数字化(智能化)配电网通信规划的研究

1 分类号 密级 U D C 编号 学学 位位 论论 文文 数字化配电网通信规划研究数字化配电网通信规划研究 樊剑辉 指导教师姓名 沐连顺 教授级高工 中国电力科学研究院 苏 剑 高级工程师 中国电力科学研究院 申请学位级别 工学硕士 学科 专业名称 电力系统及其自动化 论文提交日期 2009 年 10 月 论文答辩日期 学位授予单位 中国电力科学研究院 2009 年 9 月 2 原创性声明原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下所取得的科研 成果 除文中已经注明引用的内容外 本学位论文的研究成果不包含任何他人 创作的 已公开发表或者没有公开发表的作品的内容 对本论文所涉及的研究 工作做出贡献的其他个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本学位论文原 创性声明的法律责任由本人承担 学位论文作者签名 日期 年 月 日 关于学位论文版权使用授权的说明关于学位论文版权使用授权的说明 本人完全了解中国电力科学研究院关于收集 保存 使用学位论文的规定 同意如下各项内容 按照中国电力科学研究院要求提交学位论文的印刷本和电 子版本 中国电力科学研究院有权保存学位论文的印刷本和电子版 并采用影 印 缩印 扫描 数字化或其它手段保存论文 中国电力科学研究院有权提供 目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务 中国电力科学院有权 按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版 中国电力科 学研究院可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名 日期 年 月 日 导 师 签名 日期 年 月 日 3 摘摘 要要 本文通过对数字化配电网的基本结构和通信需求的认真分析 结合数字化配电网各种新业务对通信网提出的新要求 阐述了配电 网通信系统规划的原则和步骤 论证了各种最新通信技术和通信装 备在数字化配电网通信系统中应用的可行性和经济性 提出了配电 网通信系统网络结构 采用技术和装备及其应用场合的研究 提出 数字化配电网通信规划的推荐方案 新配电网通信网络应采用层次 化的组网结构 充分利用现有通信资源 采用最新通信技术和最新 通信装备 全面支持现有和未来的配电网业务 并且有更大的带宽 能对各种配电网业务提供服务质量和安全性保障 关键词关键词 数字化配电网 配电网通信系统 网络结构 数字化配电网 配电网通信系统 网络结构 MSTPMSTP ASONASON WimaxWimax EPONEPON PLCPLC WSNWSN 4 AbstractAbstract By thoroughly analyzing the basic structure of digital intelligent power distribution network and the demand on communication this essay elaborates on the principal and process which adopts in the programming of the communication system of power distribution network The paper also expounds the feasibility and economic effects of the adoption of new communication technology and equipment in digital power distribution communication system advances the research on the network structure technology equipment and applicable scenario of power distribution communication network In final part of this essay a solution is proposed for a new power distribution communication network which is featured on the graded structure of the network and larger bandwidth sufficiently utilizing the exiting communication resources proactively adopting the most up to date communication technology and equipment fully supporting current and future power distribution services providing quality service and security for various business operation of power distribution network Key words digital power distribution network power distribution network communication system network structure MSTP ASON EPON PLC WSN 5 目目 录录 第一章 绪 论 1 1 1 研究问题的背景 1 1 2 配电网通信规划对数字化配电网建设的重要意义 3 1 3 目前数字化配电网通信规划的研究情况 4 1 4 研究思路 7 第二章 数字化配电网和通信特点 8 2 1 数字化配电网的特点 8 2 2 数字化配电网的控制管理系统的组成与主要功能 8 2 2 数字化配电网管理系统发展趋势 12 2 3 数字化配电网管理系统对通信系统的主要需求 15 第三章 数字化配电网通信网络架构研究 19 3 2 数字化配电网管理系统的基本架构 19 3 3 数字化配电网通信系统架构设计原则 20 3 4 数字化配电网通信系统路由规划 20 3 6 数字化配电网通信系统结构 21 第四章 数字化配电网通信网络传输方式选择 26 4 1 数字化配电网的通信需求分析 26 4 3 数字化配电网通信系统流量预测及计算 30 4 4 通信传输技术比较 32 4 4 1 传输通信传输技术特点 32 4 4 2 近年新兴通信技术特点 33 4 6 数字化配电网通信系统传输技术规划 51 4 6 1 核心层 汇聚层 光纤通信技术 52 4 6 2 接入层 宽带 PLC 传输技术 60 4 6 3 接入层 公网无线传输技术 GPRS CDMA WiMax 62 4 6 4 结论 64 第五章 数字化配电网通信系统典型建设模式 66 5 1 独立建设方式 66 5 1 1 核心层通信系统规划 66 5 1 2 汇聚层通信系统规划 67 5 1 3 接入层通信系统规划 70 5 2 采用租赁和合作的方式 75 5 3 比较与结论 76 第六章 结论 77 参考文献 78 作者攻读硕士学位期间发表录用的有关学术论文 80 致谢 80 中国电力科学研究院硕士学位论文中国电力科学研究院硕士学位论文 1 第一章第一章 绪绪 论论 1 11 1 研究问题的背景研究问题的背景 未来几十年将是我国全面建设小康社会 向工业化 城镇化 信息化和现代化深入推进的重要发展时期 经济社会将继续保持平 稳较快发展 这一时期 也是我国加强节能减排 建设 资源节约 型 环境友好型 社会 实现能源与经济社会和谐发展的关键时期 两型 社会建设要求新一代的配电网在确保安全可靠的前提下 着重提升其运行效率和灵活管理能力 需要配电网提供更为稳定 可靠 经济优质 灵活互动 友好开放的电力智能控制方式 可以 实现用户与电网双向互动 根据用户需要及峰谷电价调整用电时间 提高用户用电的经济性和安全性 可以灵活选择服务质量更好和价 格更优的电力供应商 可以将分布式电源电力接入电网 能够适用 于目前和未来的商业环境 市场需求和用户的需要 能够进行自我 调节 自我扩展 以实现清洁能源的高效利用并获得一定的经济效 益 因此 配电网又一次站在了革命性变革的边缘 为满足上述目标 更进一步改善供电可靠性 降低运行损耗 提高电能质量和经济效益 国家电网公司提出建立数字化 智能化 配电网的战略构想 通过加快配电网相关产业科技进步和设备升级 不断提高配电网的信息化 数字化 自动化和互动化运行水平 提 高配电自动化水平 不断提高配电网的运行灵活性和友好互动功能 丰富配电网服务内容和服务质量 满足未来经济社会发展要求以及 发电企业 电力用户不断提高的多元化服务需求 中国电力科学研究院硕士学位论文中国电力科学研究院硕士学位论文 2 数字化配电网将通过先进的计算机技术 数字系统控制技术和 宽带网络通信技术实现了对电网运行的全面 高效 精确的掌控 从而保证电网的安全可靠运行 企业效益的持续提高 社会满意度 不断提升 社会的和谐发展 智能化配电网是对数字化配电网的进 一步延伸 将对电力系统 通信系统和信息系统的高度集成 通过 电子化控制在非常大的弹性范围内提供广泛的需求响应 以 自愈 的方式处理紧急状况 及时地将问题和事故就地处理并隔离 从根 本上提高系统的稳定性 并且可以正确及时地响应能源市场和电力 公司的业务需求 这是一个从整个电力行业的整体出发 站在更高 的角度提出的十分具有前瞻性 创造性的先进观点和理论 无论是数字化配电网或更高级的智能化配电网 均需要采用现 代化的技术手段提高配电网的运行管理水平 而通信技术是建设数 字化配电网的关键技术 通信技术是数字化智能配电网的基础支撑 技术 是智能配电网各种管理和控制信息的传输平台 通信系统的 好坏很大程度上决定了数字化配电网实现的程度 良好的通信系统 是实现功能完善的数字化配电网的基础 因此 配电网的通信规划主要目的是要配合配电网络发展需要 根据数字化配电网的实现功能 要求 规模 当前的通信和计算机 技术的发展现状 当前的通信系统的资源现状和技术实施的可行性 对实现数字化配电网需要的通讯系统进行规划 给出给定范围的规 划结果 为数字化 智能化 配电网建设实施提供依据 中国电力科学研究院硕士学位论文中国电力科学研究院硕士学位论文 3 1 21 2 配电网通信规划对数字化配电网建设的重要意义配电网通信规划对数字化配电网建设的重要意义 数字化配电网是应用现代计算机技术 远动技术 自动控制 通信技术 新型配电设备等先进技术手段 实现配网在线和离线远 方监控与配电管理自动化 达到配电网安全 可靠 经济 优质 高效运行的目的 主要包括 1 建立统一的输配电网系统的数字体系架构 通过把电网的数 字化二次设备和高级的分析处理程序有效地纳入到统一的分析框架 体系中 从而为实现电网的可靠 高效和经济的运行提供数据基础 2 数字化配电网通过图形和地理空间信息技术手段最大程度的 提高一次电网的可见度 使得电力 系统的运行操作可视化 同时辅 以更智能 综合的分析应用程序 实现对电网的高效有序的管理 降低管理难度 3 建立统一的数字化配电网数据模型 将配电网的物理模型映 射为标准的数据模型 使得相关数据源以一种有效的 结构化的和 清楚的方式关联起来 这种关联不依赖于现有设备的物理特性 4 建立统一的标准服务 通过服务来访问通用设备和应用程序 的处理结果 这种方式隐藏了每个设备和应用的内部运行细节 从 而实现把系统组件相关应用当作黑盒子来处理 5 数字化配电网通过对电网数据的多层次的分析 使得电网更 加协调优化的运行 其中有 网络运行的优化 经济调度的优化 负荷管理的优化 需求侧管理等 上述功能的实现都是以准确 及时 有效的各类控制 检测信 中国电力科学研究院硕士学位论文中国电力科学研究院硕士学位论文 4 息的传输为基础的 通信系统是数字化配电网最重要部分之一 担 负着配网系统中所有数据 信息的处理 命令的发送和返回 是确 保配网运行发生故障时相应的故障和控制信息能够及时准确地上传 下达的基本保障 目前电力通信网已成为电网调度自动化 网络运 营市场化和管理现代化的基础 是电力系统不可缺少的重要组成部 分 是电力市场商业化运营的保障 是实现配电网现代化管理的重 要前提 更是推动建设 数字化电网 信息化企业 的重要基础 随着国网公司信息化的发展 电力通信网必将发挥越来越重大的作 用 1 31 3 目前数字化配电网通信规划的研究情况目前数字化配电网通信规划的研究情况 近年来针对我国经济建设稳步发展 人民生活质量不断提升的 良好局面 供电企业都在积极采取措施 加强大用户管理和满足用 户需求 提高供电质量和服务水平 树立电力企业的良好社会形象 增加企业的经济效益 为了提高城市配电网安全运行水平 缩短配 电线路设施的故障修复时间 变被动服务为主动服务 供电企业正 在积极探索和开展数字化配电网各项技术的实际应用研究 配电网 的通信技术正是重点研究的内容之一 目前配网通信采用技术较多 的为光纤通信 载波通信以及移动通信三种方式 光纤通信具传送速度快 通信容量大 可靠性高 抗干扰能力强 配置灵活 扩展方便的特点 若需要增加新的点 可在就近的光纤 通信环网内打开环路直接链接 光纤网结构简单 组网灵活 工作 中国电力科学研究院硕士学位论文中国电力科学研究院硕士学位论文 5 稳定 它即可以沿架空电力线路同杆架设也可以电力电缆一同地下 敷设 可以组织成环网结构 也可以组织成辐射网结构 还可以组 织成环网 辐射网交织的混合结构网 目前光纤通信主要被用于配电通信网的主干道 作为配网信息 汇集的传输通道 并承担配网与输电网之间信息传输 如地区 110kV 及以上变电站 各区局办公大楼 输电部 送电大厦 试验 所 各区供电所 营业厅以及各区主要办公场所的通信等 中压载波通信在国外自 50 年代开始应用 主要应用在中压电网 的负荷控制领域 大多为单向数据传输 速率低 有时小于 10bit s 甚至更低 并没有形成大规模的电力线载波通信服务产业 国内在 八十年代后期多数是直接使用小型化的集成电路农电载波机实现点 对点通信 随着 10kV 线路通信需求的增长 到了九十年代末 出 现了多种载波通信设备 这些设备可采用不同的线路耦合方式 电 容耦合 变压器耦合 低压耦合 陶瓷电真空耦合及天线耦合等 目前 利用电缆屏蔽层传输的载波方式收到广泛关注 并在部分网 络结构较为规范的地区应用钟 取得较好了效果 中压载波也经常 与光纤通信配合使用 应用于光纤敷设达不到的地段或很难达到的 地段 或是距离较长 配电点少 可靠性要求相对较低的线路 近年来 随着移动通信的快速发展和不断完善 移动通信网已 经基本覆盖城乡各个角落 移动通信技术在电力系统中也得到了应 用 主要在一些非实时 重要性不太高的场合 例如故障指示器状 态信息上传 配变监测信息传送等 目前应用的方式主要有两种 中国电力科学研究院硕士学位论文中国电力科学研究院硕士学位论文 6 短信和在线传送 短信方式采用 GSM 或 CDMA 技术 终端通信设备无需始终 联网 较为经济 但传输数据量有限 实时性相对较差 在线传送采用 GPRS 或 CDMA 技术 终端通信设备始终联网 传送速率目前达 38 4Kbps 传输数据量较大 实时性比短信方式高 但其缺陷是必须申请一个固定因特网 IP 地址 因而使数据传输暴露 于公网中 实时性依然不能满足重要实时信息的传输 而且可能有 不确定的延时 由于投资 需求 安全等方面的综合因素制约 35 kV 及以下 的配网通信系统目前没有形成较为完善的解决方案 由于投资主体 分散 网络规划各异 建设形式多样 各地配网通信发展不平衡 光缆总体覆盖率很低 13 个网省公司的部分城市开展了配网自动化 试点建设 公司系统具备远程通信功能 实现了二遥或三遥功能的 开关数量仅占 8 9 亟需明确配网通信建设策略 统一功能规范 形成完善解决方案 进一步创新业务模式和盈利模式 发挥配网通 信平台的潜在效能 因此研究通信系统规划如何与城市数字化配电网规划 建设 改造配套和协调统一发展 研究数字化配电网管理系统 主要是城 市变电站自动化 配电网自动化协调和继电保护控制系统 营销和 需求侧管理业务系统等 对通信的需求 提出数字化配电网集成的 通信解决方案 研究在数字化配电网中采用光纤 PLC 无线等技术 合理性和经济性分析 不同技术方式的数据安全性是当前配电网通 中国电力科学研究院硕士学位论文中国电力科学研究院硕士学位论文 7 信规划的主要任务 1 41 4 研究思路研究思路 本次研究首先分析国内外数字化配电网通信系统发展现状 根 据我国负荷快速发展的实际情况和 两型 社会建设要求 提出配 置合理配电网通信系统的必要性 研究内容主要有以下几点 1 数字化配电网基本组成和对通信的需求 2 数字化配电网通信基本架构研究 3 通过对数字化配电网所需信息量的评估 配网通信的规 划流程 配网通信技术优选等方面的分析 为配电网中选 用何种通信方式 如何建立优化的配电通信网提供理论依 据 在配网信息量的评估上 主要研究数字化配电网所需 信息的类型 总量等 并对于配网将要达到不同监控程度 所需要信息量进行相应的分类总结 4 针对主流配网通信技术进行优选 主要针对两个方面分析 一是对已有技术的评估 二是紧跟通信发展的新技术 尝试将一些 新的技术引入配网通信中 比如 WSN wireless sensor network 无线传感器网络等技术 并对新技术的使用进行评价 5 最后按照自建和租赁两种方式分析典型数字化配电网通信网 建设模式 中国电力科学研究院硕士学位论文中国电力科学研究院硕士学位论文 8 中国电力科学研究院硕士学位论文中国电力科学研究院硕士学位论文 9 第二章 数字化配电网和通信特点第二章 数字化配电网和通信特点 2 12 1 数字化配电网的特点数字化配电网的特点 1 数字化配电网监控范围广 包括开闭所 配电所 出线开关 分段开关 联络开关 重合器 环网柜 柱上开关 箱式变 小区 变 公用配变 故障指示器 补偿电容器等 2 设备多 测点多 覆盖面广 总信息量大 测点容量小 配 电网受扩容 城建影响大 配电网网络接线变化频繁经常需要根据城 市建设和改造的要求进行线路改造工作 经常需要在线路上进行业 扩报装工作 3 随着用电负荷密度的增长 城市终端变电站的数量将逐渐增 加 变电站的供电半径将逐渐减小 2 22 2 数字化配电网的控制管理系统的组成与主要功能数字化配电网的控制管理系统的组成与主要功能 数字化 智能化配电网即通过先进的计算机技术 数字系统控 制技术和宽带网络通信技术实现了对配电网运行的全面 高效 精 确的掌控 是对电力系统 通信系统和信息系统的高度集成 简单 来说就是实现从变电到用户用电全程的监视 控制和管理综合自动 化管理系统即数字化 智能化的配电管理系统 DAS 近阶段 我 国的一个完善的数字化配电网管理系统应具备以下功能子系统 1 配电自动化 Distribution Automation DA DA实现的是配电 中国电力科学研究院硕士学位论文中国电力科学研究院硕士学位论文 10 网中最基本和最重要的自动监控功能 DA不仅包括变电站自动化和 馈线自动化 还包括很重要的无功和电压调控等功能系统 1 配电变电站自动化 Substation Automation 一SA SA 是指将对配电变电站内的监测 保护 控制及信息传输有机 综合而成的一个自动化系统 可提高变电站运行的可靠性 提高劳动 生产率 简化系统 减少变电站占地面积 降低造价 减少维护工作量 变电站自动化系统还往往是馈电线自动化中信息传递与处理的工作 主站 也是执行调度端下达命令的工作子站 当今 SA系统因其完备 的功能 有别于过去的功能各自独立和相互元信息交换的变电站监 控系统 而被称为变电站综合自动化 在配电网的低压网络中 有若 干配电变压器 其参数的远方监视和补偿电容自动投切 可视为 SA 的特殊形式 2 馈线自动化 Feeder Automation FA FA广义上包括配电网高压 中压和低压三个电压等级的线路自 动化 对于高压配电线路 其负荷一般是二次降压变电站 中压配电 线路其负荷可能是大电力用户或配电变压器 而低压配电线路 其负 荷则是广大的用户 各电压等级馈线自动化有其自身的技术特点 特 别是低压馈线 从结构到一次 二次设备和功能 均与高 中压馈线 有很大区别 目前论述FA 是指中 高压的馈线自动化 特别是指中 压FA 在我国尤其是指1OKV 馈线 故通常所指的FA主要是指此范围 FA的功能主要为运行状态监测 对馈线的远方与就地控制 馈线故障 后实现对故障区的定位 隔离 负荷转移和恢复供电 以及无功补偿 中国电力科学研究院硕士学位论文中国电力科学研究院硕士学位论文 11 和调压 3 DFACTS 技术 应用于输电系统的柔性交流输电系统 FACTS 技术 近年扩展 到配电网 故称为 DFACTS技术 这是一大类电力电子技术在配电网 中的应用 目前主要指固态断路器 SSB 静态调 相器或静态无功 补偿 STATCOM 动态电压恢复器 DVR 谐波抑制装置等 DFACTS 技术的推广使用必将引起配电网自动化更新更高层次的发展 4 远方抄表系统及其他配电自动化技术 2 配电网实时数据检测与监控系统 Supervisory Control and Data Acquisition SCADA 配电网的实时数据检测与监控系统 是DMS实现自动化管理的基 础 在电力系统中 SCADA系统均是通过通信系统传送信号 配电网 中的SCADA 既包括配电变电站中的 RTU 与调度端的主站 Master Station MS 之间实时数据的传送 接收与处理 还包括沿馈电线装 设的FTU TTU的信息传送 接收与处理 3 配电网地理信息系统 Geographic Information System GIS 地理信息系统能准确地给出事物的地理位置 将GIS引入配电网 中应用 是DMS的重要特点之一 因为配电网的设备多而分散 网络 节点多 且网络走向与城镇建筑 街道等地理信息关系密切 将自动 绘图 Automatic Mapping AM 与设备管理 FacilityManagement FM 功能建立于 GIS 平台上 形成一个AM FM GIS 系统 可以更方便 更直观地对配电网进行运行管理 该系统离线应用时 不但可以表明 中国电力科学研究院硕士学位论文中国电力科学研究院硕士学位论文 12 网络内设备的状态 还可与 SCADA配合 通过着色等方法的在线应用 显示配网潮流 电压分布 故障位置等 此外 GIS具有辅助配电网 发展规划设计的功能 借助 AM FM GIS系统 可以实现用户信息系统 停电管理系统等特殊功能系统 4 配电网的负荷管理 Load Management LM 在DMS系统下的负荷管理是指根据用户的用电量 电价 气候条 件等因素进行综合分析 制订负荷控制策略和计划 对集中负荷进行 监视 管理与控制 此外 还有估计负荷的预报模型和控制方案评价 研究的功能 可以认为 LM是DMS系统面对负荷的各种预报 监控 管理功能的综合 5 配电网的应用软件 这里所指的是处于配电网调度层的分析软件组 常称为电力系统 软件 Power ApplicationSoftware PAS 这包括若干保证安全可 靠供电 潮流计算 分配负荷 优化电压 无功的多种应用软件 这 一大类软件又可分为基本应用软件与派生应用软件 前者如潮流计 算 网络拓扑分析 状态估计 短路电流计算 电压元功控制 负 荷预报等 后者如网络重构 变电站负荷分配 馈电线负荷分配 按 相平衡负荷等 此外还有专用应用软件 如小区负荷预报 投诉电话 热线处理 设备管理等 6 需方用电管理 Demand Side Management DSM 需方用电管理含有控制与自动化的内容 更多的是一种管理 但 不同于前述的负荷管理 DSM 是指电力供需双方通过电力市场实现 中国电力科学研究院硕士学位论文中国电力科学研究院硕士学位论文 13 密切配合 建立一个良好的生产与消费的关系 达到提高供电可靠性 减 少能源消耗及供需双方的费用支出的目的 DSM包括负荷管理 用电 管理 抄表系统 需方发电管理等内容 可见 DSM比LM涉及范围广 LM的进一步发展是DSM DSM 与LM的区别在于 DSM要求用户有效参与 而 在LM方式下 用户是被动的 对于数字化配电网管理系统的功能 归纳起来 不外乎是根据安 全监视 控制和保护三个基本功能要求 通过信息 可靠性 经济性 电压与负荷共五个管理过程 及其相互独立又互有联系的过程功能来 体现 任一具体的自动化系统往往由两个或两个以上管理过程结合 来完成 例如电压 无功控制功能就由信息管理提供信息 电压管理 给出控制手段 经济性管理给出控制指标 三者结合完成相应功能 在这里信息的准确及时采集和可靠稳定的传递是一切功能实现的基 础 而通信系统就是实现这一目标的基石 2 22 2 数字化配电网管理系统发展趋势数字化配电网管理系统发展趋势 由于数字化配电网的发展变化 与之相对应的数字化配电网管 理系统也有新的发展 1 管理规模逐步扩大 网络越来越复杂 2 DA 方案由自动分段 重合器向电流型 集中控制发展 3 配电自动化系统基本模式分层控制得到确认 4 管理的功能由单一配电 SCADA 向 SCADA DA DMS DG 分 散发电 DSM 需方用电管理 电网效益和实用的配网规划工具综 中国电力科学研究院硕士学位论文中国电力科学研究院硕士学位论文 14 合管理系统发展 5 AM FM GIS 配电管理向 SCADA DA 一体化发展 6 一次设备 FTU 由进口逐步国产化 7 一次 二次系统逐步统一向智能化开关发展 总体上来说 目前这一阶段的数字化配电网管理系统应实施的 单项功能大体如下 1 SCADA功能 2 变电站自动化SA Substation Automation 3 馈线自动化FA Feeder Automation 4 自动绘图 设备管理 地理信息系统AM FM GIS 5 配电系统高级应用软件 DPAS 包括网络拓扑NT 状态估计 SE 潮流计算PFC 负荷预报LF 短路电流计算SCC 电压无功VQ 培训仿真DIB等 6 配电工作管理DWM Distribution Work Maagment 7 故障投诉TC Trouble Caning 8 用户信息系统CIS Consumer Infomation System 9 负荷管理LM Load Management 10 远方抄表系统AMR Automatic Message Recording 对上述单项功能 我们习惯将其中变电站自动化SA和馈线自动化 FA两项功能合称为配网自动化 DA 实际上亦就是配电自动化的基本 功能 或可称为配电自动化的基础 而负荷管理LM和远方抄表系统 AMR等通称为配电需求侧管理 DSM Demand Side Mamgep mmt DA 中国电力科学研究院硕士学位论文中国电力科学研究院硕士学位论文 15 和DSM 再以SCADA系统为基础 加上 DPAS以及以AM FM GIS为平台的 其他管理功能 便组成了集管理和控制功能于一体的综合系统 这就 是配电网管理系统 DMS 也是数字化配电网近阶段要实现的主要 功能 下图所示是配电管理系统组成的示意图 从图可以看出 DMS 系统的各子系统均为相对独立的计算机应用系统 它们通过通信系统 互联成为一个整合系统 综上分析 我们可以把数字化配电网分为三 个部分 配电管理系统 DMS 配电自动化系统 DAS 和配电需求侧管 理 DSIU 系统 该系统对配网一次设备的信息取量应遵循以下原则 1 有助于配电网运营部门真实掌握 分析配电网和设备的运行状 况 2 当事故发生时 能简捷 明了地反映配电网变化 有助于配电 运营人员判断事故原因 并据此采取相应措施 3 有助于运行人员 规划人员等积累数据 掌握配电网和设备的 中国电力科学研究院硕士学位论文中国电力科学研究院硕士学位论文 16 变化趋势 4 根据设备及运行的具体需求情况 可以对信息量进行适当的选 择和调整 根据以上特点 决定了数字化配电网管理系统具有如下典型特 点 1 监控对象 用户电表 配电变压器 分段开关和联络开关 数量多 安装地点分散 一个监控点常常只有一台设备 信息量小 2 监控对象室外安装 运行环境条件恶劣 3 配电网的发展有一定的不可预见性 其拓扑结构和运行方式 总是处于经常变更的过种中 因此数字化配电网的通信网的拓扑结 构和运行方式也应该能够适应这种经常变更的要求 2 32 3 数字化配电网管理系统对通信系统的主要需求数字化配电网管理系统对通信系统的主要需求 根据典型配电网的特点和数字化配电网管理系统要实现的目标 一个数字化配电网通信规划的设计主要取决于相应配电网的规模和 要求实现的具体希望水平 由于数字化配电网系统拥有众多的配变 用户变 箱变 开闭所 配电变压器 柱上开关 分段开关 并联 补偿电容器 用户电能表和重要负荷等电气设备 站点一般会有成 百上千甚至上万个之多 地域分布广 种类多 运行状态复杂 自 然环境恶劣 要对这些设备进行实时监控就需要安装大量的 RTU FTU DTU TTU 等终端设备 规模较大的配电网还要配置子站 因此 数字化配电网的通信信息有如下特点 中国电力科学研究院硕士学位论文中国电力科学研究院硕士学位论文 17 1 通信节点数量相对较大 数字化配电网涉及大量自动输电和自动配电系统以及大量的用 户 要对这些用户和设施进行监测需要配备大量的配电终端等监测 设备 并将其接入配网系统 涉及到的通信结点数量极大 2 通信节点间距离短 配电设备分布有其特殊性 线路上负荷开关之间的间隔短的仅几 百米 开闭所内开关距离仅几米 变电站和开闭所之间几百米到几 公里 3 每个通信节点的数据量小 配网自动化设备绝大多数是对单一配电设备进行监测和控制 每 一配电设备所需要监测和控制的点数量很小 最小的只有 1K 字节 通信系统是建设配电自动化系统的关键技术 通信系统的好坏 从很大程度上决定了自动化系统的优劣 配电自动化要借助可靠的 通信手段 将控制中心的控制命令下发到各执行机构或远方终端 同时将各远方监控单元 FTU TTU 所采集的各种信息上传至控制中 心 配电网通信系统与输电网的大不相同 其终端接点数量大 种 类多 寻址达百万次 但通道距离相对短 效率要求相对较低 而 且配电自动化系统涉及的功能众多 从自动抄表 负荷控制 馈线 开合 到变电站综合自动化等因此 配电网通信系统应满足以下需 求 1 通信的可靠性 配电网的通信系统应能抵抗恶劣的气候条 件 如雨 雪 冰 雹 狂风和雷阵雨 还有长期的太阳紫外线照 射 通信系统应能抵抗强电磁干扰 如间隙噪声 放电 电晕 或 中国电力科学研究院硕士学位论文中国电力科学研究院硕士学位论文 18 其他均线电源的干扰 以及闪电 事故或开头操作涌流产生的强电 磁干扰 停电区和电网故障时的通信能力是严重影响通信可靠性的 一个重要因素 必须加以考虑 2 效能费用比 在追求通信技术先进性同时 应考虑通信系 统的费用 选择费用和功能及技术先进性的最佳组合 追求最佳效 能费用比 通信系统一味追求先进性 追求多功能 其高投资很可 能会抵消其在配电自动化带来的效益 在计算通信系统费用时 除 了初期投资外 还应考虑将来运行和维护费用 3 配电通信的实时性 数字化配电网系统是一个实时监控系 统 必须满足实时性 正常情况下 配电网调度控制中心能在 3 5s 内能更新全部 ETU FTU 的数据 因此必须选择合适的通信带宽以及 通信网结构方式 配电网发生故障时 控制中心和 FTU 之间有比平 时更多的数据需要交换 因此在通信系统设计时 除了要考虑正常 情况下实时数据的刷新速率要求外 还必须考虑电网故障时 FTU 快 速及时地传送大量故障数据的需要 不管是主站一级的通信还是现 场控制器一级的通信 除了数据的上送还有控制命令的下发 因此 数字化配电网的通信系统必须具有双向通信的能力 具有半双工或 双工的能力 4 停电和故障时的通信能力 正当的调度操作或馈线自动化 的故障隔离 恢复供电功能 要求能通过通信系统对停电区的开头 进行操作 用电力线作通道的通信方式 如配电线载波 这时就会 遇到困难 另一需要注意的问题是停电区的 FIU 或其他现场监控通 中国电力科学研究院硕士学位论文中国电力科学研究院硕士学位论文 19 信设备 需要有备用电源 如电池或其他能源 5 使用和维护的方便性 数字化配电网通信系统包括发送器 接收器和数据链 是一个很复杂的组合 因此应尽量选择具有通过 性标准化的设备 便用使用和维护 6 可扩充性 通信系统除了能满足目前的需要 还应考虑将 来增长的需要 因此规划时应考虑足够的容量以及系统的开放性要 求 中国电力科学研究院硕士学位论文中国电力科学研究院硕士学位论文 20 第三章第三章 数字化配电网通信网络架构研究数字化配电网通信网络架构研究 3 23 2 数字化配电网管理系统的基本架构数字化配电网管理系统的基本架构 如前所述 数字化配电网的主要特点是数据量庞大 网络结构复 杂 由于面对用户 网络运行方式变化多而快 要求处理问题及时 这 些特点直接影响数字化配电网管理系统的结构 当今 我国的数字 化配电网管理系统多按下述原则考虑其结构 1 配电网管理系统通常都设计成开放的积木式结构 这样考虑 的优点是可以采取分期实施的策略 在系统建设初期 可以先控制在 适当的规模和实现基本的功能 然后根据需要逐步扩充容量和全面实 现预期功能 这样 既能较快地见效 便于实施 又不使规划远景受 影响 2 当前的配电网系统结构多分为三个层次 即调度中心 地区电 网管理中心 分散现场操作区 馈电网络区域 见下图 中国电力科学研究院硕士学位论文中国电力科学研究院硕士学位论文 21 3 33 3 数字化配电网通信系统架构设计原则数字化配电网通信系统架构设计原则 根据数字化配电网的特点和上文分析的通信技术选择结果 数 字化配电网通信系统结构也必须是一个分区分层的结构 同时 该 结构应满足以下几点基本原则 1 配网通信系统结构应和配电管理系统应用功能紧密结合 将多 种通信方式进行合理搭配 以取得最佳的性能价格比 满足配电管 理系统的整体性能指标要求 2 配网通信系统的结构设计应具有先进性 实用性 可靠性 可 扩展性 3 配网通信系统主干通信网的结构设计应和配网管理系统的计算 机网络系统结构相结合 拓扑结构应路径最短 涵盖配电终端范围 最大 具有较好的扩展性 4 非主干通信网的设计应和配电自动化站端系统相结合 在满足 配电自动化整体性能指标和通信可靠性的基础上适当提高通信速率 3 43 4 数字化配电网通信系统路由规划数字化配电网通信系统路由规划 如前所述 数字化配电网通信系统应呈层次性结构 可分为若 干区域子网 终端数据首先在子网内汇集 根据不同网络结构 数 据路由可分为以下几种情况 透明传输 透明传输指数据在源与目的通讯节点之间传输是直接的 没有 经过数据解包重组和重定向的过程 中国电力科学研究院硕士学位论文中国电力科学研究院硕士学位论文 22 透明传输又可分为直接传输和中继传输 直接传输是点对点传 输 中继传输是在发送端与接收端之间存在一个或多个中继传输节 点 中继传输时需考虑传输中继点最少和传输距离最短的原则 重组转发 在汇聚传输层 测控终端数据在通信子站或通信控制器集中 通信子站将接收到的数据 根据数据类型和优先级 重新组帧 向 主站或核心传输层传送 另一方面 通信控制器接收主站控制命令 和数据 根据地址和命令的优先级 向接入层设备转发 近年来的工程实践和大量的实际用户使用经验证明 配电终端 数据应尽可能采用透明传输的方式 即配电网应用层数据直接从末 端节点上送配电调度中心 该方式不需设立配网子站 省去了配网 子站的中间数据处理环节 并减少了相应的维护工作量 在该方式 下 配电终端对配电调度中心是透明的 配电管理系统可以更及时 准确的得到各种信息并作出最快的反映 以满足数字化配电网的需 求 而采用透明传输 就要求配电终端到配电控制中心的各环节使 用同一种传输协议 而目前最好的通信协议为 TCP IP 协议 TCP IP 协议分别定义于传输层和网络层 与具体的通信媒体 介质和底层 协议无关 因而可以构造在不同类型的通信方式上 组成一个 ALL IP 的通信网络平台 3 63 6 数字化配电网通信系统结构数字化配电网通信系统结构 根据上述分析 本文认为数字化配电网通信网络结构应为一个四 中国电力科学研究院硕士学位论文中国电力科学研究院硕士学位论文 23 层的透明传输方式的网络 根据通信系统的常用设计原则 可简单 划为应用层 核心层 汇聚层和接入层四层 每层根据当地目前通 信网络情况 可以采用相同或不同的通信技术及设备 以满足配网 管理系统的需求 数字化配电网通信网架 3 6 13 6 1 应用传输层应用传输层 实现电力公司 主站系统 内部间各计算机系统 工作站 配网自 动化各类管理系统之间的通信 是是配电通信网传输信息的最终应 用部分 实现功能 中国电力科学研究院硕士学位论文中国电力科学研究院硕士学位论文 24 针对配网通信系统传输上来的各类配网信息进行处理和应用 并下 发各类控制信息 用于配网各类设备的控制和管理 通讯方式 他们一般通过局域网相连 它们相互之间的通信为用户级通信 该 类信息主要通过调度中心内部通信网络实现 多采用 LAN 技术 双 绞线连接 采用 TCP IP 协议传输 多用 RS232 接口 本文不做专门 讨论 3 6 23 6 2 核心传输层核心传输层 主站级通信 主站级通信 实现主要信息汇集节点的数据传输 是配电通信网传输的核心 部分 一个完整的配电管理系统主要包括配电自动化主站 配电自 动化子站 远方监控单元三个部分 主站和主站间 主站和子站间 通信有共同特点 所传递的信息类型相似 其中一方必为计算机系 统 另一方为计算机系统或其他监控单元 该层通信系统的另一个 特点是各节点间通信距离比较远 可能为几公里 甚至几十公里 实现功能 配电调度中心与管辖的子站 变电站之间的数据交换 子站与变电站之间的数据交换 配电主 子 站系统和调度自动化系统之间的数据交换 配电主 子 站系统和变电站综合自动化系统或变电站远方终 端 FTU 之间的数据交换 通讯方式 由于通信距离较远 传输信息量较大 该层各节点间多采用双 中国电力科学研究院硕士学位论文中国电力科学研究院硕士学位论文 25 向光纤环网联接 是核心传输层的主要组成部分 核心传输层连接配网中的配电调度中心 配电区域控制中心 变电站以及各通讯子站 是配电通信网传输的核心部分 网络结构 为光纤环形网或网格拓扑 对业务的安全性 网络可靠性要求高 网络节点业务容量大 电路调度频繁 网间业务多以 2M 为规划单位 3 6 33 6 3 汇聚传输层汇聚传输层 子站级通信 子站级通信 汇聚传输层负责将一定区域内的接入设备进行集中上送 该层 的特点是各通信节点间通信距离短 通信采集点多 数据量较小 实现功能 实现通信子站与开闭所内的多介质数据通信控制器的数据交换 子站 多介质通信控制器 和对柱上 FTU TTU 配变监测单元 和 电量计费通信控制器之间的配电数据网络通信 通讯方式 汇聚层的通讯介质种类较多 由于汇聚层由具有重要意义的通信子 站节点 通信集中控制器或其它节点构成 负责一定区域内的上聚 和疏导 要求具有多协议接入能力 必须具备有良好的可扩展性 适应今后网络结构 网络容量的变化 3 6 43 6 4接入传输层接入传输层 现场设备级通信 现场设备级通信 接入层负责接入测控终端 实现功能 中国电力科学研究院硕士学位论文中国电力科学研究院硕士学位论文 26 包括 FTU DTU TTU 等执行配电业务的终端设备 馈线远方终 端 FTU 相互间的通信 配电变压器远方终端 TTU 相互间的通信 以 及 FTU 和 TTU 之间的通信 抄表集中器和用户表计之间的通信等 通讯方式 末端的节点设备应尽可能基于 IP 由于末端结构易变 发展迅 速 要求节点具有强大的组网能力 多介质数据通信网 实现汇聚传输层和接入传输层的功能 即 监控设备数据的汇集与传输 接入层传输网节点数目多 扩容频繁 单个节点的业务量相对较小 对网络的可扩展性和设备性能价格比 要求较高 由于位于网络末端 设备体积要求小 配置灵活 具有 多业务传输能力 中国电力科学研究院硕士学位论文中国电力科学研究院硕士学位论文 27 第四章第四章 数字化配电网通信网络传输方式选择数字化配电网通信网络传输方式选择 4 14 1 数字化配电网的通信需求分析数字化配电网的通信需求分析 从第2章数字化配电网管理系统的主要功能来看 配电网管理系 统所需的数据可分成两种主要类别 1 静态数据或 结构性数据 该类数据说明了配电网有形的固 定资产 由3个方面构成 电网及控制设备的规格的技术数据 在电网 显示图及地图上的地理数据 用户运行数据 如电网接线 负荷模型等 2 动态数据或 配电过程性数据 该类数据是根据配电过程的 事件而来的 需要连续不断地更新 由5个方面构成 来自RTU FTU的 遥信数据和遥测抄表 现场工作班的信息 事故数据 工作计划数据 用户接口数据等 这两类数据的主要来源如下 1 静态款据或结特性数据 1 技术数据包括5个方面 电力设备规格 如中压及低压变压 器 线路 电容器及电抗器的特性 电网拓扑结构数据及连通性模 型 变电站显示 包括变电站设备之间的联系及地图上的联系 控 制设备特性 遥控和动态数据采集之间的遥信联系 2 地理数据包括两个方面 关于变电站数据显示和地形图的 电网示意图显示 地形图 如农村和城市中心部分的地图 公路地 图 行政区域等 中国电力科学研究院硕士学位论文中国电力科学研究院硕士学位论文 28 3 用户数据 包括用户地址和电网的接线 电话号码 合同 用电特性等 2 动态数据或配电过程性数据 这类数据分两种类型 自动采集的数据和通过人工操作采集的数 据 1 自动采集的数据 分为远方记录读数和通过远方终端装置采 集的数据总共分为两类 远方记录读数 指来自主变电站的记录读 数和用户表计读数 通过远方终端装置采集的数据 包括固定在中 压主变电站的模拟数据 测量有功和无功功率 馈线电流和相电压等 和 变电站 配电网的遥信信号 断路器和开关状态的拓扑结构数据 变 电站控制设备状态 继电器运行和故障检测器带电状态等电力设备 状态等 2 通过人工操作采集的数据 现场班组数据 断路器及开关 状态 故障定位等 包括中压及低压 故障管理 故障特性 估计 停电时间 在进行工作的现场班组 受影响的用户等 计划停电 管理 修理 维修 接入设备等 工作特性 需要的切换操作 估计 的进度表 进行工作的现场班组 受影响的用户等 来自用户的 故障报修 根据这些数据的特点和来源 数字化配电网通信系统需要承载 的数据主要是自动采集的配电网动态数据或配电过程性数据 主要 指以下几类数据 其他