新型配電網多元業務與多模通信適配性評估方法

董朝武,肖智宏,辛培哲,富子豪,江璟

(國網經濟技術研究院有限公司,北京市 102209)

0 引 言

隨著國家碳達峰、碳中和目標的不斷推進、《“十四五”現代能源體系規劃》[1]等文件陸續出臺、二十大報告強調“深入推進能源革命”,我國能源轉型不斷深化,傳統火電發電比例持續下降、新能源占比逐年提升,分布式光伏、新型儲能、電動汽車等新要素規模化引入[2],電力系統也需要更好地適應能源結構與負荷特性變化。配電網作為電力系統中的重要組成部分,為保障其安全穩定運行、支撐新型電力系統數字化轉型,需通過完善可靠的配電通信網傳輸相關業務數據[3]。然而,配電網具有電壓等級多、設備業務類型多樣化、網絡結構復雜、區域發展差異化等特點,導致配電通信網整體水平較差。在新能源接入配電網背景下,各類業務、通信方式缺乏明確的指導原則[4]。因此,需要對配電網業務與通信技術進行適配性分析,以提出完善的配電網通信技術架構。

目前,已有部分研究開展了配電網通信技術應用的相關研究。文獻[5-12]分別論述了以太網無源光網絡(ethernet passive optical network,EPON)[5-6]、電力線載波[7-8]、4G[9]、5G[10-11]與無線專網[12]等技術在配電通信網中的應用,但其側重于分析不同通信技術的優缺點及其適用的電力業務類型,并未系統討論配電網中通信技術的架構體系。文獻[13-14]系統論述了無線通信技術在智能配電網中的應用,如無線通信成本低、工作可靠性強,適用于可靠性要求不高的用電信息采集業務等;光纖通信適合于對安全、時延要求較高的業務。文獻[15]定性地分析了配用電業務與各類通信技術的適配性,給出了簡單的配電網通信技術應用實例。文獻[16]提出了一種“光纖通信+無線通信+電力線載波(power line communication,PLC)+無線傳感器網絡等”通信方式的配用電通信網絡框架,但未考慮通信手段與業務的適配。文獻[17]考慮了通信技術與業務的適配分析,給出了不同業務優先采用的通信方式,但其僅從理論層面上得出結論,理論依據較為薄弱。文獻[18-19]對終端接入網業務與通信的適配性進行了分析,但其配電網業務種類與通信手段考慮不全面,且考慮因素不完善。

根據上述分析,現有配電網通信技術應用的相關文獻中存在以下缺陷:1)大多數文獻僅分析一種或一類通信技術在配電網中的應用情況,缺少對新型電力系統背景下配電網業務數據傳輸需求與可用通信技術性能的全面梳理;2)現有文獻多考慮光纖、載波、無線公網與無線專網等傳統通信手段,關于藍牙、LoRa、微功率無線等低壓配電網通信技術的適配性研究較少;3)現有文獻對電力業務與通信技術的適配性評估僅從理論分析角度出發,缺少合適的手段對該適配性進行量化。

針對上述存在問題,本文以提出配電通信網一般性發展指導原則為出發點,首先梳理了新型電力系統背景下配電網各類業務的傳輸需求,以及配電網可用通信技術的相關性能,提出了考慮接入、覆蓋、經濟、可靠、安全的多維度評價指標體系;其次,提出了基于貝葉斯最優最劣(Bayesian best worst method,BBWM)和折中解決方法(measurement alternatives and ranking according to compromise solution,MARCOS)的主客觀賦權適配性綜合分析模型;最后對中壓、低壓配電網業務與通信技術的適配性進行量化分析,進而提出配電網全業務與通信技術適配體系。

1 新型電力系統配電網業務傳輸需求

新型電力系統配電網按電壓等級可分為中壓(10 kV)及低壓(0.4 kV)配電網,其中的電力業務按是否涉控可分為控制類及非控制類業務,非控制類業務按傳輸數據量可分為窄帶采集類業務及寬帶圖像視頻類業務。

1.1 新型電力系統配電網控制類業務

配電網控制類業務主要分為中壓控制類及低壓控制類兩類,該類業務是電網運行穩定安全的關鍵保障,對吞吐量要求不高,但對通信傳輸可靠性和安全性要求極高[18-20]。表1為新型電力系統配電網控制類業務對通信技術的需求分析。中壓控制類業務包括如下幾類:

表1 新型電力系統配電網控制類業務通信需求Table 1 Communication requirements of control service in new power distribution network

1)配電自動化三遙:通過對配電網線路、節點的遙控、遙信、遙測,實現配電網的運行監測及控制功能,對時延及帶寬要求很低,對可靠性及安全性要求較高。

2)精準負荷控制:通過對負荷的分類、分級、分區域管理,實現由調度直接對可中斷負荷的實時精準控制,按時效性可分為毫秒級精準負荷控制及秒級、分鐘級負荷控制,對時延、可靠性、安全性要求均較高。

3)10 kV新能源調控:通過對接入電網的分布式新能源逆變器進行調控,實現新能源出力的監控與控制,其對帶寬及時延要求較低,對可靠性要求較高。

低壓控制類業務包括如下幾類,其均對時延、帶寬要求較低,對可靠性及安全性要求較高。

1)分布式儲能調控:通過對分布式儲能電站進行控制,對負荷曲線進行削峰填谷,緩解配電網調頻壓力。

2)380 V分布式電源控制:對接入電網的低壓分布式電源逆變器調控以控制其出力。

3)電動汽車充電樁:通過充電樁與車聯網平臺之間的點對點雙向通信,實現主站發布召測、計費、調度等功能;終端上傳設備或線路監測狀態、實時計費信息。

1.2 新型電力系統配電網非控制類業務

配電網非控制類業務主要包括采集類業務及圖像視頻類業務兩方面,其中采集類業務接入海量終端通信設備,具有大規模連接的特點,且對通信的可靠性有一定的要求[18-19,21]。表2為新型電力系統配電網非控制類業務對通信技術的需求分析。采集類業務主要包括如下幾類:

表2 新型電力系統配電網非控制類業務通信需求Table 2 Communication requirements of non-control service in new power distribution network

1)配電自動化二遙:配電自動化二遙只承擔遙信、遙測功能,即只采集配電線路運行監測數據,對時延、可靠性、安全性要求均較低,并且要求設備功耗較低。

2)用電信息采集:對配電變壓器和用戶終端的用電數據進行采集和分析,實現用電監控、負荷管理、線損分析,以達到自動抄表、用電檢查、負荷預測等目的。其設備連接規模較大,對帶寬、時延要求較低,對可靠性及安全性要求較高。

3)配電設備監測:通過對設備局放、樁頭測溫、蓄電池狀態、電纜狀態等進行監測,判斷設備是否處于正常工作狀態,其對時延有一定要求,對可靠性要求較高。

4)配電環境監測:通過對配電設備所處環境的溫度、濕度、SF6濃度、水位等進行監測,判斷設備所處環境是否正常,對帶寬及安全性要求較低,對時延有一定要求。

5)視頻圖像類業務對傳輸帶寬要求較高,現有業務包括視頻監控、機器人巡檢及無人機巡檢等,其主要通過對設備拍攝視頻或抓拍圖像以判斷設備是否處于正常工作狀態。

2 配電網通信技術分析及評價體系

目前配電通信網按電壓等級可分為中壓配電通信網及低壓配電通信網,按通信傳輸方式可分為有線及無線通信網。

2.1 中壓配電網通信技術

中壓配電網有線通信技術包括電力光纖專網、工業以太網、中壓電力線載波,無線通信技術包括無線專網、4G、5G,具體技術特點如下[22-23]:

電力光纖專網:目前電力系統主要采用基于IP(internet protocol,IP)的無源光網絡EPON,其帶寬及速率極高,可靠性、安全性均較高,但成本較高,建設速度較慢。

工業以太網:基于IEEE 802.3規范,加入千兆以太網以及快速以太網技術,傳輸速率高,組網靈活,網絡兼容性、安全性好,但也存在成本高、擴展性低的缺陷。

中壓電力線載波:將電力線作為傳輸介質,利用載波將信號調制為能夠在電力線上傳輸的高頻信號,無須布線和重新組網,成本低,但易受到外界環境以及噪聲的干擾,且其沒有防竊聽措施,安全性難以得到保障。

無線專網:國家電網有限公司為解決光纖專網建設難度大、公網存在安全隱患弊端,在部分城市建設了電力無線專網,包括230 MHz及1 800 MHz兩個頻段,較光纖具備經濟性優勢,但存在多行業頻譜共用的缺陷。

4G:截至2021年底,全國4G覆蓋率已達98%以上,4G公網應用最為廣泛,經濟性、成熟度均較優,規模化程度及產業鏈豐富,終端成本和公網租用費用性價比高,但其通信性能受限,安全風險長期存在。

5G:截至2021年,我國三大運營商已實現全國地級市主城區、95%縣區、35%鄉鎮核心區域5G網絡覆蓋。5G公網通信具有安全性高、可靠性強、通信性能優越等優勢,但當前基站租賃費及流量費整體偏高,技術及產業鏈發展尚未健全。

表3總結了中壓配電網可用通信技術性能具體指標數值。

表3 中壓配電網可用通信技術性能Table 3 Performance of available communication technologies in medium-voltage power distribution network

2.2 低壓配電網通信技術

低壓配電網有線通信技術包括低壓電力線高速載波通信(HPLC)、RS-485,無線通信技術包括無線專網、4G、5G、遠距離無線電(long range radio,LoRa)、微功率無線、WiFi、藍牙、窄帶物聯網(narrow band internet of things,NB-IoT),具體技術特點如下[23-24]:

HPLC:低壓電力線高速載波通信技術為電力線載波技術的一種,多用于低壓臺區用電信息采集系統本地通信中,采用OFDM技術,通信可靠,免布線,施工成本低,但存在信號不穩定造成信息孤島等缺陷。

RS-485:其為一種工業網絡,屬于專線通信,網絡實現簡單且可實現遠距離通信,抗干擾能力強,能在大噪聲下傳輸信息,技術成熟度很高,具有高可靠性。但其數據傳輸速率低,需額外布線導致成本增加,組網靈活度較低。

LoRa:采用線性擴頻調制技術,可實現遠距離無線通信,具有低功耗特性,網絡性能更穩定,傳輸安全性、實時性較高,但其受到功耗及帶寬的限制,傳輸速率低。

微功率無線:國家電網有限公司為達到對用電用戶的全面覆蓋、完善數據采集的目標,解決電力業務本地接入問題而提出,其主要工作在470～510 MHz頻段,設備發射功率小于50 mW。其組網快捷靈活,建網成本低,具有自動中繼和路由能力,抗干擾能力較高,但其靈敏度受限,覆蓋范圍較小。

WiFi:其為IEEE 802.11標準下的一種無線局域網技術,工作頻段包括2.4 GHz和5.8 GHz,組網便捷,網絡擴展靈活,帶寬高,時延低,經濟性較好,技術相對成熟,但其通信距離較短,信號容易受到干擾,加密措施有限,網絡安全性有待提高。

藍牙:目前主流的短距離無線通信技術,工作頻段在2.4 GHz,傳輸距離通常在10 m以內,適合于設備間小范圍的通信,能夠快速組網,建網成本低,功耗低,安全性較高,但易受其他通信設備干擾。

NB-IoT:為基于蜂窩的窄帶物聯網的一種新興技術,支持低功耗設備在廣域網的連接,其覆蓋廣,功耗低,連接數量大,連接較為穩定可靠。

表4總結了低壓配電網可用通信技術性能具體指標數值。

表4 低壓配電網可用通信技術性能Table 4 Performance of available communication technologies in low-voltage power distribution network

2.3 適配性評估指標體系

選取一套完善、科學、合理的評價指標體系是進行配電網通信技術與業務適配性評估的重要前提。本文綜合考慮通信技術與配電網業務的特點,從接入性、覆蓋性、經濟性、可靠性及安全性五個方面出發,構建了配電網通信技術與業務適配性評估指標體系,如圖1所示。其中,接入性指標包含速率、時延;覆蓋性指標包含覆蓋半徑與連接數;經濟性指標包含組網成本、運維成本及產業鏈狀況;可靠性指標包含丟包率及抗干擾能力;安全性指標主要考慮隔離方式。

圖1 配電網通信技術與業務適配性評估指標體系Fig.1 Evaluation index system of the matching of power distribution network service and communication technology

3 基于BBWM-MARCOS的配電網通信技術與業務適配性的評估方法

配電網可用通信技術種類較多,而不同配電網業務對于通信技術有不同的側重,因此需考慮對通信技術與業務的適配性進行量化評估,具體包括三個步驟:首先,基于專家對某一類業務通信需求的重要度排序與BBWM法,得到各指標權重;其次,根據業務需求,對通信技術單指標與業務需求的適配進行量化;最后,基于指標權重與指標適配量化矩陣,計算各通信技術的效用度并排序,最終得到與配電網業務適配的最優通信技術。配電網通信技術與業務適配性綜合評估流程如圖2所示。

3.1 基于BBWM的指標權重確定方法

2015年,代爾夫特理工大學首次提出了最優最劣法(best-worst method,BWM)[25],其可以有效減少指標間的比較次數,對解決多屬性決策問題較為有效,但其只能對一位專家的重要度排序進行分析,當有多位專家時,若簡單對各位專家的賦權結果取平均顯然是不準確的,因此在2020年,學者Majid Mohammadi對BWM與貝葉斯理論進行了結合,提出了BBWM方法[26-29],其將各專家的重要度評價視為隨機事件,而權重則為各事件的概率,進而可消除在確定指標權重過程中的不確定性。其具體流程如下:

1)設通信技術共有n個技術指標,第k位專家針對配電網中的某一類業務,確定其在通信技術指標{c1,c2,…,cn}中最重要的指標cB,k及最次要的指標cW,k。

2)將cB,k與其他非最重要指標cj,k進行對比(下標j表示第j個指標),用數字1至9表征cB,k相對于其他指標的重要性程度,1表示cB,k與cj,k重要性相同,數字越大代表cB,k比cj,k越重要,則第k位專家的最優比較向量為:

(1)

式中:aB,k,j(j=1,2,…,n)表示第k位專家j個指標cj,k相對于最重要指標cB,k的重要程度。

3)與流程2)類似,將最次要指標cW,k與其他指標cj,k兩兩對比,使用1至9表征cW,k相對于其他指標的重要程度,數字越大代表cj,k比cW,k越重要,則最次要比較向量為:

(2)

式中:aW,k,j(j=1,2,…,n)表示第k位專家j個指標cj,k相對于最次要指標cW,k的重要程度。

(3)

式中:ξ為絕對誤差;wk,j為第k位專家第j個指標的權重;wB,k,wW,k分別為最重要及最次要指標對應的權重。

(4)

(5)

(6)

式中:∝表示服從正比,其具體推導過程可見文獻[30]。因此,綜合權重的確定可轉化為概率估計問題,可通過分層貝葉斯模型求解,設第k位專家的權重向量為wk,全部專家的綜合權重為wall,其聯合概率分布為:

(7)

式中:K為專家總數量;1:K表示所有專家的權重向量均服從該聯合概率分布。

通過文獻[30]中的求解方法,可對式(7)進行求解并得到綜合權重向量wall。隨后需要根據基于Credal排序的一致性檢驗方法[26]判斷各專家意見是否一致。兩個不同指標Cj1與Cj2之間的重要性對比概率計算為:

(8)

3.2 通信技術性能與業務適配量化方法

配電網應用范圍廣泛,但考慮成本限制,通信系統只需滿足其業務需求即可,而并非性能越高越好。因此,本文主要考慮對每種業務尋找最適配的可用通信技術,而非性能最強的通信技術。通信技術的各項指標單位不同,且部分指標僅為概括性描述,無法直接計算,因此考慮將對各指標進行歸一量化,其原則為:將最優指標量化為1,將最差指標或不滿足電力通信需求的指標量化為0,因此該量化值的取值范圍為[0,1]區間,值越大說明該指標與業務適配性越好;針對描述性指標,經專家討論確定各等級指標的量化值,類似的賦值方法可見文獻[18]。需要說明的是,部分指標某一等級的通信技術僅用于特殊應用(如應急通信),因此未納入本文考慮范圍。下面詳細說明本文提出的通信技術性能與業務適配量化方法:

C1速率:不滿足業務需求記為0,滿足業務需求記為1。

C2時延:不滿足業務需求記為0,控制類業務時延越低適配度越高,即:

(9)

式中:ti為第i種通信技術的時延;T=[t1,t2,…,tm]為各個可選技術的時延,下標m表示可選通信技術數量;xt,i為第i個通信技術的時延指標。對于非控制類業務,滿足業務時延需求即記為1。

C3覆蓋半徑:通信技術的覆蓋范圍越大則量化指標越大,即:

(10)

式中:ri為第i種通信技術的覆蓋范圍;R=[r1,r2,…,rm]為各技術的覆蓋范圍;xr,i為第i種通信技術的覆蓋半徑指標。

C4連接數:量化方法與式(10)一致。

C5組網成本:該指標較難直接進行數值量化,經專家討論,考慮將其分為高、較高、中、低四個級別,量化值分別為0、0.3、0.6、1。

C6運維成本:該指標較難直接進行數值量化,經專家討論,高、中、低三個等級的量化值分別為0、0.5、1。

C7產業鏈狀況:該指標較難直接進行數值量化,經專家討論,成熟、較成熟、待成熟、存在問題的量化值分設置別為1、0.66、0.33、0。

C8抗干擾能力:經專家討論,強、較強、中、較弱、弱的量化值分別設置為1、0.75、0.5、0.25、0。

C9丟包率:丟包率越低量化適配度越高,計算方式類似式(9)。

C10隔離方式:不滿足需求記為0,滿足則記為1。

3.3 基于MARCOS的適配度綜合評估方法

MARCOS法于2020年提出,同時考慮理想解及反理想解,并使用效用函數來聚合多個指標的綜合度量[31-33]。具體步驟如下:

1)構建初始指標矩陣。當有m個備選通信技術,每個技術具有n個指標時,指標值設為xij,初始指標矩陣為[xij]m×n。

2)對指標矩陣歸一化。按3.2節中的方法,對初始指標矩陣進行量化及歸一化。

3)確定加權矩陣R=[rij]m×n,其中加權值由通信技術歸一化指標乘該指標的權重得到,即rij=xij×wj,每種業務中指標的權重值由3.1節中的BBWM方法確定。

4)確定理想解及反理想解。理想解與反理想解由各指標中最優及最劣值組成:

(11)

(12)

式中:S+,S-分別為各項指標的理想解與反理想解。

5)計算每種通信技術的效用度。考慮計算備選通信技術相對于理想解與反理想解的效用度:

(13)

(14)

式中:K(i)+,K(i)-分別為第i種通信技術相對于理想解與反理想解的效用度。

6)計算效用函數。該函數f(Ki)是通過每種通信技術的效用度與理想解與反理想解之間的距離得到的:

(15)

(16)

(17)

7)對通信技術排序。由效用函數從高到低來確定通信技術的適配度排序。

4 適配算例分析

4.1 中壓配電網業務與通信技術適配分析

圖3為各通信技術指標間的Credal排序,從圖3中可以看出,各指標間的Credal排序值均超過0.5,說明整體而言專家之間的意見較為一致,可認為專家給出的意見是客觀可靠的,可避免指標權重的不確定性。從圖3中可以看出,專家對丟包率與時延、隔離方式與組網成本間的重要性判斷有一定差異。

圖3 配電自動化三遙業務與通信技術適配指標間的Credal排序Fig.3 Credal ranking of indicators for the matching of three-remote distribution automation and communication technology

基于配電自動化三遙業務及中壓配電網技術性能,基于3.2節中的方法對通信技術指標進行量化,量化結果如表5所示。基于確定的權重及MARCOS法,對配電自動化三遙業務與中壓通信技術適配性進行量化,并進行排序,結果如表6所示,適配性從高到底分別為光纖、5G、電力線載波、4G及無線專網。光纖因其具有極低的時延及極高的可靠性與安全性,與三遙業務最為適配;5G、電力線載波、4G適配性略低于光纖;無線專網與三遙適配性最低,其建設成本過高,且抗干擾能力、安全性較差。

表5 中壓配電網通信技術性能歸一化量化值Table 5 Quantization of communication technology performance in medium-voltage power distribution network

表6 配電自動化三遙與中壓通信技術適配量化Table 6 Quantization for the matching of three-remote distribution automation and communication technology

4.2 低壓配電網業務與通信技術適配分析

以低壓采集類業務用電信息采集為例,首先確定該業務條件下通信技術各指標的重要度權重。根據BBWM方法步驟,6位專家首先確定該業務最重要及最次要指標,并基于指標間的對比結果形成最優比較向量及最劣比較向量,即:

求解分層貝葉斯模型計算綜合權重,可得到指標C1至C10的權重分別為:0.041、0.071、0.166、0.134、0.171、0.113、0.058、0.102、0.071、0.073,可見最重要的指標為組網成本、覆蓋半徑與連接數,符合預期。圖4為用電信息采集業務條件下各通信技術指標間的Credal排序,從圖4中可以看出,各指標間的Credal排序值均超過0.5,說明整體而言專家之間的意見較為一致,但專家對丟包率與隔離方式、隔離方式與時延、覆蓋半徑與組網成本間的重要性判斷有一定差異。

圖4 用電信息采集業務各通信技術指標間的Credal排序Fig.4 Credal ranking of indicators for the matching of electricity information collection and communication technology

基于用電信息采集及低壓配電網技術性能,基于3.2節中的方法對通信技術指標進行量化,量化結果如表7所示。基于確定的權重及MARCOS法,對用電信息采集與低壓通信技術適配性進行量化,并進行排序,結果如表8所示,適配性從高到底分別為微功率無線、HPLC、藍牙、RS-485、NB-IoT、WiFi、LoRa。

表7 低壓配電網通信技術性能歸一化量化值Table 7 Quantization of communication technology performance in low-voltage power distribution network

表8 用電信息采集與低壓通信技術適配量化Table 8 Quantization for the matching of electricity information collection and communication technology

4.3 配電網全業務與通信技術適配體系

根據提出的適配性評估模型,對中低壓配電網控制類、非控制類業務與可用通信技術進行全面適配性分析,進而構建配電網全業務與通信技術適配體系。

表9和表10分別為中壓及低壓配電網全業務與通信技術的適配性分析結果,表格中的顏色越深,代表該通信技術與此類業務越適配。從表9中可知,中壓控制類業務主要考慮使用光纖進行承載,4G、5G次之;中壓非控制類業務主要考慮使用4G、5G進行承載,無線專網與光纖在特定業務中具有顯著優勢。從表10中可知,低壓控制類業務可考慮成本較低的HPLC與RS-485方式進行承載,低壓非控制類業務主要考慮覆蓋范圍較廣的微功率無線與HPLC承載。本文部分結論與文獻[18-19]中相似,如文獻[18]指出:“配電自動化‘二遙’業務匹配度最高的終端通信接入網廣域通信技術為無線公網,其次為無線專網”;文獻[19]指出“用電信息采集業務優選寬帶載波(含雙模),其次為短距離無線、串口總線等通信方式”,說明本文適配結論具有可靠性。

表9 中壓配電網全業務與通信技術適配分析Table 9 Matching analysis of full services and communication technology in medium-voltage distribution network

表10 低壓配電網全業務與通信技術適配分析Table 10 Matching analysis of full services and communication technology in low-voltage distribution network

表9和表10中的業務與通信技術適配分析為一般性結論,并非適用于所有地區。針對特定業務應用場景,可根據實際需求調整本文方法,以因地制宜開展業務與通信適配評估。

5 結 論

為實現新型電力系統配電網通信技術的準確選型,保障業務數據的安全可靠傳輸,本文提出了適用于電力系統多元業務與多模通信的適配性評估方法。首先,對新型配電網業務傳輸需求與可用通信技術性能進行全面梳理,提出了涵蓋接入、覆蓋、經濟、可靠、安全五方面的兩級十維度評價指標體系;其次,提出了基于BBWM和MARCOS的主客觀賦權適配性綜合分析模型,通過將多個專家的重要度評價轉換為概率分布,消除指標權重確定過程中的不確定性,通過提出的指標量化方法實現適配度的綜合量化;最后對中、低壓配電網業務與通信技術的適配度進行計算,提出配電網全業務與通信技術適配體系,彌補了現有研究僅對適配性開展理論分析的缺陷。

本文成果可指導配電網通信技術選型,服務于配電通信網的規劃與設計,支撐新型電力系統高質量發展。

本文對配電網各類業務與通信技術的適配度進行計算,但在實際應用場景中可包含多種業務,如何根據多個業務需求確定通信技術的適配度成為下一步研究的重點。