項目背景

通信技術是智能電網(wǎng)研究與建設中的關健技術。目前智能變電站、智能配電網(wǎng)、并網(wǎng)型微電網(wǎng)的通信技術都已得到了深入地研究及廣泛地應用。

智能變電站的通信網(wǎng)絡主要承載保護、測量、控制、狀態(tài)監(jiān)測、告警、計量等信息流的傳輸，根據(jù)信息類型的不同可以分為SV報文、GOOSE報文、MMS報文及對時報文。SV報文具有傳輸數(shù)據(jù)量大，報文長度固定，對實時性和同步性要求高的特點。GOOSE報文具有報文數(shù)據(jù)量小，報文長度短，有一定的突發(fā)性等特點，同樣對實時性和同步性也有很高的要求。由于智能變電站對通信網(wǎng)絡在擴展性、可靠性、實時性方面提出了更高的要求，所以目前智能變電站的通信組網(wǎng)方案一般采用三層設備兩層網(wǎng)絡(三層設備：站控層、間隔層、過程層，兩層網(wǎng)絡：過程層網(wǎng)絡、站控層網(wǎng)絡)的結構。而針對保護裝置多采用直采直跳方式，合并單元與裝置直接通過光纖相連，不經(jīng)過過程層交換機，以最大限度地避免信息丟失及保證采樣間隔和傳輸延時的穩(wěn)定性。

智能配電網(wǎng)的通信網(wǎng)絡為完成生產(chǎn)控制與信息管理而建設，承載配電網(wǎng)SCADA、負荷控制管理、遠程抄表等業(yè)務。根據(jù)狀態(tài)信息、測量信息、控制信息等不同類型數(shù)據(jù)信息對網(wǎng)絡傳輸?shù)膶崟r性、可靠性、帶寬的要求，以及由于配電網(wǎng)具有配電設備數(shù)量多、分布廣;通信網(wǎng)絡數(shù)據(jù)量相對少;結構復雜多變等特點，配電通信網(wǎng)采用骨干層、接入層的分層組網(wǎng)模式。骨干層網(wǎng)絡采用光纖自愈環(huán)網(wǎng)結構，接入層采用以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(EPON)、工業(yè)以太網(wǎng)等高速網(wǎng)絡。其中EPON通過分光器形成點到多點傳輸網(wǎng)絡，本身適應配電網(wǎng)復雜多變的拓撲結構，并且可以節(jié)省大量光纖資源，為配電通信網(wǎng)接入層的首選方案。

并網(wǎng)型微電網(wǎng)的通信網(wǎng)絡連接元件級、微網(wǎng)級、調(diào)度級三級設備，實現(xiàn)微電網(wǎng)相對于大電網(wǎng)為單一受控單元、微電網(wǎng)內(nèi)部自主控制管理功能。微電網(wǎng)通過工業(yè)級以太網(wǎng)絡聯(lián)連，采集各元件運行參數(shù)，下發(fā)控制命令。

兆瓦(MW)級海島微電網(wǎng)包含發(fā)、輸、變、配、用、調(diào)度六大環(huán)節(jié)。本文借鑒智能變電站、智能配電網(wǎng)、并網(wǎng)型微電網(wǎng)所采用的通信技術，提出適用于兆瓦(MW)級海島微電網(wǎng)的對“上”至上級電網(wǎng)、主站內(nèi)兩層信息網(wǎng)絡、對“下”至配用電環(huán)節(jié)的三級通信網(wǎng)絡架構體系。并在文中以我國首個兆瓦級的南麂島工程為例，簡述該海島微電網(wǎng)的系統(tǒng)結構，闡述了南麂島微電網(wǎng)保護控制及管理系統(tǒng)的架構、網(wǎng)絡通信系統(tǒng)的架構組成及關鍵技術、配置原則及設備選型等。

兆瓦級海島微電網(wǎng)系統(tǒng)架構

以浙江南麂島工程為例說明海島微電網(wǎng)設備配置和接線方式等系統(tǒng)結構，南麂島離網(wǎng)型微網(wǎng)示范工程充分利用陽光和風，在島上建設風力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)以及儲能系統(tǒng)，同時還結合電動汽車充換電站、智能電表、用戶交互(可中斷負荷交互)等先進的智能電網(wǎng)技術。系統(tǒng)采用單母分段主接線方式，由6組500?kW儲能變流器PCS、4組500?kWh鋰電池、2組500?kWx10?s超級電容構成儲能系統(tǒng)，545kWp光伏電池組、10臺100kW風力發(fā)電機組及2臺300kW柴油發(fā)電機、2臺500kW柴油發(fā)電機構成發(fā)電系統(tǒng)，平均負荷在1MW左右。系統(tǒng)結構如下圖所示，其中柴發(fā)距離主站0.5km，10臺風機分成兩組，每5臺共用一臺變壓器升壓，兩條風力發(fā)電輸電線路長4km，光伏發(fā)電后隆站輸電線路長2.5km，兩條配電線路分別長8.5km和4km，共有23臺配電變壓器，用電負載為1?MW。

南麂島微電網(wǎng)系統(tǒng)結構圖

兆瓦級海島微電網(wǎng)系統(tǒng)通信網(wǎng)絡分析

海島微電網(wǎng)管控系統(tǒng)結構圖

1、海島微電網(wǎng)通信網(wǎng)絡需求分析

具體海島微電網(wǎng)對通信網(wǎng)絡的需求主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

(1)?微電網(wǎng)的保護信息、測量控制信息、狀態(tài)監(jiān)測信息、告警計量信息(MMS服務)的傳輸需求?；诖祟愋畔?，微網(wǎng)主站調(diào)控層完成常規(guī)的監(jiān)控及經(jīng)濟優(yōu)化調(diào)度。相對于智能變電站，微電網(wǎng)的信息采集地理范圍更廣，設備分類眾多。

(2)?跳閘報文和快速報文(GOOSE服務)、原始數(shù)據(jù)報文(SV)的傳輸需求?；诖祟愋畔?，實現(xiàn)微網(wǎng)內(nèi)集中式保護、功率擾動控制及故障數(shù)據(jù)信息記錄功能。此類信息具有實時性及高可靠性的要求，需要有高實時和高可靠的通信網(wǎng)絡系統(tǒng)作支撐。

(3)?經(jīng)濟性和高效管理的需求。對于微電網(wǎng)通信網(wǎng)絡進行結構簡化和性能提升，可以有效降低組網(wǎng)的復雜度，適應海島微電網(wǎng)經(jīng)濟高效的運行要求。

2、通信網(wǎng)絡技術分析

(1)?分層分網(wǎng)的網(wǎng)絡通信架構

現(xiàn)行智能變電站自動化系統(tǒng)基于IEC61850標準定義的數(shù)據(jù)接口模型，采用“三層設備，兩層網(wǎng)絡”結構，二次設備裝置分為站控層、間隔層和過程層，層與層設備間通過站控層網(wǎng)絡、過程層網(wǎng)絡實現(xiàn)。

站內(nèi)通信網(wǎng)絡用來傳輸保護、測控、計量、向量測量、故障錄波等業(yè)務數(shù)據(jù)，主要數(shù)據(jù)報文有制造報文(MMS)、面向通用對象的變電站事件(GOOSE)、采樣值(SV)和同步信息PTP共4類。站控層采用雙星形或星形以太網(wǎng)絡，MMS、SNTP共網(wǎng)傳輸，過程層網(wǎng)絡一般采用保護直采直跳方案，GOOSE、SV獨立組網(wǎng)模式。SV和GOOSE獨立組網(wǎng)一方面不利于整站信息共享互動，另一方面造成過程層交換機數(shù)量過多，導致網(wǎng)絡結構和接線復雜，網(wǎng)絡設備可靠性降低。

(2)?SV和GOOSE共網(wǎng)傳輸技術

SV報文用于過程層和間隔層間設備的單向采樣值傳輸。SV報文傳輸數(shù)據(jù)量大，報文長度固定，由于采樣頻率固定，占用通信網(wǎng)絡資源也固定，對實時性和同步性有很高的要求。GOOSE報文用于間隔層之間的聯(lián)閉鎖信號和間隔層與過程層間的位置信號、狀態(tài)信號和控制信號等。GOOSE報文數(shù)據(jù)量小，報文長度短，網(wǎng)絡負擔輕，同樣對實時性和同步性有很高的要求。系統(tǒng)發(fā)生故障時，報文有一定的突發(fā)性。在智能變電站的通信組網(wǎng)方案中，一般采用GOOSE和SV獨立組網(wǎng)的方式。對于GOOSE、SV共網(wǎng)傳輸?shù)慕M網(wǎng)方式進行信息的采集和數(shù)據(jù)的傳輸，這種組網(wǎng)方式下，間隔層的設備信息直接通過一根光纖就可以實現(xiàn)與過程層的數(shù)據(jù)交換，無論是從安裝還是運維方面都是比較簡單方便的。過程層傳輸?shù)男畔⒊薙V采樣值和GOOSE信息外，還可以有少量輔助信息，如對信息、網(wǎng)絡設備管理信息等。理論分析證明了該技術的可行性。

(3)?配電接入網(wǎng)通信技術

配用電通信網(wǎng)絡：采用兩臺OLT，10臺ONU及20臺分光器，每個ONU對應兩個分光器，形成跨OLT保護。分光器10%的分支與ONU的PON相連接，90%的分支通過ODF架繼續(xù)延伸至下級業(yè)務節(jié)點位置，以此類推。ONU連接配網(wǎng)的智能終端采集信息。

以太網(wǎng)與PON的結合，產(chǎn)生了以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(EPON)。它同時具備了以太網(wǎng)和PON的優(yōu)點。EPON媒質的性質是共享媒質和點到點網(wǎng)絡的結合，在下行方向，擁有共享媒質的連接性，傳輸數(shù)據(jù)采用廣播的方式，而在上行方向其行為特性就如同點到點網(wǎng)絡，數(shù)據(jù)傳輸采用時分多址技術，由于其光分配網(wǎng)絡采用無源光器件，無需租用機房和配電電源，維護簡單。EPON技術在電力系統(tǒng)配電自動化、電力光纖到戶等領域已逐步開展應用。

兆瓦級海島微電網(wǎng)通信網(wǎng)絡架構

通過深入分析智能變電站及智能配電網(wǎng)、并網(wǎng)型微電網(wǎng)的通信架構方案特點及相關技術，結合海島微電網(wǎng)的保護控制及管理系統(tǒng)的業(yè)務需求，提出了海島微電網(wǎng)對“上”至上級遠方調(diào)度主站、微網(wǎng)主站內(nèi)兩層信息網(wǎng)絡、對“下”至配用電環(huán)節(jié)的三級通信網(wǎng)絡架構體系。

海島微電網(wǎng)通信網(wǎng)絡架構

南麂島微電網(wǎng)通信系統(tǒng)案例

南麂島微電網(wǎng)示范工程的通信系統(tǒng)采用文中論述的分級結構通信網(wǎng)絡架構的方案。

(1)?站內(nèi)調(diào)控層通信網(wǎng)絡：選用4臺多電口光口工業(yè)級交換機構成，連接集中控制層設備12臺、就地控制層設備27臺、其它智能設備5臺。

(2)?站內(nèi)過程層通信網(wǎng)絡。選用3臺16光口工業(yè)級交換機構成，連接集中控制層設備8臺、就地綜合智能終端19臺，PCS6臺，SV采樣頻率24點/周。

(3)?配用電通信網(wǎng)絡：采用兩臺OLT，10臺ONU及20臺分光器，每個ONU對應兩個分光器，形成跨OLT保護。分光器10%的分支與ONU的PON相連接，90%的分支通過ODF架繼續(xù)延伸至下級業(yè)務節(jié)點位置，以此類推。ONU連接配網(wǎng)的智能終端采集信息。

(4)?對時網(wǎng)絡：采用一臺主時鐘設備、二臺對時擴展裝置。主站調(diào)度層設備采用SNTP網(wǎng)絡報文授時，就地安裝的智能終端及集中控制層設備采用光B碼信號授時。

結論

海島微電網(wǎng)涵蓋電力系統(tǒng)的發(fā)、輸、變、配、用、調(diào)度的六大環(huán)節(jié)，其運行控制與管理模式完全依賴于可靠的信息采集與傳輸，可靠、安全、經(jīng)濟、高效的通信系統(tǒng)是微電網(wǎng)運行控制與管理的基礎環(huán)節(jié)。本文在系統(tǒng)分析了微電網(wǎng)通信系統(tǒng)的特殊問題及主要需求后，綜合智能變電站、智能配電網(wǎng)中的通信架構及相關通信技術的基礎上，提出了分級結構的海島微電網(wǎng)通信網(wǎng)絡架構，并結合南麂島微電網(wǎng)示范工程，介紹了該網(wǎng)絡架構在工程應用的實際應用方案?；诖送ㄐ啪W(wǎng)絡架構的南麂島微電網(wǎng)已于2014年9月26日正式投入運行，已為島上居民提供光伏發(fā)電、風力發(fā)電等清潔能源。本文提出的分級結構的海島微電網(wǎng)通信網(wǎng)絡架構，為海島微電網(wǎng)的通信系統(tǒng)的研究與建設提供了重要的理論支撐和實踐依據(jù)，將為微電網(wǎng)和海島微電網(wǎng)的工程設計及建設提供很好的借鑒作用。

作者簡介

田盈(1975-)，女，本科，工程師，從事智能電網(wǎng)保護與控制領域研究工作;

孟賽(1989-)，男，本科，助理工程師，從事變電運行管理工作;

鄒欣潔(1980-)，女，本科，從事智能電網(wǎng)保護與控制領域研究工作。