面向智能電網的配用電通信網絡研究論文
0引言
配用電網是電能分配使用的重要通道，是電網的重要組成部分。配用電通信網是保障配用電網正常運行、故障快速響應、資源高效利用、業務實時實現、電力生產可持續的信息通道。配用電通信得到廣泛關注，主要是存在很多問題：配用電通信系統缺乏總體規劃，各種業務獨立建立通信網，多采用專有通信協議，業務網絡相互孤立，電力設備通信接口專用等因素造成通信網兼容性差，通信資源浪費嚴重，新業務建設通信網難度日益增大等。隨著社會經濟的發展，智能電網成為未來提高供電質量、增強企業服務水平等的重要手段；但是智能電網要求配用電通信網解決更多業務信息的接入問題，包括高級配電自動化、用電信息自動全采集、風光儲新能源接入、設備實時監控和資產無縫的管理、用電服務多樣和定制等新需求，對這些問題，目前并沒有有效的解決途徑。
國內外對于智能電網和相關信息通信網絡的發展開展了廣泛的研究@4]。在通信網絡的建設方面，考慮通信系統建設向網絡化和標準化發展，通過統一接口標準、統一基礎網協議規范、建立網絡化的通信網絡、多業務融合傳輸模式等，從而達到簡化基礎設施復雜多樣、簡化系統功能設計難度、提高業務終端信息交互兼容性等的目的。本文即是在這樣的背景下，系統地研究把這種系統化理論和原則應用到配用電通信網建設的具體規劃和設計中，以解決配用電通信網規劃缺乏系統性、業務網孤立建網、多技術優化組網等方面的問題。
本文一方面從通信網絡承載的智能化配用電網業務著手，分析業務的類型、分布特性等，確定信息通信的需求、通信網絡架構、通信協議類型等網絡建設模式；另外，考慮了通信網絡的建設適應配用電網實際、具有繼承性，特別是把當前的示范工程等試點建設成果，體現在提出的設計方案中。
1智能配用電業務分析
智能配電網業務特點是：1)業務節點多、覆蓋面廣、分散，運行環境差；2)配電網受擴容、城建影響大；3)通信距離較遠，業務種類多，差異性大，總信息量大，單點容量��；4)運行維護量大、管理問題多，建設復雜。早期配網監測點數量少，多采用專線形式傳輸電力業務。智能配電網的實現意味著大量業務的傳輸，傳統通信模式不可行，需要用網絡的概念融合多種業務，同時保障業務服務質量(qualityofservice，QoS)特性。
根據多種業務的關系，融合并劃分出滿足各自需求的網絡體系是通信網構建的前提。詳細的業務內容和劃分類型見圖1。傳統自動化業務、電網狀態分析、新型充電站業務、分布式能源業務等歸于高級配電自動化。電力用戶用電信息采集、客戶交費管理、需求側管理、配網能耗評測、階梯電價實施、分布式電源置換交易和營銷管理等歸于用電信息采集網絡。
通過配電業務、營銷業務、用能服務業務等的分析，按照業務需求指標(如網絡帶寬、實時性、可靠性、安全性等)提出配電通信網業務網通信模式。
2配用電業務網模型
2.1高級配電自動化系統
配電自動化系統是配電網的重要業務，實現現場配電終端和主站的業務數據交互。早期的配網通信多采用專線的形式，通信協議采用諸如CDT、Polling串行通信協議，線路資源利用率很低。當前的數字化變電站網絡在向著IEC61850、IEC61968、IEC61970通信協議演進，目前基本實現站層級的Internet標準。
建立基于以太網技術的高級配電自動化業務系統是新時期自動化業務實現的有效方式。經過大量的建設實踐和交換式以太網技術仿真，證明在網絡設備30%負載的情況下，網絡的實時性和可靠性是最好的。推廣IEC60870-5-104在配電網中的應用能滿足自動化業務的實時性、通道帶寬、通信節點數量、新型配電業務等需求，有效實現基于以太網的配電自動化和調度自動化綜合管理功能。
2.2用電負荷管理系統
用戶電量采集業務朝著全自動化、全預付費、全覆蓋的方向發展。目前電能采集方式較為典型的是米用通用無線分組業務(generalpacketradioservice，GPRS)網絡。這種方式采用帶有GPRS模塊的集中器匯集局部區域的用電信息，經電信專網接入電力公司主站。集中器下行采用采集器讀取電表數據，通信網絡簡單；問題是GPRS設備在線率低、不能實現實時電價和及時響應用戶側需求，同時網絡租賃費用高。
解決用電負荷管理業務的有效方式是建立基于TCP/IP的以太網通信專網，連接用電信息管理主站與各個電力用戶終端(如專變采集終端、公變采集終端、廠站采集終端、小區集中器、分布式電源和充電站計量終端)；本地通信采用RS-485總線、載波、無線傳感器網絡(wirelesssensornetwork，WSN)等連接到各種電力用戶終端表計。如圖3所示。
2.3用能服務網絡
用能服務網絡是實現用戶用電需求定制、多種用能策略、多樣化服務等的業務網絡。網絡承載的業務包括語音、視頻、數據業務，帶寬需求很大，需要寬帶的通信技術和基于TCP/IP技術的網絡方式。
用電服務網絡可以利用電力通信網和公共互聯網，用戶需求經公共互聯網上傳至電力服務網站，定制的服務經由電力通信網傳輸至用戶的表計和用戶終端。用能服務網絡架構如圖4所示。
2.4視頻/環境輔助監測網絡
視頻監控系統在配電網中有廣泛的應用，例如無人值守變電站的監視、重要開關設備的監視、現場維修安全監視、事故搶修現場分析等。電力公司監控中心可以對所有的變電站視頻信息統一管理，進行圖像的顯示、錄像、回放、管理等。應用于電網視頻監控的系統通常構建成如圖5所示的客戶/服務器(client/server，C/S)網絡結構。
3配用電通信網關鍵要素
業務網絡融合是今后的發展趨勢，可以避免通信網的重復建設、實現數據有效利用、提高網絡的利用效率。下面分析支撐多業務的配用電通信網涉及的關鍵技術。
1)無源光網絡等多種通信技術。
我國配電網通信經過多年來的實踐，先后經歷了電纜、載波、無線、光纖通信等階段。目前這些技術尤其是光通信技術發展很快，如以太網無源光網絡(Ethernetpassiveopticalnetwork，EPON)技術、光交換機、微波存取全球互通(worldwideinteroperabilityformicrowaveaccess，WIMAX)無線寬帶技術、無線局域網(wirelesslocalareanetwork，WLAN)技術、WSN技術、無線公網GPRS技術、高中低壓載波技術、非對稱數字用戶環路(asymmetricdigitalsubscriberline，ADSL)技術等，各種技術提供的通信帶寬都有了很大的`提高。
配電通信網的構建必須綜合采用多種通信方式，合理建立起光纖網絡為主干，貫穿重要配電站點、調度中心、營業場所等節點，實施分區無線覆蓋的網絡覆蓋模式，解決光網絡覆蓋不到的區域通信問題。載波和線纜通信解決用戶端的多媒體業務、用電信息采集業務、配電網的設備和線路監測業務。
2)融合的數據網絡。
配用電多業務網絡特點決定需要采用數據融合技術，見圖6，融合的業務網除了滿足業務通信需求外，還需要滿足以下幾方面要求：
�、侔踩砸�。根據電力二次系統安全防護規定，電力二次系統應堅持安全分區、網絡專用、橫向隔離、縱向認證的原則，合理實現4個業務網的信息交互。
②可靠性要求。各業務網側重采用不同的通信在3層的基礎上增加網絡層和傳輸層。綜合配用電通信特點，提出圖8所示結構通信協議模型，應用時可針對需要進行簡化，如為了提高配電自動化通信實時性，應用層數據長度較短，可以去掉傳輸層而以4層協議結構通信。
利用這種結構可統籌兼顧配用電各種業務相應通信網協議的規范和統一要求。
圖8通信協議結構技術，自動化網側重使用光纖網絡、載波網；用電和監測網絡可以利用光纖網、載波網、無線寬帶網、WSN技術等。
3)綜合網管技術。
網絡化的通信結構和多種通信技術在同一個網絡中的綜合運用，擴大了網絡的規模，增加了網絡的復雜性，給網絡的運行維護增加了很大的困難。因此需要建立統一的網管系統(見圖7)，對這種復合的通信網絡進行管理，實現網絡設備的集中管理、設置、管理網絡業務和保障網絡的QoS。結合地理信息系統(geographicalinformationsystem，GIS)，可以對通信網絡的故障進行準確的定位，方便運維人員迅速排除故障。
4)網絡安全技術。
融合了多種通信技術、承載了多種業務和遍布互聯的配電通信網是一個開放的網絡，大量的終端設備可以隨時要求接入這個網絡，網絡的安全性和數據的保密性是應用中的關鍵內容，可以從應用層、網絡層、物理層入手設置認證加密過濾技術，提出完整的解決方案。利用安全測試評估技術、安全存儲技術、主動實施防護技術、網絡安全事件監控技術、惡意代碼防范與應急響應技術、數據備份與可生存技術、可信計算平臺技術和網絡安全管理與統一威脅管理(unifiedthreatmanagement，UTM)技術，為配電通信網的安全提供保障措施4。
4典型配用電通信技術混合組網示例
根據配用電通信網的要求和多種通信技術特征，考慮充分發揮各種通信技術的優點，減弱各種技術應用缺點，建立以光纖網絡為骨干，無線技術、載波為補充的網絡結構(見圖9)，滿足配調自動化、用電信息采集、用能服務、環境監測、臨時應急通信等多業務網的需求�；旌吓溆秒娡ㄐ啪W的組成模式劃分成以下3個層面和綜合網管系統。
1)骨干傳輸層。指覆蓋35kV以上變電站點的光纖網，用作生產管理的調度數據網和信息管理的綜合數據網。
2)遠程接入網絡。實現技術包括工業交換機、XPON技術、中壓載波、無線技術，完成用戶側數據的匯聚上傳。具體技術應用見表1。
3)本地接入網絡。本地接入技術(如WLAN、電力線載波(powerlinecarrier，PLC))等解決電網局
4)網管系統�；旌闲团潆娡ㄐ啪W網管主要負責管理工業以太網、XPON網絡、本地的WLAN、WSN網絡、無線專網、載波通信網絡等通信設備和網絡設置的管理。表3給出網管的實現功能。
5結語
配電通信網絡建設涉及技術、經濟、需求、發展等眾多因素，綜合全面規劃才能提出可行的建設方案。本文從業務需求出發，梳理了配用電通信網涉及的多個方面：1)把智能配電網業務劃分成5類業務塊，根據業務類型采用不同的業務網絡模型，滿足各自的通信需求。2)網絡化的配用電通信網涉及5個方面的關鍵因素，包括通信技術的選擇、業務網分布、通信協議結構、綜合網管和網絡安全策略等。3)把配電通信網的結構分成骨干傳輸網、遠程接入網和本地接入網，理順了通信網結構，給出了各層網絡可采用的通信技術。
配電通信網規劃建設日益緊迫，但是建設符合未來現代電網發展需求的配用電通信網絡更重要，本文從系統化的角度論述了配用電通信網建設的幾個關鍵方面，接下來的工作是結合相關項目，細化不同部分的實現方法，探索工程的實現技術，組織開展通信網建設的標準化工作，從而及早落實符合發展需求、切實可行的配電通信網建設模式。
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