禹鵬 羊冠寶 蔡儒寧 曾揚(yáng)騁

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光纖通信技術(shù)在分布式智能微電網(wǎng)研究中的應(yīng)用

禹鵬 羊冠寶 蔡儒寧 曾揚(yáng)騁

海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司三沙供電局，海南 ?？?570203

結(jié)合分布式電源的特點(diǎn)，研究了光纖通信技術(shù)在分布式智能微電網(wǎng)中的應(yīng)用。根據(jù)變電站系統(tǒng)IEC?61850規(guī)約的層次結(jié)構(gòu)和微電網(wǎng)自身的實(shí)際情況，建立了三層微電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。考慮到所設(shè)計(jì)的通信網(wǎng)絡(luò)的安全性，針對(duì)中心交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提出了分布式智能微電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信調(diào)度算法的體系結(jié)構(gòu)，以保證傳輸網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性和可靠性。最后，通過對(duì)分布式智能微電網(wǎng)系統(tǒng)的測(cè)試和分析，驗(yàn)證了光通信技術(shù)在分布式智能微電網(wǎng)中的有效性。

微電網(wǎng)通信技術(shù)；網(wǎng)絡(luò)通信調(diào)度策略；微電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；分布式智能微電網(wǎng)通信調(diào)度算法

引言

隨著電力信息化技術(shù)的進(jìn)步，微電網(wǎng)與大電網(wǎng)在互動(dòng)過程中，除了能量交換之外，信息的交換也更加頻繁。光纖通信技術(shù)在微電網(wǎng)能量?jī)?yōu)化管理中起著關(guān)鍵作用。微電網(wǎng)通信技術(shù)必須具備以下兩個(gè)方面的特性。

（1）實(shí)時(shí)性。微電網(wǎng)應(yīng)根據(jù)故障情況或系統(tǒng)需求在多種運(yùn)行模式之間快速轉(zhuǎn)換。（2）可靠性。微電網(wǎng)應(yīng)準(zhǔn)確可靠地獲取設(shè)備信息來判斷微電網(wǎng)是否正常運(yùn)行。

近年來，微電網(wǎng)通信技術(shù)的研究得到了快速發(fā)展。例如，文獻(xiàn)[1]研究了微電網(wǎng)通信體系結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一個(gè)微電網(wǎng)格框架，包括分層代理傳感器網(wǎng)絡(luò)和分布式控制結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[2]介紹了基于多智能體技術(shù)控制系統(tǒng)的自主微電網(wǎng)通信框架的開發(fā)，采用實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器進(jìn)行仿真，利用 RSCAD軟件的腳本功能和局域網(wǎng)上的文件共享協(xié)議建立必要的通信。

文獻(xiàn)[3]微電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)性能研究，通過OPNET軟件分析了不同通信技術(shù)和傳輸協(xié)議下微電網(wǎng)的延遲和吞吐量。文獻(xiàn)[4]評(píng)價(jià)了無線通信技術(shù)滿足特定需求的能力，并提出了一些補(bǔ)救措施。利用OPNET仿真工具，研究了時(shí)延和分組丟失對(duì)微電網(wǎng)響應(yīng)主電網(wǎng)干擾能力的影響。文獻(xiàn)[5]微電網(wǎng)通信技術(shù)研究提出了基于有線和無線通信技術(shù)的混合微電網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)，并分析了基于以太網(wǎng)、Wi-Fi和 Bee的微電網(wǎng)端到端延遲性能。

本文主要研究了光纖通信技術(shù)在分布式智能微電網(wǎng)中的應(yīng)用。將IEC?61850規(guī)約應(yīng)用于微電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，選擇最優(yōu)方法實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制，并設(shè)計(jì)了一種三層通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。結(jié)合微電網(wǎng)通信特點(diǎn)，通過應(yīng)用分析，驗(yàn)證了有線和無線節(jié)點(diǎn)接入微電網(wǎng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。

1 光纖通信在分布式智能微電網(wǎng)應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

微電網(wǎng)通信主要采用EPON技術(shù)。EPON（以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)）具有傳輸帶寬高（2～100 mbps）、傳輸距離長(zhǎng)（0～20?km）、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多樣、擴(kuò)展方便、功能多樣、操作維護(hù)方便、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足用戶的不同需求。EPON通信傳輸原理如圖1所示。

圖1 EPON通信傳輸原理

光纖通信技術(shù)在微電網(wǎng)中的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)如下。

（1）操作維護(hù)方便。EPON結(jié)構(gòu)不需要電源，在傳輸過程中沒有電子元件，因此易于鋪設(shè)，幾乎不需要維護(hù)。

（2）提供非常高的帶寬服務(wù)范圍。帶寬隨著以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展可以升級(jí)到10?Gb/s。PON作為一種點(diǎn)到點(diǎn)技術(shù)，節(jié)省了資源，可以被許多客戶使用。

（3）網(wǎng)絡(luò)可靠性高。在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，由于每個(gè)用戶設(shè)備與局內(nèi)OLT設(shè)備之間并行通信，因此無論用戶設(shè)備出現(xiàn)多大的故障，都不會(huì)影響其他正常的用戶設(shè)備和整個(gè)通信系統(tǒng)的運(yùn)行。

（4）簡(jiǎn)潔的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種優(yōu)點(diǎn)是使用光譜設(shè)備大大簡(jiǎn)化了中繼傳輸系統(tǒng)。

2 分布式智能微電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

在本文的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，微電網(wǎng)通過變壓器和靜態(tài)開關(guān)與配電網(wǎng)相連，并以分層方式運(yùn)行。如圖2所示底層為本地控制層，實(shí)現(xiàn)了分布式電源和負(fù)荷單元的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。中間層是集中控制層，負(fù)責(zé)微電網(wǎng)的并網(wǎng)和離網(wǎng)兩種運(yùn)行方式的無縫切換以及整個(gè)微電網(wǎng)的保護(hù)和協(xié)調(diào)控制。上層是調(diào)度管理層，對(duì)微電網(wǎng)的發(fā)電量和負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)微電網(wǎng)的功率輸出和負(fù)荷變化并及時(shí)加以優(yōu)化控制，實(shí)現(xiàn)綜合優(yōu)化的目標(biāo)。

3 分布式智能微網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)通信調(diào)度策略

微電網(wǎng)通信的特點(diǎn)是通過CT、PT以及各種傳感器實(shí)時(shí)采集電壓、電流、有功、無功及溫度等遙測(cè)和狀態(tài)信息發(fā)送到微電網(wǎng)調(diào)度控制中心，由微電網(wǎng)調(diào)度控制中心向各逆變器發(fā)出指令進(jìn)行調(diào)整，通過控制靜態(tài)開關(guān)改變微電網(wǎng)的運(yùn)行方式，通過發(fā)送指令實(shí)時(shí)遙控?cái)嗦菲?，確保電網(wǎng)的安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2 微電網(wǎng)通信結(jié)構(gòu)圖

考慮通信網(wǎng)絡(luò)可能受到來自外部的攻擊，并且當(dāng)部分網(wǎng)絡(luò)被破壞時(shí)，其他部分需要保證正常工作。對(duì)于中心交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可采用圖3所示的分布式智能微網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)通信調(diào)度算法，以保證微電網(wǎng)業(yè)務(wù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性。

圖3 調(diào)度算法流程圖

表1 系統(tǒng)的照度和誤碼率

中央交換機(jī)的調(diào)度器為每個(gè)終端創(chuàng)建一個(gè)緩存隊(duì)列。當(dāng)不同終端的業(yè)務(wù)包到達(dá)交換機(jī)時(shí)，它們將被插入到不同的緩存隊(duì)列中。設(shè)置具有較高優(yōu)先級(jí)的GOOSE消息先傳輸控制和保護(hù)信息。當(dāng)存在要交換的業(yè)務(wù)包時(shí)，優(yōu)先發(fā)送GOOSE消息，以確保實(shí)時(shí)高優(yōu)先級(jí)消息。在發(fā)送高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)包后，發(fā)送低優(yōu)先級(jí)信號(hào)業(yè)務(wù)包；通過設(shè)置指針，調(diào)度器輪詢不同終端的發(fā)送緩存隊(duì)列，確保每個(gè)終端業(yè)務(wù)包的訪問公平性。當(dāng)一個(gè)終端受損時(shí)，不會(huì)影響其他終端的業(yè)務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

4 效果分析與驗(yàn)證

微電網(wǎng)通信所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)主要有采樣、控制以及遙信數(shù)據(jù)。這三類數(shù)據(jù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能如帶寬和延時(shí)有不同的要求。采樣類數(shù)據(jù)按周期發(fā)送，對(duì)帶寬要求高，對(duì)延時(shí)的要求較低?？刂祁悢?shù)據(jù)隨機(jī)發(fā)送，而遙信類數(shù)據(jù)則不同，它們?cè)趲捝弦筝^低，對(duì)時(shí)延要求高。

微電網(wǎng)中的采樣數(shù)據(jù)由電壓、電流互感器及其他傳感器等元件采集，數(shù)據(jù)通過IEC?61850規(guī)約進(jìn)行通信，一般傳輸速度小于100?Mb/s，具有一定的穩(wěn)定性、可靠性和快速性。

對(duì)于微電網(wǎng)中的控制數(shù)據(jù)，IEC?61850規(guī)約規(guī)定控制數(shù)據(jù)采用面向?qū)ο蟮淖冸娬臼录℅OOSE），它支持?jǐn)?shù)據(jù)形成公共數(shù)據(jù)交換。發(fā)送/接收機(jī)制，其中發(fā)送者將其值寫入緩沖區(qū)，接收方從緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)，通信系統(tǒng)負(fù)責(zé)刷新接收方的本地緩沖區(qū)。

采集實(shí)時(shí)視頻，經(jīng)解碼轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)作為源，通過系統(tǒng)傳輸后，在PC機(jī)上顯示發(fā)送端采集的實(shí)時(shí)視頻信息。示波器觀察如圖4所示的接收端的信號(hào)波形，信號(hào)沒有重疊，具有良好的通信性能。

圖4 微電網(wǎng)光纜通信信號(hào)波形圖

對(duì)誤碼率、能量傳輸和距離測(cè)試進(jìn)行分析，利用AV5233C型誤差碼表測(cè)量了系統(tǒng)的誤碼率，并對(duì)滿足分布式電源能量傳輸要求的電源進(jìn)行了誤差碼檢測(cè)。發(fā)送端和接收端的實(shí)時(shí)同步信號(hào)在各種情況下表現(xiàn)出良好的通信質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了能量傳輸和通信相結(jié)合的功能。

5 結(jié)論

本文研究了光纖通信技術(shù)在分布式智能微電網(wǎng)中的應(yīng)用。根據(jù)變電站系統(tǒng)IEC?61850規(guī)約的層次結(jié)構(gòu)和微電網(wǎng)自身的實(shí)際情況，建立了三層微電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)?？紤]到所設(shè)計(jì)的通信網(wǎng)絡(luò)的安全性，針對(duì)中心交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提出了分布式智能微電網(wǎng)通信調(diào)度算法的體系結(jié)構(gòu)，以保證傳輸網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性和可靠性。通過對(duì)微網(wǎng)系統(tǒng)的測(cè)試和分析，證明了光纖通信技術(shù)在分布式智能微網(wǎng)中應(yīng)用的有效性。

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Application of Optical Fiber Communication Technology in the Distributed Intelligent Micro Grid Research

Yu Peng Yang Guanbao Cai Runing Zeng Yangcheng

Sansha Bureau of Hainan Power Grid Co., Ltd., Henan Haikou 570203

Combined with the characteristics of distributed generation, the application of optical fiber technology in distributed intelligent micro grid is studied. Based on the hierarchical structure of IEC?61850 standard in substation system and the actual situation of micro grid itself, a three-layer micro grid communication network structure is established. Considering the security of the designed communication network, the proposed architecture of the network communication scheduling algorithm for the distributed intelligent micro grid is given for the central switched network structure, in order to guarantee the real-time and reliability of the transmission of micro grid services. Finally, the effectiveness of optical communication technology in distributed intelligent micro grid is verified through the test and analysis in micro grid system.

micro grid communication technology; network communication scheduling strategy; micro grid communication network structure; distributed intelligent micro grid communication scheduling algorithm

TM727；TN929.11

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禹鵬（1985—），男，本科學(xué)歷，工作單位為海南電網(wǎng)公司三沙供電局。E-mail：yupeng@hn.csg.cn。