面向智能电网的配用电通信网络研究论文
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。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；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@4]。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。
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。
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。
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。
2.2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米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。
2.3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。
2.4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)网络结构。
3配用电通信网关键要素
业务网络融合是今后的发展趋势，可以避免通信网的重复建设、实现数据有效利用、提高网络的利用效率。下面分析支撑多业务的配用电通信网涉及的关键技术。
1)无源光网络等多种通信技术。
我国配电网通信经过多年来的实践，先后经历了电缆、载波、无线、光纤通信等阶段。目前这些技术尤其是光通信技术发展很快，如以太网无源光网络(Ethernetpassiveopticalnetwork，EPON)技术、光交换机、微波存取全球互通(worldwideinteroperabilityformicrowaveaccess，WIMAX)无线宽带技术、无线局域网(wirelesslocalareanetwork，WLAN)技术、WSN技术、无线公网GPRS技术、高中低压载波技术、非对称数字用户环路(asymmetricdigitalsubscriberline，ADSL)技术等，各种技术提供的通信带宽都有了很大的`提高。
配电通信网的构建必须综合采用多种通信方式，合理建立起光纤网络为主干，贯穿重要配电站点、调度中心、营业场所等节点，实施分区无线覆盖的网络覆盖模式，解决光网络覆盖不到的区域通信问题。载波和线缆通信解决用户端的多媒体业务、用电信息采集业务、配电网的设备和线路监测业务。
2)融合的数据网络。
配用电多业务网络特点决定需要采用数据融合技术，见图6，融合的业务网除了满足业务通信需求外，还需要满足以下几方面要求：
①安全性要求。根据电力二次系统安全防护规定，电力二次系统应坚持安全分区、网络专用、横向隔离、纵向认证的原则，合理实现4个业务网的信息交互。
②可靠性要求。各业务网侧重采用不同的通信在3层的基础上增加网络层和传输层。综合配用电通信特点，提出图8所示结构通信协议模型，应用时可针对需要进行简化，如为了提高配电自动化通信实时性，应用层数据长度较短，可以去掉传输层而以4层协议结构通信。
利用这种结构可统筹兼顾配用电各种业务相应通信网协议的规范和统一要求。
图8通信协议结构技术，自动化网侧重使用光纤网络、载波网；用电和监测网络可以利用光纤网、载波网、无线宽带网、WSN技术等。
3)综合网管技术。
网络化的通信结构和多种通信技术在同一个网络中的综合运用，扩大了网络的规模，增加了网络的复杂性，给网络的运行维护增加了很大的困难。因此需要建立统一的网管系统(见图7)，对这种复合的通信网络进行管理，实现网络设备的集中管理、设置、管理网络业务和保障网络的QoS。结合地理信息系统(geographicalinformationsystem，GIS)，可以对通信网络的故障进行准确的定位，方便运维人员迅速排除故障。
4)网络安全技术。
融合了多种通信技术、承载了多种业务和遍布互联的配电通信网是一个开放的网络，大量的终端设备可以随时要求接入这个网络，网络的安全性和数据的保密性是应用中的关键内容，可以从应用层、网络层、物理层入手设置认证加密过滤技术，提出完整的解决方案。利用安全测试评估技术、安全存储技术、主动实施防护技术、网络安全事件监控技术、恶意代码防范与应急响应技术、数据备份与可生存技术、可信计算平台技术和网络安全管理与统一威胁管理(unifiedthreatmanagement，UTM)技术，为配电通信网的安全提供保障措施4。
4典型配用电通信技术混合组网示例
根据配用电通信网的要求和多种通信技术特征，考虑充分发挥各种通信技术的优点，减弱各种技术应用缺点，建立以光纤网络为骨干，无线技术、载波为补充的网络结构(见图9)，满足配调自动化、用电信息采集、用能服务、环境监测、临时应急通信等多业务网的需求。混合配用电通信网的组成模式划分成以下3个层面和综合网管系统。
1)骨干传输层。指覆盖35kV以上变电站点的光纤网，用作生产管理的调度数据网和信息管理的综合数据网。
2)远程接入网络。实现技术包括工业交换机、XPON技术、中压载波、无线技术，完成用户侧数据的汇聚上传。具体技术应用见表1。
3)本地接入网络。本地接入技术(如WLAN、电力线载波(powerlinecarrier，PLC))等解决电网局
4)网管系统。混合型配电通信网网管主要负责管理工业以太网、XPON网络、本地的WLAN、WSN网络、无线专网、载波通信网络等通信设备和网络设置的管理。表3给出网管的实现功能。
5结语
配电通信网络建设涉及技术、经济、需求、发展等众多因素，综合全面规划才能提出可行的建设方案。本文从业务需求出发，梳理了配用电通信网涉及的多个方面：1)把智能配电网业务划分成5类业务块，根据业务类型采用不同的业务网络模型，满足各自的通信需求。2)网络化的配用电通信网涉及5个方面的关键因素，包括通信技术的选择、业务网分布、通信协议结构、综合网管和网络安全策略等。3)把配电通信网的结构分成骨干传输网、远程接入网和本地接入网，理顺了通信网结构，给出了各层网络可采用的通信技术。
配电通信网规划建设日益紧迫，但是建设符合未来现代电网发展需求的配用电通信网络更重要，本文从系统化的角度论述了配用电通信网建设的几个关键方面，接下来的工作是结合相关项目，细化不同部分的实现方法，探索工程的实现技术，组织开展通信网建设的标准化工作，从而及早落实符合发展需求、切实可行的配电通信网建设模式。
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