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南方电网未来电力通信系统发展及应用分析

供稿:pagesev 2013/11/25 16:13:44

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  • 关键词: 物联网 智能电网 通信
  • 摘要:随着电网的发展,电力通信广泛应用于电网生产控制、管理、经营等各个环节,并已成为电力系统的有机组成部分。同时,随着电力体制改革深化,电网安全、优质运行的要求进一步提高,电力工业技术和通信技术的进一步发展,也推动现代电网正在从半自动人工控制逐步向全智能控制演进。

智能电网是当前世界范围内从政府到企业乃至社会公众被广泛关注的一个话题,是全球经济和技术发展的必然趋势,也是国际电力工业积极应对未来挑战的共同选择。然而,目前并没有成熟的通信架构和相应的通信技术能满足智能电网对于通信的这种要求。

因此,针对智能电网的需求,以及电网实现国家《2006-2020年国家信息化发展战略》提出的发展目标给电力通信带来了极大的挑战,研究新的通信架构、应用模式和通信技术来为电力系统服务显得尤为迫切。因此,本文将分析南方电网的信息通信系统的业务需求及通信技术发展,对南方电网未来电力通信系统发展及应用进行深入分析。 

1、电力通信业务及应用现状分析

南方电网电力通信业务根据其功能、特点主要分为电网运行和企业管理两大类业务。

1.1电网运行类业务发展现状

南方电网远距离、大容量、超高压输电,交直流混合运行,既有电触发直流技术,又有光触发、可控串补、超导电缆等世界顶尖技术,成为国内结构最复杂、联系最紧密、科技含量最高的电网。在可预见的未来,特高压输电工程使得远距离直流输电、交直流混合输电、灵活输电和紧凑性输电将得到更加广泛的在南方电网公司应用,电网联系更加紧密,大电网、超高压、远距离的特征更加明显。

目前南方电网公司在220kV及以上的系统保护全部实现微机化,新投220kV及以上线路保护通道采用光纤通道,逐步实现220kV及以上线路保护通道光纤化,500kV线路保护通道采用双重化。“继电保护及故障信息系统”已完成调通中心主站和部分地调的分站的建设。

南方电网公司下属变电站基础自动化水平有了很大提高,新建变电站均按综合自动化建设。为适应数字化变电站技术的发展,2008年开始在南方电网多个地区开展数字化继电保护新技术研究和全数字化变电站的试点工程建设。

南方电网下属各电网已完整地建立了覆盖各级调度自动化系统,实现了包括基于PMU相角测量单元在内的广域数据采集与监控、自动发电控制、无功电压控制等功能,并系统地装设了安全稳定控制系统及装置以及备自投装置等各种类型的安稳和自动装置,建立起完整、有效的南方电网安全稳定运行的第二道、第三道防线。上述二次防御设备领域的有效实行,很大程度上依赖于通信技术的进步,并且电网安全防御系统各站之间的传输通道的性能直接关系到其功能的发挥,电网急需要一种高速、高可靠、高稳定性的通信方案,满足电力系统运行、控制以及管理实时通信要求,并适应电力系统通信网的发展。

1.2管理信息业务发展现状

管理业务是属于安全区域III区和IV区的信息类业务,从企业经营管理的角度来看包括管理事务支持类、管理信息支持类和管理决策支持类。南方电网公司信息化的目标是通过建设覆盖生产业务和管理业务的计算机管理信息系统,实现企业生产业务和管理业务的自动化以及管理决策的智能化,提高企业运行的效率和管理的质量,为实现企业持续发展的经营管理目标服务。

一、管理事务支持类

管理事务支持类的应用系统,以提高管理业务中事务处理的效率和质量为目标。目前南方电网公司在电力生产、电力营销以及企业经营管理业务的信息类应用系统已经覆盖了电网公司主要的管理事务工作范围,各分、子公司也基本上实现了管理事务处理工作的信息化。

二、管理信息支持类

管理信息支持类的应用系统,是以提高企业整体管理效率和管理水平为目标而建设的。南方电网公司大部分管理信息支持类的应用系统,是在对应支持管理事务的应用系统基础上扩充管理信息支持功能而成的,这部分扩充的功能包括:管理报表功能、综合查询功能和管理分析功能等。南方电网公司近年来以企业应用集成(EAI)和企业信息门户(EIP)技术开发的许多管理信息支持类的应用系统,为提升南网公司企业管理的整体水平发挥了重要的作用。

三、管理决策支持类

管理决策支持类的应用系统,以企业级数据中心建设为核心,围绕数据仓库的建设,依据不同的企业管理决策主题,开发基于不同决策模型的管理决策支持系统,辅助企业各级管理人员提高管理决策的水平。目前南方电网公司管理决策支持类的应用系统,多数是从管理信息支持类的应用系统中扩充而来的,属于战术层面的辅助管理决策支持系统;而支持战略层面辅助管理决策支持系统还极少,即便一些分子公司己建或在建的数据仓库系统,也还处在不成熟的阶段,管理决策支持的范围和能力十分有限。

2、南方电网通信现状分析

南方电网电力通信网以发展光通信为主,在此基础上发展数据网、语音交换网、时钟同步网、视频会议系统和电力系统独有的电力载波等作为电网的主要通信手段,并采用卫星通信、公网通信作为应急通信或辅助通信手段。 

近年电力通信蓬勃发展,南方电网在通信技术体制、网络规模发生了根本性的变革,光纤、数据网络等宽带通信技术发展迅速,成为主流。微波、载波等载带通信技术逐步萎缩。目前,继电保护、安全自动装置、自动化已普遍使用光通信技术,通道的可靠性极大的提高,挣脱了带宽、时延、可靠性等原有通信条件的束缚,跨区域的控制成为可能,跨系统的监视、分析成为现实。电流差动保护、新EMS系统等新的电网控制技术得以广泛推广。电力通信与电网生产更加紧密,更加融合。 

目前传输网、数据网、程控交换网、视频会议等系统已经实现了网、省、地三级互联,部分地区已经延伸到县级单位。通信资源得以共享,有效缓解了同一变电站重复建设三四套甚至更多的通信系统,大大节约了建设成本。同时也极大扩展了各应用系统的控制范围,目前南方电网公司本部自动化系统、电力市场系统可以采集所有500KV及以上厂站的信息,南方电网公司本部的视频会议信号可实时传送到省、地,甚至县,远远超出了直调系统和骨干网的范畴。体现了南方电网公司一盘棋,一体化、现代化的信息化发展思想。

公网通信在南方电网的应用主要在应急通信、农网信息化、配网自动化及营销自动化以及日常办公。在应急通信中通过租用光纤、电路资源作为电网实时控制业务的备用通道;通过租用电路资源实现农网信息化;通过租用公网GPRS/CDMA无线通信资源解决配变监测、大客户负控、低压集抄等通信问题;以及实现办公互联网接入、办公电话外线、传真、移动电话等。然而,由于公网通信主要面向社会大众,还没有制定专门针对电力企业工业化控制和信息安全需要的技术服务,目前使用中还存在网络不稳定、需求及故障处理滞后等一些技术和管理方面的问题。

3、电力通信业务发展及其对通信的新需求

3.1电力运行业务的发展

绿色环保与可持续发展是当今世界的一大主题。绿色电网体现在更多的应用可再生能源、电网设备与环境和人的和谐、更高的电能质量和能源使用效率等方面。以超(特)高压远距离输电和智能电网为特征的现代化电网架构正体现了这一目标。同时,绿色电网的目标还呈现出电网技术的以下发展趋势:输变电设备的紧凑型、数字化、无污染、组合化和高可靠性;配、用电设备智能化、自动化和互动化;电网设备运维更加注重抗灾容灾、远程监控、状态检修与风险评估;电网调度运行更加注重节能、自动化和一体化智能调度;配网运行更加注重供电可靠性和电能质量。围绕绿色电网的目标,高效储能、FACTS与定制电力技术、可再生能源发电、分布式发电等技术将得到更大的发展。

此外,继电保护、安稳装置业务提出接口光纤化、统一时间标识的新要求。在十二五期间,继电保护通信业务将推广采用光纤通道,同时要求装置能通过以太网接入站内自动化系统和继电保护信息系统,应能接受站内对时系统统一提供同步时钟信号,其实时性要求保持与当前要求一致,保护信号的传输延时要求在12毫秒以内;可靠性要求为500千伏线路每套主保护和220千伏线路两套主保护均采用两条完全独立的通信通道。具有光纤通道的线路,其主保护优先考虑采用光纤电流差动保护;正在开展保护装置直接通过光口接入通信通道的研究,预计今后设备间将统一采用2M光接口。 

在十二五期间,安稳装置在主站、子站及执行站之间通信技术采用复用2Mb/s光纤通道。实时性要求保持与目前要求一致,信号的传输延时要求在30毫秒以内;可靠性要求为每套稳控系统采用两路完全独立的传输通道。 

变电站数字化、智能化的趋势可以看出,南方电网电力通信将从站间通信延伸到站内通信。变电站内部通信物理层逐步向单模光纤发展,统一采用LC接头;高速、大容量的传输设备成为变电站通信的发展方向,逐步取消PCM设备及低速接口。 

配电网自动化系统遥信、遥测、遥控数据要求带宽很小,但数量庞大。按照网公司城农网建设规划,预计在十二五期间将有72万个配网站点需要通信支持。配电网设备大多安装在线路上和配电房挂式柜中,操作空间狭窄,要求配电网通信设备能够便于安装和调试,减少日常维护量;又因配电网通信覆盖面广,通信设备必须具有远程管理功能。同时,配电网通信设备大多安装在室外,自然环境恶劣,要求设备具有工业级标准,能够承受要求较高的温度、湿度并具有防雷能力。 

这些技术的共同点是:数据传输延时更短,将缩短至毫秒量级;带宽更高,将达到几兆甚至是几十兆;路径要可控、通信路由要更可靠,电网控制业务的路由必须是全程全网的管控,通信传输的时间参数将成为电网控制业务的关键参数;覆盖范围更广,将覆盖至10kV甚至是220/380V电网;统一的时间、频率系统,电网控制业务、通信设备失去时间、频率将无法工作,后果不堪设想;此外,通信设备需要在更加苛刻的环境下稳定运行。这些变化对电力通信提出了更加严格的要求。 

3.2企业管理信息类业务发展对通信技术新需求 

随着南方电网公司信息化进程的不断深入,朝着企业管理信息类和企业决策支持类的应用方向发展。 

从南方电网公司近期信息类业务的发展趋势看,信息化应用深入发展的方向可以概括为:网级集中的业事务处理、企业级数据中心支持的辅助决策、高带宽下的移动办公、虚拟与现实互联的应用等四个方面。南方电网企业管理的发展方向主要是集中化发展,即信息业务按照“统一架构、二级中心、多层应用”的思想,在南方电网公司总部、各分子公司本部分别建立的数据中心,地市公司建立综合数据平台。企业数据中心、同城灾备中心、异地灾备中心,各分子公司本部数据中心、同城灾备中心与异地灾备中心间的数据同步复制,对带宽要求极高,可达到1600-4000Mb/s、通信延时在几毫秒内,通信误码率为≤10-3,需严格保证通信通道可用,严格保证信息不被恶意截获和修改。 

这类业务应用发展的共同点是:电力通信覆盖面更广,从各级电网公司、地区供电局至县级单位、二级单位、变电站、供电所、营业点等业务末端都需要保证通信畅顺;通信带宽要求高,能满足从财务管理、市场营销几兆大量数据到灾备中心几千兆海量数据的传输要求;安全性、可靠性要求更高,由于该类业务交互管理决策、电力销售、生产计划等数据,对通信通道安全性、可靠性要求极高,一般采用电力通信专网,若采用公网通信则要求有相应的安全防范措施。这些都对电力通信提出了更加严格的要求。 

4、智能电网业务发展及其对通信的新需求 

智能电网的核心理念是利用现代信息通信、控制等先进技术,提升电网的智能化水平,适应可再生能源接入、双向互动等多元化电网服务要求,提供安全可靠、经济高效的可持续电力供应。电力通信网络是智能电网实现的基础,通信是地理位置不同地点智能化系统之间信息沟通的主要手段,其性能决定了智能化系统的总体性能。实现智能电网,关键要实现智能调度和控制,其技术保证是要有高速、双向、实时、集成的通信系统。同时通信系统要和电网一样深入到千家万户,才形成两张紧密联系的网络—输配电网和通信网络,实现智能电网的目标和主要特征。 

目前大都说明通信对于智能电网的重要性以及通信应该覆盖到的范围,并没有说明这样的通信网络应该如何能实现。但基本上有以下共识: 

“智能电网中的各主体之间需要实现充分的信息共享、交互,因此,智能电网环境下的电力通信系统必须具备“范围广”和“数量大”的特点。因此,建设面向21世纪电网的最大调整在于发展广域互联的通信设施。” 

“智能电网通信网络架构需要一个由光纤作为通信介质组成的多层结构的通信网络,包括广域网、局域网、家庭区域网,各层次之间是包含与被包含的关系。” 

综合以上内容,智能电网对通信网络的需求就是建设一个与电网同覆盖的电力泛在、双向、实时、互动的通信网络。这个网络是要在现有电力通信网络中不断发展、完善,是现有电力通信网络的继承与发展。 

5、需要解决的问题与研究内容 

南方电网各环节均已建立较成熟的业务信息系统,已建成先进可靠的电力通信网络,形成了以光纤通信为主,微波、载波、卫星等多种通信方式并存,分层分级自愈环网为主要特征的电力专用通信网络体系架构。传输媒介光纤化,业务承载网络化,运行监视和管理正在逐步实现自动化和信息化。 

但是,与未来电网对通信的要求相比,目前电力通信系统还存在以下急需解决的问题:信息化发展不平衡;信息资源的集成和整合需要进一步加强;信息系统的应用深度和实用化水平有待提高;配电侧和面向用户侧的通信网络资源不足;电力通信传输网络结构需要进一步优化;通信信息资源需要优化整合;缺少抵御极端天气的电力应急通信方案和通信抗灾体系;通信网络的带宽和可靠性、安全性需要进一步提高。 

针对上述问题,南方电网未来电力系统通信技术发展应以满足智能电网各阶段建设和发展的需求为出发点,不断应用先进成熟的通信技术,完善高速可靠的输电通信网、建设实用的配用电通信网、重点保障应急通信网。 

所以,南方电网未来五至十年电力系统通信发展建议重点开展以下工作: 

1.以从根本上提高电力通信网络的可靠性、冗余度和安全性为目标,重点研究电力通信系统的规划及其应用技术,深入研究电力通信网络的可靠性、资源优化和安全等领域,特别加强对现有技术和资源的优化研究;加强应急通信技术的研究和应用技术。 

2.以实现通信监管一体化为目标,全面深入开展通信系统的信息化研究及应用工作,实现通信系统设备和资源的数字化管理。 

3.以实现通信运维工作的数字化转变为目标,深入开展通信运维方面的研究和应用工作,包括通信运行管理系统的设计与应用、通信资源管理和优化、通信监控和通信网络的电子运维等领域。 

4.以全面获取通信网络信息及其评价为目标,加强通信网络现状的评估技术的研究及应用工作。 

5.以服务智能电网为目标,加强通信新技术的应用研究工作。研究智能电网下新型通信介质、通信协议、数据传输、通信网络架构、通信资源管理技术和通信资源优化等领域及其应用技术。

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