分布式新能源接入的電力通信網(wǎng)絡(luò)可靠性評估

鐘朝暉，王程鵬，蒙浩然，張曉波，王智東

（1.中國能源建設(shè)集團廣西電力設(shè)計研究院有限公司，南寧 534000；2.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣州 510640；3.廣州城市理工學(xué)院，廣州 510800）

引言

隨著碳中和、碳達峰目標(biāo)的提出，電力產(chǎn)業(yè)也迎來了新能源轉(zhuǎn)型和升級。光伏發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電等能源在電力生產(chǎn)中的應(yīng)用，使得電力系統(tǒng)的生產(chǎn)和輸送都受到了影響，同時對電力系統(tǒng)二次設(shè)備的要求也進一步提高。多種多樣的發(fā)電形式需要多個通信接口傳送信息，而傳統(tǒng)電力系統(tǒng)由于發(fā)電形式單一，通信接口數(shù)量較少，不能滿足當(dāng)前多種新能源同時使用的要求，因此需要增加接口數(shù)量。接口數(shù)量的增加對信息傳輸渠道的要求也進一步提高，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)發(fā)電形式單一，信息傳輸線路較少。為了滿足多種新能源發(fā)電電氣量的傳輸，需要進一步擴建信息傳輸系統(tǒng)，即需要建設(shè)更多的信息傳輸線路，為配電網(wǎng)提供可靠有序的信息支撐。

現(xiàn)有文獻大多的關(guān)注點在分布式能源中的多資源的有效協(xié)同、規(guī)劃運行、實時性的問題。丁津津、孫偉等都針對變電站多跳無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶崟r性和可靠性進行研究，并提出了多種電力設(shè)備在通信時自身所產(chǎn)生的噪聲信息對造成通信網(wǎng)絡(luò)特別無線通信干擾等現(xiàn)象；蔣文輝等針對變電站的遠(yuǎn)動通信設(shè)計了故障性況下冗余通信可靠性提升方案，有較高的應(yīng)用推廣價值；陳琳為突出通信技術(shù)在配電網(wǎng)中的潛在應(yīng)用，結(jié)合實際開展了通信網(wǎng)絡(luò)與電力網(wǎng)的聯(lián)合信息流優(yōu)化運行與規(guī)劃研究；孫輝等以余姚山配電網(wǎng)通信系統(tǒng)為研究對象，對其可靠性進行分析并提出了提升策略。這些研究都考慮了主體間的信息共享依賴于通信網(wǎng)絡(luò)的可靠運行，并保證了通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性，但均未考慮通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中某部分出現(xiàn)故障時對通信傳輸?shù)挠绊憽ｋS著分布式能源與電力系統(tǒng)的耦合性日益增強，對分布式新能源接入的電力通信網(wǎng)絡(luò)可靠性分析與評估對提升資源共享率具有重要意義。本文先分析新能源接入電力通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，通過計算出可靠性指標(biāo)，評估通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性，為指導(dǎo)分布式新能源接入的電力通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)提供參考。

1 分布式新能源接入電力通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與接入情況分析

分布式新能源接入電力通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)不同，其特點為結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜、結(jié)構(gòu)進一步擴大。跟傳統(tǒng)能源比起來，新能源的種類更多，因此需要更多的信息傳輸線路、并網(wǎng)開關(guān)去并入電力通信網(wǎng)絡(luò)、傳輸電氣量。例如，傳統(tǒng)的燃煤、燃油燃?xì)獍l(fā)電廠要傳輸信息，需要一定數(shù)量的傳輸線路，如今各種各樣新能源發(fā)電廠如風(fēng)力發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電、核能發(fā)電廠得到建設(shè)，為了從這些新的發(fā)電廠傳輸信息就需要建設(shè)新的傳輸線路。因此分布式新能源接入電力通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)會更加復(fù)雜。分布式新能源因地制宜接入配電網(wǎng)，當(dāng)前電力通信專網(wǎng)主要面對傳統(tǒng)能源發(fā)電，設(shè)備和接口單一，無法覆蓋所有分布式新能源發(fā)電和送電區(qū)域，需要靠多種靈活的通信手段，實現(xiàn)分布式新能源和配電網(wǎng)的通信相連。

如圖1 所示，利用新能源的發(fā)電廠如光伏發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電廠的電氣量信息分別經(jīng)過各自的并網(wǎng)開關(guān)并入主電網(wǎng)，其他的傳統(tǒng)變電站也通過變電站開關(guān)并入電力通信網(wǎng)。通信網(wǎng)絡(luò)有聯(lián)絡(luò)開關(guān)與其他變電站聯(lián)系，用戶也可以通過變壓器接入電力通信網(wǎng)。變電站、新能源發(fā)電廠、各種開關(guān)、用戶一起組成了有分布式新能源接入的電力通信網(wǎng)絡(luò)。電力通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性直接關(guān)系到分布式新能源與配電網(wǎng)調(diào)控系統(tǒng)的正常運行，因此對通信網(wǎng)絡(luò)進行可靠性評估具有重要的實用意義。

圖1 分布式新能源接入電力通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2 分布式新能源接入電力通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性分析

2.1 短距離局域電網(wǎng)

短距離局域電網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕娏χ悄茈娮釉O(shè)備IED 的信息數(shù)據(jù)需要同時發(fā)送至兩個網(wǎng)關(guān)中，其中一個網(wǎng)關(guān)作為備份，防止由于IED 其中一個通信接口故障或一個網(wǎng)關(guān)故障導(dǎo)致無法正常傳輸IED 的數(shù)據(jù)。其具體工作原理如下：IED1 的數(shù)據(jù)通過通信接口1 和通信接口2 將數(shù)據(jù)上送至網(wǎng)關(guān)1 和網(wǎng)關(guān)2 中。IED2 等其他IED 同樣將數(shù)據(jù)上送至兩個網(wǎng)關(guān)中，所有IED 均獨立工作。若所有設(shè)備正常運行，每個網(wǎng)關(guān)都收集到所有IED 的數(shù)據(jù)，若有設(shè)備故障，這種連接方式也能保證至少有一個網(wǎng)關(guān)擁有所有IED 的數(shù)據(jù)，可靠性將得到有效提高。

圖2 短距離局域電網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

由于外部物理破壞或信號干擾等原因，不可避免各類設(shè)備間會產(chǎn)生故障情況。為了計算短距離局域電網(wǎng)的故障率并進行可靠性分析。先建立短距離局域網(wǎng)模型，如圖3 所示。

圖3 短距離局域電網(wǎng)可靠性計算模型

IED1、IED2、IED3 和IED4 等4 個設(shè)備將信息數(shù)據(jù)上送至網(wǎng)關(guān)1 和網(wǎng)關(guān)2 中，在這一階段不作故障判斷，是“或”關(guān)系；兩個網(wǎng)關(guān)連接到上一級再判斷。以IED1為例，只要有一個網(wǎng)關(guān)接收到了全部正確數(shù)據(jù)即認(rèn)為正常工作。只有當(dāng)兩個網(wǎng)關(guān)都沒有接收到正確的IED1 發(fā)出的數(shù)據(jù)時，才表明發(fā)生了故障，所以兩個網(wǎng)關(guān)之間也是“或”關(guān)系。

定義短距離局域電網(wǎng)故障為：不能接收到至少一個IED 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。出現(xiàn)該情況的可能性有四種（假定故障出現(xiàn)的情況只可能是：IED 故障，IED 連接到網(wǎng)關(guān)的線路故障，網(wǎng)關(guān)故障）：

1）該IED 所有連接到網(wǎng)關(guān)的線路都故障；

2）所有網(wǎng)關(guān)都發(fā)生故障；

3）IED 故障；

4）s 條線路故障，剩下不與這s 條線路連接的n-s個網(wǎng)關(guān)故障。

分別計算這四種可能性出現(xiàn)的概率（故障率），以計算IED1 數(shù)據(jù)的概率為例，其他IED 計算方法同理。假設(shè)一個局域電網(wǎng)中有m 個IED，n 個網(wǎng)關(guān)，計算IED1的故障率λIi（i=1，2，…，m）（數(shù)值上約等于故障頻率fIi（），網(wǎng)關(guān)的故障率λNj（j=1，2，…，n）（數(shù)值上約等于故障頻率fNj），連接到一個IED 的線路的故障率λLk（k=1，2，…，n）一個IED 需要n 條線路與n 個不同的網(wǎng)關(guān)連接）（數(shù)值上約等于故障頻率flj）故障率λ 計算公式如下：

式中：

TMTTF—系統(tǒng)的故障前平均運行時間。

3）λIi（表示第i 個IED 的故障率，這里取i=1）；

故沒能收到至少一個IED 傳來的數(shù)據(jù)的概率為：

取該概率為短距離局域電網(wǎng)故障的概率。由于每個故障率都是小于1 的小數(shù)，故障計算的公式以乘積運算為主，所以可用的網(wǎng)關(guān)越多，故障率越低，該電力通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性越高。當(dāng)然實際建設(shè)時還需要考慮建設(shè)成本的問題，本論文不對此進行研究。

2.2 長距離跨域電網(wǎng)

長距離跨域電網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。長距離通信需要更長的通信線路，如果每個網(wǎng)關(guān)分別有一條線路連接到電力調(diào)控中心，將消費大量的建設(shè)成本，所以在近端把網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)進行匯聚，接到路由器。并通過路由以傳輸數(shù)據(jù)到電力調(diào)控中心，節(jié)省建設(shè)成本。

圖4 長距離跨域電網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

對長距離跨域電網(wǎng)的故障率進行分析。建立的長距離跨域電網(wǎng)模型如圖5 所示。三個局域電網(wǎng)（為簡潔表示，圖中作了模塊化處理，實際局域電網(wǎng)2、3 的結(jié)構(gòu)與局域電網(wǎng)1 即2.1中討論的模型相同，均為不同數(shù)量的IED 接到多個網(wǎng)關(guān)）并通過路由器接入電力通信網(wǎng)絡(luò)，其中只要有一個發(fā)生故障，那么就判定為電力通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了故障，所以是“與”關(guān)系。

圖5 長距離跨域電網(wǎng)的通信可靠性計算模型

定義長距離跨域電網(wǎng)故障為：無法接收到局域電網(wǎng)中至少一個IED 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，在2.1計算的基礎(chǔ)上，出現(xiàn)該情況的可能性有：

1）其中一個局域電網(wǎng)發(fā)生故障；

2）其中一個路由器發(fā)生故障；

3）連接局域電網(wǎng)到電力調(diào)控中心的線路發(fā)生故障。

由于以上3 種有兩個同時發(fā)生的概率較低，計算時不計入。

根據(jù)20株酵母菌在NCBI上的比對結(jié)果選取相似度高的已知序列菌株，利用MEGA 4.0做出系統(tǒng)發(fā)育樹，找出待測菌株與已知酵母種屬菌株的關(guān)系。

假設(shè)一個長距離跨域電網(wǎng)中由p 個局域電網(wǎng)、p 個路由器（每個局域電網(wǎng)配備一個路由器）

λ1i表示第i個局域電網(wǎng)發(fā)生故障的概率，由2.1 算出，λj表示第j 個路由器發(fā)生故障的概率，λk表示第k 條線路發(fā)生故障的概率：

故由本文定義，長距離跨域電網(wǎng)故障的概率：

對長距離跨域電網(wǎng)的可靠性進行分析。根據(jù)公式（2）可得，總概率由各個故障率的和組成，所以一個電力通信網(wǎng)絡(luò)中，組成的局域電網(wǎng)個數(shù)越多、路由器、線路越多，故障率越高，即一個電力通信網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模越大，它的故障率也越高。

3 電力通信網(wǎng)絡(luò)可靠性的算例分析

針對圖3、圖5 所示的電力通信網(wǎng)絡(luò)進行可靠性算例分析。查GB/T 40435-2021 得，各設(shè)備故障率如下所示。圖3 中局域電網(wǎng)的電纜長度取1 km。

由式（2）計算得λ1=1 140.92×106/h×106/h；

取不同的電纜長度，故障率計算如表2。

表1 設(shè)備故障率

表2 通信線路長度不同的局域電網(wǎng)故障率

由表2 得線路長度越長，故障率越高。

取不同的電纜長度，故障率計算如表3。

表3 通信線路長度不同的跨域電網(wǎng)故障率

由表3 得線路長度越長，故障率越高。

4 結(jié)論

本文針對分布式新能源接入的電力通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性進行了評估和研究。通過分析分布式新能源接入電力通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，研究新能源接入網(wǎng)絡(luò)的情況，并計算出分布式新能源接入的電力通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性，為指導(dǎo)分布式新能源接入的電力通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)提供參考。今后可以研究的方向有：①在建設(shè)局域電網(wǎng)通信系統(tǒng)時，把經(jīng)濟性也考慮進來，如線路建設(shè)成本；②在建設(shè)長距離跨域電網(wǎng)的電力通信網(wǎng)時，如何控制通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，如把通信網(wǎng)絡(luò)進一步劃分成一個個小區(qū)域等；③進一步細(xì)化算法，運用建模計算得出電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)各組成部分的故障率。