大規(guī)模源網(wǎng)荷友好互動系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案研究

楊 鑫，錢君霞，徐春雷，霍雪松，陳向東，馬鴻娟，顧艷莉

（1.江蘇科能電力工程咨詢有限公司，南京 210036；2.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司，南京 210024）

0 引言

“十三五”期間，隨著特高壓交直流電網(wǎng)的快速發(fā)展，我國電網(wǎng)系統(tǒng)資源優(yōu)化配置能力將顯著提升。在特高壓電網(wǎng)建設(shè)的過渡期，電網(wǎng)“強直弱交”矛盾突出，一旦特高壓直流發(fā)生故障，將導(dǎo)致華東電網(wǎng)頻率穩(wěn)定受到嚴(yán)重威脅。因此，迫切需要創(chuàng)新思路，研究高可靠性、高安全性的保護控制技術(shù)，構(gòu)建大電網(wǎng)安全綜合防御體系[1-2]。

2016年，國網(wǎng)江蘇省電力有限公司響應(yīng)國家電網(wǎng)有限公司華東分部號召，率先啟動了江蘇大規(guī)模源網(wǎng)荷友好互動系統(tǒng)試點建設(shè)，該系統(tǒng)遵循電力系統(tǒng)實時平衡規(guī)律，從電網(wǎng)事故應(yīng)急處置、需求側(cè)管理等控制要求出發(fā)，應(yīng)用計算機、光纖、4G通信技術(shù)，提升發(fā)電響應(yīng)效率，細(xì)化可中斷負(fù)荷控制類型，實現(xiàn)了“電源-電網(wǎng)-負(fù)荷”三者之間的友好互動和快速協(xié)調(diào)，提升了電網(wǎng)運行彈性，保障了電網(wǎng)安全、可靠、高效運行。同年12月，國家電網(wǎng)有限公司在蘇州組織召開了經(jīng)驗討論會并向國調(diào)中心報送了《關(guān)于精準(zhǔn)切負(fù)荷可中斷負(fù)荷典型經(jīng)驗討論會情況的匯報》（國調(diào)中心呈報[2016]055號），文件高度評價了國網(wǎng)江蘇公司試點工作的成效，明確精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)是公司系統(tǒng)應(yīng)用負(fù)荷側(cè)控制資源提升電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制能力的實踐創(chuàng)新，意義重大，要求相關(guān)單位在借鑒江蘇經(jīng)驗的基礎(chǔ)上不斷總結(jié)完善，進(jìn)一步豐富系統(tǒng)內(nèi)涵，擴大實施范圍[3-5]。

2017年3月，國網(wǎng)公司信通部在國網(wǎng)江蘇公司試點建設(shè)基礎(chǔ)上，組織制訂了《精準(zhǔn)負(fù)荷控制通信系統(tǒng)建設(shè)指導(dǎo)意見（試行）》（信通通信[2017]33號文），該意見結(jié)合精準(zhǔn)負(fù)荷控制業(yè)務(wù)需求分析和通信網(wǎng)現(xiàn)狀，從系統(tǒng)建設(shè)方案、專業(yè)支撐保障、業(yè)務(wù)帶寬測算等方面對系統(tǒng)通信通道和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了指導(dǎo)和規(guī)范，要求相關(guān)單位及時進(jìn)行執(zhí)行效果和經(jīng)驗總結(jié)分析，提出更新補充和滾動完善的意見建議，對各地區(qū)建設(shè)精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)提供了強有力的支撐，對精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)的建設(shè)提供支撐保障。

1 系統(tǒng)建設(shè)模式

本文針對江蘇大規(guī)模源網(wǎng)荷友好互動系統(tǒng)的實際建設(shè)需求，從網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架、組網(wǎng)方式、網(wǎng)絡(luò)通道、安全防護等方面，詳細(xì)介紹了毫秒級精準(zhǔn)切負(fù)荷系統(tǒng)和秒級精準(zhǔn)切負(fù)荷系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案，目前該系統(tǒng)已在江蘇電網(wǎng)投入實際運行[6]。

江蘇大規(guī)模源網(wǎng)荷友好互動系統(tǒng)根據(jù)大電網(wǎng)發(fā)生嚴(yán)重故障下負(fù)荷緊急控制的不同要求，分為毫秒級精準(zhǔn)切負(fù)荷系統(tǒng)和秒級精準(zhǔn)切負(fù)荷系統(tǒng)。針對頻率緊急控制要求，毫秒級控制系統(tǒng)第一時限快速切除部分可中斷負(fù)荷，可有效抑制電網(wǎng)頻率下降；根據(jù)需求側(cè)管理目標(biāo)，秒級控制系統(tǒng)第二時限切除部分可中斷負(fù)荷，解決電網(wǎng)潮流越限和系統(tǒng)備用不足等問題，實現(xiàn)發(fā)用電平衡[7-9]。

秒級精準(zhǔn)切負(fù)荷網(wǎng)絡(luò)分為營銷控制大區(qū)網(wǎng)絡(luò)和管理信息大區(qū)網(wǎng)絡(luò)。其中，營銷控制大區(qū)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)用戶側(cè)電網(wǎng)安全指令的秒級響應(yīng)，構(gòu)建用戶側(cè)至主站端負(fù)控快速響應(yīng)系統(tǒng)的傳輸通道。管理信息大區(qū)網(wǎng)絡(luò)則實現(xiàn)與現(xiàn)有信息網(wǎng)的邏輯隔離，分配專用的網(wǎng)絡(luò)流量資源，用于支撐主站端負(fù)控采集系統(tǒng)與用戶側(cè)負(fù)荷終端用電信息等數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

毫秒級精準(zhǔn)切負(fù)荷網(wǎng)絡(luò)則提出了一種適應(yīng)大規(guī)模、多類型負(fù)控終端毫秒級響應(yīng)的分層分區(qū)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架。骨干層采用基于SDH（同步數(shù)字體系）光傳輸網(wǎng)的2M專用通道通信，接入層采用專用光纖、無線4G、光電實時轉(zhuǎn)換等多種通信接入技術(shù)，實現(xiàn)了普通工業(yè)用戶、燃煤電廠可中斷輔機、翻水站、儲能電站等多類型可中斷負(fù)荷的可靠接入，解決了海量負(fù)控終端接入的困難和難以毫秒級響應(yīng)控制命令的難題。

2 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案

2.1 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

2.1.1 秒級精準(zhǔn)切負(fù)荷網(wǎng)絡(luò)

秒級精準(zhǔn)切負(fù)荷網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)置采用主站層、核心（匯聚）層、接入層及終端層4個層次。控制指令等數(shù)據(jù)信息經(jīng)核心（匯聚）層傳輸，在主站層秒級精準(zhǔn)切負(fù)荷系統(tǒng)及終端層大用戶控制終端之間交互。

江蘇電網(wǎng)秒級精準(zhǔn)切負(fù)荷系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分布如表1所示，網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架如圖1所示。

表1 江蘇電網(wǎng)秒級精準(zhǔn)切負(fù)荷系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分布

2.1.2 毫秒級精準(zhǔn)切負(fù)荷網(wǎng)絡(luò)

毫秒級精準(zhǔn)切負(fù)荷網(wǎng)絡(luò)采用分層分區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計，架構(gòu)設(shè)置采用控制中心站、控制主站、控制子站及控制終端4個層次。控制中心站與江蘇省調(diào)D5000（智能電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)）、華東協(xié)控總站等進(jìn)行信息交互。

控制中心站上傳江蘇地區(qū)可中斷負(fù)荷容量至協(xié)控總站，接收協(xié)控總站切負(fù)荷容量指令；各地市控制主站上傳所轄地區(qū)可中斷負(fù)荷容量至控制中心站，接收控制中心站切負(fù)荷命令；控制子站將可中斷負(fù)荷分層級上傳至對應(yīng)控制主站，接收對應(yīng)控制主站切除層級命令；大用戶負(fù)控終端、燃煤電廠可中斷輔機終端及翻水站、儲能電站控制終端將各自可中斷負(fù)荷容量經(jīng)就近接入變電站上傳至對應(yīng)控制主子站，接收上級切負(fù)荷命令[10-12]。

江蘇電網(wǎng)毫秒級精準(zhǔn)切負(fù)荷系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分布如表2所示，網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架如圖2所示。

2.2 組網(wǎng)方案

表2 江蘇電網(wǎng)毫秒級精準(zhǔn)切負(fù)荷系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分布

2.2.1 秒級精準(zhǔn)切負(fù)荷網(wǎng)絡(luò)

（1）營銷控制大區(qū)網(wǎng)絡(luò)。核心層省-市間采用環(huán)網(wǎng)方式組網(wǎng)，由省公司和13個市公司節(jié)點組成。省公司核心路由器和13個市公司骨干路由器間采用POS（基于SDH的數(shù)據(jù)包接口）互聯(lián)，采用CPOS（基于通道化的POS接口）下聯(lián)所轄變電站；方天公司設(shè)備接入骨干路由器采用POS接口上聯(lián)至省公司核心路由器。

匯聚層根據(jù)業(yè)務(wù)需求在蘇州、南京、徐州3個地區(qū)部署，市-縣間采用星形方式組網(wǎng)，市公司骨干路由器和下轄縣公司匯聚路由器之間采用FE（快速以太網(wǎng)接口）互聯(lián)；采用CPOS接口下聯(lián)所轄變電站。

接入層采用星形方式組網(wǎng)，由13個地市變電站組成，其中，蘇州、南京、徐州3個地區(qū)變電站新增接入路由器采用E1（2M數(shù)字信號接口）上聯(lián)至所在市公司骨干路由器及縣公司匯聚路由器；其余地區(qū)變電站新增接入路由器采用E1接口上聯(lián)至市公司骨干路由器。 變電站三層交換機采用FE接口上聯(lián)至站內(nèi)新增接入路由器，采用GE（千兆以太網(wǎng)接口）下聯(lián)至用戶側(cè)接入交換機。

（2）管理信息大區(qū)網(wǎng)絡(luò)。匯聚層市-縣間采用環(huán)網(wǎng)方式組網(wǎng)，市公司三層核心交換機和縣公司三層匯聚交換機采用GE接口互聯(lián)；市公司三層核心交換機和縣公司三層匯聚交換機采用FE接口下聯(lián)所轄變電站。

接入層采用星形或環(huán)型方式組網(wǎng)，變電站三層匯聚交換機采用FE接口上聯(lián)至所在市、縣公司三層核心交換機和三層匯聚交換機，采用GE接口下聯(lián)至用戶側(cè)接入交換機。

2.2.2 毫秒級精準(zhǔn)切負(fù)荷網(wǎng)絡(luò)

毫秒級精準(zhǔn)切負(fù)荷系統(tǒng)控制中心站、控制主站、控制子站穩(wěn)控裝置均按雙重化考慮，通過2M通道實現(xiàn)控制指令等信息逐層傳輸至控制終端。

控制中心站穩(wěn)控裝置A、B套通過光口與光電轉(zhuǎn)換裝置互聯(lián)，光電轉(zhuǎn)換裝置E1接口經(jīng)華東江蘇傳輸網(wǎng)、省級廠站傳輸網(wǎng)SDH設(shè)備與控制主站對應(yīng)SDH設(shè)備互聯(lián)。

圖1 江蘇電網(wǎng)秒級精準(zhǔn)切負(fù)荷系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架示意

控制主站穩(wěn)控裝置A、B套通過光口與光電轉(zhuǎn)換裝置互聯(lián)，光電轉(zhuǎn)換裝置E1接口經(jīng)華東江蘇傳輸網(wǎng)、省級廠站傳輸網(wǎng)SDH設(shè)備與控制中心站、控制子站對應(yīng)SDH設(shè)備互聯(lián)。

蘇州地區(qū)控制子站穩(wěn)控裝置A、B套通過E1接口與2M轉(zhuǎn)換裝置互聯(lián)，2M轉(zhuǎn)換裝置E1接口經(jīng)該地區(qū)光傳輸網(wǎng)SDH設(shè)備與接入變電站SDH設(shè)備互聯(lián)。

其他地區(qū)控制子站穩(wěn)控裝置A、B套通過光口與155M轉(zhuǎn)換裝置互聯(lián)，155M轉(zhuǎn)換裝置155M光口經(jīng)該地區(qū)光傳輸網(wǎng)SDH設(shè)備與接入變電站SDH設(shè)備互聯(lián)。

用戶、儲能電站、翻水站等控制終端通過裸光纖通道與接入變電站2M轉(zhuǎn)換裝置互聯(lián)，2M轉(zhuǎn)換裝置E1接口與該站內(nèi)光傳輸網(wǎng)SDH設(shè)備互聯(lián)。

燃煤電廠可中斷輔機通過接口轉(zhuǎn)換裝置E1接口與該電廠SDH設(shè)備互聯(lián)，經(jīng)該電廠所屬光傳輸網(wǎng)絡(luò)與所屬地區(qū)控制子站SDH設(shè)備互聯(lián)，控制子站SDH設(shè)備E1接口經(jīng)控制子站電廠專用光電轉(zhuǎn)換裝置光口與控制子站穩(wěn)控裝置A、B套互聯(lián)。

2.3 網(wǎng)絡(luò)通道需求

2.3.1 秒級精準(zhǔn)切負(fù)荷網(wǎng)絡(luò)

（1）營銷控制大區(qū)網(wǎng)絡(luò)。核心層省公司核心路由器和13個市公司、方天節(jié)點的骨干路由器間互聯(lián)，帶寬均按155M計。匯聚層蘇州、南京、徐州地區(qū)縣公司匯聚路由器和市公司骨干路由器間互聯(lián)，帶寬按100M計。縣公司匯聚路由器和市公司骨干路由器下聯(lián)變電站，帶寬按155M計。接入層蘇州、南京、徐州地區(qū)變電站接入路由器上聯(lián)至所在市、縣公司路由器，帶寬按2M計；其余地區(qū)變電站接入路由器上聯(lián)至所在市公司，帶寬按2M計。

圖2 江蘇電網(wǎng)毫秒級精準(zhǔn)切負(fù)荷系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架示意

（2）管理信息大區(qū)網(wǎng)絡(luò)。匯聚層市公司三層核心交換機和縣公司三層匯聚交換互聯(lián)，帶寬按622M計；市公司三層核心交換機和縣公司三層匯聚交換機下聯(lián)所轄變電站，帶寬按100M計。接入層變電站三層匯聚交換機上聯(lián)至所在市、縣公司三層核心交換機和三層匯聚交換機，帶寬按2M計。

2.3.2 毫秒級精準(zhǔn)切負(fù)荷網(wǎng)絡(luò)

協(xié)控總站至控制中心站采用4×2M獨立的2M專用光纖通道；控制中心站至各控制主站、控制主站至各控制子站、控制子站至接入變電站、控制子站至燃煤電廠、接入變電站至大用戶均采用2×2M獨立的2M專用光纖通道。

3 安全防護方案

3.1 秒級精準(zhǔn)切負(fù)荷網(wǎng)絡(luò)

依據(jù)《電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護規(guī)定》要求，營銷控制大區(qū)網(wǎng)絡(luò)采取“安全分區(qū)、網(wǎng)絡(luò)專用、橫向隔離、縱向認(rèn)證”的安全策略，在省公司、13個地市公司配置漏洞掃描系統(tǒng)、網(wǎng)管系統(tǒng)、IDS（入侵檢測系統(tǒng)）；在省公司配置千兆正向物理隔離、千兆反向物理隔離和主站防病毒系統(tǒng)，保證了營銷控制大區(qū)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的安全和可靠運行。

依據(jù)《國家電網(wǎng)公司智能電網(wǎng)信息安全防護總體方案》（國家電網(wǎng)信息[2011]1727號）要求,管理信息大區(qū)網(wǎng)絡(luò)采用遵循“分區(qū)分域、安全接入、動態(tài)感知、全面防護”的安全策略，在13個地市公司配置IDS、千兆縱向防火墻，避免產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，對信息網(wǎng)造成沖擊，影響信息網(wǎng)業(yè)務(wù)的安全和可靠運行[13]。

3.2 毫秒級精準(zhǔn)切負(fù)荷網(wǎng)絡(luò)

毫秒級精準(zhǔn)切負(fù)荷系統(tǒng)控制中心站、控制主站、控制子站裝置通過電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)和江蘇省調(diào)、華東網(wǎng)調(diào)D5000系統(tǒng)通信，在安全防護上，站內(nèi)裝置通過縱向加密裝置接入調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)，確保了各層級站內(nèi)裝置與D5000調(diào)度主站通信的安全性；控制中心站、控制主站、控制子站及接入變電站間采用基于SDH傳輸網(wǎng)的2M專用通道通信，物理層、鏈路層均采用電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制專業(yè)私有協(xié)議編碼進(jìn)行通信，確保了各層級間2M專用通道的安全性；此外，用戶控制終端采用裸光纖匯聚至接入變電站，理論上存在從用戶側(cè)設(shè)備虛報可切負(fù)荷量來攻擊系統(tǒng)的路徑，但調(diào)度D5000系統(tǒng)可實時監(jiān)控可切負(fù)荷總量，即時找出負(fù)荷量異常的用戶，且僅攻擊系統(tǒng)入口端的單個用戶，對整個系統(tǒng)的功能不構(gòu)成實質(zhì)性影響。

4 性能指標(biāo)分析

江蘇大規(guī)模源網(wǎng)荷友好互動系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)必須具備嚴(yán)格的實時性要求，實時性指標(biāo)主要體現(xiàn)在系統(tǒng)的整組動作時間上[14]。

在秒級精準(zhǔn)切負(fù)荷系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)測試中，調(diào)度主站由故障采集到故障、越限判斷的故障信息采集判斷時間為7 s，從調(diào)度主站發(fā)出切負(fù)荷模擬命令到用戶分路開關(guān)實際跳開的用戶終端開關(guān)跳閘響應(yīng)實測時間平均為4.242 s，整組動作時間小于12 s，滿足了秒級精準(zhǔn)切負(fù)荷系統(tǒng)對于可中斷負(fù)荷精準(zhǔn)實時控制能力的時延要求。

在毫秒級精準(zhǔn)切負(fù)荷系統(tǒng)的首次實測演練中，蘇州地區(qū)4組光纖專線用戶從蘇州換流站直流子站發(fā)生故障到可中斷負(fù)荷切除的整組動作時間為：光纖用戶1為196 ms，光纖用戶2為211 ms，光纖用戶 3為 222 ms，光纖用戶 4為 213 ms，均小于300 ms，達(dá)到預(yù)定技術(shù)指標(biāo)。在后續(xù)毫秒級精準(zhǔn)切負(fù)荷系統(tǒng)擴建過程中，在整組動作時間的組成上增加了控制中心站的計算決策耗時以及控制中心站與控制主站之間的通信耗時，根據(jù)工程經(jīng)驗值，控制中心站的計算決策耗時為10 ms，控制中心站與控制主站之間的通信耗時為10 ms，總體耗時增加20 ms，針對光纖用戶，總體動作時限仍然在300 ms的整組動作時間要求之內(nèi)。

由此可知，毫秒級精準(zhǔn)切負(fù)荷系統(tǒng)整體網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架可以滿足《國網(wǎng)信通部關(guān)于印發(fā)精準(zhǔn)負(fù)荷控制通信系統(tǒng)建設(shè)指導(dǎo)意見（試行）的通知》（信通通信[2017]33號文）中對于系統(tǒng)時延需求的要求：毫秒級控制系統(tǒng)相關(guān)處理時間及時延包含故障信息采集及決策時間、通道傳輸時間、用戶站點轉(zhuǎn)接裝置延時時間、分路開關(guān)跳開時間，總體時延要求小于650 ms。

5 結(jié)語

本文介紹了江蘇大規(guī)模源網(wǎng)荷友好互動系統(tǒng)中毫秒級精準(zhǔn)切負(fù)荷系統(tǒng)和秒級精準(zhǔn)切負(fù)荷系統(tǒng)的整體網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案，該系統(tǒng)在江蘇電網(wǎng)的正式投運驗證了其方案的可靠性、安全性及實時性，對江蘇大規(guī)模源網(wǎng)荷友好互動系統(tǒng)滿足華東電網(wǎng)頻率緊急控制對江蘇切負(fù)荷容量分配的要求提供了有力的支撐，為國網(wǎng)公司系統(tǒng)進(jìn)一步豐富精準(zhǔn)負(fù)荷系統(tǒng)的推廣應(yīng)用積累經(jīng)驗[15]。