“源網(wǎng)荷儲”新生態(tài)下的新型電力通信系統(tǒng)

王曉明，黃 晟，吳芳琳

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司海寧市供電公司，浙江 海寧 314400）

0 引 言

“源網(wǎng)荷儲”一體化運營，系統(tǒng)深度融入了低碳新能源技術、先進信息通信技術和控制技術，具備潔凈低碳、安全性可控、靈活有效、開放式交互以及智慧友好的特點。通過“源網(wǎng)荷儲”一體化運營可以提高能源發(fā)展品質、系統(tǒng)運營效益及電源發(fā)展的綜合經(jīng)濟效益，有助于推動國家生態(tài)文明建設，推動電力領域與自然環(huán)境的和諧可持續(xù)發(fā)展，也有助于推動地區(qū)間統(tǒng)籌發(fā)展。按照聯(lián)合共建、互惠共贏的理念，充分發(fā)揮跨區(qū)“源網(wǎng)荷儲”協(xié)同互濟的功能，進一步拓展全國電能資源優(yōu)化配置的區(qū)域范圍和規(guī)模。建設現(xiàn)代化電力系統(tǒng)并非一蹴而就，新興電力系統(tǒng)比重將逐步提高。同時，積極研究并預警環(huán)境風險，使其形成與各類電源品種、各類設施相互融合的新型國家綜合基礎建設。在“雙碳”戰(zhàn)略目標的引領下，構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)已成為必然。新能源發(fā)展必然會帶來新業(yè)務，作為新型電力系統(tǒng)承載業(yè)務的核心載體，新型電力通信系統(tǒng)需要適應新業(yè)務的發(fā)展趨勢，并建成結構優(yōu)化、調度靈活、高容量、高可靠以及多種組網(wǎng)模式協(xié)調發(fā)展的網(wǎng)絡。

1 新型電力系統(tǒng)構建“源網(wǎng)荷儲”新生態(tài)

1.1 發(fā)電側：新能源為主體，煤電兜底保障

在新電力系統(tǒng)的形成過程中，新能源發(fā)電和化石燃料之間的博弈將由劇烈對撞向共存共生過渡。“雙碳”目標的達成，將新能源推上了高速發(fā)展的黃金軌道。在風能、光伏規(guī)模化開發(fā)同時，氫能等新型再生能源得益于科技提升、生產成本降低雙重推動，其應用規(guī)模將更加廣闊，水電、生物質能發(fā)電、太陽能發(fā)電等將形成多元化的非化石資源環(huán)境。新能源雖然是電網(wǎng)安全平穩(wěn)運轉的責任基礎，但同時也必須具有相應的主動保障、系統(tǒng)控制等功能，以分擔電力系統(tǒng)費用增長的壓力[1]。

化石能源電力占比持續(xù)減少是必然趨勢，化石能源在電力能源構成中逐步由基礎能源向調節(jié)能源過渡。需要重視的是，化石資源的重要性也不可小覷，特別是在寒潮或高溫等特殊情況下，風能、光伏的出力下降，缺少煤電負荷兜底，整個動力系統(tǒng)的實時均衡就會遭到嚴重破壞。

目前，通常會在用戶所在場地或附近建設10 kV分布式光伏電源，運行方式以10 kV 用戶端自發(fā)自用為主，多余電量上網(wǎng)，且在配電網(wǎng)系統(tǒng)平衡調節(jié)發(fā)電設施或有電力輸出的能量綜合梯級利用多聯(lián)供設施。分布式電源監(jiān)控系統(tǒng)通常具備數(shù)據(jù)采集和處理、有功功率調節(jié)、電壓無功功率控制、孤島檢測、調度與協(xié)調控制以及與相關業(yè)務系統(tǒng)互聯(lián)等功能。

1.2 電網(wǎng)側：大電網(wǎng)與微網(wǎng)共榮共生

在新電力系統(tǒng)運行下，電網(wǎng)的運行生態(tài)特征如下：（1）增加特高壓外運管道投資規(guī)模，確保大規(guī)模新能源并網(wǎng)消費；（2）微電網(wǎng)系統(tǒng)、局域網(wǎng)和大型柔性直連等新組網(wǎng)技術迅速發(fā)展，國家大電網(wǎng)與國家微電網(wǎng)融合，交流大電網(wǎng)與交直流配電網(wǎng)共存；（3）配電網(wǎng)將發(fā)展成為具有柔性管理和運營管理能力的新型智能柔性主動配電網(wǎng)，有利于保障分布式新能源、汽車、儲能等能源基礎設施和分布式發(fā)電設備，以滿足用戶雙邊潮流和多負荷供電的需求；（4）電網(wǎng)系統(tǒng)與管網(wǎng)、通信網(wǎng)、電視網(wǎng)以及交通網(wǎng)等系統(tǒng)集成，共同參與智慧城市和智慧生活建設，數(shù)字城市智慧能源生態(tài)系統(tǒng)已基本形成[2]。

1.3 負荷側：由“源隨荷動”轉向“源網(wǎng)荷互動”

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)是一種超規(guī)模的非線性變化能量平衡系統(tǒng)，生產的模型為“源隨荷動”，以精準控制的發(fā)電模式去適配基本可測的電力。新興供電系統(tǒng)下，由于市場風光滲透率的增加，包括儲能、分布式電力、不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）供電、冷卻制熱裝置以及充電設施等多元化可調節(jié)設備的大量接入，發(fā)電側、供電側系統(tǒng)的復雜性增大。

從負載側的特征來看：（1）生產、運輸、建設等負載側用電替換技術水平大幅提高；（2）能源生產與服務領域多元化發(fā)展，水、電、天然氣等多資源深度耦合，資源梯級利用、檢測效率改善等綜合應用服務要求形成新常態(tài)；（3）負荷側由于儲能、分布式發(fā)電等各種設施的連接，配網(wǎng)側從單向、被動、通用化的能源消費模型向融入各種要求、自主參與、客制化的雙方交互模式轉化，用能模型由“源隨荷動”向“源網(wǎng)荷互動”轉化；（4）負荷側信息應采盡采、數(shù)據(jù)信息高度共享，利用數(shù)字化技術手段可實現(xiàn)對終端用能狀況的全面了解與智能交互。

2 實現(xiàn)“源網(wǎng)荷儲”友好互動的通信系統(tǒng)需求

新型通信系統(tǒng)的技術選型應匹配各種業(yè)務的需求，考慮“源網(wǎng)荷儲”各類業(yè)務的規(guī)模與數(shù)據(jù)傳輸效率。同時，新型電力通信系統(tǒng)需滿足安全性、可靠性以及經(jīng)濟性等要求。安全性要求堅持安全分區(qū)、橫向隔離、縱向認證等原則；可靠性要求考慮通道備用、自愈保障等能力；經(jīng)濟性要求合理選擇、經(jīng)濟覆蓋原則。通信業(yè)務的交互控制系統(tǒng)一般都是針對源網(wǎng)荷的時間特點和用電情況建模，形成系統(tǒng)模式并對其具體的互動功能加以確定，并基于正常運行下的時間特點和系統(tǒng)控制能力，根據(jù)現(xiàn)代柔性電網(wǎng)分析和安全防范理論來提出“源網(wǎng)荷儲”交互控制方法和技巧，以保證系統(tǒng)的工作狀態(tài)正常，同時還要按照目前對這方面的有關規(guī)范和標準，對其中的不適應性問題加以檢驗[3]。

2.1 電力通信網(wǎng)的網(wǎng)絡架構簡介

電力通信網(wǎng)由骨干通信網(wǎng)和終端通信接入網(wǎng)組成。其中骨干通信網(wǎng)涵蓋35 kV 及以上電網(wǎng)廠站及各類生產辦公場所，通常為多業(yè)務傳送平臺（Multi-Service Transport Platform，MSTP），部分地方建有光傳送網(wǎng)（Optical Transport Network，OTN）平臺，主干通道的帶寬為10 Gb/s，為通信多業(yè)務接入、承載奠定了較好的基礎。終端通信接入網(wǎng)是電力通信網(wǎng)的重要組成部分，是電力骨干通信網(wǎng)的延伸，按通信范圍可分為遠程通信與本地通信，按電壓等級可分為10 kV 中壓通信網(wǎng)和0.4 kV 低壓通信網(wǎng)。

10 kV 中壓通信網(wǎng)是承載變電站10 kV 出線至配電網(wǎng)開關站、環(huán)網(wǎng)單元、柱上開關、配電變壓器10 kV分布式電源站點等業(yè)務的通信系統(tǒng)。0.4 kV 低壓通信網(wǎng)是承載用電信息采集、電力需求側管理、負荷監(jiān)控、電能采集管理以及充電樁管理等業(yè)務的通信系統(tǒng)。

2.2 “源網(wǎng)荷儲”系統(tǒng)典型業(yè)務通信需求

配電自動化終端相關業(yè)務主要包括終端上傳主站的遙測、遙信等信息采集類業(yè)務，以及主站下發(fā)終端的常規(guī)總召、線路故障定位（定線、定段）隔離、恢復時的遙控命令等。目前，數(shù)據(jù)傳輸單元（Data Transfer Unit，DTU）、配電開關監(jiān)控終端（Feeder Terminal Unit，F(xiàn)TU）、配電變壓器監(jiān)測終端（distribution Transformer supervisory Terminal Unit，TTU）、故障指示器終端數(shù)據(jù)的帶寬約為19.2 kb/s，未來隨著TTU對低電壓配電網(wǎng)的精益化管理，帶寬需求預計會有所提高。配電自動化業(yè)務端到端時延要求為秒級，對通道時延要求宜小于2 s。

配電（站房）環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測是采集配電房、開閉所等的溫度、濕度、水位、地理位置等信息數(shù)據(jù)和線路側與用戶側電纜的接頭溫度以及電纜井的井蓋位移、可燃氣體、有害氣體、環(huán)境溫濕度、電纜溫度等信息，實現(xiàn)配電環(huán)境信息及狀態(tài)監(jiān)控。配電監(jiān)測終端的業(yè)務數(shù)據(jù)量約為20 kb/s，采集類業(yè)務端到端時延要求為秒級，對通道時延要求宜小于6 s。

儲能系統(tǒng)監(jiān)控終端具備協(xié)調控制、運行信息采集、事件記錄、對時、遠程維護和自診斷、數(shù)據(jù)存儲以及通信等功能，實現(xiàn)對儲能電池電壓、電流、溫度、狀態(tài)量，變流器輸入輸出電壓、電流、輸入輸出功率、電量以及電能質量，儲能設備中熱、氣、煙、火等信息的采集和計算，并傳送至儲能設備就地監(jiān)控主機或站級監(jiān)控系統(tǒng)，再通過電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)上傳至區(qū)域主監(jiān)控或調度系統(tǒng)。儲能監(jiān)控終端的數(shù)據(jù)帶寬約為34 kb/s，電能計量業(yè)務的數(shù)據(jù)帶寬為1 ～2 kb/s，業(yè)務端到端時延要求為秒級，對通道時延要求宜小于2 s。

3 構建新型電力通信系統(tǒng)的措施

3.1 新型電力通信系統(tǒng)技術類別

新型電力通信系統(tǒng)接入網(wǎng)通信技術按照數(shù)據(jù)流向可以分為遠程通信技術與本地通信技術。遠程通信技術指末端業(yè)務終端或邊緣匯聚終端直接與骨干通信網(wǎng)連接的通信接入技術，主要應用于10 kV 配電網(wǎng)業(yè)務與部分直連骨干網(wǎng)的0.4 kV 配用電業(yè)務，可以采用光纖專網(wǎng)、電力無線專網(wǎng)、無線公網(wǎng)、中壓電力線載波以及北斗短報文衛(wèi)星等通信方式。本地通信技術指末端業(yè)務終端與邊緣匯聚終端連接的通信接入技術，主要應用0.4 kV 通信網(wǎng)業(yè)務，可選擇電力線載波通信（包括載波＋無線雙模）、短距離無線通信（如ZigBee、可信Wi-Fi、藍牙等）、低功耗長距離無線通信（如LoRa 等）、串口通信（如RS-232、RS-485 等）以及本地以太網(wǎng)等。

以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡（Ethernet Passive Optical Network，EPON）是一種光纖接入網(wǎng)技術，它采用點到多點結構、無源光纖傳輸，優(yōu)點是通信速率高、帶寬高、抗電磁干擾能力強，但其部署成本高、建設周期長、施工難度大，適用于大帶寬、高可靠、低時延類業(yè)務[4,5]。

光纖工業(yè)以太網(wǎng)是以光纖為通信介質的工業(yè)以太網(wǎng)，可以在光纜和雙絞線上傳輸，并根據(jù)工業(yè)控制對網(wǎng)絡可靠性能的要求加強了冗余功能設計，而且在產品設計、材質選用等方面充分考慮了實時性、可靠性、抗干擾等工程應用需要。

無線公網(wǎng)采用的網(wǎng)絡制式主要為2G、3G、4G、5G 以及DL-IoT 等，2G/3G 網(wǎng)絡性能已經(jīng)無法滿足目前通信需求，現(xiàn)在最常用的是4G 網(wǎng)絡和5G 網(wǎng)絡，覆蓋半徑為1 ～3 km。5G 支持增強移動寬帶、海量連接和低時延高可靠連接3 大場景。

低壓電力線載波通信分為窄帶載波和寬帶載波2種。我國窄帶載波的工作頻率為9 ～500 kHz，多采用頻移鍵控（Frequency Shift Keying，F(xiàn)SK）技術、擴頻型頻移鍵控（Spread Frequency Shift Keying，S-FSK），已廣泛應用于用電信息采集領域。

3.2 通信技術選型策略

依據(jù)相關電網(wǎng)規(guī)劃設計技術導則中的劃分標準，按供電區(qū)域的負荷密度，業(yè)務場景可劃分為A+、A、B、C、D 以及E，每種供電區(qū)域的劃分不交叉、不重疊。A+類供電區(qū)域的負荷密度最高，承載的業(yè)務類型最多，重要性最高；E 類供電區(qū)域的負荷密度最低，承載的業(yè)務類型最少，重要性相對較低。一般將A+、A、B 類區(qū)域統(tǒng)一稱為終端密集區(qū)域，C、D、E 類區(qū)域統(tǒng)一稱為終端分散區(qū)域。

各類業(yè)務場景規(guī)劃方案不盡相同，應按照實際情況，根據(jù)不同業(yè)務場景進行規(guī)劃設計。A+、A 供電區(qū)域及并入10 kV 配電網(wǎng)的分布式電源接入?yún)^(qū)域優(yōu)先自建光纖專網(wǎng)，以EPON 光纖技術為主。對于新建（改造）10 kV 線路全程為電纜線路，應同步敷設光纜；對于存量不具備光纖覆蓋條件的區(qū)域及重要負荷用戶，隨電網(wǎng)改造逐步實現(xiàn)光纖覆蓋。B 類區(qū)域比照市區(qū)建設方案，租建合一，自建為主、租用為輔。C 類區(qū)域通常為城市周邊郊區(qū)地帶，建設方案應租建合一，以租用公網(wǎng)為主，自建無線專網(wǎng)為輔。D 類偏遠地區(qū)中，建設方案應以租用公網(wǎng)為主，滿足一次設備遙測和遙信功能。并入10kV 配電網(wǎng)的分布式電源接入?yún)^(qū)域比照郊區(qū)建設方案，以自建光纖專網(wǎng)為主。

4 結 論

文章聚焦新型電力通信系統(tǒng)的新業(yè)務需求，關注5G、可信Wi-Fi 等新技術的性能特點，針對通信網(wǎng)的覆蓋范圍、業(yè)務承載能力、靈活便捷性以及技術安全性等方面進行分析并提出建設建議，支撐新型電力系統(tǒng)數(shù)字技術支撐體系落地，推動傳統(tǒng)電力業(yè)務數(shù)字化轉型升級，為新型電力系統(tǒng)的通信網(wǎng)建設提出新方案。