分布式電源接入通信系統建設研究*

孔為為，劉 龍，胡光宇，欽 佩，劉文貴，吉利峰

（南京南瑞信息通信科技有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

近年來，在智能電網建設和發展中，分布式電源的應用推動了分布式電站接入通信系統的建設。與傳統的大型電站相比，分布式發電更靠近用戶，不需要高壓輸電系統，可以減少基礎設施的投資，且建設速度快、運行成本低，與電網聯合運行還可以大大提高系統的經濟性、安全性和靈活性，滿足能源可持續發展的要求。分布式電源將會成為智能電網建設和發展的重點，因此深入研究分布式電源具有重要意義。

本文結合國內外分布式電源建設現狀，分析國家電網公司分布式電源接入業務需求，研究分布式電源接入通信系統，提出了分布式電源接入通信系統建設方案。

1 業務需求分析

1.1 背 景

自20世紀90年代以來，分布式電源發展迅速，世界上許多國家都把分布式電源作為經濟和社會可持續發展的一個重要突破點。德國分布式電源以光伏發電為主，2013年2月底，其光伏發電裝機3.287×107kW·h，居世界第一位，其中分布式光伏發電系統容量占比近80%。美國的分布式發電以天然氣熱電聯供為主，年發電量1.6×1012kW·h，占總發電量的4.1%。2003年，美國熱電聯產總裝機5.6×107kW·h，2010年達到9.2×107kW·h。日本的分布式電源主要以熱電聯產為主，約占全國總電力的16.7%。日本的熱電聯產發展得益于該國實施的高折舊和初始低稅貸款政策，諸多優惠的財稅政策刺激了投資動機，促進了日本分布式電源的大力發展[1-2]。

截至2012年6月底，我國已并網投產的分布式電源共4 680個，裝機容量1.06×107kW·h。各類分布式電源發電情況見表1。

表1 2012年6月底國內分布式電源發電建設情況

1.2 業務需求

根據國網公司企業標準《Q/GDW677-2011分布式電源接入配電網監控系統功能規范》，分布式電站接入電網須滿足電網調度、營銷等業務需求，其中380V/220V分布式電源只需要滿足營銷業務需求。10kV并網分布式電源業務需求主要包括調度部門電站業務需求和營銷部門業務需求[3-4]。

調度部門電站業務需求包括以下幾個方面：分布式發電站并網狀態（開關位置）、分布式發電站并網點有功功率及無功功率、有功電量及無功電量、功率因數、分布式發電站并網點的電壓、電流和頻率、分布式電站并網點開關遙控、分布式電站無功功率/電壓調節和有功功率調節。

營銷部門業務需求包括以下幾個方面：分布式發電站并網點的電能質量、電壓偏差、電壓波動和閃變、電網諧波、電壓三相不平衡、頻率偏差、間諧波等指標、分布式電源與配電網公共連接點處的正反向電能量。

380 V/220 V并網分布式電源業務需求主要包括營銷部門業務需求、分布式電源與配電網公共連接點處的正反向電能量、并網點電流、電壓、功率，預留上傳并網點開關狀態能力。

1.3 寬帶測算

電能質量監測每條線路采集點3相電壓、電流有效值及其63次諧波值、63次有功和無功諧波功率，共510點遙測數據。按IEC104通信規約分為17幀上送，共需數據量3 774字節。

分布式能源接入按IEC104通信規約每秒上傳1次數據計算，根據每個接入終端點上送32點遙測、16點遙信、1點遙控計算信息量，總數據量444字節。

電表信息包括6點遙測和4點電度量信息。按IEC104通信規約，總數據量202字節，每秒上傳數據1次。

根據上述業務需求，測算10 kV并網接入匯總流量為53.04 kb/s，380 V/200 V并網接入匯總流量為2.424 kb/s，具體測算情況見表2。

1.4 承載業務和實際應用情況

國外分布式發電由于起步較早，早期的通信方式主要采用無線通信和Modem撥號。隨著光纖的普及，PDH、SDH、PON技術逐漸成熟應用，慢慢采用PDH、SDH、PON技術方式進行光纖通信。

表2 分布式電源通信站點流量需求

我國分布式發電由于起步較晚，目前主要采用無線公網和光纖通信方式。其中，10 kV并網接入以光纖通信方式為主，無線專網和中壓電力載波作為一種補充，380 V/220 V并網接入以無線公網方式為主。

目前已并網的分布式電源通信主要承載電網調度、營銷等業務，具體承載業務如表3所示。

表3 目前分布式電源通信主要承載業務

2 配套通信建設方案

2.1 接入技術原則

分布式發電站接入通信設備、線路等不考慮雙重化配置，通道一般按單路配置。分布式發電站側的通信設備型號應與電網側保持一致；配套的電源、配線設備以及相關的運行環境等，按能夠保障通信設備連續、安全穩定運行的要求配置。

在分布式電源密集部署且光纜易于敷設的區域，或在配電自動化光纖網絡已覆蓋的區域，優先選擇EPON傳輸技術方案[5]。在分布式電源相對分散且具備光纖網絡但不宜采用EPON技術的區域，優先選擇SDH傳輸技術方案。在分布式電源相對分散且光纜線路難以敷設的區域，優先選擇中壓電力線載波方案（方案三）；在分布式電源密集且光纜敷設困難的區域，可選擇無線專網方案[6-8]。對10 kV電壓接入的分布式電源，若無控制業務需求，可選擇無線公網方案；對380 V/220 V低壓接入分布式電源，優先選擇無線公網方案。

2.2 EPON傳輸技術方案

根據分布式發電站10 kV送出線路的不同形式，新建分布式發電站接入光纜可以采用ADSS光纜和普通光纜，光纜芯數宜為12～24芯，光纜纖芯均采用ITU-T G.652光纖。

在分布式發電站配1臺ONU設備，利用上述光纜形成分布式發電站至電網側的通信電路，將分布式發電站的自動化等信息接入系統。ONU組網宜具備保護能力，有條件的地區可考慮實現手拉手保護。方案一組網示意圖見圖1。

圖1 分布式發電站接入系統通信方案（EPON）

2.3 SDH傳輸技術方案

在分布式發電站配置1臺SDH光端機，利用方案一所述光纜，建設分布式發電站至接入變電站通信電路，將分布式發電站的自動化信息接入系統，形成分布式發電站至系統的通信通道。方案二組網示意圖見圖2。

圖2 分布式發電站接入系統通信方案（SDH）

2.4 中壓電力線載波

在變電站側配置主載波機，分布式電源側配置從載波機。主載波機依據線路結構對下進行載波組網，并通過載波通信方式將終端數據匯聚至主載波機。載波通信采用一主多從的方式組網，即一個載波主機和多個從機組成一個載波通信網絡，載波主機和載波從機之間采用問答方式進行數據傳輸，載波從機之間不進行數據傳輸。方案三組網示意圖見圖3。

圖3 分布式發電站接入系統通信方案（中壓電力線載波）

2.5 無線專網方案

無線專網涵蓋230 MHz數傳電臺、WiMAX、McWiLL、TD-LTE230等多種技術體制。比較4種技術特點和性價比，根據分布式發電站通信數據傳輸要求，選擇TD-LTE230系統。TD-LTE230無線通信系統主要基于230 MHz頻段進行建設，具有覆蓋廣、傳輸速率高、實時性和頻譜適應性強等特點。與傳統230 MHz數傳電臺相比較，TD-LTE230由于采用蜂窩方式組網，系統組網能力顯著提升，傳輸時延和傳輸效率得到顯著改善；與1.8 GHz等高頻段無線專網相比，TD-LTE230系統具有覆蓋范圍廣的技術優勢[9-10]。

基站需根據實際環境進行選址，無線終端模塊安裝在分布式電源接入終端，與基站之間采用無線方式通信，基站與主站采用光纖方式接入電力通信網實現數據傳輸。

2.6 無線公網方案

無線公網是指租用運營商的GPRS、CDMA等信道，在電源側設備的無線通信模塊加裝SIM卡，實現電網側與分布式電源之間的通信。公司每月需向運營商繳納租用費用，無網絡建設成本。

3 分布式電源多種接入方式的通信建設

3.1 分散接入模式

隨著國家及地方政府對分布式電源的大力推廣和相關補助政策的不斷落實，許多居民已開始自發建設小型分布式發電系統來實現自家電力需求的自給自足或上網賣電。因此，以家庭為單位的分散式接入模式具有一定的市場基礎。目前，小區居民只要前往地方電力公司即可獲得專業的技術支持。小區開發商或物業需進一步為居民提供分布式電源建設優惠或服務支撐，以提升智能小區品牌形象及節能效益。這種家庭式分散接入模式具有一定可行性，系統接入的一次架構一般如圖4所示。

圖4 家庭式分散接入模式一次架構

該架構采用1回線路將分布式光伏接入用戶配電箱或線路，建議接入容量不大于300 kW，8 kW及以下可單相接入，并按照就近分散接入、就地平衡消納的原則進行設計。

該建設模式的優點主要包括接入靈活、無需專線、對配網影響小、小區開發商無需投資和均為用戶自愿行為等。缺點主要包括無法統一調度管理、單位建設成本價格較高、前期設計規劃無法把控和無法滿足小區公共用電的需求等。

可見，它沒有開發商支持，存在一定的建設協調問題。

3.2 集中接入模式

隨著智能小區建設的不斷推進，小區利用可再生能源的比例逐步攀升。由于家庭分散式接入模式的局限性（投資主體眾多，很難統一規劃），如果要提高小區可再生能源的利用比例，樓宇式集中接入模式不失為一個不錯的選擇。樓宇式集中接入的投資主要是開發商或者物業，可再生能源的發電主要用于小區公共用電。通過開發商或物業前期的統一規劃，能更合理地利用可再生能源，實現清潔能源的最大化利用。這種樓宇式集中接入模式具有較好的可行性，系統接入一次架構一般如圖5所示。

圖5 樓宇式集中接入模式一次架構

該架構采用1回線路將分布式光伏接入用戶配電箱或線路，單個并網點參考裝機容量不大于300 kW，采用三相接入，裝機容量8 kW及以下，可采用單相接入。

該建設模式的優點主要包括能夠統一規劃、建設、調度、管理，單位建設成本較家庭式分散接入要低，可以實現小區公共用電采用清潔能源的需求。缺點主要包括統一接入需考慮對配電網的影響和無法滿足部分家庭利用清潔能源的需求。

3.3 混合接入模式

家庭式分散接入模式和樓宇式集中接入模式均有各自的優缺點。為了彌補各自的缺點，提高小區分布式電源接入的靈活性、可靠性、經濟性及可管理性，包含家庭式分散接入模式和樓宇式集中接入模式的混合接入模式應運而生。這種模式不僅能夠實現統一管理、統一調度，豐富分布式電源系統的結構及運行方式，提高分布式電源系統的供電可靠性，還能在滿足小區清潔能源高效利用的同時，滿足部分居民對清潔能源的自主利用。因此，這種混合接入模式具有較強的可行性，系統接入一次架構一般如圖6所示。

該架構中家庭式分散接入可通過1回或多回380 V線路接入公共電網配電箱、配電室或箱變低壓母線，單體容量小于8 kW可單相接入，樓宇式集中接入部分可以1回或多回10 kV線路接入公共電網變電站10 kV母線、T接接入公共電網10 kV線路或公共電網開關站、配電室或箱變10 kV母線。

該建設模式的優點主要包括結構靈活多變，運行方式多樣化，既可滿足小區公共用電采用清潔能源的需求，還可滿足部分家庭利用清潔能源的需求，整個系統具有更高的供電可靠性。缺點主要是結構復雜，控制難度高。

圖6 混合接入模式一次架構

4 結 語

本文主要分析分布式電源通信的主要通信方式以及主要承載的業務、應用情況，提出了分布式電源配套通信建設方案，并針對分布式電源不同的接入方式提出了分散接入模式、集中接入模式和混合接入模式。本文的研究成果對目前國內分布式電源接入通信系統建設具有一定的參考價值。