数字化(智能化)配电网通信规划的研究.doc
《数字化(智能化)配电网通信规划的研究.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数字化(智能化)配电网通信规划的研究.doc（84页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
分类号：
密级：
UDC：
编号：
学位论文
数字化配电网通信规划研究
樊剑辉
指导教师姓名：
沐连顺教授级高工中国电力科学研究院
苏剑高级工程师中国电力科学研究院
申请学位级别：
工学硕士学科、专业名称：
电力系统及其自动化
论文提交日期：
2009年10月论文答辩日期:
学位授予单位：
中国电力科学研究院
2009年9月
79
原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下所取得的科研成果。
除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。
对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。
学位论文作者签名：
日期：
年月日
关于学位论文版权使用授权的说明
本人完全了解中国电力科学研究院关于收集、保存、使用学位论文的规定。
同意如下各项内容：
按照中国电力科学研究院要求提交学位论文的印刷本和电子版本；中国电力科学研究院有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；中国电力科学研究院有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；中国电力科学院有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；中国电力科学研究院可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。
（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）
学位论文作者签名：
日期：
年月日
导师签名：
日期：
年月日
摘要
本文通过对数字化配电网的基本结构和通信需求的认真分析，结合数字化配电网各种新业务对通信网提出的新要求，阐述了配电网通信系统规划的原则和步骤,论证了各种最新通信技术和通信装备在数字化配电网通信系统中应用的可行性和经济性，提出了配电网通信系统网络结构、采用技术和装备及其应用场合的研究，提出数字化配电网通信规划的推荐方案。
新配电网通信网络应采用层次化的组网结构，充分利用现有通信资源，采用最新通信技术和最新通信装备，全面支持现有和未来的配电网业务，并且有更大的带宽，能对各种配电网业务提供服务质量和安全性保障。
关键词：
数字化配电网，配电网通信系统，网络结构，MSTP、ASON，Wimax、EPON、PLC、WSN
Abstract
Bythoroughlyanalyzingthebasicstructureofdigital（intelligent）powerdistributionnetworkandthedemandoncommunication,thisessayelaboratesontheprincipalandprocesswhichadoptsintheprogrammingofthecommunicationsystemofpowerdistributionnetwork.Thepaperalsoexpoundsthefeasibilityandeconomiceffectsoftheadoptionofnewcommunicationtechnologyandequipmentindigitalpowerdistributioncommunicationsystem,advancestheresearchonthenetworkstructure,technology,equipmentandapplicablescenarioofpowerdistributioncommunicationnetwork.Infinalpartofthisessay,asolutionisproposedforanewpowerdistributioncommunicationnetwork,whichisfeaturedonthegradedstructureofthenetworkandlargerbandwidth,sufficientlyutilizingtheexitingcommunicationresources,proactivelyadoptingthemostup-to-datecommunicationtechnologyandequipment,fullysupportingcurrentandfuturepowerdistributionservices,providingqualityserviceandsecurityforvariousbusinessoperationofpowerdistributionnetwork.
Keywords:
digitalpowerdistributionnetwork,powerdistributionnetworkcommunicationsystem,networkstructure,MSTP,ASON,EPON,PLC,WSN
目录
第一章绪论 1
1.1研究问题的背景 1
1.2配电网通信规划对数字化配电网建设的重要意义 3
1.3目前数字化配电网通信规划的研究情况 4
1.4研究思路 7
第二章、数字化配电网和通信特点 8
2.1数字化配电网的特点 8
2.2数字化配电网的控制管理系统的组成与主要功能 8
2.2数字化配电网管理系统发展趋势 12
2.3数字化配电网管理系统对通信系统的主要需求 15
第三章数字化配电网通信网络架构研究 19
3.2数字化配电网管理系统的基本架构 19
3.3数字化配电网通信系统架构设计原则 20
3.4数字化配电网通信系统路由规划 20
3.6数字化配电网通信系统结构 21
第四章数字化配电网通信网络传输方式选择 26
4.1数字化配电网的通信需求分析 26
4.3数字化配电网通信系统流量预测及计算 30
4.4通信传输技术比较 32
4．4.1传输通信传输技术特点 32
4.4.2近年新兴通信技术特点 33
4.6数字化配电网通信系统传输技术规划 51
4.6.1.核心层、汇聚层－光纤通信技术 52
4.6.2接入层－宽带PLC传输技术 60
4.6.3接入层－公网无线传输技术（GPRS/CDMA/WiMax） 62
4.6.4结论 64
第五章数字化配电网通信系统典型建设模式 66
5.1独立建设方式 66
5.1.1核心层通信系统规划 66
5.1.2汇聚层通信系统规划 67
5.1.3接入层通信系统规划 70
5.2采用租赁和合作的方式 75
5.3比较与结论 76
第六章结论 77
参考文献 78
作者攻读硕士学位期间发表录用的有关学术论文 80
致谢 80
中国电力科学研究院硕士学位论文
第一章绪论
1.1研究问题的背景
未来几十年将是我国全面建设小康社会，向工业化、城镇化、信息化和现代化深入推进的重要发展时期，经济社会将继续保持平稳较快发展。
这一时期，也是我国加强节能减排，建设“资源节约型、环境友好型”社会，实现能源与经济社会和谐发展的关键时期。
“两型”社会建设要求新一代的配电网在确保安全可靠的前提下，着重提升其运行效率和灵活管理能力，需要配电网提供更为稳定可靠、经济优质、灵活互动、友好开放的电力智能控制方式，可以实现用户与电网双向互动，根据用户需要及峰谷电价调整用电时间，提高用户用电的经济性和安全性；可以灵活选择服务质量更好和价格更优的电力供应商；可以将分布式电源电力接入电网，能够适用于目前和未来的商业环境，市场需求和用户的需要，能够进行自我调节，自我扩展，以实现清洁能源的高效利用并获得一定的经济效益。
因此，配电网又一次站在了革命性变革的边缘。
为满足上述目标，更进一步改善供电可靠性，降低运行损耗，提高电能质量和经济效益，国家电网公司提出建立数字化、智能化配电网的战略构想，通过加快配电网相关产业科技进步和设备升级，不断提高配电网的信息化、数字化、自动化和互动化运行水平，提高配电自动化水平，不断提高配电网的运行灵活性和友好互动功能，丰富配电网服务内容和服务质量，满足未来经济社会发展要求以及发电企业、电力用户不断提高的多元化服务需求。
数字化配电网将通过先进的计算机技术、数字系统控制技术和宽带网络通信技术实现了对电网运行的全面、高效、精确的掌控，从而保证电网的安全可靠运行、企业效益的持续提高、社会满意度不断提升，社会的和谐发展。
智能化配电网是对数字化配电网的进一步延伸，将对电力系统，通信系统和信息系统的高度集成，通过电子化控制在非常大的弹性范围内提供广泛的需求响应，以“自愈”的方式处理紧急状况，及时地将问题和事故就地处理并隔离，从根本上提高系统的稳定性，并且可以正确及时地响应能源市场和电力公司的业务需求，这是一个从整个电力行业的整体出发，站在更高的角度提出的十分具有前瞻性，创造性的先进观点和理论。
无论是数字化配电网或更高级的智能化配电网，均需要采用现代化的技术手段提高配电网的运行管理水平。
而通信技术是建设数字化配电网的关键技术，通信技术是数字化智能配电网的基础支撑技术，是智能配电网各种管理和控制信息的传输平台。
通信系统的好坏很大程度上决定了数字化配电网实现的程度，良好的通信系统是实现功能完善的数字化配电网的基础。
因此，配电网的通信规划主要目的是要配合配电网络发展需要，根据数字化配电网的实现功能、要求、规模、当前的通信和计算机技术的发展现状、当前的通信系统的资源现状和技术实施的可行性，对实现数字化配电网需要的通讯系统进行规划，给出给定范围的规划结果，为数字化（智能化）配电网建设实施提供依据。
1.2配电网通信规划对数字化配电网建设的重要意义
数字化配电网是应用现代计算机技术、远动技术、自动控制、通信技术、新型配电设备等先进技术手段，实现配网在线和离线远方监控与配电管理自动化，达到配电网安全，可靠，经济，优质，高效运行的目的。
主要包括
1．建立统一的输配电网系统的数字体系架构,通过把电网的数字化二次设备和高级的分析处理程序有效地纳入到统一的分析框架体系中，从而为实现电网的可靠、高效和经济的运行提供数据基础
2．数字化配电网通过图形和地理空间信息技术手段最大程度的提高一次电网的可见度，使得电力系统的运行操作可视化,同时辅以更智能、综合的分析应用程序，实现对电网的高效有序的管理，降低管理难度。
3．建立统一的数字化配电网数据模型。
将配电网的物理模型映射为标准的数据模型，使得相关数据源以一种有效的，结构化的和清楚的方式关联起来，这种关联不依赖于现有设备的物理特性。
4．建立统一的标准服务，通过服务来访问通用设备和应用程序的处理结果，这种方式隐藏了每个设备和应用的内部运行细节，从而实现把系统组件相关应用当作黑盒子来处理。
5．数字化配电网通过对电网数据的多层次的分析，使得电网更加协调优化的运行，其中有：
网络运行的优化、经济调度的优化、负荷管理的优化、需求侧管理等。
上述功能的实现都是以准确、及时、有效的各类控制、检测信息的传输为基础的，通信系统是数字化配电网最重要部分之一，担负着配网系统中所有数据、信息的处理、命令的发送和返回，是确保配网运行发生故障时相应的故障和控制信息能够及时准确地上传下达的基本保障。
目前电力通信网已成为电网调度自动化、网络运营市场化和管理现代化的基础，是电力系统不可缺少的重要组成部分，是电力市场商业化运营的保障，是实现配电网现代化管理的重要前提，更是推动建设“数字化电网、信息化企业”的重要基础。
随着国网公司信息化的发展，电力通信网必将发挥越来越重大的作用。
1.3目前数字化配电网通信规划的研究情况
近年来针对我国经济建设稳步发展，人民生活质量不断提升的良好局面，供电企业都在积极采取措施，加强大用户管理和满足用户需求，提高供电质量和服务水平，树立电力企业的良好社会形象，增加企业的经济效益。
为了提高城市配电网安全运行水平，缩短配电线路设施的故障修复时间，变被动服务为主动服务，供电企业正在积极探索和开展数字化配电网各项技术的实际应用研究，配电网的通信技术正是重点研究的内容之一。
目前配网通信采用技术较多的为光纤通信、载波通信以及移动通信三种方式。
光纤通信具传送速度快，通信容量大，可靠性高，抗干扰能力强，配置灵活，扩展方便的特点，若需要增加新的点，可在就近的光纤通信环网内打开环路直接链接。
光纤网结构简单，组网灵活，工作稳定，它即可以沿架空电力线路同杆架设也可以电力电缆一同地下敷设。
可以组织成环网结构，也可以组织成辐射网结构，还可以组织成环网、辐射网交织的混合结构网。
目前光纤通信主要被用于配电通信网的主干道，作为配网信息汇集的传输通道，并承担配网与输电网之间信息传输。
如地区110kV及以上变电站、各区局办公大楼、输电部、送电大厦、试验所、各区供电所、营业厅以及各区主要办公场所的通信等。
中压载波通信在国外自50年代开始应用，主要应用在中压电网的负荷控制领域，大多为单向数据传输、速率低（有时小于10bit/s甚至更低），并没有形成大规模的电力线载波通信服务产业。
国内在八十年代后期多数是直接使用小型化的集成电路农电载波机实现点对点通信。
随着10kV线路通信需求的增长，到了九十年代末，出现了多种载波通信设备（这些设备可采用不同的线路耦合方式：
电容耦合、变压器耦合、低压耦合、陶瓷电真空耦合及天线耦合等），目前，利用电缆屏蔽层传输的载波方式收到广泛关注。
并在部分网络结构较为规范的地区应用钟，取得较好了效果。
中压载波也经常与光纤通信配合使用，应用于光纤敷设达不到的地段或很难达到的地段，或是距离较长、配电点少，可靠性要求相对较低的线路；
近年来，随着移动通信的快速发展和不断完善，移动通信网已经基本覆盖城乡各个角落。
移动通信技术在电力系统中也得到了应用，主要在一些非实时、重要性不太高的场合，例如故障指示器状态信息上传，配变监测信息传送等。
目前应用的方式主要有两种：
短信和在线传送。
短信方式采用GSM或CDMA技术，终端通信设备无需始终联网，较为经济，但传输数据量有限，实时性相对较差。
在线传送采用GPRS或CDMA技术，终端通信设备始终联网，传送速率目前达38.4Kbps，传输数据量较大，实时性比短信方式高，但其缺陷是必须申请一个固定因特网IP地址，因而使数据传输暴露于公网中；实时性依然不能满足重要实时信息的传输，而且可能有不确定的延时。
由于投资、需求、安全等方面的综合因素制约，35kV及以下的配网通信系统目前没有形成较为完善的解决方案。
由于投资主体分散，网络规划各异，建设形式多样，各地配网通信发展不平衡，光缆总体覆盖率很低，13个网省公司的部分城市开展了配网自动化试点建设，公司系统具备远程通信功能、实现了二遥或三遥功能的开关数量仅占8.9%。
亟需明确配网通信建设策略，统一功能规范，形成完善解决方案，进一步创新业务模式和盈利模式，发挥配网通信平台的潜在效能。
因此研究通信系统规划如何与城市数字化配电网规划、建设、改造配套和协调统一发展；研究数字化配电网管理系统（主要是城市变电站自动化、配电网自动化协调和继电保护控制系统、营销和需求侧管理业务系统等）对通信的需求，提出数字化配电网集成的通信解决方案；研究在数字化配电网中采用光纤、PLC、无线等技术合理性和经济性分析，不同技术方式的数据安全性是当前配电网通信规划的主要任务。
1.4研究思路
本次研究首先分析国内外数字化配电网通信系统发展现状，根据我国负荷快速发展的实际情况和“两型”社会建设要求，提出配置合理配电网通信系统的必要性。
研究内容主要有以下几点：
1．数字化配电网基本组成和对通信的需求
2．数字化配电网通信基本架构研究
3．通过对数字化配电网所需信息量的评估、配网通信的规划流程、配网通信技术优选等方面的分析，为配电网中选用何种通信方式，如何建立优化的配电通信网提供理论依据。
在配网信息量的评估上，主要研究数字化配电网所需信息的类型，总量等，并对于配网将要达到不同监控程度所需要信息量进行相应的分类总结。
4．针对主流配网通信技术进行优选。
主要针对两个方面分析，一是对已有技术的评估，二是紧跟通信发展的新技术，尝试将一些新的技术引入配网通信中，比如WSN（wirelesssensornetwork）无线传感器网络等技术，并对新技术的使用进行评价。
5．最后按照自建和租赁两种方式分析典型数字化配电网通信网建设模式。
第二章、数字化配电网和通信特点
2.1数字化配电网的特点
1.数字化配电网监控范围广。
包括开闭所、配电所、出线开关、分段开关、联络开关、重合器、环网柜、柱上开关、箱式变、小区变、公用配变、故障指示器、补偿电容器等。
2.设备多，测点多，覆盖面广，总信息量大，测点容量小，配电网受扩容，城建影响大,配电网网络接线变化频繁经常需要根据城市建设和改造的要求进行线路改造工作，经常需要在线路上进行业扩报装工作
3.随着用电负荷密度的增长，城市终端变电站的数量将逐渐增加，变电站的供电半径将逐渐减小。
2.2数字化配电网的控制管理系统的组成与主要功能
数字化、智能化配电网即通过先进的计算机技术、数字系统控制技术和宽带网络通信技术实现了对配电网运行的全面、高效、精确的掌控，是对电力系统，通信系统和信息系统的高度集成，简单来说就是实现从变电到用户用电全程的监视、控制和管理综合自动化管理系统即数字化、智能化的配电管理系统（DAS）。
近阶段，我国的一个完善的数字化配电网管理系统应具备以下功能子系统。
1.配电自动化（DistributionAutomation-DA）DA实现的是配电网中最基本和最重要的自动监控功能。
DA不仅包括变电站自动化和馈线自动化,还包括很重要的无功和电压调控等功能系统。
1）配电变电站自动化（SubstationAutomation一SA）
SA是指将对配电变电站内的监测、保护、控制及信息传输有机综合而成的一个自动化系统,可提高变电站运行的可靠性,提高劳动生产率,简化系统,减少变电站占地面积,降低造价,减少维护工作量。
变电站自动化系统还往往是馈电线自动化中信息传递与处理的工作主站,也是执行调度端下达命令的工作子站。
当今,SA系统因其完备的功能、有别于过去的功能各自独立和相互元信息交换的变电站监控系统,而被称为变电站综合自动化。
在配电网的低压网络中,有若干配电变压器,其参数的远方监视和补偿电容自动投切,可视为SA的特殊形式。
2）馈线自动化（FeederAutomation-FA）
FA广义上包括配电网高压、中压和低压三个电压等级的线路自动化。
对于高压配电线路,其负荷一般是二次降压变电站；中压配电线路其负荷可能是大电力用户或配电变压器;而低压配电线路,其负荷则是广大的用户。
各电压等级馈线自动化有其自身的技术特点,特别是低压馈线,从结构到一次、二次设备和功能,均与高、中压馈线有很大区别。
目前论述FA,是指中、高压的馈线自动化,特别是指中压FA,在我国尤其是指1OKV馈线。
故通常所指的FA主要是指此范围。
FA的功能主要为运行状态监测,对馈线的远方与就地控制,馈线故障后实现对故障区的定位、隔离、负荷转移和恢复供电,以及无功补偿和调压。
3）DFACTS技术。
应用于输电系统的柔性交流输电系统（FACTS）技术,近年扩展到配电网,故称为DFACTS技术。
这是一大类电力电子技术在配电网中的应用。
目前主要指固态断路器（SSB）、静态调相器或静态无功补偿（STATCOM）、动态电压恢复器（DVR）、谐波抑制装置等。
DFACTS技术的推广使用必将引起配电网自动化更新更高层次的发展。
4）远方抄表系统及其他配电自动化技术。
2.配电网实时数据检测与监控系统（SupervisoryControlandDataAcquisition-SCADA）。
配电网的实时数据检测与监控系统,是DMS实现自动化管理的基础。
在电力系统中,SCADA系统均是通过通信系统传送信号。
配电网中的SCADA,既包括配电变电站中的RTU与调度端的主站（MasterStation-MS）之间实时数据的传送、接收与处理,还包括沿馈电线装设的FTU,TTU的信息传送、接收与处理。
3.配电网地理信息系统（GeographicInformationSystem-GIS）
地理信息系统能准确地给出事物的地理位置。
将GIS引入配电网中应用,是DMS的重要特点之一。
因为配电网的设备多而分散,网络节点多,且网络走向与城镇建筑、街道等地理信息关系密切。
将自动绘图（AutomaticMapping-AM）与设备管理（FacilityManagement-FM）功能建立于GIS平台上,形成一个AM/FM/GIS系统,可以更方便、更直观地对配电网进行运行管理。
该系统离线应用时,不但可以表明网络内设备的状态,还可与SCADA配合,通过着色等方法的在线应用,显示配网潮流、电压分布、故障位置等。
此外,GIS具有辅助配电网发展规划设计的功能。
借助AM/FM/GIS系统,可以实现用户信息系统、停电管理系统等特殊功能系统。
4.配电网的负荷管理（LoadManagement-LM）
在DMS系统下的负荷管理是指根据用户的用电量、电价、气候条件等因素进行综合分析,制订负荷控制策略和计划;对集中负荷进行监视、管理与控制;此外,还有估计负荷的预报模型和控制方案评价研究的功能。
可以认为,LM是DMS系统面对负荷的各种预报、监控、管理功能的综合。
5.配电网的应用软件
这里所指的是处于配电网调度层的分析软件组,常称为电力系统软件（PowerApplicationSoftware-PAS）。
这包括若干保证安全可靠供电、潮流计算、分配负荷、优化电压/无功的多种应用软件。
这一大类软件又可分为基本应用软件与派生应用软件。
前者如潮流计算、网络拓扑分析、状态估计、短路电流计算、电压元功控制、负荷预报等;后者如网络重构、变电站负荷分配、馈电线负荷分配、按相平衡负荷等。
此外还有专用应用软件,如小区负荷预报、投诉电话热线处理、设备管理等。
6.需方用电管理（DemandSideManagement-DSM）
需方用电管理含有控制与自动化的内容,更多的是一种管理,但不同于前述的负荷管理。
DSM是指电力供需双方通过电力市场实现密切配合,建立一个良好的生产与消费的关系,达到提高供电可靠性,减少能源消耗及供需双方的费用支出的目的。
DSM包括负荷管理、用电管理、抄表系统、需方发电管理等内容,可见,DSM比LM涉及范围广;LM的进一步发展是DSM。
DSM与LM的区别在于:
DSM要求用户有效参与,而在LM方式下,用户是被动的。
升级会员 