環境保護視角下電力通信在電網智能化中的支撐作用

周 盈，童斐斐，劉 思

(1.浙江華云電力工程設計咨詢有限公司，浙江 杭州 310000；2.國網浙江省電力有限公司 營銷服務中心，浙江 杭州 310000)

電網智能化運用現代通信、信息、現代電力工程等智能技術并結合傳感器技術實現電網智能化的管理。高速雙向通信的綜合應用系統采用目前比較領先的設備制造技術和傳感器技術，同時運用自動控制和測量決策系統，是智能電網的基礎。為了實現用戶的用電需求，發電到用電的過程需要達到自動化、現代化的目標，同樣也需要注意電力在生產和運輸中的安全經濟問題，相關資源的配備需要進行完善。智能電網的最大特點在于其完整性和智能性，使電力系統平穩運行得到保障。為了優化用戶的供電需求，需運用科學的分析方法，做好故障診斷和監測，并對故障進行預警，從而為電網的維護提供依據。智能電網具有優化電網管理、提高供電質量、兼容性好、提高電力利用率等優點[1]。以完善供電結構、提升電力系統安全運行效率。完成節能發電調度為目標進行智能電網的建設。以特高壓電網為主網，獲取變電環節的實時數據、準確的電站智能調度離不開電網的平穩運行，更有利于輸電網信息化、網絡化目標的實現。完成電網調度的標準化、流程化和智能化，需以配電自動化與配電網調節一體化為技術基礎，同時提升控制能力。但當前嚴重阻礙電網智能化建設的原因是缺少電力通信網絡的支撐，各種電子元器件與高壓電網組建的電力通信系統難以實行，電網的智能化就達不到理想水平。發電、變電和送電每一步的進行需要結合電力通信渠道來完成，并在實際中承擔著智能電網中的自動化控制、商業運營和現代管理服務等一系列職責[2]。電網通信以電網運行為依據，涵蓋了電網送—發—用—分—變等每個步驟，電網具有自動化、商品化和市場化等特征以及具有穩定、安全、可靠的特點，需要加強這些特征與特點。信息的傳遞速率、通信是否具有實時性，雙向交互是否順暢都影響著智能電網。運行時能否掌控，都需要光纖技術的支撐并提供科學的理論知識，確保電網的設計、建設和發展在通信終端上進行。此外，計算機技術還為智能電網提供了處理海量數據的可能性，需增加對硬件設備等基礎設施的投入，注入資金，快速有效地處理相關數據，這是智能電網性能升級和優化的前提條件，也是智能電網建設所需的配套設備和設施。

此外，電力通信技術在運行過程中會產生大量的電磁波，并且對周圍環境有著不同程度的危害。因此，從某種環保角度出發，在保證電力通信支持作用的前提下，實現電網智能化建設，并對電力通信網絡支持作用的效果進行分析。

1 電力通信對電網智能化的支撐

在電力通信網智能化系統中，電網智能化的關鍵在于電力通信網，構建通信信息平臺完成電網的智能化，需結合國家電網資源規劃系統進行，實現信息共享和便捷保護，提高信息安全性，規范公司管理，公司將采取更加系統全面的業務分析方式，同時采用輔助戰略管理模式。構建信息平臺和傳輸網是保證通信的主要方式，是電力通信過程不可或缺的一部分，電網智能化的飛速發展加快了信息平臺與傳輸網的構建。

1.1 電力通信技術支撐方式

電網運行時，發電、輸電、變電和用電每個步驟都需要運用電力通信技術。實現電網運行效率提升以及技術的全覆蓋，需要加強對電力通信技術的應用。網絡系統的正常運行也離不開電力通信技術的支持，主要應用與測量和管理相關的技術方法，提高網絡系統的工作效率。運用相關技術方法，可以有效地構建智能網絡[3]。電能的調度與分配得益于電力通信。電力網絡現代化、自動化以及商品化需要借助于電力通信技術才能得以實現，電力通信技術在電力網絡中起著主導的作用，電網的穩定、高效運行取決于電力通信系統是否能提供有力的支撐。

1.2 分析電網與環境的影響關系

工頻電場、工頻磁場是高壓變電站電磁輻射的2個主要部分，工頻場受到進入物體狀態的影響，當物體發生畸變時會使工頻場變得復雜，處于空間工頻電場的物體尤其容易發生畸變[4]。電力系統對環境的影響可分為2個階段：①電網建設環節；②電網運行環節。具體影響關系如圖1所示。

圖1 電網智能化規劃與環境的影響關系

工頻電場和工頻磁場是電力系統正常運行時變電站附近的主要覆蓋區域。由于空間工頻電場中的物體容易進入工頻場，因此在進入工頻場后物體容易發生畸變，使物體畸變后工頻場變得更加復雜。電暈放電和絕緣子放電是影響變電站周圍電網放電環境的2種模式。脈沖電磁噪聲是電暈放電的表達形式，影響著放電頻率，最高時可以達到數萬赫茲。電位梯度的取值直接影響著電暈放電的結果，還有一定的條件要求。電暈放電作為設備產生電磁輻射的主要干擾因素，影響著輸電線路的運行，導線表面是否會出現電暈放電現象，受到空氣的擊穿強度與導線表面的電場強度的影響。電暈放電會出現低頻和高頻的電磁波，其主要作用是產生無線電噪聲。當高壓架空輸電線路和變電站中的絕緣子或者絕緣子串受到污染或損壞時，會出現電位分布較大的放電現象，影響著其放電強度，頻率甚至可以達到數百兆赫，且絕緣子會高于電暈的放電強度。此外，高壓變電站的電暈放電和絕緣子放電也會引起無線電干擾。它們直接受到環境溫濕度的影響，環境條件越差，影響越大。根據電網放電的特點[5]，劃分了每級環境電磁波允許輻射強度的標準，應用范圍包括人們日常居住和活動的場所。環境電磁波容許輻射強度分級見表1。

表1 環境電磁波容許輻射強度分級

1.3 設置電網規劃中電網環保因素指標

根據電網電磁場、線路、變電站的無線電干擾和噪聲等特點，建立了電網環境影響因素的指標，并定量分析了不同電網規劃階段環境影響因素的變化[6]。電網環保指標的設置主要依據輻射噪聲指數，根據不同位置可分為電網線路輻射指數、變電站輻射指數等類型，其中電網線路環境保護指標可表示為式(1)：

(1)

式(1)的計算結果QEi、QMi、QWi和QRi分別表示第i條電網線路的電場指數、磁場指數、無線電干擾指數、噪聲指數。

此外式(1)中將參數n作為線路i的分段，線路分段l中的人口密度和長度分別用pl和Ll表示，電網線路兩側與中心線之間的距離用W表示，依次用E(x)、M(x)、W(x)和R(x)來表示電場、磁場、無線電、噪聲強度到線路中心線的距離。它們之間的關系是函數[7]。以《500 kV超高壓送變電工程電磁輻射環境影響評價技術規范》(HJ/T 24—1998)中的相關理論作為支撐，將各指標賦予相應的具體取值，以磁場強度為例，若不考慮鏡像效應，得出變電站環境下的環境因子表達式：

(2)

式中，I為導線i中的電流；μ為導磁率；h和L分別為導線距離地面的垂直高度和兩道線之間的距離。

1.4 規劃電力通信網絡

從環保的角度出發，應用環保電纜配置電力通信網。在此基礎上，根據電力通信網的要求，基于傳輸網絡技術，分別從傳輸網絡、業務網絡和支撐網絡3個方面進行網絡規劃。傳輸網絡屬于承載網絡，并主要負責承載控制業務和業務網絡，其所提供的帶寬資源直接影響其所承載的業務網絡的能力[8]。針對長距離傳輸和帶寬要求，可以利用一體化的組網模式，其具備靈活的調節以及極強的業務能力，可使主干網向統一融合的扁平化網絡發展。設計中采用了主干層的 OTN技術，而 PTN技術則采用了匯聚層和接入層的 PTN技術。組網方式如圖2所示。

圖2 OTN+PTN組網方式

在電力通信網絡體系結構中引入ASON傳輸技術，并建立通信網絡的輔助信道。在特殊業務的傳輸過程中，例如：實現過渡階段業務的保護；在通信網中的逃逸網上，當出現OTN+PTN大面積故障時，提供逃逸途徑用于解決OTN+PTN出現大面積故障的問題。在MSTP傳輸網絡的基礎上建設MSTP輔助信道，是因為其具有可以承載現有電力通信業務比較高的網絡承載能力。ASON傳輸技術用于主層，MSTP傳輸技術用于接入層，從而使ASON控制平面得到顯著提升，為了實現ASON技術組網的需要，在以傳輸B網為基礎的同時，加入了mesh網的骨干節點[9]。同時，增加了ASON控制平面設備和ASON技術保護手段，提高了電力通信網絡的安全性。

電力通信業務網主要由3個層次組成，包括核心層、匯聚層和接入層，并將分層組網作為主要策略。相互備份2個省網核心路由器，設備采用日志鏈路是核心層的意義所在；接入層主要為500 kV變電站骨干網或本地調度核心網，通過GE鏈路與核心層雙機相連；其他500 kV變電站是接入層的組成部分，622 M鏈路與匯聚層設備將本地變電站和220 kV變電站聯系起來。主干區域和若干個子區域的劃分需要OSPF和靜態路由相結合的路由策略。每個子區域的路由變化只能收斂到自己的區域。此外，同步網由頻率同步網和時間同步網組成，作為支撐網規劃的主要部分，需要重視頻率同步和時間同步的綜合組網方式。為了達到頻率和時間同步信號的目的，需要對各變電站節點的進行配置，同時與GPS+BITS設備相結合。將與來自本站GPS設備的主備時鐘的頻率實現同步，作為地面時鐘鏈路傳輸的頻率信號的來源，以SDH網絡的STM-N幀作為結構承載。混合同步常為同頻網絡結構。當同頻網絡開始同步結構時，表示GPS正常工作且每個節點都跟蹤自己設備的GPS。地面定時鏈路發送的頻率信號決定時鐘，備用時鐘作用于GPS癱瘓時，可以立即啟用。電網規劃和組網時，對設定鏈路的負荷限制如下：

(3)

電力通信網絡中的邏輯鏈路用l表示，業務數據量用Ll表示。當式(3)計算結果為1時，表示網絡中各鏈路上的業務負載呈現均勻分布狀態。

1.5 實現電網智能化建設

在規劃的電力通信網絡的支持與考慮環保因素的情況下，分別從信息采集和設備監控等多個方面實現對電網的智能化建設[10-11]。

1.5.1 實時傳遞電力信息

通過電力通信可以實現信息傳遞，從而為電網運行提供數據支持，為電網監測與管理和維護提供了數據支持。采用電力通信網中的節點裝置，采集電網各環節的運行數據，將實時采集到的數據整理成數據包，傳輸到通信網。電網系統中的數據傳輸到智能終端的過程，對用戶終端、變電站和電網信息的管控需要結合電力通信網，達到電力系統智能化管理的目的。電網智能化可以提高電網運行效率，是發展電力通信技術的重點，進而保證智能電網穩定地運行，電網信息傳輸提供基本的保障。通過電力通信可以實現各電網系統間的信息交流與共享，從而可以在電網進行整體優化時，為其提供決策依據，加強電網信息安全的建設，以促進電網市場的穩定運行。

1.5.2 監控管理電網設備

智能電網由傳感器系統、發電系統、光纖系統、變電系統共同組成，電子設備的監測與維護，需要科學合理地管理電子設備，達到保證電網系統穩定運行的目的。實現對獨立系統的管理與監控，需要對電力系統設備以及電力設備狀態進行合理管理，實現電力系統穩定運作。傳感器監測可以實現故障預警、自動處理，電網系統穩定運行離不開敏感數據傳送到智能終端的過程以及對設備的有效管控。以監測變電器設備為例，檢測的主要流程是：檢測變電所輸入采樣值—接收主站IEC61850標準9-2的采樣值—讀取設備屏幕和模擬主站上的數據—確保IEC61850標準9-2采樣值的接收—計算電壓有效值、電流有效值、有功、無功、頻率等數據，為得到準確的檢測結果，須嚴格按照操作流程進行。輸入 GOOSE信號的探測模擬主站將 GOOSE信號所模擬的溫度、壓力、流量等 GOOSE信號發送給被測設備，接收并讀取數據，數據主要來源于模擬主站與設備屏幕，注意對檢測設備的監控，確保GOOSE信號的接收。確保主變分接點檔位數據的準確采集與計算產生，需要精準讀取設備屏幕和模擬主站上的數據。分組設置閾值需要檢查設備屏幕和模擬主站上的設備。觀察發現，調節模擬或數字信號源產生的電壓或電流出現超過閾值的情況時，需要格外注意并記錄此時網絡分析儀上的數據。主要檢測采樣值的報文、時標以及通信狀態，也是IEC61850標準9-2采樣值的主要判斷依據，通過標記來對應質量的位置。

1.5.3 發電電網智能化建設

在發電領域，電力通信的應用除了全系統運行監測和新能源接入外，還有3個具體方面，即水情預測、水庫調度和電力市場交易，智能電網應能在運行中很好地接收和消耗新能源。利用電力通信網獲取電網的歷史發電數據，在此基礎上預測區域內用戶的用電需求。電力系統通過通信網輸入的需求預測結果確定發電設備的運行參數，制定相應的電網對接接口標準，協調傳統能源與新能源的合作，實現智能發電。

1.5.4 輸電電網智能化建設

電力通信應用于電力傳輸的許多領域，其中在功能性方面是：繼電保護、穩定裝置、調度控制和安全預警領域；在檢測方面是：實時數據傳輸可視化以及傳輸檢測。大容量、遠距離和低損耗的地域電力的輸送工作需要特高壓骨干網支撐，這是電力通信在一定領域的一個應用，促進了中國電力工業的發展。輸電網智能調度工作流程如圖3所示。

當電網初始化時，該模塊接收電力通信網的所有信息，然后判斷是否有故障報警。如若沒有，則判斷電網是否正常，電網會自行啟動靜態安全分析，如果符合N-1標準，電網是安全的，再進行潮流計算模塊，判斷運行是否經濟。在經濟性能較差的情況下，無功優化具有減少網損的功能，預防控制模塊可以在不能達到N-1標準時，保證電網的正常與安全，電網就能恢復到安全正常[12]。有了報警信息，故障恢復模塊會根據電網進入故障狀態后得到的故障診斷結果，判斷并作出恢復決策，工作人員可以做出決策，保證電網安全運行。所有的決策報告都可以顯示在圖形界面上，調度人員可以參考來做相應的操作。

1.5.5 變電電網智能化建設

智能變電站只有在應用電力通信技術的基礎上，才能實現對一級、二級設備運行信息的采集和分析，實現智能變電站的安全平穩運行，需要智能調節和自動控制，同時也需要嚴格按照規定的詳細步驟進行。智能變電站的建造結構如圖4所示。

圖4中，處理層主要采用點對點網絡總線通信方式，采用光傳輸。主變型配有獨立的智能終端，智能終端與信息端口并聯。主變TA設有2套并聯單元，輸入并聯運行數據，保證運行的可靠性。隔板主要配置2套內橋保護和變壓器后備保護，用于快速動作和故障分析記錄。車站控制層自動化、遠程操作和信息通信的實現得益于計算機內部網絡的強大。

1.5.6 配電電網智能化建設

智能配電網本身的特點是系統具有交互性、自修復具有高效性以及兼容性具有合理性。自愈和控制是智能配電網想要實現的目標，需要完善的數學與控制理論的輔助以及自動識別配電網的有力支撐，作用于異常脆弱區、故障干擾區、維修區和正常工作區。配電網運行情況得到有效真實的評價，需要對配電網運行情況相應的指標進行評定，因此應嚴格制定評價指標。指標的制定需要考慮性能以及經濟實用性，它們影響著對運行情況真實的判斷，進而可以制定并施行有效合理的區域管控方案去應對出現隱患的情況，利于提高配電網的優化運行和加強自愈控制性能，以及保證安全供電、滿足可靠性、經濟、高效、清潔、環保、靈活互動、友好的供電需求。配電網線路具有自動處理故障的功能，出現事故時運用電力通信網傳輸的開關跳閘和保護動作信號進行處理；事故位置的判斷需要于借助線路開關故障指示信號或過電流零序電流信號；然后進行事故間隔隔離，根據隔離系統的運行模式，自動處理事故需要先找到觸點的開關，負荷自動轉移。恢復事故需要先觀察配電自動化系統是否出現故障并進行排除，先進行編輯再制定并梳理出相應的操作流程，調度人員作為現場負責人，也需要配合他們的工作，最終實現恢復正常狀態的目的。

1.5.7 支撐電網安全穩定

電力通信網對電力系統能否安全穩定運行起決定性作用。在電網系統中，電力通信、調度自動化和安全穩定構成了電力系統的安全穩定體系，對電力進行安全有效的管理是實現智能化的關鍵。為了實現電力通信的可靠、快速、準確，需要提高電網調度的自動化、完善管理體系的現代化和網絡運行的市場化，電力通信系統的建設成效決定電網的質量，是其發展的重要基石。電力通信建設的發展速度，取決于是否能建設一個適合電網發展的專用通信網。目前，各國電網大多數采用自建電力專用通信網。因此，中國電力通信網絡建設需要用相應的技術做支撐，包括管理和實踐相關領域的技術，實現對電網的管理，提高電網的安全性和穩定性。

2 效果測試實驗

以測試電力通信在電網智能化中的支撐作用效果為目的，設計作用效果測試實驗。將本文采用的電網智能化建設改造方法與傳統電網智能化建設方法進行實驗對比，傳統電網智能化建設主要通過安裝智能化設備實現，而本文中的方法則是在充分考慮了電網的運行環境背景下，實現電網智能優化。

2.1 配置測試環境及設備配置

選擇某區域的電網作為實驗的研究對象，并以該電網對應的管理平臺作為實驗的主要測試環境。

另外，由于設計的電網智能化建設方法應用了電力通信網絡，并考慮了環境因素，因此需要在實驗測試環境中，安裝通信網絡檢測設備和環境測試設備。研究的電網中相關設備的設置情況見表2。

表2 電網部分設備設置

2.2 確定實驗測試指標

由于設計的電網智能化建設方法中，考慮到了環保因素，實驗分別從環保與電力通信效果和電網智能化3個方面進行測試。設置環境保護效果、電力通信效率和電網智能化效果3個評價指標。在電網各節點設置測點，對離地1.5 m處的工頻電場、磁場進行測試。需要合理選擇測試區域，區域的選擇直接影響著檢測的結果，因此選擇區域是檢測的重點工作，是檢測能否有效進行的第一步，可以把遠離高壓進出線和圍墻1 m以內進出線的地點作為選擇變電所外工頻電磁場測點，測量距離地面1.5 m處的工頻電場和磁場強度。通過收集各個測點位置的電場強度和磁場強度，強度越強證明對環境的污染程度越大。電網數據傳輸效率的測試目的是證明智能電網中電力通信的支撐效果，準備實時產生的電網數據，并將其作為電力通信傳輸的數據包，分別測試電力數據傳輸速度和丟包情況。電網的智能化效果的測試指標見表3。

表3 電網智能化效果測試指標設置

2.3 實驗結果對比分析

通過相關數據的測試、統計與計算，從環保、通信和智能化3個方面，得出電力通信在電網智能化中的支撐作用效果的測試結果。

2.3.1 環境保護效果測試

電場與磁場強度的測試結果見表4。從表4中可以看出，在相同的測點位置上，有電力通信支撐智能電網的電場強度和磁場強度均有所降低，即能夠在一定程度上起到保護環境的作用。

2.3.2 電網數據傳輸效率測試

通過對比應用電力通信和未應用電力通信的智能電網可以看出，在傳輸相同大小數據包的情況下，應用電力通信的智能電網所占用的通信空間更小、消耗時間更短，即傳輸效率更高。

2.3.3 電網智能化效果測試

設置多個電網任務，利用式(4)計算智能化綜合評分。

(4)

式中，αi和ωi分別為指標值和指標權重。

將電網在執行不同任務過程中量化的指標數據代入式(4)中，得出電網智能化效果的測試結果，見表5。通過對表5中數據的分析，電力通信支撐作用前后，電網樣本的智能化綜合評分分別為0.934和0.980。綜上所述，電力通信在電網智能化中具有較好的支撐作用。

3 結語

綜上所述，電力通信技術保證了智能電網的快速發展，加快了電網智能化建設的步伐，對智能電網的建設起著關鍵作用。兩者之間的有效結合才是最好的方式。但目前電力通信在智能電網中的應用尚處于初步形成階段，還存在一些尚未解決的問題，需要電力工作者正確認識，不斷創新電力通信技術，開展深入的探索與研究。