動化工程，到底采用哪種通信方案更合理，需要具體問題具體分析，因地制宜地選擇最適合自己工程的通信方案，但不能違背經(jīng)濟、實用、安全、可靠、可擴展等基本原則。

[1]李衛(wèi)良，田 偉，王曉丹.以AMI為核心的智能配用電技術(shù)體系研究[J].江蘇電機工程，2011，30（3）：1-6.

[2]黃 盛.智能配電網(wǎng)通信業(yè)務需求分析及技術(shù)方案[J].電力系統(tǒng)通信，2010，31（10）：10-12.

[3]朱 姝，黃 偉，朱維成.新型配電終端結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)傳輸[J].江蘇電機工程，2011，30（6）：34-37.