新型配电网多元业务与多模通信适配性评估方法

董朝武,肖智宏,辛培哲,富子豪,江璟

(国网经济技术研究院有限公司,北京市 102209)

0 引 言

随着国家碳达峰、碳中和目标的不断推进、《“十四五”现代能源体系规划》[1]等文件陆续出台、二十大报告强调“深入推进能源革命”,我国能源转型不断深化,传统火电发电比例持续下降、新能源占比逐年提升,分布式光伏、新型储能、电动汽车等新要素规模化引入[2],电力系统也需要更好地适应能源结构与负荷特性变化。配电网作为电力系统中的重要组成部分,为保障其安全稳定运行、支撑新型电力系统数字化转型,需通过完善可靠的配电通信网传输相关业务数据[3]。然而,配电网具有电压等级多、设备业务类型多样化、网络结构复杂、区域发展差异化等特点,导致配电通信网整体水平较差。在新能源接入配电网背景下,各类业务、通信方式缺乏明确的指导原则[4]。因此,需要对配电网业务与通信技术进行适配性分析,以提出完善的配电网通信技术架构。

目前,已有部分研究开展了配电网通信技术应用的相关研究。文献[5-12]分别论述了以太网无源光网络(ethernet passive optical network,EPON)[5-6]、电力线载波[7-8]、4G[9]、5G[10-11]与无线专网[12]等技术在配电通信网中的应用,但其侧重于分析不同通信技术的优缺点及其适用的电力业务类型,并未系统讨论配电网中通信技术的架构体系。文献[13-14]系统论述了无线通信技术在智能配电网中的应用,如无线通信成本低、工作可靠性强,适用于可靠性要求不高的用电信息采集业务等;光纤通信适合于对安全、时延要求较高的业务。文献[15]定性地分析了配用电业务与各类通信技术的适配性,给出了简单的配电网通信技术应用实例。文献[16]提出了一种“光纤通信+无线通信+电力线载波(power line communication,PLC)+无线传感器网络等”通信方式的配用电通信网络框架,但未考虑通信手段与业务的适配。文献[17]考虑了通信技术与业务的适配分析,给出了不同业务优先采用的通信方式,但其仅从理论层面上得出结论,理论依据较为薄弱。文献[18-19]对终端接入网业务与通信的适配性进行了分析,但其配电网业务种类与通信手段考虑不全面,且考虑因素不完善。

根据上述分析,现有配电网通信技术应用的相关文献中存在以下缺陷:1)大多数文献仅分析一种或一类通信技术在配电网中的应用情况,缺少对新型电力系统背景下配电网业务数据传输需求与可用通信技术性能的全面梳理;2)现有文献多考虑光纤、载波、无线公网与无线专网等传统通信手段,关于蓝牙、LoRa、微功率无线等低压配电网通信技术的适配性研究较少;3)现有文献对电力业务与通信技术的适配性评估仅从理论分析角度出发,缺少合适的手段对该适配性进行量化。

针对上述存在问题,本文以提出配电通信网一般性发展指导原则为出发点,首先梳理了新型电力系统背景下配电网各类业务的传输需求,以及配电网可用通信技术的相关性能,提出了考虑接入、覆盖、经济、可靠、安全的多维度评价指标体系;其次,提出了基于贝叶斯最优最劣(Bayesian best worst method,BBWM)和折中解决方法(measurement alternatives and ranking according to compromise solution,MARCOS)的主客观赋权适配性综合分析模型;最后对中压、低压配电网业务与通信技术的适配性进行量化分析,进而提出配电网全业务与通信技术适配体系。

1 新型电力系统配电网业务传输需求

新型电力系统配电网按电压等级可分为中压(10 kV)及低压(0.4 kV)配电网,其中的电力业务按是否涉控可分为控制类及非控制类业务,非控制类业务按传输数据量可分为窄带采集类业务及宽带图像视频类业务。

1.1 新型电力系统配电网控制类业务

配电网控制类业务主要分为中压控制类及低压控制类两类,该类业务是电网运行稳定安全的关键保障,对吞吐量要求不高,但对通信传输可靠性和安全性要求极高[18-20]。表1为新型电力系统配电网控制类业务对通信技术的需求分析。中压控制类业务包括如下几类:

表1 新型电力系统配电网控制类业务通信需求Table 1 Communication requirements of control service in new power distribution network

1)配电自动化三遥:通过对配电网线路、节点的遥控、遥信、遥测,实现配电网的运行监测及控制功能,对时延及带宽要求很低,对可靠性及安全性要求较高。

2)精准负荷控制:通过对负荷的分类、分级、分区域管理,实现由调度直接对可中断负荷的实时精准控制,按时效性可分为毫秒级精准负荷控制及秒级、分钟级负荷控制,对时延、可靠性、安全性要求均较高。

3)10 kV新能源调控:通过对接入电网的分布式新能源逆变器进行调控,实现新能源出力的监控与控制,其对带宽及时延要求较低,对可靠性要求较高。

低压控制类业务包括如下几类,其均对时延、带宽要求较低,对可靠性及安全性要求较高。

1)分布式储能调控:通过对分布式储能电站进行控制,对负荷曲线进行削峰填谷,缓解配电网调频压力。

2)380 V分布式电源控制:对接入电网的低压分布式电源逆变器调控以控制其出力。

3)电动汽车充电桩:通过充电桩与车联网平台之间的点对点双向通信,实现主站发布召测、计费、调度等功能;终端上传设备或线路监测状态、实时计费信息。

1.2 新型电力系统配电网非控制类业务

配电网非控制类业务主要包括采集类业务及图像视频类业务两方面,其中采集类业务接入海量终端通信设备,具有大规模连接的特点,且对通信的可靠性有一定的要求[18-19,21]。表2为新型电力系统配电网非控制类业务对通信技术的需求分析。采集类业务主要包括如下几类:

表2 新型电力系统配电网非控制类业务通信需求Table 2 Communication requirements of non-control service in new power distribution network

1)配电自动化二遥:配电自动化二遥只承担遥信、遥测功能,即只采集配电线路运行监测数据,对时延、可靠性、安全性要求均较低,并且要求设备功耗较低。

2)用电信息采集:对配电变压器和用户终端的用电数据进行采集和分析,实现用电监控、负荷管理、线损分析,以达到自动抄表、用电检查、负荷预测等目的。其设备连接规模较大,对带宽、时延要求较低,对可靠性及安全性要求较高。

3)配电设备监测:通过对设备局放、桩头测温、蓄电池状态、电缆状态等进行监测,判断设备是否处于正常工作状态,其对时延有一定要求,对可靠性要求较高。

4)配电环境监测:通过对配电设备所处环境的温度、湿度、SF6浓度、水位等进行监测,判断设备所处环境是否正常,对带宽及安全性要求较低,对时延有一定要求。

5)视频图像类业务对传输带宽要求较高,现有业务包括视频监控、机器人巡检及无人机巡检等,其主要通过对设备拍摄视频或抓拍图像以判断设备是否处于正常工作状态。

2 配电网通信技术分析及评价体系

目前配电通信网按电压等级可分为中压配电通信网及低压配电通信网,按通信传输方式可分为有线及无线通信网。

2.1 中压配电网通信技术

中压配电网有线通信技术包括电力光纤专网、工业以太网、中压电力线载波,无线通信技术包括无线专网、4G、5G,具体技术特点如下[22-23]:

电力光纤专网:目前电力系统主要采用基于IP(internet protocol,IP)的无源光网络EPON,其带宽及速率极高,可靠性、安全性均较高,但成本较高,建设速度较慢。

工业以太网:基于IEEE 802.3规范,加入千兆以太网以及快速以太网技术,传输速率高,组网灵活,网络兼容性、安全性好,但也存在成本高、扩展性低的缺陷。

中压电力线载波:将电力线作为传输介质,利用载波将信号调制为能够在电力线上传输的高频信号,无须布线和重新组网,成本低,但易受到外界环境以及噪声的干扰,且其没有防窃听措施,安全性难以得到保障。

无线专网:国家电网有限公司为解决光纤专网建设难度大、公网存在安全隐患弊端,在部分城市建设了电力无线专网,包括230 MHz及1 800 MHz两个频段,较光纤具备经济性优势,但存在多行业频谱共用的缺陷。

4G:截至2021年底,全国4G覆盖率已达98%以上,4G公网应用最为广泛,经济性、成熟度均较优,规模化程度及产业链丰富,终端成本和公网租用费用性价比高,但其通信性能受限,安全风险长期存在。

5G:截至2021年,我国三大运营商已实现全国地级市主城区、95%县区、35%乡镇核心区域5G网络覆盖。5G公网通信具有安全性高、可靠性强、通信性能优越等优势,但当前基站租赁费及流量费整体偏高,技术及产业链发展尚未健全。

表3总结了中压配电网可用通信技术性能具体指标数值。

表3 中压配电网可用通信技术性能Table 3 Performance of available communication technologies in medium-voltage power distribution network

2.2 低压配电网通信技术

低压配电网有线通信技术包括低压电力线高速载波通信(HPLC)、RS-485,无线通信技术包括无线专网、4G、5G、远距离无线电(long range radio,LoRa)、微功率无线、WiFi、蓝牙、窄带物联网(narrow band internet of things,NB-IoT),具体技术特点如下[23-24]:

HPLC:低压电力线高速载波通信技术为电力线载波技术的一种,多用于低压台区用电信息采集系统本地通信中,采用OFDM技术,通信可靠,免布线,施工成本低,但存在信号不稳定造成信息孤岛等缺陷。

RS-485:其为一种工业网络,属于专线通信,网络实现简单且可实现远距离通信,抗干扰能力强,能在大噪声下传输信息,技术成熟度很高,具有高可靠性。但其数据传输速率低,需额外布线导致成本增加,组网灵活度较低。

LoRa:采用线性扩频调制技术,可实现远距离无线通信,具有低功耗特性,网络性能更稳定,传输安全性、实时性较高,但其受到功耗及带宽的限制,传输速率低。

微功率无线:国家电网有限公司为达到对用电用户的全面覆盖、完善数据采集的目标,解决电力业务本地接入问题而提出,其主要工作在470～510 MHz频段,设备发射功率小于50 mW。其组网快捷灵活,建网成本低,具有自动中继和路由能力,抗干扰能力较高,但其灵敏度受限,覆盖范围较小。

WiFi:其为IEEE 802.11标准下的一种无线局域网技术,工作频段包括2.4 GHz和5.8 GHz,组网便捷,网络扩展灵活,带宽高,时延低,经济性较好,技术相对成熟,但其通信距离较短,信号容易受到干扰,加密措施有限,网络安全性有待提高。

蓝牙:目前主流的短距离无线通信技术,工作频段在2.4 GHz,传输距离通常在10 m以内,适合于设备间小范围的通信,能够快速组网,建网成本低,功耗低,安全性较高,但易受其他通信设备干扰。

NB-IoT:为基于蜂窝的窄带物联网的一种新兴技术,支持低功耗设备在广域网的连接,其覆盖广,功耗低,连接数量大,连接较为稳定可靠。

表4总结了低压配电网可用通信技术性能具体指标数值。

表4 低压配电网可用通信技术性能Table 4 Performance of available communication technologies in low-voltage power distribution network

2.3 适配性评估指标体系

选取一套完善、科学、合理的评价指标体系是进行配电网通信技术与业务适配性评估的重要前提。本文综合考虑通信技术与配电网业务的特点,从接入性、覆盖性、经济性、可靠性及安全性五个方面出发,构建了配电网通信技术与业务适配性评估指标体系,如图1所示。其中,接入性指标包含速率、时延;覆盖性指标包含覆盖半径与连接数;经济性指标包含组网成本、运维成本及产业链状况;可靠性指标包含丢包率及抗干扰能力;安全性指标主要考虑隔离方式。

图1 配电网通信技术与业务适配性评估指标体系Fig.1 Evaluation index system of the matching of power distribution network service and communication technology

3 基于BBWM-MARCOS的配电网通信技术与业务适配性的评估方法

配电网可用通信技术种类较多,而不同配电网业务对于通信技术有不同的侧重,因此需考虑对通信技术与业务的适配性进行量化评估,具体包括三个步骤:首先,基于专家对某一类业务通信需求的重要度排序与BBWM法,得到各指标权重;其次,根据业务需求,对通信技术单指标与业务需求的适配进行量化;最后,基于指标权重与指标适配量化矩阵,计算各通信技术的效用度并排序,最终得到与配电网业务适配的最优通信技术。配电网通信技术与业务适配性综合评估流程如图2所示。

3.1 基于BBWM的指标权重确定方法

2015年,代尔夫特理工大学首次提出了最优最劣法(best-worst method,BWM)[25],其可以有效减少指标间的比较次数,对解决多属性决策问题较为有效,但其只能对一位专家的重要度排序进行分析,当有多位专家时,若简单对各位专家的赋权结果取平均显然是不准确的,因此在2020年,学者Majid Mohammadi对BWM与贝叶斯理论进行了结合,提出了BBWM方法[26-29],其将各专家的重要度评价视为随机事件,而权重则为各事件的概率,进而可消除在确定指标权重过程中的不确定性。其具体流程如下:

1)设通信技术共有n个技术指标,第k位专家针对配电网中的某一类业务,确定其在通信技术指标{c1,c2,…,cn}中最重要的指标cB,k及最次要的指标cW,k。

2)将cB,k与其他非最重要指标cj,k进行对比(下标j表示第j个指标),用数字1至9表征cB,k相对于其他指标的重要性程度,1表示cB,k与cj,k重要性相同,数字越大代表cB,k比cj,k越重要,则第k位专家的最优比较向量为:

(1)

式中:aB,k,j(j=1,2,…,n)表示第k位专家j个指标cj,k相对于最重要指标cB,k的重要程度。

3)与流程2)类似,将最次要指标cW,k与其他指标cj,k两两对比,使用1至9表征cW,k相对于其他指标的重要程度,数字越大代表cj,k比cW,k越重要,则最次要比较向量为:

(2)

式中:aW,k,j(j=1,2,…,n)表示第k位专家j个指标cj,k相对于最次要指标cW,k的重要程度。

(3)

式中:ξ为绝对误差;wk,j为第k位专家第j个指标的权重;wB,k,wW,k分别为最重要及最次要指标对应的权重。

(4)

(5)

(6)

式中:∝表示服从正比,其具体推导过程可见文献[30]。因此,综合权重的确定可转化为概率估计问题,可通过分层贝叶斯模型求解,设第k位专家的权重向量为wk,全部专家的综合权重为wall,其联合概率分布为:

(7)

式中:K为专家总数量;1:K表示所有专家的权重向量均服从该联合概率分布。

通过文献[30]中的求解方法,可对式(7)进行求解并得到综合权重向量wall。随后需要根据基于Credal排序的一致性检验方法[26]判断各专家意见是否一致。两个不同指标Cj1与Cj2之间的重要性对比概率计算为:

(8)

3.2 通信技术性能与业务适配量化方法

配电网应用范围广泛,但考虑成本限制,通信系统只需满足其业务需求即可,而并非性能越高越好。因此,本文主要考虑对每种业务寻找最适配的可用通信技术,而非性能最强的通信技术。通信技术的各项指标单位不同,且部分指标仅为概括性描述,无法直接计算,因此考虑将对各指标进行归一量化,其原则为:将最优指标量化为1,将最差指标或不满足电力通信需求的指标量化为0,因此该量化值的取值范围为[0,1]区间,值越大说明该指标与业务适配性越好;针对描述性指标,经专家讨论确定各等级指标的量化值,类似的赋值方法可见文献[18]。需要说明的是,部分指标某一等级的通信技术仅用于特殊应用(如应急通信),因此未纳入本文考虑范围。下面详细说明本文提出的通信技术性能与业务适配量化方法:

C1速率:不满足业务需求记为0,满足业务需求记为1。

C2时延:不满足业务需求记为0,控制类业务时延越低适配度越高,即:

(9)

式中:ti为第i种通信技术的时延;T=[t1,t2,…,tm]为各个可选技术的时延,下标m表示可选通信技术数量;xt,i为第i个通信技术的时延指标。对于非控制类业务,满足业务时延需求即记为1。

C3覆盖半径:通信技术的覆盖范围越大则量化指标越大,即:

(10)

式中:ri为第i种通信技术的覆盖范围;R=[r1,r2,…,rm]为各技术的覆盖范围;xr,i为第i种通信技术的覆盖半径指标。

C4连接数:量化方法与式(10)一致。

C5组网成本:该指标较难直接进行数值量化,经专家讨论,考虑将其分为高、较高、中、低四个级别,量化值分别为0、0.3、0.6、1。

C6运维成本:该指标较难直接进行数值量化,经专家讨论,高、中、低三个等级的量化值分别为0、0.5、1。

C7产业链状况:该指标较难直接进行数值量化,经专家讨论,成熟、较成熟、待成熟、存在问题的量化值分设置别为1、0.66、0.33、0。

C8抗干扰能力:经专家讨论,强、较强、中、较弱、弱的量化值分别设置为1、0.75、0.5、0.25、0。

C9丢包率:丢包率越低量化适配度越高,计算方式类似式(9)。

C10隔离方式:不满足需求记为0,满足则记为1。

3.3 基于MARCOS的适配度综合评估方法

MARCOS法于2020年提出,同时考虑理想解及反理想解,并使用效用函数来聚合多个指标的综合度量[31-33]。具体步骤如下:

1)构建初始指标矩阵。当有m个备选通信技术,每个技术具有n个指标时,指标值设为xij,初始指标矩阵为[xij]m×n。

2)对指标矩阵归一化。按3.2节中的方法,对初始指标矩阵进行量化及归一化。

3)确定加权矩阵R=[rij]m×n,其中加权值由通信技术归一化指标乘该指标的权重得到,即rij=xij×wj,每种业务中指标的权重值由3.1节中的BBWM方法确定。

4)确定理想解及反理想解。理想解与反理想解由各指标中最优及最劣值组成:

(11)

(12)

式中:S+,S-分别为各项指标的理想解与反理想解。

5)计算每种通信技术的效用度。考虑计算备选通信技术相对于理想解与反理想解的效用度:

(13)

(14)

式中:K(i)+,K(i)-分别为第i种通信技术相对于理想解与反理想解的效用度。

6)计算效用函数。该函数f(Ki)是通过每种通信技术的效用度与理想解与反理想解之间的距离得到的:

(15)

(16)

(17)

7)对通信技术排序。由效用函数从高到低来确定通信技术的适配度排序。

4 适配算例分析

4.1 中压配电网业务与通信技术适配分析

图3为各通信技术指标间的Credal排序,从图3中可以看出,各指标间的Credal排序值均超过0.5,说明整体而言专家之间的意见较为一致,可认为专家给出的意见是客观可靠的,可避免指标权重的不确定性。从图3中可以看出,专家对丢包率与时延、隔离方式与组网成本间的重要性判断有一定差异。

图3 配电自动化三遥业务与通信技术适配指标间的Credal排序Fig.3 Credal ranking of indicators for the matching of three-remote distribution automation and communication technology

基于配电自动化三遥业务及中压配电网技术性能,基于3.2节中的方法对通信技术指标进行量化,量化结果如表5所示。基于确定的权重及MARCOS法,对配电自动化三遥业务与中压通信技术适配性进行量化,并进行排序,结果如表6所示,适配性从高到底分别为光纤、5G、电力线载波、4G及无线专网。光纤因其具有极低的时延及极高的可靠性与安全性,与三遥业务最为适配;5G、电力线载波、4G适配性略低于光纤;无线专网与三遥适配性最低,其建设成本过高,且抗干扰能力、安全性较差。

表5 中压配电网通信技术性能归一化量化值Table 5 Quantization of communication technology performance in medium-voltage power distribution network

表6 配电自动化三遥与中压通信技术适配量化Table 6 Quantization for the matching of three-remote distribution automation and communication technology

4.2 低压配电网业务与通信技术适配分析

以低压采集类业务用电信息采集为例,首先确定该业务条件下通信技术各指标的重要度权重。根据BBWM方法步骤,6位专家首先确定该业务最重要及最次要指标,并基于指标间的对比结果形成最优比较向量及最劣比较向量,即:

求解分层贝叶斯模型计算综合权重,可得到指标C1至C10的权重分别为:0.041、0.071、0.166、0.134、0.171、0.113、0.058、0.102、0.071、0.073,可见最重要的指标为组网成本、覆盖半径与连接数,符合预期。图4为用电信息采集业务条件下各通信技术指标间的Credal排序,从图4中可以看出,各指标间的Credal排序值均超过0.5,说明整体而言专家之间的意见较为一致,但专家对丢包率与隔离方式、隔离方式与时延、覆盖半径与组网成本间的重要性判断有一定差异。

图4 用电信息采集业务各通信技术指标间的Credal排序Fig.4 Credal ranking of indicators for the matching of electricity information collection and communication technology

基于用电信息采集及低压配电网技术性能,基于3.2节中的方法对通信技术指标进行量化,量化结果如表7所示。基于确定的权重及MARCOS法,对用电信息采集与低压通信技术适配性进行量化,并进行排序,结果如表8所示,适配性从高到底分别为微功率无线、HPLC、蓝牙、RS-485、NB-IoT、WiFi、LoRa。

表7 低压配电网通信技术性能归一化量化值Table 7 Quantization of communication technology performance in low-voltage power distribution network

表8 用电信息采集与低压通信技术适配量化Table 8 Quantization for the matching of electricity information collection and communication technology

4.3 配电网全业务与通信技术适配体系

根据提出的适配性评估模型,对中低压配电网控制类、非控制类业务与可用通信技术进行全面适配性分析,进而构建配电网全业务与通信技术适配体系。

表9和表10分别为中压及低压配电网全业务与通信技术的适配性分析结果,表格中的颜色越深,代表该通信技术与此类业务越适配。从表9中可知,中压控制类业务主要考虑使用光纤进行承载,4G、5G次之;中压非控制类业务主要考虑使用4G、5G进行承载,无线专网与光纤在特定业务中具有显著优势。从表10中可知,低压控制类业务可考虑成本较低的HPLC与RS-485方式进行承载,低压非控制类业务主要考虑覆盖范围较广的微功率无线与HPLC承载。本文部分结论与文献[18-19]中相似,如文献[18]指出:“配电自动化‘二遥’业务匹配度最高的终端通信接入网广域通信技术为无线公网,其次为无线专网”;文献[19]指出“用电信息采集业务优选宽带载波(含双模),其次为短距离无线、串口总线等通信方式”,说明本文适配结论具有可靠性。

表9 中压配电网全业务与通信技术适配分析Table 9 Matching analysis of full services and communication technology in medium-voltage distribution network

表10 低压配电网全业务与通信技术适配分析Table 10 Matching analysis of full services and communication technology in low-voltage distribution network

表9和表10中的业务与通信技术适配分析为一般性结论,并非适用于所有地区。针对特定业务应用场景,可根据实际需求调整本文方法,以因地制宜开展业务与通信适配评估。

5 结 论

为实现新型电力系统配电网通信技术的准确选型,保障业务数据的安全可靠传输,本文提出了适用于电力系统多元业务与多模通信的适配性评估方法。首先,对新型配电网业务传输需求与可用通信技术性能进行全面梳理,提出了涵盖接入、覆盖、经济、可靠、安全五方面的两级十维度评价指标体系;其次,提出了基于BBWM和MARCOS的主客观赋权适配性综合分析模型,通过将多个专家的重要度评价转换为概率分布,消除指标权重确定过程中的不确定性,通过提出的指标量化方法实现适配度的综合量化;最后对中、低压配电网业务与通信技术的适配度进行计算,提出配电网全业务与通信技术适配体系,弥补了现有研究仅对适配性开展理论分析的缺陷。

本文成果可指导配电网通信技术选型,服务于配电通信网的规划与设计,支撑新型电力系统高质量发展。

本文对配电网各类业务与通信技术的适配度进行计算,但在实际应用场景中可包含多种业务,如何根据多个业务需求确定通信技术的适配度成为下一步研究的重点。