光纖通信技術在分布式智能微電網研究中的應用

禹鵬 羊冠寶 蔡儒寧 曾揚騁

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光纖通信技術在分布式智能微電網研究中的應用

禹鵬 羊冠寶 蔡儒寧 曾揚騁

海南電網有限責任公司三沙供電局，海南 海口 570203

結合分布式電源的特點，研究了光纖通信技術在分布式智能微電網中的應用。根據變電站系統IEC?61850規約的層次結構和微電網自身的實際情況，建立了三層微電網通信網絡結構。考慮到所設計的通信網絡的安全性，針對中心交換網絡結構，提出了分布式智能微電網網絡通信調度算法的體系結構，以保證傳輸網絡的實時性和可靠性。最后，通過對分布式智能微電網系統的測試和分析，驗證了光通信技術在分布式智能微電網中的有效性。

微電網通信技術；網絡通信調度策略；微電網通信網絡結構；分布式智能微電網通信調度算法

引言

隨著電力信息化技術的進步，微電網與大電網在互動過程中，除了能量交換之外，信息的交換也更加頻繁。光纖通信技術在微電網能量優化管理中起著關鍵作用。微電網通信技術必須具備以下兩個方面的特性。

（1）實時性。微電網應根據故障情況或系統需求在多種運行模式之間快速轉換。（2）可靠性。微電網應準確可靠地獲取設備信息來判斷微電網是否正常運行。

近年來，微電網通信技術的研究得到了快速發展。例如，文獻[1]研究了微電網通信體系結構，設計了一個微電網格框架，包括分層代理傳感器網絡和分布式控制結構。文獻[2]介紹了基于多智能體技術控制系統的自主微電網通信框架的開發，采用實時數字仿真器進行仿真，利用 RSCAD軟件的腳本功能和局域網上的文件共享協議建立必要的通信。

文獻[3]微電網通信網絡性能研究，通過OPNET軟件分析了不同通信技術和傳輸協議下微電網的延遲和吞吐量。文獻[4]評價了無線通信技術滿足特定需求的能力，并提出了一些補救措施。利用OPNET仿真工具，研究了時延和分組丟失對微電網響應主電網干擾能力的影響。文獻[5]微電網通信技術研究提出了基于有線和無線通信技術的混合微電網體系結構，并分析了基于以太網、Wi-Fi和 Bee的微電網端到端延遲性能。

本文主要研究了光纖通信技術在分布式智能微電網中的應用。將IEC?61850規約應用于微電網通信網絡，選擇最優方法實現微電網的協調控制，并設計了一種三層通信網絡結構。結合微電網通信特點，通過應用分析，驗證了有線和無線節點接入微電網的實時性和可靠性。

1 光纖通信在分布式智能微電網應用的優勢

微電網通信主要采用EPON技術。EPON（以太網無源光網絡）具有傳輸帶寬高（2～100 mbps）、傳輸距離長（0～20?km）、網絡結構多樣、擴展方便、功能多樣、操作維護方便、抗干擾能力強等優點，能夠滿足用戶的不同需求。EPON通信傳輸原理如圖1所示。

圖1 EPON通信傳輸原理

光纖通信技術在微電網中的優勢表現如下。

（1）操作維護方便。EPON結構不需要電源，在傳輸過程中沒有電子元件，因此易于鋪設，幾乎不需要維護。

（2）提供非常高的帶寬服務范圍。帶寬隨著以太網技術的發展可以升級到10?Gb/s。PON作為一種點到點技術，節省了資源，可以被許多客戶使用。

（3）網絡可靠性高。在網絡架構中，由于每個用戶設備與局內OLT設備之間并行通信，因此無論用戶設備出現多大的故障，都不會影響其他正常的用戶設備和整個通信系統的運行。

（4）簡潔的網絡拓撲結構。這種優點是使用光譜設備大大簡化了中繼傳輸系統。

2 分布式智能微電網通信網絡體系結構

在本文的通信網絡結構中，微電網通過變壓器和靜態開關與配電網相連，并以分層方式運行。如圖2所示底層為本地控制層，實現了分布式電源和負荷單元的實時監控功能。中間層是集中控制層，負責微電網的并網和離網兩種運行方式的無縫切換以及整個微電網的保護和協調控制。上層是調度管理層，對微電網的發電量和負荷進行預測，實時監測微電網的功率輸出和負荷變化并及時加以優化控制，實現綜合優化的目標。

3 分布式智能微網的網絡通信調度策略

微電網通信的特點是通過CT、PT以及各種傳感器實時采集電壓、電流、有功、無功及溫度等遙測和狀態信息發送到微電網調度控制中心，由微電網調度控制中心向各逆變器發出指令進行調整，通過控制靜態開關改變微電網的運行方式，通過發送指令實時遙控斷路器，確保電網的安全、可靠、穩定運行。

圖2 微電網通信結構圖

考慮通信網絡可能受到來自外部的攻擊，并且當部分網絡被破壞時，其他部分需要保證正常工作。對于中心交換網絡結構，可采用圖3所示的分布式智能微網的網絡通信調度算法，以保證微電網業務傳輸的實時性和可靠性。

圖3 調度算法流程圖

表1 系統的照度和誤碼率

中央交換機的調度器為每個終端創建一個緩存隊列。當不同終端的業務包到達交換機時，它們將被插入到不同的緩存隊列中。設置具有較高優先級的GOOSE消息先傳輸控制和保護信息。當存在要交換的業務包時，優先發送GOOSE消息，以確保實時高優先級消息。在發送高優先級業務包后，發送低優先級信號業務包；通過設置指針，調度器輪詢不同終端的發送緩存隊列，確保每個終端業務包的訪問公平性。當一個終端受損時，不會影響其他終端的業務，從而實現通信網絡的可靠性。

4 效果分析與驗證

微電網通信所產生的數據主要有采樣、控制以及遙信數據。這三類數據對網絡性能如帶寬和延時有不同的要求。采樣類數據按周期發送，對帶寬要求高，對延時的要求較低。控制類數據隨機發送，而遙信類數據則不同，它們在帶寬上要求較低，對時延要求高。

微電網中的采樣數據由電壓、電流互感器及其他傳感器等元件采集，數據通過IEC?61850規約進行通信，一般傳輸速度小于100?Mb/s，具有一定的穩定性、可靠性和快速性。

對于微電網中的控制數據，IEC?61850規約規定控制數據采用面向對象的變電站事件（GOOSE），它支持數據形成公共數據交換。發送/接收機制，其中發送者將其值寫入緩沖區，接收方從緩沖區讀取數據，通信系統負責刷新接收方的本地緩沖區。

采集實時視頻，經解碼轉換成數字信號作為源，通過系統傳輸后，在PC機上顯示發送端采集的實時視頻信息。示波器觀察如圖4所示的接收端的信號波形，信號沒有重疊，具有良好的通信性能。

圖4 微電網光纜通信信號波形圖

對誤碼率、能量傳輸和距離測試進行分析，利用AV5233C型誤差碼表測量了系統的誤碼率，并對滿足分布式電源能量傳輸要求的電源進行了誤差碼檢測。發送端和接收端的實時同步信號在各種情況下表現出良好的通信質量，實現了能量傳輸和通信相結合的功能。

5 結論

本文研究了光纖通信技術在分布式智能微電網中的應用。根據變電站系統IEC?61850規約的層次結構和微電網自身的實際情況，建立了三層微電網通信網絡結構。考慮到所設計的通信網絡的安全性，針對中心交換網絡結構，提出了分布式智能微電網通信調度算法的體系結構，以保證傳輸網絡的實時性和可靠性。通過對微網系統的測試和分析，證明了光纖通信技術在分布式智能微網中應用的有效性。

[1]嚴詩恬. 基于EtherCAT通訊的微電網控制系統的研究[D]. 北京：北京建筑工程學院，2012.

[2]Khadedah，Khaleel，Lakshminarayanan, Venkateswaran， Cai，Niannian, et al. Development of communication interface between power system and the Multi-Agents for micro-grid control[C]// North American Power Symposium，2015：1-6.

[3]Mojaharul Islam，Hong-Hee Lee. Microgrid communication network with combined technology[C]// International Conference on Informatics， Electronics and Vision，2016：423-427.

[4]陸偉. 微網通信無線傳感器網絡鏈路質量預測與控制研究[D]. 合肥：合肥工業大學，2017.

[5]李瑞生，李獻偉，毋炳鑫，等. 交直流混合微電網潮流控制器功能規范研究[J]. 智能電網，2016，4（9）： 934-940.

Application of Optical Fiber Communication Technology in the Distributed Intelligent Micro Grid Research

Yu Peng Yang Guanbao Cai Runing Zeng Yangcheng

Sansha Bureau of Hainan Power Grid Co., Ltd., Henan Haikou 570203

Combined with the characteristics of distributed generation, the application of optical fiber technology in distributed intelligent micro grid is studied. Based on the hierarchical structure of IEC?61850 standard in substation system and the actual situation of micro grid itself, a three-layer micro grid communication network structure is established. Considering the security of the designed communication network, the proposed architecture of the network communication scheduling algorithm for the distributed intelligent micro grid is given for the central switched network structure, in order to guarantee the real-time and reliability of the transmission of micro grid services. Finally, the effectiveness of optical communication technology in distributed intelligent micro grid is verified through the test and analysis in micro grid system.

micro grid communication technology; network communication scheduling strategy; micro grid communication network structure; distributed intelligent micro grid communication scheduling algorithm

TM727；TN929.11

A

禹鵬（1985—），男，本科學歷，工作單位為海南電網公司三沙供電局。E-mail：yupeng@hn.csg.cn。