王 鑫，陳祖翠，王業(yè)耀，卞在平，吳育苗

（1.中國電建集團(tuán)海南電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，海南 海口 571100；2. 海南海電聯(lián)電力工程有限公司，海南 ?？?571100）

由于臺區(qū)抄表類數(shù)據(jù)為非調(diào)度類數(shù)據(jù)，故對通信時(shí)延要求較低[10-12]，而配網(wǎng)自動化系統(tǒng)中的通信數(shù)據(jù)為電網(wǎng)10 kV 調(diào)度數(shù)據(jù)，對通信的可靠性和通信時(shí)延要求較高，而載波通信技術(shù)較少用于配網(wǎng)自動化通信當(dāng)中[13-15]。

1 各類電力通信現(xiàn)狀簡述

文獻(xiàn)[16]提出了一種基于EPON局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)通信低時(shí)延的方法，每個通信節(jié)點(diǎn)均以一主一備的方式為其供電，當(dāng)其中一個ONU 無法正常工作，分光器可以繼續(xù)分光，不影響整條鏈路其他節(jié)點(diǎn)的正常通信，實(shí)現(xiàn)故障的快速隔離，并減少故障停電時(shí)間。文獻(xiàn)[17]提出了一種配網(wǎng)自動化數(shù)據(jù)通信模型，從全局的高度羅列出配網(wǎng)自動化的數(shù)據(jù)通信量，對通信鏈路的數(shù)據(jù)可靠性提出更高要求。文獻(xiàn)[18]以無線通信方式實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)自動化技術(shù)，主要面向于對延時(shí)要求較低的差動保護(hù)當(dāng)中，可布署在設(shè)施落后的老城區(qū)的配電網(wǎng)保護(hù)中。文獻(xiàn)[19]提出了一種用于中壓電力線載波的自組網(wǎng)技術(shù)，解決了載波全雙工通信問題，提高中壓載波的通信效率，推動了載波通信在10 kV線路當(dāng)中的應(yīng)用。

由于5G無線通信受限于運(yùn)營商的通信基站的可靠性，當(dāng)通信基站停電或通信故障時(shí)直接影響配網(wǎng)自動化通信[20-22]。光纜通信依然是智能分布式技術(shù)實(shí)現(xiàn)的主流通信方式，光纖現(xiàn)場敷設(shè)路徑一直是現(xiàn)場勘察的重點(diǎn)[23]。本文將載波通信應(yīng)用于智能分布式配網(wǎng)自動化技術(shù)當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)中壓配電網(wǎng)的快速對等通信。

2 中壓載波技術(shù)優(yōu)化

現(xiàn)有電力載波通信主要存在的問題在于通信機(jī)制與通信時(shí)延兩方面問題[24-25]，為滿足智能分布式配網(wǎng)自動化技術(shù)通信要求，本文提出了一種基于對等通信的光纖、中壓電力線載波混合組網(wǎng)通信技術(shù)，在無法敷設(shè)光纜的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)采用中壓載波通信方式，其余關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)采用光纖通信方式，利用通信機(jī)制優(yōu)化、合理分布載波機(jī)位置，實(shí)現(xiàn)電力載波的快速通信。

2.1 載波對等通信機(jī)制

為滿足智能分布式的要求，須要將通信機(jī)制改變?yōu)閷Φ韧ㄐ拍Ｊ剑沟梦挥诃h(huán)網(wǎng)的任一載波機(jī)同時(shí)與相鄰任一載波機(jī)實(shí)現(xiàn)對等通信，無主機(jī)與從機(jī)之分，將輪詢訪問方式改為關(guān)鍵數(shù)據(jù)突變主動上送方式，對等通信流程如圖1所示。

圖1 終端間對等通信響應(yīng)流程

發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，終端自動區(qū)分主動發(fā)起或響應(yīng)，以提高通信效率，當(dāng)終端A 與終端B 之間發(fā)起對等通信時(shí)，可采用廣播或組播方式，每一次數(shù)據(jù)發(fā)起通過指定網(wǎng)絡(luò)口令來決定此幀數(shù)據(jù)應(yīng)接收的終端，中繼深度采用自適應(yīng)的方式，避免載波過程中的信號衰減，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)吞吐量最大化。

2.2 按線路節(jié)點(diǎn)布置載波機(jī)位置

兩條10 kV 配電網(wǎng)主線的電源分別來自同一座變電站的不同10 kV 母線，每條10 kV 線路包含1臺變電站出線柜智能設(shè)備、2 臺分段型智能設(shè)備。變電站出線柜智能設(shè)備負(fù)責(zé)采集變電站饋出主干線路的送出電力狀態(tài)信息。兩條10 kV 配電網(wǎng)主線通過1 臺聯(lián)絡(luò)型智能設(shè)備相連，聯(lián)絡(luò)型智能設(shè)備用于采集聯(lián)絡(luò)開關(guān)兩側(cè)的數(shù)據(jù)信息，圖2 為中壓電力線一次拓?fù)鋱D。

圖2 中壓電力線一次拓?fù)鋱D

對于采用中壓電力線對等載波技術(shù)的智能分布式系統(tǒng)，通信系統(tǒng)組成按一次網(wǎng)架結(jié)構(gòu)布置，在重要的分段型智能設(shè)備與聯(lián)絡(luò)型智能設(shè)備所處節(jié)點(diǎn)布置載波機(jī)，圖3為適用于10 kV單環(huán)網(wǎng)網(wǎng)架的中壓電力線對等載波通信拓?fù)鋱D。

圖3 中壓電力線對等載波通信拓?fù)鋱D

2.3 載波數(shù)據(jù)通信優(yōu)先級

環(huán)網(wǎng)線路關(guān)鍵分段點(diǎn)的戶外開關(guān)箱內(nèi)常規(guī)配置5～6 個開關(guān)柜間隔，涉及分段間隔、饋出支線間隔、聯(lián)絡(luò)間隔3 類，分段型環(huán)網(wǎng)柜有兩臺分段斷路器，支線環(huán)網(wǎng)柜有一臺分段斷路器開關(guān)，聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)柜有一臺分?jǐn)鄶嗦菲鏖_關(guān)和一臺聯(lián)絡(luò)斷路器開關(guān)，其余均為支線開關(guān)。

為了避免同一環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)同一時(shí)間過多數(shù)據(jù)通信造成通信阻塞，故將環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)的分段斷路器開關(guān)、支線斷路器開關(guān)、聯(lián)絡(luò)斷路器開關(guān)按數(shù)據(jù)類型重要性進(jìn)行分級，優(yōu)先級原則為：正常運(yùn)行狀態(tài)下，分段開關(guān)數(shù)據(jù)優(yōu)先傳輸、聯(lián)絡(luò)開關(guān)數(shù)據(jù)傳輸次之、支線開關(guān)數(shù)據(jù)優(yōu)先級最低；線路發(fā)生故障狀態(tài)下，優(yōu)先故障節(jié)點(diǎn)開關(guān)數(shù)據(jù)傳輸；線路發(fā)生故障狀態(tài)下，基于Goose信息的突變數(shù)據(jù)優(yōu)于三遙數(shù)據(jù)傳輸。

3 技術(shù)應(yīng)用研究

3.1 項(xiàng)目概況

以某園區(qū)配電網(wǎng)為例進(jìn)行應(yīng)用研究，該園區(qū)由Ⅰ線、ⅠⅠ線兩條10 kV主線供電，兩條主線出自同一變電站的不同母線，單環(huán)網(wǎng)接線方式，線路全電纜敷設(shè)，該線路主線共7 臺環(huán)網(wǎng)柜，Ⅰ線主線3 臺分段環(huán)網(wǎng)柜、1臺聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)柜、1臺支線環(huán)網(wǎng)柜，ⅠⅠ線主線含3臺分段環(huán)網(wǎng)柜、2臺支線環(huán)網(wǎng)柜，環(huán)網(wǎng)柜分段間隔均為斷路器、其他間隔為負(fù)荷開關(guān)間隔，考慮到園區(qū)負(fù)荷的重要性，并結(jié)合開關(guān)設(shè)備類型為斷路器、負(fù)荷開關(guān)混合，故決定將該線路以緩動型智能分布式技術(shù)開展設(shè)計(jì)，并為本文所述的對等載波通信技術(shù)提供了應(yīng)用場合，園區(qū)配電網(wǎng)單環(huán)網(wǎng)網(wǎng)架圖如圖4所示。

圖4 園區(qū)配電網(wǎng)網(wǎng)架圖

本工程自動化配置方案：在Ⅰ線、ⅠⅠ線每面環(huán)網(wǎng)柜分別增加智能分布式DTU10套，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)每臺環(huán)網(wǎng)柜的故障自愈功能及三遙功能；在變電站新增變電站智能分布式DTU終端柜1套，負(fù)責(zé)采集變電站出線柜的電流信息、斷路器狀態(tài)信息。

3.2 工程通信配置方案

本工程中Ⅰ線的#4 分段柜與Ⅰ線的#5 聯(lián)絡(luò)柜之間，由于有鐵路通過，阻礙了該路段無光纜搭建，如果更改光纜路徑，造價(jià)較高且浪費(fèi)資源，故該段改用對等載波通信技術(shù)代替光纜通信。由于智能分布式基于ⅠEC 61850 通信標(biāo)準(zhǔn)，通信規(guī)約須要占用寬帶不小于2 Mbit/s，故采用OFDM 的寬帶載波，可滿足通信帶寬要求。將載波機(jī)置于Ⅰ線#4 分段柜和Ⅰ線#5聯(lián)絡(luò)柜，采用載波通信，其他段仍采用光纜通信。

表1 為通信設(shè)備布置情況，其中的交換機(jī)與載波機(jī)的布置與圖5 配電網(wǎng)一次設(shè)備布置一一對應(yīng)，工業(yè)交換機(jī)及載波機(jī)置于環(huán)網(wǎng)柜的通信箱中。

表1 通信設(shè)備布置表

圖5 園區(qū)配電網(wǎng)故障模擬圖

本工程通信設(shè)置配置如下：除Ⅰ線#4 分段柜和Ⅰ線#5 聯(lián)絡(luò)柜外，其他每座環(huán)網(wǎng)柜均配置二層交換機(jī)，用于實(shí)現(xiàn)每座環(huán)網(wǎng)柜間的數(shù)據(jù)傳輸和對等通信；在Ⅰ線#4 分段柜和Ⅰ線#5 聯(lián)絡(luò)柜配置卡接式中壓載波機(jī)，實(shí)現(xiàn)本級環(huán)網(wǎng)柜與相臨環(huán)網(wǎng)柜的數(shù)據(jù)通信，在變電站內(nèi)配置三層通信交換機(jī)一臺，變電站內(nèi)的三層交換機(jī)接入配電自動化調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)，現(xiàn)場環(huán)網(wǎng)柜轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)通過變電站三層交換機(jī)接入電力專用通信光纜通道，并與配網(wǎng)自動化主站后臺通信。

在Ⅰ線發(fā)生短路故障時(shí)，位于Ⅰ線的#1 分段柜、#3分段柜、#2分支柜的數(shù)據(jù)均能快速對等通信，并在最短時(shí)間將信息匯總到變電站的DTU 柜，Ⅰ線#4分段柜和Ⅰ線#5 聯(lián)絡(luò)柜的兩臺載波機(jī)間同樣可以快速對等通信，并優(yōu)先向后臺發(fā)送信息。

3.3 光纖、載波混合通信應(yīng)用分析

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，對采用對等中壓載波通信的10 kV線路，宜采用緩動型智能分布式技術(shù)，將故障發(fā)生后設(shè)備間的相互處理時(shí)延放寬。

主環(huán)上分段數(shù)不超過4 分段的主線，將置于變電站側(cè)的載波機(jī)保留總召控制，以便其與下游的載波機(jī)快速通信，完成非故障時(shí)的三遙功能。

中壓線路較低壓線路比，雖然距離用電負(fù)荷較遠(yuǎn)，但是其受負(fù)荷側(cè)的脈沖噪聲、線路阻抗影響較大，本期工程通過提高輸出功率，增大信號的信噪比，以減少載波通信的誤碼率。

考慮到高壓電力線載波信號的衰減，對于載波通信段，每個分段開關(guān)間的10 kV 電纜線路長度不宜大于1 km，10 kV電纜中間接頭數(shù)控制在2個以內(nèi)。

如圖5所示，對于兩條10 kV主線的聯(lián)絡(luò)開關(guān)在Ⅰ線的#5 環(huán)網(wǎng)柜，兩條10 kV 主線路形成單環(huán)網(wǎng)接線，常規(guī)單環(huán)網(wǎng)的兩條10 kV 主線不會在同一管溝內(nèi)敷設(shè)，故整條單環(huán)網(wǎng)中出現(xiàn)兩點(diǎn)或多點(diǎn)同時(shí)故障的概率幾乎為零，故在此以環(huán)網(wǎng)中某一點(diǎn)發(fā)生故障進(jìn)行分析，假設(shè)配電網(wǎng)短路故障發(fā)生在Ⅰ線的#4 環(huán)網(wǎng)柜與#5環(huán)網(wǎng)柜之間。

由于載波機(jī)位于Ⅰ線#4 柜與#5 柜，當(dāng)該段中某一位置發(fā)生故障時(shí)，發(fā)生故障線路的兩臺載波機(jī)利用電纜為通信介質(zhì)快速對等通信，各環(huán)網(wǎng)柜智能分布式DTU 判斷故障點(diǎn)，并就地命令Ⅰ線#4 柜的012開關(guān)分閘、Ⅰ線#5 柜的011 開關(guān)分閘，并在2 s 內(nèi)完成故障隔離，Ⅰ線#5柜的012聯(lián)絡(luò)開關(guān)合閘，由正常線路ⅠⅠ線為Ⅰ線非故障區(qū)域進(jìn)行轉(zhuǎn)供電，為Ⅰ線故障點(diǎn)后段非故障區(qū)域負(fù)荷恢復(fù)供電，通過各智能分布式DTU 的配合，順利完成系統(tǒng)性的故障區(qū)域隔離、非故障區(qū)域轉(zhuǎn)供電功能邏輯。

4 結(jié)束語

本文介紹了智能分布式對等載波通信應(yīng)用場合，從載波的對等通信機(jī)制、關(guān)鍵載波通信節(jié)點(diǎn)布置、數(shù)據(jù)通信優(yōu)先級3 個方面分析，論證光纜、中壓對等載波混合通信方案的可行性，實(shí)現(xiàn)一種利用局部載波通信完成配網(wǎng)自動化快速通信的方法。

該方法適用于全電纜型單環(huán)網(wǎng)的智能分布式配網(wǎng)自動化邏輯，并結(jié)合應(yīng)用案例，詳細(xì)描述智能分布式技術(shù)采用載波通信實(shí)現(xiàn)快速故障隔離的方法。采用載波通信方式，在滿足快速對等通信要求的前提下，提高了工程的可實(shí)施性，減少光纜敷設(shè)方面投資，為配網(wǎng)自動化領(lǐng)域的通信網(wǎng)搭建提供設(shè)計(jì)參考。