配電一次網(wǎng)架與信息系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃

李蘊(yùn)，李雪男，舒彬，紀(jì)斌，張?zhí)煊睿_鳳章，李靜，廖健偉，孫強(qiáng)，王雪

(1.國網(wǎng)北京市電力公司，北京市100031；2.天津大學(xué)智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津市300072；3.天津天大求實(shí)電力新技術(shù)股份有限公司，天津市300384；4.國網(wǎng)能源研究院，北京市102209)

配電一次網(wǎng)架與信息系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃

李蘊(yùn)1，李雪男1，舒彬1，紀(jì)斌1，張?zhí)煊?，羅鳳章2，李靜3，廖健偉3，孫強(qiáng)4，王雪4

(1.國網(wǎng)北京市電力公司，北京市100031；2.天津大學(xué)智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津市300072；3.天津天大求實(shí)電力新技術(shù)股份有限公司，天津市300384；4.國網(wǎng)能源研究院，北京市102209)

智能電網(wǎng)已成為當(dāng)今電網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)。作為支撐智能電網(wǎng)的重要組成部分，信息系統(tǒng)與配電一次網(wǎng)架系統(tǒng)相互耦合、密不可分，對(duì)電網(wǎng)規(guī)劃和運(yùn)行的影響日益突出，傳統(tǒng)的配電網(wǎng)規(guī)劃方法較少考慮信息系統(tǒng)與配電一次網(wǎng)架系統(tǒng)間的相互影響，已無法適應(yīng)智能電網(wǎng)發(fā)展背景下的精細(xì)化規(guī)劃的需求。該文探討了配電網(wǎng)架規(guī)劃、配電通信網(wǎng)規(guī)劃、配電自動(dòng)化規(guī)劃三者之間的協(xié)調(diào)關(guān)系和協(xié)調(diào)指標(biāo)，初步提出了三者協(xié)同規(guī)劃的思路框架并具體探討了各規(guī)劃子問題的規(guī)劃模型、指標(biāo)和方法。研究結(jié)論可為未來主動(dòng)配電網(wǎng)的一次電網(wǎng)架構(gòu)、二次自動(dòng)化系統(tǒng)與智能決策支持系統(tǒng)的三位一體協(xié)同規(guī)劃提供思路。

配電網(wǎng)架系統(tǒng)；配電自動(dòng)化；配電通信網(wǎng)；協(xié)同規(guī)劃；協(xié)調(diào)性評(píng)估

0 引 言

智能電網(wǎng)的建設(shè)將成為今后很長一段時(shí)期國內(nèi)外電力系統(tǒng)發(fā)展和建設(shè)的主要目標(biāo)。從傳統(tǒng)被動(dòng)配電網(wǎng)向主動(dòng)配電網(wǎng)[1]過渡是配電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。在智能電網(wǎng)和主動(dòng)配電網(wǎng)發(fā)展背景下，與一次網(wǎng)架配套的配電通信系統(tǒng)和配電自動(dòng)化系統(tǒng)(為表述方便，本文稱之為廣義的主動(dòng)配電網(wǎng)信息系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱信息系統(tǒng))已經(jīng)成為主動(dòng)配電網(wǎng)不可分割的重要組成部分，將為主動(dòng)配電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)潮流主動(dòng)管理和主動(dòng)控制提供重要的支撐條件。主動(dòng)配電網(wǎng)的發(fā)展對(duì)當(dāng)前的配電網(wǎng)規(guī)劃工作提出了許多新的要求，要求充分考慮配電自動(dòng)化、配電通信網(wǎng)和配電管理系統(tǒng)對(duì)改善配電網(wǎng)運(yùn)行性能所發(fā)揮的重大作用，協(xié)調(diào)統(tǒng)一地規(guī)劃建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)可靠的一次電網(wǎng)架構(gòu)、深度協(xié)同的二次自動(dòng)化系統(tǒng)與功能強(qiáng)大的智能決策支持系統(tǒng)[2]，實(shí)現(xiàn)一次網(wǎng)架系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的協(xié)同規(guī)劃。

傳統(tǒng)的配電網(wǎng)規(guī)劃工作[3-4]側(cè)重于一次網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和變壓器位置容量的優(yōu)化，一般很少考慮配電自動(dòng)化系統(tǒng)、配電通信系統(tǒng)和配電管理系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行和供電可靠性的影響，配電一次網(wǎng)架、配電自動(dòng)化和配電通信系統(tǒng)的規(guī)劃工作彼此獨(dú)立，缺乏配電一次網(wǎng)架系統(tǒng)和信息系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃的相關(guān)理論方法的指導(dǎo)。國家電網(wǎng)公司在近年來的配電網(wǎng)規(guī)劃工作中嘗試開展了有關(guān)配電自動(dòng)化規(guī)劃[5]和配電通信網(wǎng)規(guī)劃[6]的專項(xiàng)規(guī)劃。同時(shí)，近年來熱議的有關(guān)電力物理信息系統(tǒng)[7]的研究較好地揭示了電力系統(tǒng)與通信系統(tǒng)間的耦合規(guī)律[8]，這些都為配電一次網(wǎng)架系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的協(xié)同規(guī)劃研究提供了基礎(chǔ)。

鑒于此，為滿足新型主動(dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃深度的需要，本文在梳理上述配電網(wǎng)架系統(tǒng)與信息系統(tǒng)間相互影響的基礎(chǔ)上，提出配電網(wǎng)一次網(wǎng)架與信息系統(tǒng)的協(xié)同規(guī)劃框架，探討其各規(guī)劃子問題的協(xié)調(diào)規(guī)劃模型、指標(biāo)與方法。

1 網(wǎng)架系統(tǒng)與信息系統(tǒng)的相互影響關(guān)系

主動(dòng)配電網(wǎng)的一次網(wǎng)架系統(tǒng)與支撐電網(wǎng)智能化和主動(dòng)化水平的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、配電自動(dòng)化系統(tǒng)、信息平臺(tái)等相互耦合、密不可分。主要體現(xiàn)在如下幾方面。

(1)信息系統(tǒng)是配電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)向廣大用戶可靠供電的基礎(chǔ)支撐條件。

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，配電管理系統(tǒng)通過對(duì)故障區(qū)段的快速定位和隔離[9-10]，實(shí)現(xiàn)對(duì)非故障區(qū)域的恢復(fù)供電，有效避免大面積停電事故的發(fā)生，同時(shí)借助信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)故障搶修和不停電作業(yè)，可大大提高配電網(wǎng)的供電可靠性。在系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)下，信息系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)配電元件運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)的提前預(yù)知預(yù)判，并給出相應(yīng)的操作決策方案，避免潛在事故的發(fā)生[11-13]，從而保障電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

(2)信息系統(tǒng)的可靠性對(duì)配網(wǎng)可靠性的影響不可忽略。

信息系統(tǒng)元件的異常會(huì)導(dǎo)致配電系統(tǒng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)增大，如變壓器監(jiān)測(cè)元件故障使得系統(tǒng)在運(yùn)元件處在不可監(jiān)測(cè)的狀態(tài)，這會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)提高[14]。信息系統(tǒng)的安全性也是影響可靠性的不確定因素[15]。如通信系統(tǒng)在面臨黑客惡意攻擊時(shí)，可能導(dǎo)致配網(wǎng)元件退出運(yùn)行從而導(dǎo)致配網(wǎng)事故[16-17]的發(fā)生。

(3)信息系統(tǒng)對(duì)配網(wǎng)運(yùn)行效率的提升至關(guān)重要。

信息系統(tǒng)中的配電監(jiān)測(cè)單元可以幫助配電網(wǎng)管理人員更加全面細(xì)致地掌握系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)[18]，依據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)評(píng)估和態(tài)勢(shì)估計(jì)，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和潛在的問題與薄弱環(huán)節(jié)預(yù)估預(yù)判，預(yù)先制定針對(duì)性的預(yù)防性措施，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)運(yùn)行和主動(dòng)管理，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率[19]。

(4)靈活堅(jiān)強(qiáng)的一次網(wǎng)架是配電通信和配電自動(dòng)化可靠高效運(yùn)行的基礎(chǔ)。

電力通信網(wǎng)絡(luò)和配電自動(dòng)化裝置往往是沿著配電一次網(wǎng)架的走向部署的。為了以最小的投資最大限度地提高配電網(wǎng)的運(yùn)行效率和供電可靠性，這就需要在規(guī)劃中考慮以配電網(wǎng)一次網(wǎng)架為基礎(chǔ)對(duì)配電終端進(jìn)行最優(yōu)布點(diǎn)[20-21]。除配電自動(dòng)化系統(tǒng)外，通信系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、組網(wǎng)方式、通信方式的選擇[22]以及帶寬流量的規(guī)劃[23]也必須與一次網(wǎng)架的結(jié)構(gòu)相適應(yīng)。

2 協(xié)同規(guī)劃思路框架

圖1為配電網(wǎng)架與信息系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃總體流程框架。首先，開展配電一次網(wǎng)架規(guī)劃，明確配電自動(dòng)化規(guī)劃和通信網(wǎng)規(guī)劃的需求。然后，開展配電自動(dòng)化系統(tǒng)與配電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的協(xié)同規(guī)劃，考慮配電網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、負(fù)荷位置、重要程度以及可靠性指標(biāo)等，對(duì)配電自動(dòng)化終端如量測(cè)、監(jiān)測(cè)、開關(guān)控制等裝置進(jìn)行最優(yōu)布局，并確定終端信息交互的協(xié)調(diào)關(guān)系，然后考慮配網(wǎng)變電站的相關(guān)信息進(jìn)行配電自動(dòng)化主站布局。在確定了配電自動(dòng)化運(yùn)行模式和布點(diǎn)規(guī)劃后，結(jié)合配電網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式確定通信骨干網(wǎng)、10 kV、0.4 kV通信網(wǎng)的業(yè)務(wù)需求和帶寬、流量、通信速率等一系列規(guī)劃指標(biāo)，開展通信網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃，設(shè)計(jì)通信網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，選擇適宜的組網(wǎng)方式和通信方式。配電自動(dòng)化規(guī)劃和通信規(guī)劃完成后，基于配電網(wǎng)的可靠性、網(wǎng)絡(luò)裕度等指標(biāo)對(duì)配電網(wǎng)架與信息系統(tǒng)的協(xié)調(diào)水平進(jìn)行進(jìn)一步校驗(yàn)，若相關(guān)指標(biāo)不滿足要求，需要進(jìn)一步對(duì)一次網(wǎng)架系統(tǒng)、配電自動(dòng)化系統(tǒng)以及通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)規(guī)劃進(jìn)行調(diào)整，直至滿足為止。

3 配電網(wǎng)與通信網(wǎng)協(xié)同規(guī)劃思路

3.1 通信業(yè)務(wù)分類和通信流量分析模型

隨著分布式新能源和新型負(fù)荷的接入，配電通信網(wǎng)承載的業(yè)務(wù)需求發(fā)生了很大變化，為開展配電網(wǎng)與通信網(wǎng)協(xié)同規(guī)劃，首先梳理主動(dòng)配電網(wǎng)條件下的配電通信網(wǎng)的業(yè)務(wù)需求、流量和帶寬需求，明確通信規(guī)劃目標(biāo)和規(guī)劃指標(biāo)，建立通信規(guī)劃的業(yè)務(wù)模型以及各業(yè)務(wù)帶寬、流量的需求斷面模型。

圖1 配電網(wǎng)架與信息系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃流程框架Fig.1 Coordination planning framework of cyber-power distribution system

3.1.1 通信業(yè)務(wù)分類模型

為實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)數(shù)據(jù)的區(qū)域分層集結(jié)、集中管理，配電通信網(wǎng)通常采用層次化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)配電網(wǎng)規(guī)模采用骨干層、接入層的層次化設(shè)計(jì)。各層次的業(yè)務(wù)分類如下。

(1)骨干通信網(wǎng)業(yè)務(wù)。

骨干通信網(wǎng)主要承載調(diào)度實(shí)時(shí)信息、保護(hù)業(yè)務(wù)、調(diào)度電話、行政電話、會(huì)議電視、辦公MIS、用電MIS、視頻監(jiān)控、綜合監(jiān)控、電能信息、負(fù)荷信息、故障信息遠(yuǎn)傳、遠(yuǎn)程抄表、集控信息等主要業(yè)務(wù)。

(2)10 kV通信網(wǎng)業(yè)務(wù)。

10 kV通信接入網(wǎng)以220 kV、110 kV、35 kV變電站為通信接入點(diǎn)，向下覆蓋到配電網(wǎng)開關(guān)站、配電室、環(huán)網(wǎng)柜、柱上開關(guān)、公用配電變壓器、分布式電源、電動(dòng)汽車充換電站等設(shè)備，其業(yè)務(wù)按照功能與投資屬性可分為支撐配電自動(dòng)化部分和支撐用電業(yè)務(wù)部分。

(3)0.4 kV通信網(wǎng)業(yè)務(wù)。

0.4 kV通信網(wǎng)是指覆蓋10 kV變壓器的0.4 kV出線至低壓用戶表計(jì)、電動(dòng)汽車充電樁和分布式電源等的通信網(wǎng)絡(luò)，主要承載用電信息采集、用電營業(yè)服務(wù)、用戶雙向互動(dòng)等業(yè)務(wù)。

根據(jù)上述的業(yè)務(wù)分析，配電通信系統(tǒng)各業(yè)務(wù)斷面模型如圖2所示[23]。

在圖2中，a21～a24表示配電業(yè)務(wù)終端到變電站的業(yè)務(wù)斷面流量，a25為用電業(yè)務(wù)和其他需要擴(kuò)展的配電業(yè)務(wù)到變電站的斷面流量；a1代表變電站到地市主站的斷面流量。配電終端的各類信息通過接入層通信網(wǎng)匯集到配電自動(dòng)化主站，由子站匯集的信息再通過骨干層通信網(wǎng)傳輸?shù)脚潆娭髡荆⒂芍髡镜墓芾硐到y(tǒng)進(jìn)行儲(chǔ)存和處理。

3.1.2 通信信息量模型

(1)預(yù)測(cè)基本方法。

圖2 配網(wǎng)通信系統(tǒng)業(yè)務(wù)斷面示意圖Fig.2 Schematic diagram of traffic section ofdistribution network communication system

帶寬需求預(yù)測(cè)方法采用直觀預(yù)測(cè)和彈性系數(shù)結(jié)合的方法，在預(yù)測(cè)中一般可采用式(1)估算:

式中:B為帶寬需求；B′為業(yè)務(wù)凈流量；N為鏈路數(shù)量；Φ1為冗余系數(shù)，指為業(yè)務(wù)預(yù)留備份通道和發(fā)展空間所需彈性系數(shù)；Φ2為并發(fā)比例系數(shù)，對(duì)于專線業(yè)務(wù)、實(shí)時(shí)性要求高的業(yè)務(wù)，并發(fā)比例均取100%。

(2)配電自動(dòng)化業(yè)務(wù)的流量模型。

配電自動(dòng)化業(yè)務(wù)流量模型中應(yīng)考慮10 kV電壓等級(jí)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)流量、站點(diǎn)數(shù)量及110 kV，35 kV變電站的出線線路數(shù)量，以10 kV站點(diǎn)數(shù)據(jù)流量為基本數(shù)據(jù)流量，配電自動(dòng)化業(yè)務(wù)流量模型采用公式[23]:

式中:i為站點(diǎn)類型；N為站點(diǎn)總數(shù)量；ni為每個(gè)站點(diǎn)的出線數(shù)量。

(3)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)流量模型。

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)需采集每條線路的三相電壓、三相電流6個(gè)信息，每個(gè)數(shù)據(jù)2個(gè)字節(jié)，共計(jì)12個(gè)字節(jié)，計(jì)及數(shù)據(jù)采集周期、數(shù)據(jù)記錄周期及數(shù)據(jù)上送時(shí)長，業(yè)務(wù)流量模型采用公式[23]:

式中:n為10 kV線路數(shù)量；fsamp為采樣頻率；Tr為數(shù)據(jù)記錄周期；Tp為數(shù)據(jù)上送時(shí)長。

(4)配電監(jiān)控運(yùn)行業(yè)務(wù)流量模型。

配電監(jiān)控運(yùn)行業(yè)務(wù)流量包括視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)、語音業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)通道流量，并計(jì)及每條10 kV線路設(shè)置的監(jiān)控點(diǎn)數(shù)量，業(yè)務(wù)流量模型采用公式[23]:

式中:Bv、Bt、Bd分別為視頻監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)、語音業(yè)務(wù)、數(shù)碼業(yè)務(wù)的帶寬需求；N為鏈路數(shù)量。

(5)分布式電源接入業(yè)務(wù)流量模型。

分布式電源接入業(yè)務(wù)流量應(yīng)依據(jù)每條10 kV線路的接入點(diǎn)數(shù)及每個(gè)分布式電源接入采集的信息量計(jì)算業(yè)務(wù)流量，業(yè)務(wù)流量模型采用公式[23]:

式中:BDG應(yīng)根據(jù)每個(gè)分布式電源系統(tǒng)采集的信息量計(jì)算。

(6)其他業(yè)務(wù)流量模型。

0.4 kV通信接入網(wǎng)在帶寬業(yè)務(wù)流量分析預(yù)測(cè)過程中，可考慮用電信息采集、分布式電源(接入380 V)、電動(dòng)汽車充電樁等業(yè)務(wù)需求，在四級(jí)骨干通信網(wǎng)為營銷業(yè)務(wù)系統(tǒng)預(yù)留30 Mbit帶寬。綜合式(2)～(6)，變電站至主站的斷面流量模型采用公式[23]:

3.2 與配電網(wǎng)架相協(xié)調(diào)的配電通信網(wǎng)規(guī)劃原則

目前，應(yīng)用于電力系統(tǒng)的主流通信方式主要有光纖通信、電力載波通信和無線通信等幾種方式。通信網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、組網(wǎng)方式、通信方式的選擇應(yīng)該與配電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、所處地理位置、配電網(wǎng)供電可靠性以及通信業(yè)務(wù)等要求相協(xié)調(diào)。

根據(jù)不同通信方式的特點(diǎn)，不同供電區(qū)域的通信方式的要求如表1所示。

3.3 電力網(wǎng)規(guī)劃與通信網(wǎng)規(guī)劃協(xié)調(diào)指標(biāo)

(1)帶寬冗余度指標(biāo)。

帶寬冗余度表示通信通道傳輸信息的充裕程度，表達(dá)式為

式中:B1為該斷面所有線路側(cè)光接口速率之和；B2為該斷面所有開通通道的帶寬之和。裕度越大，表示通信的可靠性越高，在滿足經(jīng)濟(jì)性的條件下，通信網(wǎng)在每一節(jié)點(diǎn)的帶寬都應(yīng)留有一定裕度。冗余度過低將不能滿足電力通信業(yè)務(wù)快速發(fā)展和通道可靠性保障的需求，過高則會(huì)造成資源浪費(fèi)，總體宜控制在0.3左右。

表1 不同供電區(qū)域通信方式要求Table 1 Communication mode requirements for different power supply regions

(2)覆蓋率指標(biāo)。

覆蓋率表示在所有配電網(wǎng)設(shè)施中被通信系統(tǒng)覆蓋的配電網(wǎng)設(shè)施所占的比例。該指標(biāo)實(shí)際上是一個(gè)指標(biāo)族。根據(jù)通信系統(tǒng)覆蓋的配電網(wǎng)設(shè)施種類的不同，本文將通信系統(tǒng)覆蓋率分為配電線路通信覆蓋率和匯聚點(diǎn)覆蓋率2類。

1)配電線路通信覆蓋率，表示被通信系統(tǒng)覆蓋的線路占總線路條數(shù)的比例。如中壓電力線載波方式覆蓋率、230 MHz無線專網(wǎng)方式覆蓋率、無線公網(wǎng)GPRS覆蓋率等。以10 kV電網(wǎng)的中壓電力線載波方式覆蓋率為例說明該指標(biāo)計(jì)算方法，設(shè)10 kV配電網(wǎng)有n條饋線，其中覆蓋電力線載波通信的饋線有a條，則覆蓋率β1表達(dá)式為

2)匯聚點(diǎn)覆蓋率，表示被通信系統(tǒng)覆蓋的站點(diǎn)占總的變電站的比例。如四級(jí)骨干通信網(wǎng)110 kV及35 kV變電站、地市公司、第二匯聚點(diǎn)光纖的覆蓋率等。以110 kV變電站光纖覆蓋率為例說明該指標(biāo)計(jì)算方法，設(shè)110 kV變電站共有n座，其中覆蓋光纖通信的有a座，則覆蓋率β2表達(dá)式為

4 配電網(wǎng)與配電自動(dòng)化協(xié)同規(guī)劃思路

4.1 基于一次網(wǎng)架的配電終端布點(diǎn)和配置原則

配電自動(dòng)化終端是用于配電網(wǎng)的各種遠(yuǎn)方監(jiān)測(cè)、控制單元的總稱，簡(jiǎn)稱配電終端。不同的配電設(shè)備對(duì)終端的功能要求、運(yùn)行環(huán)境與安裝結(jié)構(gòu)不同。主要配置原則如下:

(1)應(yīng)根據(jù)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、設(shè)備狀況和應(yīng)用需求，合理選用自動(dòng)化終端或故障指示器；

(2)配電終端的容量宜根據(jù)配電站所的發(fā)展需要確定，發(fā)展時(shí)間宜考慮10年；

(3)不同的應(yīng)用場(chǎng)合應(yīng)選擇相應(yīng)類型的配電終端，一般的:1)配電室、環(huán)網(wǎng)柜、箱式變電站、以負(fù)荷開關(guān)為主的開關(guān)站應(yīng)選用站所終端；2)柱上開關(guān)應(yīng)選用饋線終端；3)配電變壓器應(yīng)選用配變終端；4)架空線路或不能安裝電流互感器的電纜線路，可選用具備通信功能的故障指示器。

4.2 配電網(wǎng)規(guī)劃與配電自動(dòng)化規(guī)劃協(xié)調(diào)指標(biāo)

(1)可靠率提升指標(biāo)。

這里將規(guī)劃前后的區(qū)域電網(wǎng)可靠性指標(biāo)的提升作為網(wǎng)架與配電自動(dòng)化協(xié)調(diào)規(guī)劃的評(píng)估指標(biāo)。

以用戶平均停電時(shí)間為例，設(shè)安裝配電自動(dòng)化前的用戶平均停電時(shí)間為a h/(戶·a)，裝設(shè)配電自動(dòng)化后的用戶平均停電時(shí)間為b h/(戶·a)，則可靠性提升指標(biāo)γ為

(2)覆蓋率指標(biāo)。

與通信網(wǎng)覆蓋率指標(biāo)類似，該指標(biāo)也是一個(gè)指標(biāo)族，也可將覆蓋率指標(biāo)分為配電線路覆蓋率(如饋線自動(dòng)化覆蓋率)和配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)覆蓋率(如環(huán)網(wǎng)柜的配電自動(dòng)化覆蓋率)2類。

4.3 面向供電可靠性的配電終端數(shù)量配置模型

配電終端配置的數(shù)量及其位置需要以配網(wǎng)供電可靠性為依據(jù)，本文依據(jù)文獻(xiàn)[21]提出的方法，討論“三遙”、“二遙”配電終端和分界開關(guān)的數(shù)量配置問題。

(1)全部安裝“三遙”終端模塊的模式。

如圖3所示，假設(shè)各個(gè)區(qū)域的用戶分布均勻，在饋線上安裝k個(gè)配電終端模塊將該饋線分為k＋1個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域含有n/(k＋1)個(gè)用戶。

圖3 “三遙”終端部署示意圖Fig.3 Deployment schematic diagram of three-remote terminals

假設(shè)饋線沿線單位長度故障率相同。故障處理時(shí)間T主要由3個(gè)部分構(gòu)成，即

式中:t1為故障區(qū)域查找時(shí)間；t2為人工故障區(qū)域隔離時(shí)間；t3為故障修復(fù)時(shí)間。

對(duì)于全部安裝“三遙”終端模塊的情形，可近似地認(rèn)為t1＝t2＝0。

根據(jù)供電可用率定義，可以推導(dǎo)得到在分段開關(guān)處安裝k個(gè)“三遙”終端模塊的饋線的供電可用率為

式中fi為第i個(gè)區(qū)域的故障率。

為簡(jiǎn)化，令f1＝f2＝…＝…fi＝…＝fk＋1≈f＝F/ (k＋1)。在要求供電可用率不低于A的情況下，即有α3>A，所需要在分段開關(guān)處安裝“三遙”終端模塊的數(shù)量k須滿足[21]

(2)全部安裝“二遙”終端模塊的模式。

同理，在全部安裝“二遙”終端模塊的模式下，只能定位故障區(qū)域而不能自動(dòng)隔離故障和恢復(fù)健全區(qū)域供電，可近似地認(rèn)為t1＝0。

在分段開關(guān)處安裝k個(gè)“二遙”終端模塊的饋線的供電可用率a2[21]可表示為

在要求供電可用率不低于A的情況下，可以解出滿足供電可靠性要求所需要安裝“二遙”終端模塊的數(shù)量k[21]，即

5 通信網(wǎng)與配電自動(dòng)化協(xié)同規(guī)劃思路

通信網(wǎng)的組網(wǎng)方式以及通信通道的帶寬設(shè)計(jì)應(yīng)與配電自動(dòng)化業(yè)務(wù)需求、信息傳輸實(shí)時(shí)性需求和安全需求相協(xié)調(diào)，總體的協(xié)調(diào)原則如下所述。

5.1 通信組網(wǎng)規(guī)劃原則

(1)應(yīng)結(jié)合配電自動(dòng)化業(yè)務(wù)分類，綜合考慮配電通信網(wǎng)實(shí)際業(yè)務(wù)需求、建設(shè)周期、投資成本、運(yùn)行維護(hù)等因素，選擇技術(shù)成熟、多廠商支持的通信技術(shù)和設(shè)備，保證通信網(wǎng)的安全性、可靠性、可擴(kuò)展性。

(2)配電通信網(wǎng)所采用的光纜應(yīng)與配電網(wǎng)一次網(wǎng)架同步規(guī)劃、同步建設(shè)，或預(yù)留相應(yīng)位置和管道，滿足配電自動(dòng)化中、長期建設(shè)和業(yè)務(wù)發(fā)展需求。

(3)配電通信網(wǎng)通信設(shè)備應(yīng)采用統(tǒng)一管理的方式，在設(shè)備網(wǎng)管的基礎(chǔ)上充分利用通信管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)配電通信網(wǎng)中各類設(shè)備的統(tǒng)一管理。

5.2 安全需求配置原則

(1)在生產(chǎn)控制大區(qū)與管理信息大區(qū)之間應(yīng)部署正、反向電力系統(tǒng)專用網(wǎng)絡(luò)安全隔離裝置進(jìn)行電力系統(tǒng)專用網(wǎng)絡(luò)安全隔離。

(2)對(duì)于采用公網(wǎng)作為通信信道的前置機(jī)，與主站之間應(yīng)采用正、反向網(wǎng)絡(luò)安全隔離裝置實(shí)現(xiàn)物理隔離。

(3)具有控制要求的終端設(shè)備應(yīng)配置軟件安全模塊，對(duì)來源于主站系統(tǒng)的控制命令和參數(shù)設(shè)置指令應(yīng)采取安全鑒別和數(shù)據(jù)完整性驗(yàn)證措施，以防范冒充主站對(duì)現(xiàn)場(chǎng)終端進(jìn)行攻擊，惡意操作電氣設(shè)備。

6 算 例

6.1 算例簡(jiǎn)介及網(wǎng)架規(guī)劃結(jié)果

圖4為某規(guī)劃地區(qū)的配電網(wǎng)一次網(wǎng)架規(guī)劃方案示意圖。該區(qū)域?yàn)锳＋供電區(qū)，由一座35/10 kV變電站供電，線路均為架空線。在干線節(jié)點(diǎn)8和支線節(jié)點(diǎn)17、18分別接有分布式電源，節(jié)點(diǎn)5，6設(shè)有聯(lián)絡(luò)開關(guān)。設(shè)每條10 kV支線的用戶數(shù)均為60，饋線的故障率為2次/(百km·a)。t1＝1.5 h，t2＝0.5 h，t3＝4 h。現(xiàn)根據(jù)一次網(wǎng)架布局為該電網(wǎng)設(shè)計(jì)配電自動(dòng)化系統(tǒng)和通信系統(tǒng)，要求供電可靠性達(dá)到99.99%。

圖4 算例1O kV配電網(wǎng)規(guī)劃網(wǎng)架示意圖Fig.4 Example of 1OkV distribution network planning

6.2 配電自動(dòng)化系統(tǒng)規(guī)劃

算例中10 kV支線所需安裝配電自動(dòng)化終端數(shù)量分析過程如下:

如果全部安裝“三遙”裝置，需要每條支線安裝9個(gè)，如果安裝“二遙”，則由于故障檢測(cè)時(shí)間t2的影響，可靠性無法達(dá)到99.99%，因此最終方案為每條支線安裝9個(gè)“三遙”裝置。

根據(jù)該配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，最終的配電自動(dòng)化終端布點(diǎn)方案如下:在所有干線節(jié)點(diǎn)加裝三遙終端以及電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)單元，在8、17、18節(jié)點(diǎn)裝設(shè)分布式電源監(jiān)測(cè)單元。主站位于35 kV變電站內(nèi)。

6.3 通信網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃

根據(jù)6.1節(jié)配電網(wǎng)架和6.2節(jié)所得到的配電自動(dòng)化規(guī)劃方案確定通信網(wǎng)的通信流量帶寬以及組網(wǎng)方式。

(1)通信流量帶寬計(jì)算。

1)配電自動(dòng)化業(yè)務(wù)流量。

10 kV典型三遙站點(diǎn)信息點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 1O kV三遙站點(diǎn)典型信息點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 2 Typical information points of 1O kV three-remote terminals

設(shè)該網(wǎng)絡(luò)的三遙終端均為柱上開關(guān)，按每個(gè)遙測(cè)信息需要用2個(gè)字節(jié)信息量，8個(gè)遙信信息需要1個(gè)字節(jié)，遙控信息需要5個(gè)字節(jié)，每個(gè)電度量4個(gè)字節(jié)，按照所有點(diǎn)量測(cè)量均需3 s上傳計(jì)算得到柱上開關(guān)流量12 bit/s。該網(wǎng)絡(luò)10 kV干線裝有9個(gè)三遙終端，11條支線共裝有99個(gè)三遙終端，則所需流量為

2)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)流量。

按1 kHz采樣點(diǎn)數(shù)，記錄2 s的擾動(dòng)數(shù)據(jù)，每次擾動(dòng)數(shù)據(jù)在10 s內(nèi)上送到電能質(zhì)量分析主站，結(jié)果如下:

3)配電監(jiān)控運(yùn)行業(yè)務(wù)流量。

考慮每個(gè)重要節(jié)點(diǎn)配置視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)、語音業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)通道流量。設(shè)視頻業(yè)務(wù)圖像格式質(zhì)量達(dá)到4CIF要求考慮，業(yè)務(wù)流量為2 Mbit/s。語音業(yè)務(wù)按64kbit/s考慮。數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)通道主要滿足就地操作票、工作票的接收和流轉(zhuǎn)需求，流量128 kbit/s。則9個(gè)重要節(jié)點(diǎn)的配電監(jiān)控運(yùn)行業(yè)務(wù)流量計(jì)算結(jié)果如下:

4)分布式電源接入業(yè)務(wù)流量。

有3個(gè)分布式電源接入點(diǎn)，每點(diǎn)上送32點(diǎn)遙測(cè)，16點(diǎn)遙信，4點(diǎn)電度量計(jì)，按1 s送到主站，需要流量為

統(tǒng)計(jì)上述4項(xiàng)數(shù)據(jù)可得1個(gè)變電站所有配電業(yè)務(wù)所需的帶寬為

并發(fā)比例取1，網(wǎng)絡(luò)冗余系數(shù)取2，可靠性系統(tǒng)取1，可得:

(2)通信網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及組網(wǎng)方式。

將35 kV變電站作為配電自動(dòng)化主站位置，骨干網(wǎng)選擇光纖網(wǎng)絡(luò)，覆蓋10 kV干線，干線節(jié)點(diǎn)2～10作為光纖環(huán)網(wǎng)的信息傳輸、交換的節(jié)點(diǎn)，安裝無源光纖分路器(passive optical splitter，POS)用來向主站的光線路終端(optical line terminal，OLT)傳輸上行數(shù)據(jù)，同時(shí)向光網(wǎng)絡(luò)單元節(jié)點(diǎn)(optical network unit，ONU)分發(fā)下行數(shù)據(jù)。接入層網(wǎng)覆蓋10 kV支線上的配電自動(dòng)化終端(feeder terminal unit，F(xiàn)TU)以及分布式電源的檢測(cè)模塊，選擇電力線載波通信方式，同時(shí)無線專網(wǎng)作為備用網(wǎng)絡(luò)。通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 通信網(wǎng)設(shè)計(jì)方案示意圖Fig.5 Design scheme of communication network example

7 結(jié) 論

智能電網(wǎng)已經(jīng)成為當(dāng)今電網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，與一次網(wǎng)架配套的配電通信系統(tǒng)和配電自動(dòng)化系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)智能化和主動(dòng)特性提供了必要的支撐。本文探討了配電網(wǎng)架規(guī)劃、配電自動(dòng)化規(guī)劃、配電通信網(wǎng)規(guī)劃三者之間的協(xié)調(diào)關(guān)系和指標(biāo)，初步提出了三者協(xié)同規(guī)劃的思路框架和具體內(nèi)容，可為未來主動(dòng)配電網(wǎng)的一次電網(wǎng)架構(gòu)、二次自動(dòng)化系統(tǒng)與智能決策支持系統(tǒng)的三位一體的協(xié)同規(guī)劃提供思路。

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(編輯：張媛媛)

Coordinative Planning of Cyber-Power Distribution System

LI Yun1，LI Xuenan1，SHU Bin1，JI Bin1，ZHANG Tianyu2，LUO Fengzhang2，LI Jing3，LIAO Jianwei3，SUN Qiang4，WANG Xue4
(1.State Grid Beijing Electric Power Company，Beijing 100031，China；2.Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China；3.Tianjin Tianda Qiushi Electric Power High Technology Co.，Ltd.，Tianjin 300384，China；4.State Grid Energy Research Institute，Beijing 102209，China)

Smart grid has become the developing trend of the grid.The information system is an important part supporting the smart grid，whose impact on power grid planning and operation has become increasingly prominent and interaction with the power system has become more and more closely.The traditional distribution network planning methods that neglect this kind of close relationship have been unable to meet the refined planning requirements under the background of smart grid development.This paper discussed the coordination relationships among the distribution network planning，communication system planning and distribution automation planning.Then the thinking framework of the coordinative planning was proposed and the planning model，evaluation index and method of the sub programming problems were further discussed.The research conclusion can provide ideas for the coordinative planning of primary power grid architecture，secondary automatic system and intelligent decision support system in future active distribution network.

distributionnetworksystem；distributionautomation；powerdistributioncommunicationsystem；coordinative planning；coordination assessment

TM 715

A

1000-7229(2015)11-0030-08

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.11.005

2015-06-30

2015-09-06

李蘊(yùn)(1962)，男，高級(jí)工程師，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃及輸變電設(shè)計(jì)和工程管理工作；

李雪男(1983)，男，工程師，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃及輸變電工程工作；

舒彬(1964)，男，高級(jí)工程師，從事一體化能量管理系統(tǒng)(EMS)設(shè)計(jì)建設(shè)與運(yùn)行，從事智能電網(wǎng)、新技術(shù)應(yīng)用、配電管理系統(tǒng)電網(wǎng)規(guī)劃的研究工作；

紀(jì)斌(1977)，男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃方面的研究和管理工作；

張?zhí)煊?1992)，男，博士研究生，主要研究方向?yàn)樾滦椭鲃?dòng)配電系統(tǒng)分析與優(yōu)化規(guī)劃等；

羅鳳章(1980)，男，博士，講師，通信作者，主要研究方向?yàn)樾滦椭鲃?dòng)配電系統(tǒng)分析與優(yōu)化規(guī)劃等。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51207101)；國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(863計(jì)劃)(2014AA051901)；中國博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2013M530113)；國家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(XM2014040042804)。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China (51207101)；The National High Technology Research and Development of China(863 Program)(2014AA051901)；China Postdoctoral Science Foundation(2013M530113)；Science and Technology Projects of State Grid Corporation of China(XM2014040042804)。