“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”新生態(tài)下的新型電力通信系統(tǒng)

王曉明，黃 晟，吳芳琳

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司海寧市供電公司，浙江 海寧 314400）

0 引 言

“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”一體化運(yùn)營，系統(tǒng)深度融入了低碳新能源技術(shù)、先進(jìn)信息通信技術(shù)和控制技術(shù)，具備潔凈低碳、安全性可控、靈活有效、開放式交互以及智慧友好的特點(diǎn)。通過“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”一體化運(yùn)營可以提高能源發(fā)展品質(zhì)、系統(tǒng)運(yùn)營效益及電源發(fā)展的綜合經(jīng)濟(jì)效益，有助于推動(dòng)國家生態(tài)文明建設(shè)，推動(dòng)電力領(lǐng)域與自然環(huán)境的和諧可持續(xù)發(fā)展，也有助于推動(dòng)地區(qū)間統(tǒng)籌發(fā)展。按照聯(lián)合共建、互惠共贏的理念，充分發(fā)揮跨區(qū)“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”協(xié)同互濟(jì)的功能，進(jìn)一步拓展全國電能資源優(yōu)化配置的區(qū)域范圍和規(guī)模。建設(shè)現(xiàn)代化電力系統(tǒng)并非一蹴而就，新興電力系統(tǒng)比重將逐步提高。同時(shí)，積極研究并預(yù)警環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，使其形成與各類電源品種、各類設(shè)施相互融合的新型國家綜合基礎(chǔ)建設(shè)。在“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的引領(lǐng)下，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)已成為必然。新能源發(fā)展必然會(huì)帶來新業(yè)務(wù)，作為新型電力系統(tǒng)承載業(yè)務(wù)的核心載體，新型電力通信系統(tǒng)需要適應(yīng)新業(yè)務(wù)的發(fā)展趨勢(shì)，并建成結(jié)構(gòu)優(yōu)化、調(diào)度靈活、高容量、高可靠以及多種組網(wǎng)模式協(xié)調(diào)發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)。

1 新型電力系統(tǒng)構(gòu)建“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”新生態(tài)

1.1 發(fā)電側(cè)：新能源為主體，煤電兜底保障

在新電力系統(tǒng)的形成過程中，新能源發(fā)電和化石燃料之間的博弈將由劇烈對(duì)撞向共存共生過渡。“雙碳”目標(biāo)的達(dá)成，將新能源推上了高速發(fā)展的黃金軌道。在風(fēng)能、光伏規(guī)模化開發(fā)同時(shí)，氫能等新型再生能源得益于科技提升、生產(chǎn)成本降低雙重推動(dòng)，其應(yīng)用規(guī)模將更加廣闊，水電、生物質(zhì)能發(fā)電、太陽能發(fā)電等將形成多元化的非化石資源環(huán)境。新能源雖然是電網(wǎng)安全平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)的責(zé)任基礎(chǔ)，但同時(shí)也必須具有相應(yīng)的主動(dòng)保障、系統(tǒng)控制等功能，以分擔(dān)電力系統(tǒng)費(fèi)用增長的壓力[1]。

化石能源電力占比持續(xù)減少是必然趨勢(shì)，化石能源在電力能源構(gòu)成中逐步由基礎(chǔ)能源向調(diào)節(jié)能源過渡。需要重視的是，化石資源的重要性也不可小覷，特別是在寒潮或高溫等特殊情況下，風(fēng)能、光伏的出力下降，缺少煤電負(fù)荷兜底，整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)均衡就會(huì)遭到嚴(yán)重破壞。

目前，通常會(huì)在用戶所在場(chǎng)地或附近建設(shè)10 kV分布式光伏電源，運(yùn)行方式以10 kV 用戶端自發(fā)自用為主，多余電量上網(wǎng)，且在配電網(wǎng)系統(tǒng)平衡調(diào)節(jié)發(fā)電設(shè)施或有電力輸出的能量綜合梯級(jí)利用多聯(lián)供設(shè)施。分布式電源監(jiān)控系統(tǒng)通常具備數(shù)據(jù)采集和處理、有功功率調(diào)節(jié)、電壓無功功率控制、孤島檢測(cè)、調(diào)度與協(xié)調(diào)控制以及與相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)互聯(lián)等功能。

1.2 電網(wǎng)側(cè)：大電網(wǎng)與微網(wǎng)共榮共生

在新電力系統(tǒng)運(yùn)行下，電網(wǎng)的運(yùn)行生態(tài)特征如下：（1）增加特高壓外運(yùn)管道投資規(guī)模，確保大規(guī)模新能源并網(wǎng)消費(fèi)；（2）微電網(wǎng)系統(tǒng)、局域網(wǎng)和大型柔性直連等新組網(wǎng)技術(shù)迅速發(fā)展，國家大電網(wǎng)與國家微電網(wǎng)融合，交流大電網(wǎng)與交直流配電網(wǎng)共存；（3）配電網(wǎng)將發(fā)展成為具有柔性管理和運(yùn)營管理能力的新型智能柔性主動(dòng)配電網(wǎng)，有利于保障分布式新能源、汽車、儲(chǔ)能等能源基礎(chǔ)設(shè)施和分布式發(fā)電設(shè)備，以滿足用戶雙邊潮流和多負(fù)荷供電的需求；（4）電網(wǎng)系統(tǒng)與管網(wǎng)、通信網(wǎng)、電視網(wǎng)以及交通網(wǎng)等系統(tǒng)集成，共同參與智慧城市和智慧生活建設(shè)，數(shù)字城市智慧能源生態(tài)系統(tǒng)已基本形成[2]。

1.3 負(fù)荷側(cè)：由“源隨荷動(dòng)”轉(zhuǎn)向“源網(wǎng)荷互動(dòng)”

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)是一種超規(guī)模的非線性變化能量平衡系統(tǒng)，生產(chǎn)的模型為“源隨荷動(dòng)”，以精準(zhǔn)控制的發(fā)電模式去適配基本可測(cè)的電力。新興供電系統(tǒng)下，由于市場(chǎng)風(fēng)光滲透率的增加，包括儲(chǔ)能、分布式電力、不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）供電、冷卻制熱裝置以及充電設(shè)施等多元化可調(diào)節(jié)設(shè)備的大量接入，發(fā)電側(cè)、供電側(cè)系統(tǒng)的復(fù)雜性增大。

從負(fù)載側(cè)的特征來看：（1）生產(chǎn)、運(yùn)輸、建設(shè)等負(fù)載側(cè)用電替換技術(shù)水平大幅提高；（2）能源生產(chǎn)與服務(wù)領(lǐng)域多元化發(fā)展，水、電、天然氣等多資源深度耦合，資源梯級(jí)利用、檢測(cè)效率改善等綜合應(yīng)用服務(wù)要求形成新常態(tài)；（3）負(fù)荷側(cè)由于儲(chǔ)能、分布式發(fā)電等各種設(shè)施的連接，配網(wǎng)側(cè)從單向、被動(dòng)、通用化的能源消費(fèi)模型向融入各種要求、自主參與、客制化的雙方交互模式轉(zhuǎn)化，用能模型由“源隨荷動(dòng)”向“源網(wǎng)荷互動(dòng)”轉(zhuǎn)化；（4）負(fù)荷側(cè)信息應(yīng)采盡采、數(shù)據(jù)信息高度共享，利用數(shù)字化技術(shù)手段可實(shí)現(xiàn)對(duì)終端用能狀況的全面了解與智能交互。

2 實(shí)現(xiàn)“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”友好互動(dòng)的通信系統(tǒng)需求

新型通信系統(tǒng)的技術(shù)選型應(yīng)匹配各種業(yè)務(wù)的需求，考慮“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”各類業(yè)務(wù)的規(guī)模與數(shù)據(jù)傳輸效率。同時(shí)，新型電力通信系統(tǒng)需滿足安全性、可靠性以及經(jīng)濟(jì)性等要求。安全性要求堅(jiān)持安全分區(qū)、橫向隔離、縱向認(rèn)證等原則；可靠性要求考慮通道備用、自愈保障等能力；經(jīng)濟(jì)性要求合理選擇、經(jīng)濟(jì)覆蓋原則。通信業(yè)務(wù)的交互控制系統(tǒng)一般都是針對(duì)源網(wǎng)荷的時(shí)間特點(diǎn)和用電情況建模，形成系統(tǒng)模式并對(duì)其具體的互動(dòng)功能加以確定，并基于正常運(yùn)行下的時(shí)間特點(diǎn)和系統(tǒng)控制能力，根據(jù)現(xiàn)代柔性電網(wǎng)分析和安全防范理論來提出“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”交互控制方法和技巧，以保證系統(tǒng)的工作狀態(tài)正常，同時(shí)還要按照目前對(duì)這方面的有關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)其中的不適應(yīng)性問題加以檢驗(yàn)[3]。

2.1 電力通信網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)簡介

電力通信網(wǎng)由骨干通信網(wǎng)和終端通信接入網(wǎng)組成。其中骨干通信網(wǎng)涵蓋35 kV 及以上電網(wǎng)廠站及各類生產(chǎn)辦公場(chǎng)所，通常為多業(yè)務(wù)傳送平臺(tái)（Multi-Service Transport Platform，MSTP），部分地方建有光傳送網(wǎng)（Optical Transport Network，OTN）平臺(tái)，主干通道的帶寬為10 Gb/s，為通信多業(yè)務(wù)接入、承載奠定了較好的基礎(chǔ)。終端通信接入網(wǎng)是電力通信網(wǎng)的重要組成部分，是電力骨干通信網(wǎng)的延伸，按通信范圍可分為遠(yuǎn)程通信與本地通信，按電壓等級(jí)可分為10 kV 中壓通信網(wǎng)和0.4 kV 低壓通信網(wǎng)。

10 kV 中壓通信網(wǎng)是承載變電站10 kV 出線至配電網(wǎng)開關(guān)站、環(huán)網(wǎng)單元、柱上開關(guān)、配電變壓器10 kV分布式電源站點(diǎn)等業(yè)務(wù)的通信系統(tǒng)。0.4 kV 低壓通信網(wǎng)是承載用電信息采集、電力需求側(cè)管理、負(fù)荷監(jiān)控、電能采集管理以及充電樁管理等業(yè)務(wù)的通信系統(tǒng)。

2.2 “源網(wǎng)荷儲(chǔ)”系統(tǒng)典型業(yè)務(wù)通信需求

配電自動(dòng)化終端相關(guān)業(yè)務(wù)主要包括終端上傳主站的遙測(cè)、遙信等信息采集類業(yè)務(wù)，以及主站下發(fā)終端的常規(guī)總召、線路故障定位（定線、定段）隔離、恢復(fù)時(shí)的遙控命令等。目前，數(shù)據(jù)傳輸單元（Data Transfer Unit，DTU）、配電開關(guān)監(jiān)控終端（Feeder Terminal Unit，F(xiàn)TU）、配電變壓器監(jiān)測(cè)終端（distribution Transformer supervisory Terminal Unit，TTU）、故障指示器終端數(shù)據(jù)的帶寬約為19.2 kb/s，未來隨著TTU對(duì)低電壓配電網(wǎng)的精益化管理，帶寬需求預(yù)計(jì)會(huì)有所提高。配電自動(dòng)化業(yè)務(wù)端到端時(shí)延要求為秒級(jí)，對(duì)通道時(shí)延要求宜小于2 s。

配電（站房）環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測(cè)是采集配電房、開閉所等的溫度、濕度、水位、地理位置等信息數(shù)據(jù)和線路側(cè)與用戶側(cè)電纜的接頭溫度以及電纜井的井蓋位移、可燃?xì)怏w、有害氣體、環(huán)境溫濕度、電纜溫度等信息，實(shí)現(xiàn)配電環(huán)境信息及狀態(tài)監(jiān)控。配電監(jiān)測(cè)終端的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量約為20 kb/s，采集類業(yè)務(wù)端到端時(shí)延要求為秒級(jí)，對(duì)通道時(shí)延要求宜小于6 s。

儲(chǔ)能系統(tǒng)監(jiān)控終端具備協(xié)調(diào)控制、運(yùn)行信息采集、事件記錄、對(duì)時(shí)、遠(yuǎn)程維護(hù)和自診斷、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及通信等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能電池電壓、電流、溫度、狀態(tài)量，變流器輸入輸出電壓、電流、輸入輸出功率、電量以及電能質(zhì)量，儲(chǔ)能設(shè)備中熱、氣、煙、火等信息的采集和計(jì)算，并傳送至儲(chǔ)能設(shè)備就地監(jiān)控主機(jī)或站級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)，再通過電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至區(qū)域主監(jiān)控或調(diào)度系統(tǒng)。儲(chǔ)能監(jiān)控終端的數(shù)據(jù)帶寬約為34 kb/s，電能計(jì)量業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)帶寬為1 ～2 kb/s，業(yè)務(wù)端到端時(shí)延要求為秒級(jí)，對(duì)通道時(shí)延要求宜小于2 s。

3 構(gòu)建新型電力通信系統(tǒng)的措施

3.1 新型電力通信系統(tǒng)技術(shù)類別

新型電力通信系統(tǒng)接入網(wǎng)通信技術(shù)按照數(shù)據(jù)流向可以分為遠(yuǎn)程通信技術(shù)與本地通信技術(shù)。遠(yuǎn)程通信技術(shù)指末端業(yè)務(wù)終端或邊緣匯聚終端直接與骨干通信網(wǎng)連接的通信接入技術(shù)，主要應(yīng)用于10 kV 配電網(wǎng)業(yè)務(wù)與部分直連骨干網(wǎng)的0.4 kV 配用電業(yè)務(wù)，可以采用光纖專網(wǎng)、電力無線專網(wǎng)、無線公網(wǎng)、中壓電力線載波以及北斗短報(bào)文衛(wèi)星等通信方式。本地通信技術(shù)指末端業(yè)務(wù)終端與邊緣匯聚終端連接的通信接入技術(shù)，主要應(yīng)用0.4 kV 通信網(wǎng)業(yè)務(wù)，可選擇電力線載波通信（包括載波＋無線雙模）、短距離無線通信（如ZigBee、可信Wi-Fi、藍(lán)牙等）、低功耗長距離無線通信（如LoRa 等）、串口通信（如RS-232、RS-485 等）以及本地以太網(wǎng)等。

以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)（Ethernet Passive Optical Network，EPON）是一種光纖接入網(wǎng)技術(shù)，它采用點(diǎn)到多點(diǎn)結(jié)構(gòu)、無源光纖傳輸，優(yōu)點(diǎn)是通信速率高、帶寬高、抗電磁干擾能力強(qiáng)，但其部署成本高、建設(shè)周期長、施工難度大，適用于大帶寬、高可靠、低時(shí)延類業(yè)務(wù)[4,5]。

光纖工業(yè)以太網(wǎng)是以光纖為通信介質(zhì)的工業(yè)以太網(wǎng)，可以在光纜和雙絞線上傳輸，并根據(jù)工業(yè)控制對(duì)網(wǎng)絡(luò)可靠性能的要求加強(qiáng)了冗余功能設(shè)計(jì)，而且在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、材質(zhì)選用等方面充分考慮了實(shí)時(shí)性、可靠性、抗干擾等工程應(yīng)用需要。

無線公網(wǎng)采用的網(wǎng)絡(luò)制式主要為2G、3G、4G、5G 以及DL-IoT 等，2G/3G 網(wǎng)絡(luò)性能已經(jīng)無法滿足目前通信需求，現(xiàn)在最常用的是4G 網(wǎng)絡(luò)和5G 網(wǎng)絡(luò)，覆蓋半徑為1 ～3 km。5G 支持增強(qiáng)移動(dòng)寬帶、海量連接和低時(shí)延高可靠連接3 大場(chǎng)景。

低壓電力線載波通信分為窄帶載波和寬帶載波2種。我國窄帶載波的工作頻率為9 ～500 kHz，多采用頻移鍵控（Frequency Shift Keying，F(xiàn)SK）技術(shù)、擴(kuò)頻型頻移鍵控（Spread Frequency Shift Keying，S-FSK），已廣泛應(yīng)用于用電信息采集領(lǐng)域。

3.2 通信技術(shù)選型策略

依據(jù)相關(guān)電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)技術(shù)導(dǎo)則中的劃分標(biāo)準(zhǔn)，按供電區(qū)域的負(fù)荷密度，業(yè)務(wù)場(chǎng)景可劃分為A+、A、B、C、D 以及E，每種供電區(qū)域的劃分不交叉、不重疊。A+類供電區(qū)域的負(fù)荷密度最高，承載的業(yè)務(wù)類型最多，重要性最高；E 類供電區(qū)域的負(fù)荷密度最低，承載的業(yè)務(wù)類型最少，重要性相對(duì)較低。一般將A+、A、B 類區(qū)域統(tǒng)一稱為終端密集區(qū)域，C、D、E 類區(qū)域統(tǒng)一稱為終端分散區(qū)域。

各類業(yè)務(wù)場(chǎng)景規(guī)劃方案不盡相同，應(yīng)按照實(shí)際情況，根據(jù)不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)。A+、A 供電區(qū)域及并入10 kV 配電網(wǎng)的分布式電源接入?yún)^(qū)域優(yōu)先自建光纖專網(wǎng)，以EPON 光纖技術(shù)為主。對(duì)于新建（改造）10 kV 線路全程為電纜線路，應(yīng)同步敷設(shè)光纜；對(duì)于存量不具備光纖覆蓋條件的區(qū)域及重要負(fù)荷用戶，隨電網(wǎng)改造逐步實(shí)現(xiàn)光纖覆蓋。B 類區(qū)域比照市區(qū)建設(shè)方案，租建合一，自建為主、租用為輔。C 類區(qū)域通常為城市周邊郊區(qū)地帶，建設(shè)方案應(yīng)租建合一，以租用公網(wǎng)為主，自建無線專網(wǎng)為輔。D 類偏遠(yuǎn)地區(qū)中，建設(shè)方案應(yīng)以租用公網(wǎng)為主，滿足一次設(shè)備遙測(cè)和遙信功能。并入10kV 配電網(wǎng)的分布式電源接入?yún)^(qū)域比照郊區(qū)建設(shè)方案，以自建光纖專網(wǎng)為主。

4 結(jié) 論

文章聚焦新型電力通信系統(tǒng)的新業(yè)務(wù)需求，關(guān)注5G、可信Wi-Fi 等新技術(shù)的性能特點(diǎn)，針對(duì)通信網(wǎng)的覆蓋范圍、業(yè)務(wù)承載能力、靈活便捷性以及技術(shù)安全性等方面進(jìn)行分析并提出建設(shè)建議，支撐新型電力系統(tǒng)數(shù)字技術(shù)支撐體系落地，推動(dòng)傳統(tǒng)電力業(yè)務(wù)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)，為新型電力系統(tǒng)的通信網(wǎng)建設(shè)提出新方案。