面向智能电网的配用电通信网络研究

第35卷第12期电网技术Vol.35No.122011年12月PowerSystemTechnologyDec.2011文章编号：1000-3673（2011）12-0014-06中图分类号：TM732文献标志码：A学科代码：470·4054面向智能电网的配用电通信网络研究雷煜卿1，李建岐1，侯宝素2（1．中国电力科学研究院，北京市海淀区100192；2．鹤壁供电公司，河南省鹤壁市458030）PowerDistributionandUtilizationCommunicationNetworkforSmartGridLEIYuqing1,LIJianqi1,HOUBaosu2(1.ChinaElectricPowerResearchInstitute,HaidianDistrict,Beijing100192,China;2.HebiElectricPowerSupplyCompany,Hebi458030,HenanProvince,China)ABSTRACT:Basedontheup-to-datetheoryfortheconstructionofsmartpowercommunicationnetworkhomeandabroad,theconcreteplanning,designandimplementationoftheconstructionofpowerdistributionandutilizationnetworkareresearched.Firstly,therelatedservicesofsmartpowerdistributionandutilizationnetworkandtherelationamongservicesanddemandsofservicecommunicationareanalyzed,andbasicservicenetworkmodelscorrespondingtovarioustypesofservicesareconstructed;thenintheviewpointofthedevelopmentofthenetworkmergingmultiservices,keytechnicalelementsrelatedtotheconstructionofcommunicationnetworkmergingfourkindofservicessuchasavailablecommunicationtechnology,structureofcommunicationprotocols,technologyofsyntheticalnetworkmanagementandnetworksecuritytechnology,areanalyzed;finallybasedontheexperiencesofactualconstructionatypicalinfrastructurebasedonmulti-technologicalnetworking,whichcansupportfollowingservices:advanceddistributionautomation,acquisitionofpowerutilizationinformation,videosurveillanceandenvironmentmonitoring,bi-directionalinformationcommunicationbetweenpowersuppliersandconsumersandtemporaryemergencycommunication,isputforward,andcorrespondingtypicaltechnicalimplementationschemefortheconstructionofsuchacommunicationnetworkisgiven.KEYWORDS:smartgrid;distributioncommunicationnetwork;servicemodel;communicationnetworkframework摘要：结合国内外最新的智能电力通信网建设理论，研究了配用电通信网建设的具体规划和设计实现。首先分析了智能配用电网的相关业务、业务之间的关系、业务通信需求等，构建出对应各类业务的基础业务网络模型。然后从多业务融合网络发展角度，分析了构建4种业务融合通信网络涉及的关键技术要素(如可用的通信技术、通信协议结构、综合网管技术、网络安全技术等)。最后结合实际建设经验，提出一个支撑高级配电自动化、用电信息采集、视频监视及环境监测、用能服务、临时应急通信等业务的多技术组网的典型基础结构，并给了建设这种通信网的典型技术实现方案。关键词：智能电网；配电通信网；业务模型；通信网架构0引言配用电网是电能分配使用的重要通道，是电网的重要组成部分。配用电通信网是保障配用电网正常运行、故障快速响应、资源高效利用、业务实时实现、电力生产可持续的信息通道。配用电通信得到广泛关注，主要是存在很多问题：配用电通信系统缺乏总体规划，各种业务独立建立通信网，多采用专有通信协议，业务网络相互孤立，电力设备通信接口专用等因素造成通信网兼容性差，通信资源浪费严重，新业务建设通信网难度日益增大等[1-5]。随着社会经济的发展，智能电网成为未来提高供电质量、增强企业服务水平等的重要手段[6-7]；但是智能电网要求配用电通信网解决更多业务信息的接入问题，包括高级配电自动化、用电信息自动全采集、风光储新能源接入、设备实时监控和资产无缝的管理、用电服务多样和定制等新需求，对这些问题，目前并没有有效的解决途径。国内外对于智能电网和相关信息通信网络的发展开展了广泛的研究[8-14]。在通信网络的建设方面，考虑通信系统建设向网络化和标准化发展，通过统一接口标准、统一基础网协议规范、建立网络化的通信网络、多业务融合传输模式等，从而达到简化基础设施复杂多样、简化系统功能设计难度、提高业务终端信息交互兼容性等的目的。本文即是在这样的背景下，系统地研究把这种系统化理论和原则应用到配用电通信网建设的具体规划和设计中，以解决配用电通信网规划缺乏系统性、业务网孤立建网、多技术优化组网等方面的问题。基金项目：国家电网公司科技项目(配电网通信体系及综合业务通信平台研究)。第35卷第12期电网技术15 本文一方面从通信网络承载的智能化配用电网业务着手，分析业务的类型、分布特性等，确定信息通信的需求、通信网络架构、通信协议类型等网络建设模式；另外，考虑了通信网络的建设适应配用电网实际、具有继承性，特别是把当前的示范工程等试点建设成果，体现在提出的设计方案中。1智能配用电业务分析智能配电网业务特点是：1）业务节点多、覆盖面广、分散，运行环境差；2）配电网受扩容、城建影响大；3）通信距离较远，业务种类多，差异性大，总信息量大，单点容量小；4）运行维护量大、管理问题多，建设复杂。早期配网监测点数量少，多采用专线形式传输电力业务。智能配电网的实现意味着大量业务的传输，传统通信模式不可行，需要用网络的概念融合多种业务，同时保障业务服务质量(qualityofservice，QoS)特性。根据多种业务的关系，融合并划分出满足各自需求的网络体系是通信网构建的前提。详细的业务内容和划分类型见图1。传统自动化业务、电网状态分析、新型充电站业务、分布式能源业务等归于高级配电自动化。电力用户用电信息采集、客户交费管理、需求侧管理、配网能耗评测、阶梯电价实施、分布式电源置换交易和营销管理等归于用电信息采集网络。配电自动化用电管理用能服务电网监测信息采集及控制变电站自动化故障隔离定位故障去除负荷管理用电信息采集分布式电源计量充电站计量需求侧响应95598网站智能家电缴费业务增值业务重要站点的视频监视环境温度、湿度的监测线路温度、舞动等监测电压及无功管理表计读取检修管理设备管理规划设计管理客户预付费临时业务应急电源监测点重要用户监测点临时通信、应急通信杆塔偏移等监测线路巡检调度指挥设备运行状态定制服务图1智能配用电业务模型Fig.1Servicemodelofintelligentdistributionnetwork通过配电业务、营销业务、用能服务业务等的分析，按照业务需求指标(如网络带宽、实时性、可靠性、安全性等)提出配电通信网业务网通信模式。2配用电业务网模型2.1高级配电自动化系统配电自动化系统是配电网的重要业务，实现现场配电终端和主站的业务数据交互。早期的配网通信多采用专线的形式，通信协议采用诸如CDT、Polling串行通信协议，线路资源利用率很低。当前的数字化变电站网络在向着IEC61850、IEC61968、IEC61970通信协议演进，目前基本实现站层级的Internet标准[15]。建立基于以太网技术的高级配电自动化业务系统是新时期自动化业务实现的有效方式。经过大量的建设实践和交换式以太网技术仿真，证明在网络设备30%负载的情况下，网络的实时性和可靠性是最好的。推广IEC60870-5-104在配电网中的应用能满足自动化业务的实时性、通道带宽、通信节点数量、新型配电业务等需求，有效实现基于以太网的配电自动化和调度自动化综合管理功能。以太网网络FTU调度配电主站RTUFTUDTUTTUIEDIEDIED总线图2配电自动化业务网络模型Fig.2Servicenetworkmodelofdistributionautomation2.2用电负荷管理系统用户电量采集业务朝着全自动化、全预付费、全覆盖的方向发展。目前电能采集方式较为典型的是采用通用无线分组业务(generalpacketradioservice，GPRS)网络。这种方式采用带有GPRS模块的集中器汇集局部区域的用电信息，经电信专网接入电力公司主站。集中器下行采用采集器读取电表数据，通信网络简单；问题是GPRS设备在线率低、不能实现实时电价和及时响应用户侧需求，同时网络租赁费用高。解决用电负荷管理业务的有效方式是建立基于TCP/IP的以太网通信专网，连接用电信息管理主站与各个电力用户终端(如专变采集终端、公变采集终端、厂站采集终端、小区集中器、分布式电源和充电站计量终端)；本地通信采用RS-485总线、载波、无线传感器网络(wirelesssensornetwork，WSN)等连接到各种电力用户终端表计。如图3所示。16雷煜卿等：面向智能电网的配用电通信网络研究Vol.35No.12 专变采集终端主站电能信息采集远程接入通信网公变采集终端集中器汽车充电站终端分布式电源终端智能电表采集器集中器智能电表本地通信本地通信本地通信本地通信本地通信智能电表智能电表智能电表智能电表图3用电信息采集业务网络模型Fig.3Servicenetworkmodelofenergymetering2.3用能服务网络用能服务网络是实现用户用电需求定制、多种用能策略、多样化服务等的业务网络。网络承载的业务包括语音、视频、数据业务，带宽需求很大，需要宽带的通信技术和基于TCP/IP技术的网络方式。用电服务网络可以利用电力通信网和公共互联网，用户需求经公共互联网上传至电力服务网站，定制的服务经由电力通信网传输至用户的表计和用户终端。用能服务网络架构如图4所示。电力通信网主站95598互动网站智能交互终端大用户智能交互终端(居民)用户表计控制器智能插座智能家电安防设备电力公司客户端公共通信网图4用能服务交互网络模型Fig.4Servicenetworkmodelofbidirectionalusingenergy2.4视频/环境辅助监测网络视频监控系统在配电网中有广泛的应用，例如无人值守变电站的监视、重要开关设备的监视、现场维修安全监视、事故抢修现场分析等。电力公司监控中心可以对所有的变电站视频信息统一管理，进行图像的显示、录像、回放、管理等。应用于电网视频监控的系统通常构建成如图5所示的客户/服务器(client/server，C/S)网络结