光纤通信技术在分布式智能微电网研究中的应用

禹鹏 羊冠宝 蔡儒宁 曾扬骋



光纤通信技术在分布式智能微电网研究中的应用

禹鹏 羊冠宝 蔡儒宁 曾扬骋

海南电网有限责任公司三沙供电局，海南 海口 570203

结合分布式电源的特点，研究了光纤通信技术在分布式智能微电网中的应用。根据变电站系统IEC 61850规约的层次结构和微电网自身的实际情况，建立了三层微电网通信网络结构。考虑到所设计的通信网络的安全性，针对中心交换网络结构，提出了分布式智能微电网网络通信调度算法的体系结构，以保证传输网络的实时性和可靠性。最后，通过对分布式智能微电网系统的测试和分析，验证了光通信技术在分布式智能微电网中的有效性。

微电网通信技术；网络通信调度策略；微电网通信网络结构；分布式智能微电网通信调度算法

引言

随着电力信息化技术的进步，微电网与大电网在互动过程中，除了能量交换之外，信息的交换也更加频繁。光纤通信技术在微电网能量优化管理中起着关键作用。微电网通信技术必须具备以下两个方面的特性。

（1）实时性。微电网应根据故障情况或系统需求在多种运行模式之间快速转换。（2）可靠性。微电网应准确可靠地获取设备信息来判断微电网是否正常运行。

近年来，微电网通信技术的研究得到了快速发展。例如，文献[1]研究了微电网通信体系结构，设计了一个微电网格框架，包括分层代理传感器网络和分布式控制结构。文献[2]介绍了基于多智能体技术控制系统的自主微电网通信框架的开发，采用实时数字仿真器进行仿真，利用 RSCAD软件的脚本功能和局域网上的文件共享协议建立必要的通信。

文献[3]微电网通信网络性能研究，通过OPNET软件分析了不同通信技术和传输协议下微电网的延迟和吞吐量。文献[4]评价了无线通信技术满足特定需求的能力，并提出了一些补救措施。利用OPNET仿真工具，研究了时延和分组丢失对微电网响应主电网干扰能力的影响。文献[5]微电网通信技术研究提出了基于有线和无线通信技术的混合微电网体系结构，并分析了基于以太网、Wi-Fi和 Bee的微电网端到端延迟性能。

本文主要研究了光纤通信技术在分布式智能微电网中的应用。将IEC 61850规约应用于微电网通信网络，选择最优方法实现微电网的协调控制，并设计了一种三层通信网络结构。结合微电网通信特点，通过应用分析，验证了有线和无线节点接入微电网的实时性和可靠性。

1 光纤通信在分布式智能微电网应用的优势

微电网通信主要采用EPON技术。EPON（以太网无源光网络）具有传输带宽高（2～100 mbps）、传输距离长（0～20 km）、网络结构多样、扩展方便、功能多样、操作维护方便、抗干扰能力强等优点，能够满足用户的不同需求。EPON通信传输原理如图1所示。

图1 EPON通信传输原理

光纤通信技术在微电网中的优势表现如下。

（1）操作维护方便。EPON结构不需要电源，在传输过程中没有电子元件，因此易于铺设，几乎不需要维护。

（2）提供非常高的带宽服务范围。带宽随着以太网技术的发展可以升级到10 Gb/s。PON作为一种点到点技术，节省了资源，可以被许多客户使用。

（3）网络可靠性高。在网络架构中，由于每个用户设备与局内OLT设备之间并行通信，因此无论用户设备出现多大的故障，都不会影响其他正常的用户设备和整个通信系统的运行。

（4）简洁的网络拓扑结构。这种优点是使用光谱设备大大简化了中继传输系统。

2 分布式智能微电网通信网络体系结构

在本文的通信网络结构中，微电网通过变压器和静态开关与配电网相连，并以分层方式运行。如图2所示底层为本地控制层，实现了分布式电源和负荷单元的实时监控功能。中间层是集中控制层，负责微电网的并网和离网两种运行方式的无缝切换以及整个微电网的保护和协调控制。上层是调度管理层，对微电网的发电量和负荷进行预测，实时监测微电网的功率输出和负荷变化并及时加以优化控制，实现综合优化的目标。

3 分布式智能微网的网络通信调度策略

微电网通信的特点是通过CT、PT以及各种传感器实时采集电压、电流、有功、无功及温度等遥测和状态信息发送到微电网调度控制中心，由微电网调度控制中心向各逆变器发出指令进行调整，通过控制静态开关改变微电网的运行方式，通过发送指令实时遥控断路器，确保电网的安全、可靠、稳定运行。

图2 微电网通信结构图

考虑通信网络可能受到来自外部的攻击，并且当部分网络被破坏时，其他部分需要保证正常工作。对于中心交换网络结构，可采用图3所示的分布式智能微网的网络通信调度算法，以保证微电网业务传输的实时性和可靠性。

图3 调度算法流程图

表1 系统的照度和误码率

中央交换机的调度器为每个终端创建一个缓存队列。当不同终端的业务包到达交换机时，它们将被插入到不同的缓存队列中。设置具有较高优先级的GOOSE消息先传输控制和保护信息。当存在要交换的业务包时，优先发送GOOSE消息，以确保实时高优先级消息。在发送高优先级业务包后，发送低优先级信号业务包；通过设置指针，调度器轮询不同终端的发送缓存队列，确保每个终端业务包的访问公平性。当一个终端受损时，不会影响其他终端的业务，从而实现通信网络的可靠性。

4 效果分析与验证

微电网通信所产生的数据主要有采样、控制以及遥信数据。这三类数据对网络性能如带宽和延时有不同的要求。采样类数据按周期发送，对带宽要求高，对延时的要求较低。控制类数据随机发送，而遥信类数据则不同，它们在带宽上要求较低，对时延要求高。

微电网中的采样数据由电压、电流互感器及其他传感器等元件采集，数据通过IEC 61850规约进行通信，一般传输速度小于100 Mb/s，具有一定的稳定性、可靠性和快速性。

对于微电网中的控制数据，IEC 61850规约规定控制数据采用面向对象的变电站事件（GOOSE），它支持数据形成公共数据交换。发送/接收机制，其中发送者将其值写入缓冲区，接收方从缓冲区读取数据，通信系统负责刷新接收方的本地缓冲区。

采集实时视频，经解码转换成数字信号作为源，通过系统传输后，在PC机上显示发送端采集的实时视频信息。示波器观察如图4所示的接收端的信号波形，信号没有重叠，具有良好的通信性能。

图4 微电网光缆通信信号波形图

对误码率、能量传输和距离测试进行分析，利用AV5233C型误差码表测量了系统的误码率，并对满足分布式电源能量传输要求的电源进行了误差码检测。发送端和接收端的实时同步信号在各种情况下表现出良好的通信质量，实现了能量传输和通信相结合的功能。

5 结论

本文研究了光纤通信技术在分布式智能微电网中的应用。根据变电站系统IEC 61850规约的层次结构和微电网自身的实际情况，建立了三层微电网通信网络结构。考虑到所设计的通信网络的安全性，针对中心交换网络结构，提出了分布式智能微电网通信调度算法的体系结构，以保证传输网络的实时性和可靠性。通过对微网系统的测试和分析，证明了光纤通信技术在分布式智能微网中应用的有效性。

[1]严诗恬. 基于EtherCAT通讯的微电网控制系统的研究[D]. 北京：北京建筑工程学院，2012.

[2]Khadedah，Khaleel，Lakshminarayanan, Venkateswaran， Cai，Niannian, et al. Development of communication interface between power system and the Multi-Agents for micro-grid control[C]// North American Power Symposium，2015：1-6.

[3]Mojaharul Islam，Hong-Hee Lee. Microgrid communication network with combined technology[C]// International Conference on Informatics， Electronics and Vision，2016：423-427.

[4]陆伟. 微网通信无线传感器网络链路质量预测与控制研究[D]. 合肥：合肥工业大学，2017.

[5]李瑞生，李献伟，毋炳鑫，等. 交直流混合微电网潮流控制器功能规范研究[J]. 智能电网，2016，4（9）： 934-940.

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

A

禹鹏（1985—），男，本科学历，工作单位为海南电网公司三沙供电局。E-mail：yupeng@hn.csg.cn。