Research on Intelligent Distributed Hybrid Networking Peer-to-peer Communication Technology
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摘要:
智能分布式快速故障自愈技术多依赖光缆介质通信，但由于个别地段光缆敷设路径开挖难的问题，导致光缆在某些项目中无法得以全线贯通。针对此问题提出了一种光纤、中压载波混合对等通信技术，在光缆难敷设段以10 kV电力线路作为通信介质，并从对等通信机制、关键载波通信节点布置、数据通信优先级三方面分析对等载波通信的可行性。以单环网供电网架为应用对象，叙述全线路的通信配置应用方案，结果表明智能分布式配网自动化基于文章提出的中压载波对等通信技术可以有效快速隔离配电网故障。
Abstract:The fast fault self-healing technology of distribution network automation mostly depends on optical cable medium communication. In some projects, the full coverage of optical cable can not be implemented because it is very difficult to excavate the optical cable laying path in some sections. To solve this problem, a hybrid peer-to-peer communication technology based on optical fiber and medium voltage carrier is proposed. 10 kV power line is used as communication medium in the difficult laying section of optical cable. The feasibility of peer-to-peer carrier communication is analyzed from three aspects of peer-to-peer communication mechanism, communication structure and data communication priority. Taking powernetwork of single ring as the application object, the application scheme of communication configuration is described in the whole line. The distribution network faults can be isolated by using this communication schemeeffectively.
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由于台区抄表类数据为非调度类数据, 故对通信时延要求较低[10-12], 而配网自动化系统中的通信数据为电网10 kV调度数据, 对通信的可靠性和通信时延要求较高, 而载波通信技术较少用于配网自动化通信当中[13-15]。
1. 各类电力通信现状简述
文献[16]提出了一种基于EPON局域网实现配电网通信低时延的方法, 每个通信节点均以一主一备的方式为其供电, 当其中一个ONU无法正常工作, 分光器可以继续分光, 不影响整条链路其他节点的正常通信, 实现故障的快速隔离, 并减少故障停电时间。文献[17]提出了一种配网自动化数据通信模型, 从全局的高度罗列出配网自动化的数据通信量, 对通信链路的数据可靠性提出更高要求。文献[18]以无线通信方式实现配网自动化技术, 主要面向于对延时要求较低的差动保护当中, 可布署在设施落后的老城区的配电网保护中。文献[19]提出了一种用于中压电力线载波的自组网技术, 解决了载波全双工通信问题, 提高中压载波的通信效率, 推动了载波通信在10 kV线路当中的应用。
由于5G无线通信受限于运营商的通信基站的可靠性, 当通信基站停电或通信故障时直接影响配网自动化通信[20-22]。光缆通信依然是智能分布式技术实现的主流通信方式, 光纤现场敷设路径一直是现场勘察的重点[23]。本文将载波通信应用于智能分布式配网自动化技术当中, 实现中压配电网的快速对等通信。
2. 中压载波技术优化
现有电力载波通信主要存在的问题在于通信机制与通信时延两方面问题[24-25], 为满足智能分布式配网自动化技术通信要求, 本文提出了一种基于对等通信的光纤、中压电力线载波混合组网通信技术, 在无法敷设光缆的关键节点采用中压载波通信方式, 其余关键节点采用光纤通信方式, 利用通信机制优化、合理分布载波机位置, 实现电力载波的快速通信。
2.1 载波对等通信机制
为满足智能分布式的要求, 须要将通信机制改变为对等通信模式, 使得位于环网的任一载波机同时与相邻任一载波机实现对等通信, 无主机与从机之分, 将轮询访问方式改为关键数据突变主动上送方式, 对等通信流程如图 1所示。
发送数据时, 终端自动区分主动发起或响应, 以提高通信效率, 当终端A与终端B之间发起对等通信时, 可采用广播或组播方式, 每一次数据发起通过指定网络口令来决定此帧数据应接收的终端, 中继深度采用自适应的方式, 避免载波过程中的信号衰减, 实现网络吞吐量最大化。
2.2 按线路节点布置载波机位置
两条10 kV配电网主线的电源分别来自同一座变电站的不同10 kV母线, 每条10 kV线路包含1台变电站出线柜智能设备、2台分段型智能设备。变电站出线柜智能设备负责采集变电站馈出主干线路的送出电力状态信息。两条10 kV配电网主线通过1台联络型智能设备相连, 联络型智能设备用于采集联络开关两侧的数据信息, 图 2为中压电力线一次拓扑图。
对于采用中压电力线对等载波技术的智能分布式系统, 通信系统组成按一次网架结构布置, 在重要的分段型智能设备与联络型智能设备所处节点布置载波机, 图 3为适用于10 kV单环网网架的中压电力线对等载波通信拓扑图。
2.3 载波数据通信优先级
环网线路关键分段点的户外开关箱内常规配置5~6个开关柜间隔, 涉及分段间隔、馈出支线间隔、联络间隔3类, 分段型环网柜有两台分段断路器, 支线环网柜有一台分段断路器开关, 联络环网柜有一台分断断路器开关和一台联络断路器开关, 其余均为支线开关。
为了避免同一环网柜内同一时间过多数据通信造成通信阻塞, 故将环网柜内的分段断路器开关、支线断路器开关、联络断路器开关按数据类型重要性进行分级, 优先级原则为: 正常运行状态下, 分段开关数据优先传输、联络开关数据传输次之、支线开关数据优先级最低; 线路发生故障状态下, 优先故障节点开关数据传输; 线路发生故障状态下, 基于Goose信息的突变数据优于三遥数据传输。
3. 技术应用研究
3.1 项目概况
以某园区配电网为例进行应用研究, 该园区由Ⅰ线、Ⅱ线两条10 kV主线供电, 两条主线出自同一变电站的不同母线, 单环网接线方式, 线路全电缆敷设, 该线路主线共7台环网柜, Ⅰ线主线3台分段环网柜、1台联络环网柜、1台支线环网柜, Ⅱ线主线含3台分段环网柜、2台支线环网柜, 环网柜分段间隔均为断路器、其他间隔为负荷开关间隔, 考虑到园区负荷的重要性, 并结合开关设备类型为断路器、负荷开关混合, 故决定将该线路以缓动型智能分布式技术开展设计, 并为本文所述的对等载波通信技术提供了应用场合, 园区配电网单环网网架图如图 4所示。
本工程自动化配置方案: 在Ⅰ线、Ⅱ线每面环网柜分别增加智能分布式DTU10套, 负责实现每台环网柜的故障自愈功能及三遥功能; 在变电站新增变电站智能分布式DTU终端柜1套, 负责采集变电站出线柜的电流信息、断路器状态信息。
3.2 工程通信配置方案
本工程中Ⅰ线的#4分段柜与Ⅰ线的#5联络柜之间, 由于有铁路通过, 阻碍了该路段无光缆搭建, 如果更改光缆路径, 造价较高且浪费资源, 故该段改用对等载波通信技术代替光缆通信。由于智能分布式基于IEC 61850通信标准, 通信规约须要占用宽带不小于2 Mbit/s, 故采用OFDM的宽带载波, 可满足通信带宽要求。将载波机置于Ⅰ线#4分段柜和Ⅰ线#5联络柜, 采用载波通信, 其他段仍采用光缆通信。
表 1为通信设备布置情况, 其中的交换机与载波机的布置与图 5配电网一次设备布置一一对应, 工业交换机及载波机置于环网柜的通信箱中。
表 1 通信设备布置表布置位置 通信设备 通信媒介 变电站 三级工业交换机 光缆通信 Ⅰ线#1分段柜 二级工业交换机 光缆通信 Ⅰ线#2支线柜 二级工业交换机 光缆通信 Ⅰ线#3分段柜 二级工业交换机 光缆通信 Ⅰ线#4分段柜 二级工业交换机
载波机与Ⅰ线#3分段柜光缆通信
与Ⅰ线#5柜载波通信Ⅰ线#5联络柜 二级工业交换机
载波机与Ⅰ线#4分段柜载波通信
与Ⅱ线#5柜光缆通信Ⅱ线#1分段柜 二级工业交换机 光缆通信 Ⅱ线#2支线柜 二级工业交换机 光缆通信 Ⅱ线#3分段柜 二级工业交换机 光缆通信 Ⅱ线#4支线柜 二级工业交换机 光缆通信 Ⅱ线#5分段柜 二级工业交换机 光缆通信 本工程通信设置配置如下: 除Ⅰ线#4分段柜和Ⅰ线#5联络柜外, 其他每座环网柜均配置二层交换机, 用于实现每座环网柜间的数据传输和对等通信; 在Ⅰ线#4分段柜和Ⅰ线#5联络柜配置卡接式中压载波机, 实现本级环网柜与相临环网柜的数据通信, 在变电站内配置三层通信交换机一台, 变电站内的三层交换机接入配电自动化调度数据网, 现场环网柜转发的数据通过变电站三层交换机接入电力专用通信光缆通道, 并与配网自动化主站后台通信。
在Ⅰ线发生短路故障时, 位于Ⅰ线的#1分段柜、#3分段柜、#2分支柜的数据均能快速对等通信, 并在最短时间将信息汇总到变电站的DTU柜, Ⅰ线#4分段柜和Ⅰ线#5联络柜的两台载波机间同样可以快速对等通信, 并优先向后台发送信息。
3.3 光纤、载波混合通信应用分析
根据实际应用, 对采用对等中压载波通信的10 kV线路, 宜采用缓动型智能分布式技术, 将故障发生后设备间的相互处理时延放宽。
主环上分段数不超过4分段的主线, 将置于变电站侧的载波机保留总召控制, 以便其与下游的载波机快速通信, 完成非故障时的三遥功能。
中压线路较低压线路比, 虽然距离用电负荷较远, 但是其受负荷侧的脉冲噪声、线路阻抗影响较大, 本期工程通过提高输出功率, 增大信号的信噪比, 以减少载波通信的误码率。
考虑到高压电力线载波信号的衰减, 对于载波通信段, 每个分段开关间的10 kV电缆线路长度不宜大于1 km, 10 kV电缆中间接头数控制在2个以内。
如图 5所示, 对于两条10 kV主线的联络开关在Ⅰ线的#5环网柜, 两条10 kV主线路形成单环网接线, 常规单环网的两条10 kV主线不会在同一管沟内敷设, 故整条单环网中出现两点或多点同时故障的概率几乎为零, 故在此以环网中某一点发生故障进行分析, 假设配电网短路故障发生在Ⅰ线的#4环网柜与#5环网柜之间。
由于载波机位于Ⅰ线#4柜与#5柜, 当该段中某一位置发生故障时, 发生故障线路的两台载波机利用电缆为通信介质快速对等通信, 各环网柜智能分布式DTU判断故障点, 并就地命令Ⅰ线#4柜的012开关分闸、Ⅰ线#5柜的011开关分闸, 并在2 s内完成故障隔离, Ⅰ线#5柜的012联络开关合闸, 由正常线路Ⅱ线为Ⅰ线非故障区域进行转供电, 为Ⅰ线故障点后段非故障区域负荷恢复供电, 通过各智能分布式DTU的配合, 顺利完成系统性的故障区域隔离、非故障区域转供电功能逻辑。
4. 结束语
本文介绍了智能分布式对等载波通信应用场合, 从载波的对等通信机制、关键载波通信节点布置、数据通信优先级3个方面分析, 论证光缆、中压对等载波混合通信方案的可行性, 实现一种利用局部载波通信完成配网自动化快速通信的方法。
该方法适用于全电缆型单环网的智能分布式配网自动化逻辑, 并结合应用案例, 详细描述智能分布式技术采用载波通信实现快速故障隔离的方法。采用载波通信方式, 在满足快速对等通信要求的前提下, 提高了工程的可实施性, 减少光缆敷设方面投资, 为配网自动化领域的通信网搭建提供设计参考。
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表 1 通信设备布置表
布置位置 通信设备 通信媒介 变电站 三级工业交换机 光缆通信 Ⅰ线#1分段柜 二级工业交换机 光缆通信 Ⅰ线#2支线柜 二级工业交换机 光缆通信 Ⅰ线#3分段柜 二级工业交换机 光缆通信 Ⅰ线#4分段柜 二级工业交换机
载波机与Ⅰ线#3分段柜光缆通信
与Ⅰ线#5柜载波通信Ⅰ线#5联络柜 二级工业交换机
载波机与Ⅰ线#4分段柜载波通信
与Ⅱ线#5柜光缆通信Ⅱ线#1分段柜 二级工业交换机 光缆通信 Ⅱ线#2支线柜 二级工业交换机 光缆通信 Ⅱ线#3分段柜 二级工业交换机 光缆通信 Ⅱ线#4支线柜 二级工业交换机 光缆通信 Ⅱ线#5分段柜 二级工业交换机 光缆通信 
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