侯 穎 劉 琳

中國電力工程顧問集團(tuán)華東電力設(shè)計(jì)院有限公司 上海 200001

1 研究背景

為了深入貫徹國家提出的能源安全新戰(zhàn)略,順應(yīng)能源革命和數(shù)字革命相融合的發(fā)展趨勢,國家電網(wǎng)公司提出全面推進(jìn)三型兩網(wǎng)建設(shè),加快打造具有全球競爭力的世界一流能源互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的戰(zhàn)略部署?；谀茉崔D(zhuǎn)型升級(jí),構(gòu)建清潔低碳的能源網(wǎng)架構(gòu)這一初衷,圍繞電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié),充分應(yīng)用移動(dòng)互聯(lián)、人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)、先進(jìn)通信技術(shù),實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)萬物互聯(lián)、人機(jī)交互,具有狀態(tài)全面感知、信息高效處理、應(yīng)用便捷靈活特征的智慧服務(wù)系統(tǒng)。運(yùn)用新一代信息通信技術(shù),通過信息廣泛交互和充分共享,以數(shù)字化管理,使電力通信網(wǎng)運(yùn)行更安全、管理更精益、投資更精準(zhǔn)、服務(wù)更優(yōu)質(zhì)。

電力通信網(wǎng)向著一體化通信網(wǎng)絡(luò)的方向建設(shè)發(fā)展。多種類的新型業(yè)務(wù)伴隨著傳統(tǒng)業(yè)務(wù)的融入,是網(wǎng)絡(luò)層中重要的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。在十四五電力通信網(wǎng)建設(shè)期間,極有必要對目前現(xiàn)役的電力通信網(wǎng)進(jìn)行架構(gòu)分析及業(yè)務(wù)梳理,并通過有計(jì)劃、有步驟的調(diào)整及建設(shè),為電力通信網(wǎng)的建設(shè)奠定基礎(chǔ)。

2 電力通信網(wǎng)現(xiàn)狀

電力通信網(wǎng)作為電網(wǎng)的信息通信傳輸主干網(wǎng),承載著越來越多的電力通信業(yè)務(wù)。從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)看,現(xiàn)役的電力通信網(wǎng)架構(gòu)主要依據(jù)調(diào)度關(guān)系分為四個(gè)層級(jí)。一級(jí)為國干網(wǎng)絡(luò),主要以特高壓電路及跨區(qū)干線組成。二級(jí)為區(qū)域級(jí)網(wǎng)絡(luò),主要為區(qū)域內(nèi)500 kV及以上變電站間及跨省電路。三級(jí)為省干網(wǎng)絡(luò),主要為省內(nèi)500 kV變電站間及跨地市電路。四級(jí)為地市級(jí)網(wǎng)絡(luò),主要為地市公司區(qū)域內(nèi)35 kV及以上變電站間電路。

在承載業(yè)務(wù)上,目前電力通信網(wǎng)承載的業(yè)務(wù)主要有電網(wǎng)運(yùn)行控制類業(yè)務(wù)、電網(wǎng)生產(chǎn)管理類業(yè)務(wù)、企業(yè)管理類業(yè)務(wù)。

電網(wǎng)運(yùn)行控制類業(yè)務(wù)主要有線路繼電保護(hù)、自動(dòng)化專線、能量管理系統(tǒng)、自動(dòng)化監(jiān)控、故障信息管理等。電網(wǎng)運(yùn)行控制類業(yè)務(wù)對實(shí)時(shí)性、安全性、可靠性要求最高。

電網(wǎng)生產(chǎn)管理類業(yè)務(wù)主要有應(yīng)急指揮系統(tǒng)、站點(diǎn)視頻監(jiān)控、線路狀態(tài)監(jiān)測、營銷分析決策、用電信息采集、雷電定位系統(tǒng)等。

企業(yè)管理類業(yè)務(wù)主要有行政電話、會(huì)議電視系統(tǒng)、一體化集團(tuán)企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)(SG-ERP)、營銷管理系統(tǒng)等。

電力通信網(wǎng)構(gòu)成及業(yè)務(wù)支撐架構(gòu)如圖1所示。

按實(shí)驗(yàn)方法，分別加入0～5mL 10g/L天然高分子表面活性劑阿拉伯樹膠溶液、10g/L非離子表面活劑曲拉通-100溶液和10g/L陽離子表面活性劑十二烷基二甲基氯化胺溶液作為增敏劑，考察3種表面活性劑對體系靈敏度的影響。結(jié)果表明：阿拉伯樹膠溶液增敏性好，當(dāng)阿拉伯樹膠溶液用量在1～2mL時(shí)體系吸光度最大且恒定，吸光度比用曲拉通-100溶液時(shí)提高達(dá)35%；十二烷基二甲基氯化胺溶液對體系靈敏度影響較小。實(shí)驗(yàn)選取1mL的阿拉伯樹膠溶液。

圖1 電力通信網(wǎng)構(gòu)成及業(yè)務(wù)支撐架構(gòu)

3 電力通信網(wǎng)需求與挑戰(zhàn)

樞紐型、平臺(tái)型、共享型電網(wǎng)的建設(shè)目標(biāo),在更加安全可靠的同時(shí),也強(qiáng)調(diào)了電網(wǎng)的友好互動(dòng)性和開放共享性。

強(qiáng)調(diào)開放、互通、共享,將引入大量非傳統(tǒng)電力信息業(yè)務(wù)等互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。目前的電力通信網(wǎng)每一層級(jí)的單套設(shè)備同時(shí)承載了電網(wǎng)運(yùn)行控制類業(yè)務(wù)和電網(wǎng)生產(chǎn)管理類業(yè)務(wù)、企業(yè)管理類業(yè)務(wù)等。雖在網(wǎng)絡(luò)層、業(yè)務(wù)層做了安全等級(jí)劃分,但在傳輸層面上還是承載在同一物理設(shè)備上。隨著電網(wǎng)的發(fā)展,電力通信網(wǎng)可能引入更多的管理信息類業(yè)務(wù)、互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù),在這一背景下需要更好地保障線路繼電保護(hù)等業(yè)務(wù)的安全,需要考慮組建繼電保護(hù)專網(wǎng)單獨(dú)承載繼電保護(hù)業(yè)務(wù),進(jìn)一步確保電網(wǎng)運(yùn)行安全。

臨場感知和信息交互、感傳一體化等關(guān)鍵技術(shù),需要通過一體化通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息互通。而電力通信網(wǎng)目前以調(diào)度管理關(guān)系劃分的業(yè)務(wù)層層轉(zhuǎn)接的多層級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),并不能更好地適應(yīng)信息高水平互聯(lián)互通的要求,因此需要建立一個(gè)上下互通、更為便捷的一體化網(wǎng)絡(luò),以更好適應(yīng)業(yè)務(wù)的需求和網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。

部分新建變電站及老站改造中,需要按照三站合一的模式建設(shè),即電源中心、儲(chǔ)能中心、數(shù)據(jù)中心。其中數(shù)據(jù)中心的建設(shè),需要占用一定量的通信機(jī)房和通信電源資源。隨著近年來各專業(yè)業(yè)務(wù)需求的不斷提高,通信設(shè)備數(shù)量和容量也在不斷增加,有的站點(diǎn)機(jī)房和電源已趨于飽和,這對為滿足三站合一站點(diǎn)的建設(shè)要求而進(jìn)行的機(jī)房和電源改造也提出了不小的挑戰(zhàn)。

面對上述需求與挑戰(zhàn),考慮將繼電保護(hù)等安全級(jí)別較高的業(yè)務(wù)從現(xiàn)有電力通信網(wǎng)剝離,承載在專門構(gòu)建的繼電保護(hù)專網(wǎng)上,同時(shí)梳理電力通信網(wǎng)架構(gòu),構(gòu)建自上而下、貫通始末的一體化通信網(wǎng)絡(luò),避免因多層級(jí)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)造成的光纖、機(jī)房、電源資源浪費(fèi)。

調(diào)整現(xiàn)有電力通信網(wǎng)架構(gòu),由現(xiàn)有依據(jù)調(diào)度管理關(guān)系、多層級(jí)部署傳輸設(shè)備的格局改變?yōu)橐罁?jù)業(yè)務(wù)屬性、弱化層級(jí)部署傳輸設(shè)備的模式。在確保電網(wǎng)安全的前提下,使其更好適應(yīng)電力通信網(wǎng)的發(fā)展。

4 線路繼電保護(hù)通道配置原則

國家電網(wǎng)公司對220 kV及以上線路繼電保護(hù)的配置要求為:220 kV及以上線路繼電保護(hù)應(yīng)采用雙重化配置,每套保護(hù)設(shè)備應(yīng)具備雙通道接入能力,原則上應(yīng)采用光纖通道,其中500 kV及以上雙通道線路繼電保護(hù)應(yīng)配置三條獨(dú)立的通信路由,220(330) kV雙通道線路繼電保護(hù)應(yīng)至少配置兩條獨(dú)立的通信路由,條件具備時(shí),宜配置三條獨(dú)立的通信路由。

5 線路繼電保護(hù)通道現(xiàn)狀及問題

根據(jù)目前500 kV變電站的典型布置規(guī)劃,通信機(jī)房基本都布置在變電站場前區(qū),而500 kV保護(hù)室、220 kV保護(hù)室則根據(jù)需要布置在場地內(nèi)。因此,站內(nèi)用于承載繼電保護(hù)業(yè)務(wù)的線纜路徑如下:通信進(jìn)站光纜從門型構(gòu)架引入通信機(jī)房內(nèi)的通信光傳輸設(shè)備,通信機(jī)房內(nèi)的通信光傳輸設(shè)備與通信機(jī)房內(nèi)的保護(hù)接口裝置之間敷設(shè)2M線纜連接,通信機(jī)房內(nèi)的保護(hù)接口裝置與500 kV保護(hù)室內(nèi)的保護(hù)設(shè)備之間敷設(shè)光纜連接。光纜從門型構(gòu)架經(jīng)場地至場前區(qū)通信機(jī)房,再繞回場地內(nèi)500 kV保護(hù)室。如此,在場地內(nèi)多次重復(fù)敷設(shè)光纜,造成電纜溝內(nèi)空間資源浪費(fèi)。

此外,目前對保護(hù)接口裝置與保護(hù)設(shè)備之間需要敷設(shè)的繼電保護(hù)專用光纜并無強(qiáng)制性條文及相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范,工程中常常出現(xiàn)某一回線路的四根繼電保護(hù)專用光纜在同一電纜溝敷設(shè)的情況,對繼電保護(hù)通道的安全性產(chǎn)生了很大隱患。因此,光電轉(zhuǎn)換作為繼電保護(hù)通道的中間環(huán)節(jié),也可能成為繼電保護(hù)通道發(fā)生故障的節(jié)點(diǎn)。

6 繼電保護(hù)專網(wǎng)構(gòu)想

為了一體化通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)目標(biāo),將繼電保護(hù)業(yè)務(wù)從業(yè)務(wù)種類繁雜的現(xiàn)網(wǎng)剝離,考慮構(gòu)建用于傳輸繼電保護(hù)業(yè)務(wù)的專項(xiàng)網(wǎng)絡(luò),同時(shí)該網(wǎng)絡(luò)的建設(shè),也可減少繼電保護(hù)通道的潛在故障環(huán)節(jié)。

在目前的工程建設(shè)方案中,至A站方向光纜的通信進(jìn)站光纜從門型構(gòu)架引入通信機(jī)房,再經(jīng)繼電保護(hù)專用光纜至500 kV保護(hù)室,光纜通道從門型構(gòu)架經(jīng)場地電纜溝至場前區(qū)通信機(jī)房,再繞回場地內(nèi)500 kV保護(hù)室。繼電保護(hù)專網(wǎng)建設(shè)前繼電保護(hù)通道站內(nèi)光纜路徑如圖2所示。

圖2 繼電保護(hù)專網(wǎng)建設(shè)前繼電保護(hù)通道站內(nèi)光纜路徑

如建設(shè)繼電保護(hù)專網(wǎng)承載繼電保護(hù)業(yè)務(wù),并將繼電保護(hù)專網(wǎng)設(shè)備緊隨保護(hù)設(shè)備布置于500 kV保護(hù)室內(nèi),那么用于繼電保護(hù)專網(wǎng)的光纜僅需從門型構(gòu)架直接引入500 kV保護(hù)室,不必再引入通信機(jī)房,可大大減少光纜在各房間之間反復(fù)敷設(shè)的故障環(huán)節(jié)。繼電保護(hù)專網(wǎng)建設(shè)后繼電保護(hù)通道站內(nèi)光纜路徑如圖3所示。

圖3 繼電保護(hù)專網(wǎng)建設(shè)后繼電保護(hù)通道站內(nèi)光纜路徑

目前,用于承載繼電保護(hù)業(yè)務(wù)的通信傳輸設(shè)備布置在通信機(jī)房,通信傳輸設(shè)備與保護(hù)接口裝置間2M線纜連接,繼電保護(hù)業(yè)務(wù)信息經(jīng)保護(hù)接口裝置光電轉(zhuǎn)換后,再傳輸至保護(hù)室內(nèi)的保護(hù)設(shè)備。保護(hù)接口裝置的運(yùn)行情況并未在通信的可監(jiān)控范圍內(nèi),光電轉(zhuǎn)換成為了繼電保護(hù)通道發(fā)生故障的環(huán)節(jié)之一。繼電保護(hù)專網(wǎng)建設(shè)前的繼電保護(hù)通道如圖4所示。

圖4 繼電保護(hù)專網(wǎng)建設(shè)前繼電保護(hù)通道

將繼電保護(hù)專網(wǎng)設(shè)備布置在500 kV保護(hù)室內(nèi),可在同一房間內(nèi),利用2M同軸電纜實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)專網(wǎng)設(shè)備與保護(hù)設(shè)備之間的直接連接,避免了電、光、電的轉(zhuǎn)換,減少了故障點(diǎn)。

同時(shí),采用2M復(fù)用方式組織的繼電保護(hù)通道,每回線路四套保護(hù)接口裝置,需要布置在通信機(jī)房,占用了通信機(jī)房內(nèi)的部分空間及電源,取消保護(hù)接口裝置,也在一定程度上,為后期電力通信網(wǎng)的發(fā)展及電力數(shù)據(jù)中心的建設(shè)提供條件。繼電保護(hù)專網(wǎng)建設(shè)后繼電保護(hù)通道如圖5所示。

圖5 繼電保護(hù)專網(wǎng)建設(shè)后繼電保護(hù)通道

7 繼電保護(hù)專網(wǎng)組網(wǎng)

7.1 設(shè)備配置

基于業(yè)務(wù)種類建設(shè)的繼電保護(hù)專網(wǎng),可以打破固有的網(wǎng)架層級(jí),為滿足繼電保護(hù)通道三條通信路由的要求,實(shí)現(xiàn)三條通信路由完全獨(dú)立,以站為原則,按站配置繼電保護(hù)專網(wǎng)設(shè)備,即在變電站配置三套繼電保護(hù)專網(wǎng)設(shè)備,安裝在500 kV保護(hù)室內(nèi)。

7.2 組網(wǎng)方案

按照線路出線方向及光纜資源,逐一建設(shè)通信傳輸電路。在光纜承載網(wǎng)的層面上,打破光纜分層分級(jí),按照光纜共享的原則,統(tǒng)籌利用各級(jí)光纜資源,為不同電壓等級(jí)的線路提供基礎(chǔ)資源,如220 kV線路和500 kV線路繼電保護(hù)通道可交互承載在不同電壓等級(jí)的光纜上。按照這一原則建設(shè)的繼電保護(hù)專網(wǎng),每套設(shè)備具有多個(gè)方向光電路,在安全性上可以滿足繼電保護(hù)業(yè)務(wù)的要求。

7.3 通道組織

A站與B站之間的某一回線路,配置兩套保護(hù)設(shè)備,每套保護(hù)設(shè)備具備A、B雙保護(hù)接口裝置,四條通道需按照三條通信路由方式安排。繼電保護(hù)通道典型方式見表1。

具體通信路由按照一二、一三的方式組織,其中,第一套保護(hù)設(shè)備的A口(第一通道)利用第一通信路由,第一套保護(hù)設(shè)備的B口(第二通道)利用第二通信路由,第二套保護(hù)設(shè)備的A口(第三通道)利用第一通信路由,第二套保護(hù)設(shè)備的B口(第四通道)利用第三通信路由。繼電保護(hù)通道配置要求如圖6所示。

表1 繼電保護(hù)通道典型方式

圖6 繼電保護(hù)通道配置要求

7.4 組網(wǎng)模型

在站內(nèi)布置三套繼電保護(hù)專網(wǎng)設(shè)備,根據(jù)變電站光纜方向及數(shù)量選擇直達(dá)光纜與對側(cè)變電站建立直達(dá)路由,作為繼電保護(hù)的第一路由。在滿足點(diǎn)對點(diǎn)雙光纜的條件下,可選擇另一條光纜、另一套繼電保護(hù)專網(wǎng)設(shè)備,建立直達(dá)路由,作為繼電保護(hù)的第二路由。選擇最優(yōu)路由,通常結(jié)合路徑距離或中間跳接點(diǎn)數(shù)量較少的路由,利用第三套繼電保護(hù)專網(wǎng)設(shè)備組織本站至對側(cè)站點(diǎn)的2M復(fù)用通道,作為繼電保護(hù)的第三路由。繼電保護(hù)專網(wǎng)設(shè)備配置及繼電保護(hù)通道組織方案如圖7所示。

圖7 繼電保護(hù)專網(wǎng)設(shè)備配置及繼電保護(hù)通道組織方案

8 對電力通信網(wǎng)規(guī)劃的建議

隨著電力通信網(wǎng)引入更多的管理信息類業(yè)務(wù)、互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù),在這一背景下為了更好地保障繼電保護(hù)業(yè)務(wù)的安全,考慮構(gòu)建繼電保護(hù)專網(wǎng)單獨(dú)承載繼電保護(hù)業(yè)務(wù),同時(shí)繼電保護(hù)專網(wǎng)設(shè)備與保護(hù)設(shè)備就近布置在保護(hù)室,減少中間電纜溝光纜敷設(shè)、光電轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié),從而在本質(zhì)上極大提升電網(wǎng)運(yùn)行安全性。

基于各類信息業(yè)務(wù)互聯(lián)互通的要求,電力通信網(wǎng)應(yīng)考慮統(tǒng)籌各層級(jí)光纜、機(jī)房、電源資源,本著資源共享原則,打破目前的網(wǎng)絡(luò)層級(jí)結(jié)構(gòu),減少層層轉(zhuǎn)接環(huán)節(jié),由現(xiàn)有的四級(jí)分層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)向著更加扁平化的網(wǎng)絡(luò)方向發(fā)展,實(shí)現(xiàn)架構(gòu)上的一體化通信網(wǎng)絡(luò)。

另外,通信機(jī)房保護(hù)接口裝置的取消及通信網(wǎng)絡(luò)扁平化,可以節(jié)省通信機(jī)房內(nèi)部分光纜纖芯資源、屏位資源和電源資源,也為新時(shí)代數(shù)據(jù)中心的建設(shè)提供必要的資源支撐。