配电一次网架与信息系统协同规划

李蕴，李雪男，舒彬，纪斌，张天宇，罗凤章，李静，廖健伟，孙强，王雪

(1.国网北京市电力公司，北京市100031；2.天津大学智能电网教育部重点实验室，天津市300072；3.天津天大求实电力新技术股份有限公司，天津市300384；4.国网能源研究院，北京市102209)

配电一次网架与信息系统协同规划

李蕴1，李雪男1，舒彬1，纪斌1，张天宇2，罗凤章2，李静3，廖健伟3，孙强4，王雪4

(1.国网北京市电力公司，北京市100031；2.天津大学智能电网教育部重点实验室，天津市300072；3.天津天大求实电力新技术股份有限公司，天津市300384；4.国网能源研究院，北京市102209)

智能电网已成为当今电网的发展趋势。作为支撑智能电网的重要组成部分，信息系统与配电一次网架系统相互耦合、密不可分，对电网规划和运行的影响日益突出，传统的配电网规划方法较少考虑信息系统与配电一次网架系统间的相互影响，已无法适应智能电网发展背景下的精细化规划的需求。该文探讨了配电网架规划、配电通信网规划、配电自动化规划三者之间的协调关系和协调指标，初步提出了三者协同规划的思路框架并具体探讨了各规划子问题的规划模型、指标和方法。研究结论可为未来主动配电网的一次电网架构、二次自动化系统与智能决策支持系统的三位一体协同规划提供思路。

配电网架系统；配电自动化；配电通信网；协同规划；协调性评估

0 引 言

智能电网的建设将成为今后很长一段时期国内外电力系统发展和建设的主要目标。从传统被动配电网向主动配电网[1]过渡是配电网发展的必然趋势。在智能电网和主动配电网发展背景下，与一次网架配套的配电通信系统和配电自动化系统(为表述方便，本文称之为广义的主动配电网信息系统，简称信息系统)已经成为主动配电网不可分割的重要组成部分，将为主动配电网实现潮流主动管理和主动控制提供重要的支撑条件。主动配电网的发展对当前的配电网规划工作提出了许多新的要求，要求充分考虑配电自动化、配电通信网和配电管理系统对改善配电网运行性能所发挥的重大作用，协调统一地规划建设坚强可靠的一次电网架构、深度协同的二次自动化系统与功能强大的智能决策支持系统[2]，实现一次网架系统和信息系统的协同规划。

传统的配电网规划工作[3-4]侧重于一次网架结构的优化和变压器位置容量的优化，一般很少考虑配电自动化系统、配电通信系统和配电管理系统对电网运行和供电可靠性的影响，配电一次网架、配电自动化和配电通信系统的规划工作彼此独立，缺乏配电一次网架系统和信息系统协同规划的相关理论方法的指导。国家电网公司在近年来的配电网规划工作中尝试开展了有关配电自动化规划[5]和配电通信网规划[6]的专项规划。同时，近年来热议的有关电力物理信息系统[7]的研究较好地揭示了电力系统与通信系统间的耦合规律[8]，这些都为配电一次网架系统和信息系统的协同规划研究提供了基础。

鉴于此，为满足新型主动配电网规划深度的需要，本文在梳理上述配电网架系统与信息系统间相互影响的基础上，提出配电网一次网架与信息系统的协同规划框架，探讨其各规划子问题的协调规划模型、指标与方法。

1 网架系统与信息系统的相互影响关系

主动配电网的一次网架系统与支撑电网智能化和主动化水平的通信网络系统、配电自动化系统、信息平台等相互耦合、密不可分。主要体现在如下几方面。

(1)信息系统是配电网实现向广大用户可靠供电的基础支撑条件。

当系统发生故障时，配电管理系统通过对故障区段的快速定位和隔离[9-10]，实现对非故障区域的恢复供电，有效避免大面积停电事故的发生，同时借助信息系统实现故障抢修和不停电作业，可大大提高配电网的供电可靠性。在系统正常运行状态下，信息系统通过实时监测配电元件运行状态，对电网风险的提前预知预判，并给出相应的操作决策方案，避免潜在事故的发生[11-13]，从而保障电网系统的可靠运行。

(2)信息系统的可靠性对配网可靠性的影响不可忽略。

信息系统元件的异常会导致配电系统的运行风险增大，如变压器监测元件故障使得系统在运元件处在不可监测的状态，这会导致系统运行风险提高[14]。信息系统的安全性也是影响可靠性的不确定因素[15]。如通信系统在面临黑客恶意攻击时，可能导致配网元件退出运行从而导致配网事故[16-17]的发生。

(3)信息系统对配网运行效率的提升至关重要。

信息系统中的配电监测单元可以帮助配电网管理人员更加全面细致地掌握系统运行状态[18]，依据系统状态评估和态势估计，对系统运行状态和潜在的问题与薄弱环节预估预判，预先制定针对性的预防性措施，实现主动运行和主动管理，提高系统运行效率[19]。

(4)灵活坚强的一次网架是配电通信和配电自动化可靠高效运行的基础。

电力通信网络和配电自动化装置往往是沿着配电一次网架的走向部署的。为了以最小的投资最大限度地提高配电网的运行效率和供电可靠性，这就需要在规划中考虑以配电网一次网架为基础对配电终端进行最优布点[20-21]。除配电自动化系统外，通信系统拓扑结构、组网方式、通信方式的选择[22]以及带宽流量的规划[23]也必须与一次网架的结构相适应。

2 协同规划思路框架

图1为配电网架与信息系统协同规划总体流程框架。首先，开展配电一次网架规划，明确配电自动化规划和通信网规划的需求。然后，开展配电自动化系统与配电网络系统的协同规划，考虑配电网架结构、负荷位置、重要程度以及可靠性指标等，对配电自动化终端如量测、监测、开关控制等装置进行最优布局，并确定终端信息交互的协调关系，然后考虑配网变电站的相关信息进行配电自动化主站布局。在确定了配电自动化运行模式和布点规划后，结合配电网架结构和运行方式确定通信骨干网、10 kV、0.4 kV通信网的业务需求和带宽、流量、通信速率等一系列规划指标，开展通信网系统规划，设计通信网拓扑结构，选择适宜的组网方式和通信方式。配电自动化规划和通信规划完成后，基于配电网的可靠性、网络裕度等指标对配电网架与信息系统的协调水平进行进一步校验，若相关指标不满足要求，需要进一步对一次网架系统、配电自动化系统以及通信网络系统规划进行调整，直至满足为止。

3 配电网与通信网协同规划思路

3.1 通信业务分类和通信流量分析模型

随着分布式新能源和新型负荷的接入，配电通信网承载的业务需求发生了很大变化，为开展配电网与通信网协同规划，首先梳理主动配电网条件下的配电通信网的业务需求、流量和带宽需求，明确通信规划目标和规划指标，建立通信规划的业务模型以及各业务带宽、流量的需求断面模型。

图1 配电网架与信息系统协同规划流程框架Fig.1 Coordination planning framework of cyber-power distribution system

3.1.1 通信业务分类模型

为实现配电网数据的区域分层集结、集中管理，配电通信网通常采用层次化结构设计，根据配电网规模采用骨干层、接入层的层次化设计。各层次的业务分类如下。

(1)骨干通信网业务。

骨干通信网主要承载调度实时信息、保护业务、调度电话、行政电话、会议电视、办公MIS、用电MIS、视频监控、综合监控、电能信息、负荷信息、故障信息远传、远程抄表、集控信息等主要业务。

(2)10 kV通信网业务。

10 kV通信接入网以220 kV、110 kV、35 kV变电站为通信接入点，向下覆盖到配电网开关站、配电室、环网柜、柱上开关、公用配电变压器、分布式电源、电动汽车充换电站等设备，其业务按照功能与投资属性可分为支撑配电自动化部分和支撑用电业务部分。

(3)0.4 kV通信网业务。

0.4 kV通信网是指覆盖10 kV变压器的0.4 kV出线至低压用户表计、电动汽车充电桩和分布式电源等的通信网络，主要承载用电信息采集、用电营业服务、用户双向互动等业务。

根据上述的业务分析，配电通信系统各业务断面模型如图2所示[23]。

在图2中，a21～a24表示配电业务终端到变电站的业务断面流量，a25为用电业务和其他需要扩展的配电业务到变电站的断面流量；a1代表变电站到地市主站的断面流量。配电终端的各类信息通过接入层通信网汇集到配电自动化主站，由子站汇集的信息再通过骨干层通信网传输到配电主站，并由主站的管理系统进行储存和处理。

3.1.2 通信信息量模型

(1)预测基本方法。

图2 配网通信系统业务断面示意图Fig.2 Schematic diagram of traffic section ofdistribution network communication system

带宽需求预测方法采用直观预测和弹性系数结合的方法，在预测中一般可采用式(1)估算:

式中:B为带宽需求；B′为业务净流量；N为链路数量；Φ1为冗余系数，指为业务预留备份通道和发展空间所需弹性系数；Φ2为并发比例系数，对于专线业务、实时性要求高的业务，并发比例均取100%。

(2)配电自动化业务的流量模型。

配电自动化业务流量模型中应考虑10 kV电压等级站点的数据流量、站点数量及110 kV，35 kV变电站的出线线路数量，以10 kV站点数据流量为基本数据流量，配电自动化业务流量模型采用公式[23]:

式中:i为站点类型；N为站点总数量；ni为每个站点的出线数量。

(3)电能质量监测业务流量模型。

电能质量监测需采集每条线路的三相电压、三相电流6个信息，每个数据2个字节，共计12个字节，计及数据采集周期、数据记录周期及数据上送时长，业务流量模型采用公式[23]:

式中:n为10 kV线路数量；fsamp为采样频率；Tr为数据记录周期；Tp为数据上送时长。

(4)配电监控运行业务流量模型。

配电监控运行业务流量包括视频监控业务、语音业务、数据业务通道流量，并计及每条10 kV线路设置的监控点数量，业务流量模型采用公式[23]:

式中:Bv、Bt、Bd分别为视频监测业务、语音业务、数码业务的带宽需求；N为链路数量。

(5)分布式电源接入业务流量模型。

分布式电源接入业务流量应依据每条10 kV线路的接入点数及每个分布式电源接入采集的信息量计算业务流量，业务流量模型采用公式[23]:

式中:BDG应根据每个分布式电源系统采集的信息量计算。

(6)其他业务流量模型。

0.4 kV通信接入网在带宽业务流量分析预测过程中，可考虑用电信息采集、分布式电源(接入380 V)、电动汽车充电桩等业务需求，在四级骨干通信网为营销业务系统预留30 Mbit带宽。综合式(2)～(6)，变电站至主站的断面流量模型采用公式[23]:

3.2 与配电网架相协调的配电通信网规划原则

目前，应用于电力系统的主流通信方式主要有光纤通信、电力载波通信和无线通信等几种方式。通信网的拓扑结构设计、组网方式、通信方式的选择应该与配电网的网架结构、所处地理位置、配电网供电可靠性以及通信业务等要求相协调。

根据不同通信方式的特点，不同供电区域的通信方式的要求如表1所示。

3.3 电力网规划与通信网规划协调指标

(1)带宽冗余度指标。

带宽冗余度表示通信通道传输信息的充裕程度，表达式为

式中:B1为该断面所有线路侧光接口速率之和；B2为该断面所有开通通道的带宽之和。裕度越大，表示通信的可靠性越高，在满足经济性的条件下，通信网在每一节点的带宽都应留有一定裕度。冗余度过低将不能满足电力通信业务快速发展和通道可靠性保障的需求，过高则会造成资源浪费，总体宜控制在0.3左右。

表1 不同供电区域通信方式要求Table 1 Communication mode requirements for different power supply regions

(2)覆盖率指标。

覆盖率表示在所有配电网设施中被通信系统覆盖的配电网设施所占的比例。该指标实际上是一个指标族。根据通信系统覆盖的配电网设施种类的不同，本文将通信系统覆盖率分为配电线路通信覆盖率和汇聚点覆盖率2类。

1)配电线路通信覆盖率，表示被通信系统覆盖的线路占总线路条数的比例。如中压电力线载波方式覆盖率、230 MHz无线专网方式覆盖率、无线公网GPRS覆盖率等。以10 kV电网的中压电力线载波方式覆盖率为例说明该指标计算方法，设10 kV配电网有n条馈线，其中覆盖电力线载波通信的馈线有a条，则覆盖率β1表达式为

2)汇聚点覆盖率，表示被通信系统覆盖的站点占总的变电站的比例。如四级骨干通信网110 kV及35 kV变电站、地市公司、第二汇聚点光纤的覆盖率等。以110 kV变电站光纤覆盖率为例说明该指标计算方法，设110 kV变电站共有n座，其中覆盖光纤通信的有a座，则覆盖率β2表达式为

4 配电网与配电自动化协同规划思路

4.1 基于一次网架的配电终端布点和配置原则

配电自动化终端是用于配电网的各种远方监测、控制单元的总称，简称配电终端。不同的配电设备对终端的功能要求、运行环境与安装结构不同。主要配置原则如下:

(1)应根据网架结构、设备状况和应用需求，合理选用自动化终端或故障指示器；

(2)配电终端的容量宜根据配电站所的发展需要确定，发展时间宜考虑10年；

(3)不同的应用场合应选择相应类型的配电终端，一般的:1)配电室、环网柜、箱式变电站、以负荷开关为主的开关站应选用站所终端；2)柱上开关应选用馈线终端；3)配电变压器应选用配变终端；4)架空线路或不能安装电流互感器的电缆线路，可选用具备通信功能的故障指示器。

4.2 配电网规划与配电自动化规划协调指标

(1)可靠率提升指标。

这里将规划前后的区域电网可靠性指标的提升作为网架与配电自动化协调规划的评估指标。

以用户平均停电时间为例，设安装配电自动化前的用户平均停电时间为a h/(户·a)，装设配电自动化后的用户平均停电时间为b h/(户·a)，则可靠性提升指标γ为

(2)覆盖率指标。

与通信网覆盖率指标类似，该指标也是一个指标族，也可将覆盖率指标分为配电线路覆盖率(如馈线自动化覆盖率)和配电网节点覆盖率(如环网柜的配电自动化覆盖率)2类。

4.3 面向供电可靠性的配电终端数量配置模型

配电终端配置的数量及其位置需要以配网供电可靠性为依据，本文依据文献[21]提出的方法，讨论“三遥”、“二遥”配电终端和分界开关的数量配置问题。

(1)全部安装“三遥”终端模块的模式。

如图3所示，假设各个区域的用户分布均匀，在馈线上安装k个配电终端模块将该馈线分为k＋1个区域，每个区域含有n/(k＋1)个用户。

图3 “三遥”终端部署示意图Fig.3 Deployment schematic diagram of three-remote terminals

假设馈线沿线单位长度故障率相同。故障处理时间T主要由3个部分构成，即

式中:t1为故障区域查找时间；t2为人工故障区域隔离时间；t3为故障修复时间。

对于全部安装“三遥”终端模块的情形，可近似地认为t1＝t2＝0。

根据供电可用率定义，可以推导得到在分段开关处安装k个“三遥”终端模块的馈线的供电可用率为

式中fi为第i个区域的故障率。

为简化，令f1＝f2＝…＝…fi＝…＝fk＋1≈f＝F/ (k＋1)。在要求供电可用率不低于A的情况下，即有α3>A，所需要在分段开关处安装“三遥”终端模块的数量k须满足[21]

(2)全部安装“二遥”终端模块的模式。

同理，在全部安装“二遥”终端模块的模式下，只能定位故障区域而不能自动隔离故障和恢复健全区域供电，可近似地认为t1＝0。

在分段开关处安装k个“二遥”终端模块的馈线的供电可用率a2[21]可表示为

在要求供电可用率不低于A的情况下，可以解出满足供电可靠性要求所需要安装“二遥”终端模块的数量k[21]，即

5 通信网与配电自动化协同规划思路

通信网的组网方式以及通信通道的带宽设计应与配电自动化业务需求、信息传输实时性需求和安全需求相协调，总体的协调原则如下所述。

5.1 通信组网规划原则

(1)应结合配电自动化业务分类，综合考虑配电通信网实际业务需求、建设周期、投资成本、运行维护等因素，选择技术成熟、多厂商支持的通信技术和设备，保证通信网的安全性、可靠性、可扩展性。

(2)配电通信网所采用的光缆应与配电网一次网架同步规划、同步建设，或预留相应位置和管道，满足配电自动化中、长期建设和业务发展需求。

(3)配电通信网通信设备应采用统一管理的方式，在设备网管的基础上充分利用通信管理系统实现对配电通信网中各类设备的统一管理。

5.2 安全需求配置原则

(1)在生产控制大区与管理信息大区之间应部署正、反向电力系统专用网络安全隔离装置进行电力系统专用网络安全隔离。

(2)对于采用公网作为通信信道的前置机，与主站之间应采用正、反向网络安全隔离装置实现物理隔离。

(3)具有控制要求的终端设备应配置软件安全模块，对来源于主站系统的控制命令和参数设置指令应采取安全鉴别和数据完整性验证措施，以防范冒充主站对现场终端进行攻击，恶意操作电气设备。

6 算 例

6.1 算例简介及网架规划结果

图4为某规划地区的配电网一次网架规划方案示意图。该区域为A＋供电区，由一座35/10 kV变电站供电，线路均为架空线。在干线节点8和支线节点17、18分别接有分布式电源，节点5，6设有联络开关。设每条10 kV支线的用户数均为60，馈线的故障率为2次/(百km·a)。t1＝1.5 h，t2＝0.5 h，t3＝4 h。现根据一次网架布局为该电网设计配电自动化系统和通信系统，要求供电可靠性达到99.99%。

图4 算例1O kV配电网规划网架示意图Fig.4 Example of 1OkV distribution network planning

6.2 配电自动化系统规划

算例中10 kV支线所需安装配电自动化终端数量分析过程如下:

如果全部安装“三遥”装置，需要每条支线安装9个，如果安装“二遥”，则由于故障检测时间t2的影响，可靠性无法达到99.99%，因此最终方案为每条支线安装9个“三遥”装置。

根据该配电网结构，最终的配电自动化终端布点方案如下:在所有干线节点加装三遥终端以及电能质量监测单元，在8、17、18节点装设分布式电源监测单元。主站位于35 kV变电站内。

6.3 通信网系统规划

根据6.1节配电网架和6.2节所得到的配电自动化规划方案确定通信网的通信流量带宽以及组网方式。

(1)通信流量带宽计算。

1)配电自动化业务流量。

10 kV典型三遥站点信息点数统计如表2所示。

表2 1O kV三遥站点典型信息点数统计Table 2 Typical information points of 1O kV three-remote terminals

设该网络的三遥终端均为柱上开关，按每个遥测信息需要用2个字节信息量，8个遥信信息需要1个字节，遥控信息需要5个字节，每个电度量4个字节，按照所有点量测量均需3 s上传计算得到柱上开关流量12 bit/s。该网络10 kV干线装有9个三遥终端，11条支线共装有99个三遥终端，则所需流量为

2)电能质量监测业务流量。

按1 kHz采样点数，记录2 s的扰动数据，每次扰动数据在10 s内上送到电能质量分析主站，结果如下:

3)配电监控运行业务流量。

考虑每个重要节点配置视频监控业务、语音业务、数据业务通道流量。设视频业务图像格式质量达到4CIF要求考虑，业务流量为2 Mbit/s。语音业务按64kbit/s考虑。数据业务通道主要满足就地操作票、工作票的接收和流转需求，流量128 kbit/s。则9个重要节点的配电监控运行业务流量计算结果如下:

4)分布式电源接入业务流量。

有3个分布式电源接入点，每点上送32点遥测，16点遥信，4点电度量计，按1 s送到主站，需要流量为

统计上述4项数据可得1个变电站所有配电业务所需的带宽为

并发比例取1，网络冗余系数取2，可靠性系统取1，可得:

(2)通信网拓扑结构及组网方式。

将35 kV变电站作为配电自动化主站位置，骨干网选择光纤网络，覆盖10 kV干线，干线节点2～10作为光纤环网的信息传输、交换的节点，安装无源光纤分路器(passive optical splitter，POS)用来向主站的光线路终端(optical line terminal，OLT)传输上行数据，同时向光网络单元节点(optical network unit，ONU)分发下行数据。接入层网覆盖10 kV支线上的配电自动化终端(feeder terminal unit，FTU)以及分布式电源的检测模块，选择电力线载波通信方式，同时无线专网作为备用网络。通信网络结构图如图5所示。

图5 通信网设计方案示意图Fig.5 Design scheme of communication network example

7 结 论

智能电网已经成为当今电网的发展趋势，与一次网架配套的配电通信系统和配电自动化系统为实现配电网智能化和主动特性提供了必要的支撑。本文探讨了配电网架规划、配电自动化规划、配电通信网规划三者之间的协调关系和指标，初步提出了三者协同规划的思路框架和具体内容，可为未来主动配电网的一次电网架构、二次自动化系统与智能决策支持系统的三位一体的协同规划提供思路。

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(编辑：张媛媛)

Coordinative Planning of Cyber-Power Distribution System

LI Yun1，LI Xuenan1，SHU Bin1，JI Bin1，ZHANG Tianyu2，LUO Fengzhang2，LI Jing3，LIAO Jianwei3，SUN Qiang4，WANG Xue4
(1.State Grid Beijing Electric Power Company，Beijing 100031，China；2.Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China；3.Tianjin Tianda Qiushi Electric Power High Technology Co.，Ltd.，Tianjin 300384，China；4.State Grid Energy Research Institute，Beijing 102209，China)

Smart grid has become the developing trend of the grid.The information system is an important part supporting the smart grid，whose impact on power grid planning and operation has become increasingly prominent and interaction with the power system has become more and more closely.The traditional distribution network planning methods that neglect this kind of close relationship have been unable to meet the refined planning requirements under the background of smart grid development.This paper discussed the coordination relationships among the distribution network planning，communication system planning and distribution automation planning.Then the thinking framework of the coordinative planning was proposed and the planning model，evaluation index and method of the sub programming problems were further discussed.The research conclusion can provide ideas for the coordinative planning of primary power grid architecture，secondary automatic system and intelligent decision support system in future active distribution network.

distributionnetworksystem；distributionautomation；powerdistributioncommunicationsystem；coordinative planning；coordination assessment

TM 715

A

1000-7229(2015)11-0030-08

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.11.005

2015-06-30

2015-09-06

李蕴(1962)，男，高级工程师，主要从事电网规划及输变电设计和工程管理工作；

李雪男(1983)，男，工程师，主要从事电网规划及输变电工程工作；

舒彬(1964)，男，高级工程师，从事一体化能量管理系统(EMS)设计建设与运行，从事智能电网、新技术应用、配电管理系统电网规划的研究工作；

纪斌(1977)，男，硕士，高级工程师，主要从事电网规划方面的研究和管理工作；

张天宇(1992)，男，博士研究生，主要研究方向为新型主动配电系统分析与优化规划等；

罗凤章(1980)，男，博士，讲师，通信作者，主要研究方向为新型主动配电系统分析与优化规划等。

国家自然科学基金项目(51207101)；国家高技术研究发展计划项目(863计划)(2014AA051901)；中国博士后科学基金资助项目(2013M530113)；国家电网公司科技项目(XM2014040042804)。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China (51207101)；The National High Technology Research and Development of China(863 Program)(2014AA051901)；China Postdoctoral Science Foundation(2013M530113)；Science and Technology Projects of State Grid Corporation of China(XM2014040042804)。