繼電保護專網與電力通信網的規劃思考

侯 穎 劉 琳

中國電力工程顧問集團華東電力設計院有限公司 上海 200001

1 研究背景

為了深入貫徹國家提出的能源安全新戰略,順應能源革命和數字革命相融合的發展趨勢,國家電網公司提出全面推進三型兩網建設,加快打造具有全球競爭力的世界一流能源互聯網企業的戰略部署。基于能源轉型升級,構建清潔低碳的能源網架構這一初衷,圍繞電力系統各環節,充分應用移動互聯、人工智能等現代信息技術、先進通信技術,實現電力系統各個環節萬物互聯、人機交互,具有狀態全面感知、信息高效處理、應用便捷靈活特征的智慧服務系統。運用新一代信息通信技術,通過信息廣泛交互和充分共享,以數字化管理,使電力通信網運行更安全、管理更精益、投資更精準、服務更優質。

電力通信網向著一體化通信網絡的方向建設發展。多種類的新型業務伴隨著傳統業務的融入,是網絡層中重要的關鍵節點。在十四五電力通信網建設期間,極有必要對目前現役的電力通信網進行架構分析及業務梳理,并通過有計劃、有步驟的調整及建設,為電力通信網的建設奠定基礎。

2 電力通信網現狀

電力通信網作為電網的信息通信傳輸主干網,承載著越來越多的電力通信業務。從網絡架構看,現役的電力通信網架構主要依據調度關系分為四個層級。一級為國干網絡,主要以特高壓電路及跨區干線組成。二級為區域級網絡,主要為區域內500 kV及以上變電站間及跨省電路。三級為省干網絡,主要為省內500 kV變電站間及跨地市電路。四級為地市級網絡,主要為地市公司區域內35 kV及以上變電站間電路。

在承載業務上,目前電力通信網承載的業務主要有電網運行控制類業務、電網生產管理類業務、企業管理類業務。

電網運行控制類業務主要有線路繼電保護、自動化專線、能量管理系統、自動化監控、故障信息管理等。電網運行控制類業務對實時性、安全性、可靠性要求最高。

電網生產管理類業務主要有應急指揮系統、站點視頻監控、線路狀態監測、營銷分析決策、用電信息采集、雷電定位系統等。

企業管理類業務主要有行政電話、會議電視系統、一體化集團企業資源計劃系統(SG-ERP)、營銷管理系統等。

電力通信網構成及業務支撐架構如圖1所示。

按實驗方法，分別加入0～5mL 10g/L天然高分子表面活性劑阿拉伯樹膠溶液、10g/L非離子表面活劑曲拉通-100溶液和10g/L陽離子表面活性劑十二烷基二甲基氯化胺溶液作為增敏劑，考察3種表面活性劑對體系靈敏度的影響。結果表明：阿拉伯樹膠溶液增敏性好，當阿拉伯樹膠溶液用量在1～2mL時體系吸光度最大且恒定，吸光度比用曲拉通-100溶液時提高達35%；十二烷基二甲基氯化胺溶液對體系靈敏度影響較小。實驗選取1mL的阿拉伯樹膠溶液。

圖1 電力通信網構成及業務支撐架構

3 電力通信網需求與挑戰

樞紐型、平臺型、共享型電網的建設目標,在更加安全可靠的同時,也強調了電網的友好互動性和開放共享性。

強調開放、互通、共享,將引入大量非傳統電力信息業務等互聯網業務。目前的電力通信網每一層級的單套設備同時承載了電網運行控制類業務和電網生產管理類業務、企業管理類業務等。雖在網絡層、業務層做了安全等級劃分,但在傳輸層面上還是承載在同一物理設備上。隨著電網的發展,電力通信網可能引入更多的管理信息類業務、互聯網業務,在這一背景下需要更好地保障線路繼電保護等業務的安全,需要考慮組建繼電保護專網單獨承載繼電保護業務,進一步確保電網運行安全。

臨場感知和信息交互、感傳一體化等關鍵技術,需要通過一體化通信網絡架構等實現實時信息互通。而電力通信網目前以調度管理關系劃分的業務層層轉接的多層級網絡結構,并不能更好地適應信息高水平互聯互通的要求,因此需要建立一個上下互通、更為便捷的一體化網絡,以更好適應業務的需求和網絡的發展。

部分新建變電站及老站改造中,需要按照三站合一的模式建設,即電源中心、儲能中心、數據中心。其中數據中心的建設,需要占用一定量的通信機房和通信電源資源。隨著近年來各專業業務需求的不斷提高,通信設備數量和容量也在不斷增加,有的站點機房和電源已趨于飽和,這對為滿足三站合一站點的建設要求而進行的機房和電源改造也提出了不小的挑戰。

面對上述需求與挑戰,考慮將繼電保護等安全級別較高的業務從現有電力通信網剝離,承載在專門構建的繼電保護專網上,同時梳理電力通信網架構,構建自上而下、貫通始末的一體化通信網絡,避免因多層級網絡架構造成的光纖、機房、電源資源浪費。

調整現有電力通信網架構,由現有依據調度管理關系、多層級部署傳輸設備的格局改變為依據業務屬性、弱化層級部署傳輸設備的模式。在確保電網安全的前提下,使其更好適應電力通信網的發展。

4 線路繼電保護通道配置原則

國家電網公司對220 kV及以上線路繼電保護的配置要求為:220 kV及以上線路繼電保護應采用雙重化配置,每套保護設備應具備雙通道接入能力,原則上應采用光纖通道,其中500 kV及以上雙通道線路繼電保護應配置三條獨立的通信路由,220(330) kV雙通道線路繼電保護應至少配置兩條獨立的通信路由,條件具備時,宜配置三條獨立的通信路由。

5 線路繼電保護通道現狀及問題

根據目前500 kV變電站的典型布置規劃,通信機房基本都布置在變電站場前區,而500 kV保護室、220 kV保護室則根據需要布置在場地內。因此,站內用于承載繼電保護業務的線纜路徑如下:通信進站光纜從門型構架引入通信機房內的通信光傳輸設備,通信機房內的通信光傳輸設備與通信機房內的保護接口裝置之間敷設2M線纜連接,通信機房內的保護接口裝置與500 kV保護室內的保護設備之間敷設光纜連接。光纜從門型構架經場地至場前區通信機房,再繞回場地內500 kV保護室。如此,在場地內多次重復敷設光纜,造成電纜溝內空間資源浪費。

此外,目前對保護接口裝置與保護設備之間需要敷設的繼電保護專用光纜并無強制性條文及相關設計規范,工程中常常出現某一回線路的四根繼電保護專用光纜在同一電纜溝敷設的情況,對繼電保護通道的安全性產生了很大隱患。因此,光電轉換作為繼電保護通道的中間環節,也可能成為繼電保護通道發生故障的節點。

6 繼電保護專網構想

為了一體化通信網絡的建設目標,將繼電保護業務從業務種類繁雜的現網剝離,考慮構建用于傳輸繼電保護業務的專項網絡,同時該網絡的建設,也可減少繼電保護通道的潛在故障環節。

在目前的工程建設方案中,至A站方向光纜的通信進站光纜從門型構架引入通信機房,再經繼電保護專用光纜至500 kV保護室,光纜通道從門型構架經場地電纜溝至場前區通信機房,再繞回場地內500 kV保護室。繼電保護專網建設前繼電保護通道站內光纜路徑如圖2所示。

圖2 繼電保護專網建設前繼電保護通道站內光纜路徑

如建設繼電保護專網承載繼電保護業務,并將繼電保護專網設備緊隨保護設備布置于500 kV保護室內,那么用于繼電保護專網的光纜僅需從門型構架直接引入500 kV保護室,不必再引入通信機房,可大大減少光纜在各房間之間反復敷設的故障環節。繼電保護專網建設后繼電保護通道站內光纜路徑如圖3所示。

圖3 繼電保護專網建設后繼電保護通道站內光纜路徑

目前,用于承載繼電保護業務的通信傳輸設備布置在通信機房,通信傳輸設備與保護接口裝置間2M線纜連接,繼電保護業務信息經保護接口裝置光電轉換后,再傳輸至保護室內的保護設備。保護接口裝置的運行情況并未在通信的可監控范圍內,光電轉換成為了繼電保護通道發生故障的環節之一。繼電保護專網建設前的繼電保護通道如圖4所示。

圖4 繼電保護專網建設前繼電保護通道

將繼電保護專網設備布置在500 kV保護室內,可在同一房間內,利用2M同軸電纜實現繼電保護專網設備與保護設備之間的直接連接,避免了電、光、電的轉換,減少了故障點。

同時,采用2M復用方式組織的繼電保護通道,每回線路四套保護接口裝置,需要布置在通信機房,占用了通信機房內的部分空間及電源,取消保護接口裝置,也在一定程度上,為后期電力通信網的發展及電力數據中心的建設提供條件。繼電保護專網建設后繼電保護通道如圖5所示。

圖5 繼電保護專網建設后繼電保護通道

7 繼電保護專網組網

7.1 設備配置

基于業務種類建設的繼電保護專網,可以打破固有的網架層級,為滿足繼電保護通道三條通信路由的要求,實現三條通信路由完全獨立,以站為原則,按站配置繼電保護專網設備,即在變電站配置三套繼電保護專網設備,安裝在500 kV保護室內。

7.2 組網方案

按照線路出線方向及光纜資源,逐一建設通信傳輸電路。在光纜承載網的層面上,打破光纜分層分級,按照光纜共享的原則,統籌利用各級光纜資源,為不同電壓等級的線路提供基礎資源,如220 kV線路和500 kV線路繼電保護通道可交互承載在不同電壓等級的光纜上。按照這一原則建設的繼電保護專網,每套設備具有多個方向光電路,在安全性上可以滿足繼電保護業務的要求。

7.3 通道組織

A站與B站之間的某一回線路,配置兩套保護設備,每套保護設備具備A、B雙保護接口裝置,四條通道需按照三條通信路由方式安排。繼電保護通道典型方式見表1。

具體通信路由按照一二、一三的方式組織,其中,第一套保護設備的A口(第一通道)利用第一通信路由,第一套保護設備的B口(第二通道)利用第二通信路由,第二套保護設備的A口(第三通道)利用第一通信路由,第二套保護設備的B口(第四通道)利用第三通信路由。繼電保護通道配置要求如圖6所示。

表1 繼電保護通道典型方式

圖6 繼電保護通道配置要求

7.4 組網模型

在站內布置三套繼電保護專網設備,根據變電站光纜方向及數量選擇直達光纜與對側變電站建立直達路由,作為繼電保護的第一路由。在滿足點對點雙光纜的條件下,可選擇另一條光纜、另一套繼電保護專網設備,建立直達路由,作為繼電保護的第二路由。選擇最優路由,通常結合路徑距離或中間跳接點數量較少的路由,利用第三套繼電保護專網設備組織本站至對側站點的2M復用通道,作為繼電保護的第三路由。繼電保護專網設備配置及繼電保護通道組織方案如圖7所示。

圖7 繼電保護專網設備配置及繼電保護通道組織方案

8 對電力通信網規劃的建議

隨著電力通信網引入更多的管理信息類業務、互聯網業務,在這一背景下為了更好地保障繼電保護業務的安全,考慮構建繼電保護專網單獨承載繼電保護業務,同時繼電保護專網設備與保護設備就近布置在保護室,減少中間電纜溝光纜敷設、光電轉換環節,從而在本質上極大提升電網運行安全性。

基于各類信息業務互聯互通的要求,電力通信網應考慮統籌各層級光纜、機房、電源資源,本著資源共享原則,打破目前的網絡層級結構,減少層層轉接環節,由現有的四級分層網絡架構向著更加扁平化的網絡方向發展,實現架構上的一體化通信網絡。

另外,通信機房保護接口裝置的取消及通信網絡扁平化,可以節省通信機房內部分光纜纖芯資源、屏位資源和電源資源,也為新時代數據中心的建設提供必要的資源支撐。