海島微電網通信架構設計

鄧　華，李廣磊，孫業隆，張婷婷，趙　鵬

（1．國網山東省電力公司煙臺供電公司，山東　煙臺　264001；2．國網山東省電力公司電力科學研究院，濟南　250003；3．國網山東龍口市供電公司，山東　龍口　265700）

海島微電網通信架構設計

鄧華1，李廣磊2，孫業隆3，張婷婷1，趙鵬2

（1．國網山東省電力公司煙臺供電公司，山東煙臺264001；2．國網山東省電力公司電力科學研究院，濟南250003；3．國網山東龍口市供電公司，山東龍口265700）

分析海島微電網的通信需求，提出微電網通信系統的一種分層體系架構，從就地層、中間層和站控層3個邏輯層次給出了具體設計方案，可實現高速、實時、雙向的信息通信和交互控制。并結合長島分布式發電及微電網示范工程，驗證提出的海島微電網通信架構設計方案的可行性，為海島微電網調控運行提供信息保障。

海島微電網；通信系統；信息融合；運行監控

0　引言

我國島嶼岸線長達14 000多km，全國擁有500 m2以上的島嶼6 961座［1］。海島的開發建設和海島居民的日常生活均需要可靠的能源動力作保障，由于地理、氣候、成本以及技術等多方面原因，我國海島可再生能源在海島能源消費中的比重較低，目前海島能源利用方式以大陸供給常規能源為主。海島供電主要由大陸電網通過海底電纜延伸供電，一旦海底電纜出現故障，恢復供電時間長，影響島內居民正常生產生活。

通過敷設海底電纜、增加供電回路，雖然能提高海島地區供電可靠性，但是由于海底電纜生產運維成本較高、海洋輸電設施造價高，這種方式經濟性較差。海島的地理位置決定了島內風能、太陽能等資源充足，通過開展島內新能源接入的微電網工程建設，既能有效開發可再生能源以解決島上電力不足的現狀，又能減少電纜故障、災害環境等意外條件對海島用電需求的影響。目前，微電網已被公認為是分布式電源最有效的利用方式［2］。一般采用能量優化管理系統（微電網監控系統）通過信息采集、功率控制、繼電保護等手段確保微電網安全穩定運行和系統平衡，而實現這些目標的基礎支撐是微電網系統具備完整的通信網絡。目前一般遵循IEC 61850標準，建立具有與智能大電網統一接口的微電網監控系統平臺［3-5］。文獻［6］采用通用面向對象變電站事件通信服務（GOOSE）與設備層進行信息交互，以及配合優化層進行微電網的多時間尺度協調控制和能量優化。

首先分析海島微電網的通信需求，在此基礎上提出一種分層的海島微電網通信架構，從就地層、中間層和站控層3個邏輯層來實現上層系統和底層設備之間高速、實時、雙向的信息通信和交互控制，并能實現數據采集、數據分析處理、微電網經濟優化運行、能量優化管理等功能。最后，結合長島分布式發電及微電網示范工程對提出的海島微電網通信方案進行驗證。

1　海島微電網通信需求

由于海島位置偏遠、島嶼之間聯絡分散、島內通信建設條件較差，設計海島微電網通信方案必須考慮上述不利因素，同時需要滿足微電網的快速、實時、可靠和安全性的通信要求，從技術性、經濟性、擴展性等角度來看，海島微電網的通信需要滿足以下條件。

快速數據監控。微電網包含風力發電、光伏發電、柴油發電、儲能系統、用電負荷等多類涉網設備，通過電力通信業務網相互連接，實現各設備和各環節的電氣量和非電氣量的狀態信息快速監控、高效可靠傳輸和多維數據集中監視，以確保信息獲取的實時性、準確性和全面性，為微電網系統的運行監控、并網/孤網雙模式無縫切換等指令傳輸提供堅強通信保障。

統一標準協議。微電網內設備廠家多、類型多、接口通信繁多，為了滿足雙向、實時、高效通信的數據監控要求，微電網通信需要制定統一的設備接入、數據格式、通信協議等指標要求，借鑒IEC 61850、GOOSE、智能變電站智能終端等先進通信技術，減少數據中間轉換等待時間，確保微電網設備之間的靈活互動、不同軟件版本之間的一致性和兼容性。

安全通信冗余。采用雙鏈路備份、安全防火墻、數據隔離控制，既要滿足《電力二次系統安全防護規定》要求，又能實現數據同步和互相備份，達到降低網絡故障率、提高網絡可靠性和冗余度高的目標，以確保微電網在故障或干擾情況下的關鍵數據監控，進而提高微電網的快速恢復能力與自治能力，減少微電網的故障恢復時間。

易于拓展維護。需要考慮微電網后期的設備接入、功能擴展，預留通信容量及通信接口；同時應滿足微電網的集中監控、少人或無人值守要求，需具備自我診斷、故障預警等輔助手段，減少運維人員的監控成本和設備維護成本。

2　海島微電網通信架構

2.1間歇式可再生能源電網結構

海島微電網通常包含風電、光伏、儲能以及柴油發電機在內的多種分布式電源，且分布式電源的裝機容量占據較大的比例。典型的間歇式可再生能源電網的結構如圖1所示。

圖1　某間歇式可再生能源海島電網結構

圖1中，在并網情況下，通過對儲能單元采取功率差控制，能有效抑制新能源波動性，提高海島電網對間歇性能源的接納能力。當進線海纜出現故障時，海島電網故障恢復相對大陸上電網需要更長的時間。在外故障恢復時間內，需要對風電、光伏、儲能及柴油發電機進行綜合控制，并主要對柴儲電源進行有效的主從協調控制，確保海島電網的正常運行。海島可再生能源電網涉及多種分布式電源之間的實時協調控制，快速、實時、可靠和安全性通信微電網通信架構對于保障海島微電網的穩定運行具有重要的意義。

2.2海島微電網分層通信架構

IEC 61850是第一個完全以實現變電站自動化系統中智能電子設備互操作性為主要目的通信標準體系［3］。在規劃微電網通信網絡時，借鑒數字化變電站建設的相關經驗，采用基于IEC 61850的架構，通信架構采用就地層、中間層、站控層3個層次構成［7］。系統結構如圖2所示。

就地層。就地層主要由涉網設備和智能合并單元構成，其中涉網設備主要包括負荷線路、氣象預測系統、風力發電系統、光伏發電系統、儲能系統、柴油發電機和用電負荷；合并單元按系統內一次設備配置，就地加裝在對應的涉網設備處，采集現場數據，并通過點對點光纖網上送交換服務器，同時負責電能供給、設備開斷和底層控制命令的執行。

圖2　海島微電網通信架構

中間層。中間層主要由光纖通信網絡、光纖同步網、交互服務器等組成，就地層通過涉網設備和智能合并單元獲取數據信息后通過中間層實現與中央控制器的通信傳輸，同時獲得中央控制器控制指令對風電機組、光伏發電、儲能系統等設備進行遠程狀態監測和控制。為了保證電力通信的可靠性，中間層設備通過光纖A、B雙網和服務器A、B進行數據交換，交換服務器A、B采用完全獨立的工業以太網絡和就地層設備通信，光纖網絡A和B發送的就地層信息完全相同，避免單系統故障導致全系統失去保護和控制功能情況的出現。

站控層。站控層負責整個微電網運行，綜合分析中間層上傳的運行數據，根據微電網運行數據制定實時控制策略，并及時下發指令，實現為電網的功率預測、負荷預測、協調控制、并網/孤網模式切換、經濟優化運行等功能。實現這些控制目標必須依靠高速、穩定、可靠的通信技術支撐。因此，站控層采用高安全級別的工業以太網通信，實現系統內間隔層設備、一次設備的控制及與遠方控制中心、工程師站、操作員站及人機界面雙向通信的功能，并經過協議轉換設備與第三方裝置進行數據雙向交換。站控層設備優先選擇跨硬件平臺與跨操作系統平臺，確保實現異構操作系統混合配置，從而具有良好的開放性和可擴展性，方便以后進行功能擴展或升級。

3　工程應用

目前，國網山東省電力公司正在建設山東長島分布式發電及微電網示范工程，主要開展風力發電、光伏發電、柴油發電、儲能系統、配電網改造等建設。長島又名長山列島、廟島群島，由32個島嶼組成，位于渤海海峽，黃海、渤海交匯處，系渤海咽喉、京津門戶，地理位置十分重要。由于海島特殊的地質情況和電網建設難度，長島電網較為薄弱，而通過建設分布式發電及微電網示范工程將增強海島電網結構、提高供電可靠性，滿足用電負荷快速增長的需要。

系統通信采用高實時性的IEC 61850國際標準規約，實現裝置與裝置之間、裝置與主站之間的互聯互通。其中，站控層與就地控制及保護單元間，采用GOOSE/SV快速通信；微網區域保護與就地保護裝置間采用GOOSE/SV快速通信；對非IEC 61850規約但需要將其進行監控設備（光伏發電設備、風力發電設備等）規約轉換為IEC 61850規約，并統一通過高速網絡進行數據的交換；通過基于IEC6 1850標準的過程層網絡，與全網就地保護裝置進行快速通信，并與MGCC配合，在全網快速故障定位與隔離。

3.1架構設計

結合山東長島分布式發電及微電網示范工程，在上述海島微電網通信架構設計的基礎上，進行海島微電網能量優化管理系統設計，主要功能如圖3所示。

由圖3可知，海島微電網能量優化管理系統主要由就地控制、數據獲取、數據處理與應用、微電網協調控制、微電網優化調度、上級調度控制等組成。

就地控制。站控層通過合并單元就地控制風電機組、光伏發電、儲能PCS、柴油發電機、用電負荷、并網開關等設備，實現微電網系統的能量優化管理。

數據獲取。配置通信前置機和控制室，根據系統分類和地理分布分多個通信交換機采集匯總。如果采用串口通信，則通過串口服務器匯總后轉換為以太網，經光電轉換器后變換為光信號匯集到前置交換機。

圖3　系統功能

數據處理與應用。主要由采集系統、實時數據庫、歷史數據庫和支撐平臺組成，前置數據采集采用冗余交換式以太網結構，實時數據傳輸也采用冗余交換式以太網結構，配置三層交換功能的交換機，采用100 M/1 000 M自適應通信網絡，經縱向認證裝置后可轉發至上級調度控制。

微電網協調控制。微電網的協調控制包含緊急控制、模式切換、功率平衡、無功優化、電能質量5部分，充分利用全島風、光、儲與負荷之間廣泛存在的互補性，實現并網及孤網運行的能量就地平衡。

微電網優化調度。根據上級調度系統的調度指令，利用風力發電功率預測技術、光伏發電功率預測技術、負荷功率預測技術，制定日發電計劃。根據優化算法，兼顧各發電單元的經濟特性，合理安排各發電單元啟動順序、運行時間等計劃。對制定的計劃進行狀態估計、潮流計算、短路計算、靜態安全分析，從而進一步優化調度指令，實現微電網系統的經濟優化運行。

上級調度控制。根據電網運行需要，由上級調度控制微電網的并網運行、計劃孤島、聯絡線功率等，實現微電網與大電網的靈活互動。

3.2軟件功能

軟件功能由操作系統、支撐平臺、應用功能3個層次組成，網絡架構如圖4所示。操作系統選用Linux/Unix操作系統。支撐平臺主要為高級應用分析功能提供數據支撐服務，其功能包括：數據傳輸（通過網絡數據傳輸軟總線實現數據交互和進程服務管理，從而能監視整個微電網系統的運行信息，并采用智能平衡分流方法保證網絡數據流量的均衡一致性）、實時數據庫（將分布在系統所有結點上的實時數據通過軟同步技術匯集到實時數據庫中，保證了數據的一致性）、歷史數據庫（提供整個系統數據采樣、數據存儲、數據查詢等歷史數據服務功能，采用同步、并行的高速處理技術，提高了系統數據處理的效率）、圖形顯示（采用圖模庫一體化設計方法，考慮電力行業的通用圖形特色，運用矢量技術實現圖形的無極縮放，并采用svg格式進行不同系統間的圖形交互）、統計報表（采用java方式建立底層模型，自動生成系統各類報表，同時兼容了EXCEL的各種操作特點，方便運行）、權限管理（制定不同優先級的權限用戶，權限內容包括實時庫讀寫、歷史庫讀寫、圖形查看編輯等，并按照分層分級的原則在系統支撐平臺上對數據進行過濾處理，從而提高上層應用的處理效率）、運行告警（故障預警、越限報警、人工操作告警等）。應用功能包括：數據采集（對風力發電、光伏發電、低壓負荷開關柜的運行狀態數據采集與顯示）、監控功能（儲能系統運行監控、負荷監控、分布式發電預測、風光儲協調控制）、分析功能（實時分析分布式電源的發電狀況、電力負荷的用電需求、微電網與主網并網點的功率交換情況，統計電網內的發電量、用電量、工程投資、經濟效益

圖4　軟件框架

等）、能量優化管理功能（針對微電網容量配置和電網調度需求，定制協調控制功能，主要包括緊急控制、模式切換、功率平衡、無功優化、電能質量、孤島檢測等功能模塊）。

3.3現場應用

所設計的微電網通信架構以及能量優化管理系統應用于長島分布式發電及微電網建設工程中。在工程調試中，使用監控系統作為后臺接收規約模塊上傳的數據，并存儲到實時數據庫中，以組態的方式顯示到調度員屏幕上，從而能清晰地判別實時數據庫數據是否和預設數據一致。通過開展微電網并網與孤網的模式切換試驗進行測試［7］，對微電網內風電和光伏、儲能模塊、電力用戶負荷等的遙測、遙信、遙脈的數據進行上行測試，同時測試下行數據，包括控制命令，遙調命令，定值的下發，達到了預期效果。

4　結語

在分析海島微電網的通信需求基礎上，設計分層的海島微電網通信架構，結合長島分布式發電及微電網示范工程進行測試驗證，達到了遙測、遙信、遙控、遙脈、定值信息的通信要求，促進了電力流、業務流、信息流高效的融合，有力支撐了海島微電網供電系統的安全、穩定、優化運行。

［1］《全國海島資源綜合調查報告》編寫組.全國海洋資源綜合調查報告［M］.北京：海洋出版社，1996.

［2］王成山，李鵬.分布式發電、微網與智能配電網的發展與挑戰［J］.電力系統自動化，2010，34（2）：10-14.

［3］蹇芳，李建泉，吳小云.基于IEC 61850標準的微電網監控系統［J］.大功率變流技術，2012（2）：26-29.

［4］鄧衛，裴瑋，齊智平.基于IEC 61850標準的微電網信息交互［J］.電力系統自動化，2013，37（3）：6-11.

［5］YANG Q，BARRIA JA，GREEN TC.Communication Infrastructures for Distributed Control of Power Distribution Networks［J］IEEETRANSACTIONSONINDUSTRIALINFORMATICS，2011，7（2）：316.

［6］查申森，竇曉波，王李東，等.微電網監控與能量管理裝置的設計與研發［J］.電力系統自動化，2014，38（9）：232-239.

［7］黃曼青，李峰，蔣成杰.基于智能變電站技術的集中式微電網能量管理和穩定控制系統［J］.電氣技術，2014（S1）：24-27.

Communication System Architecture Design for Island Microgrid

DENG Hua1，LI Guanglei2，SUN Yelong3，ZHANG Tingting1，ZHAO Peng2
（1.State Grid Yantai Power Supply Company，Yantai 264001，China；2.State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China；3.State Grid Longkou Power Supply Company，Longkou 265700，China）

Communication needs of the island microgrid are analyzed，and the communication system with layer model architecture is proposed in this paper.The specific programmatic definition is put forward from three levels，namely，equipment layer，middle layer and substation control layer，to achieve information communication and interactive control with properties of high speed，real-time and bilateral interaction.The proposed microgrid communication scheme has been verified by the distributed generation and microgrid demonstration project in Changdao，which can provide communication guarantee for regulation of island microgrid.

island microgrid；communication system；information fusion；operation monitoring

TM727；TN919

A

1007－9904（2016）07－0025－04

2016-02-26

鄧華（1970），男，高級工程師，從事信息通信相關工作；

李廣磊（1985），男，工程師，從事分布式發電及微電網接入控制相關工作；

孫業隆（1974），男，高級工程師，從事電網信息安全相關工作；張婷婷（1981），男，高級工程師，從事電網規劃相關工作；

趙鵬（1985），男，工程師，從事電力系統運行控制相關工作。