李蘊，李雪男，舒彬，紀斌，張?zhí)煊?，羅鳳章，李靜，廖健偉，孫強，王雪

(1.國網(wǎng)北京市電力公司，北京市100031；2.天津大學智能電網(wǎng)教育部重點實驗室，天津市300072；3.天津天大求實電力新技術股份有限公司，天津市300384；4.國網(wǎng)能源研究院，北京市102209)

配電一次網(wǎng)架與信息系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃

李蘊1，李雪男1，舒彬1，紀斌1，張?zhí)煊?，羅鳳章2，李靜3，廖健偉3，孫強4，王雪4

(1.國網(wǎng)北京市電力公司，北京市100031；2.天津大學智能電網(wǎng)教育部重點實驗室，天津市300072；3.天津天大求實電力新技術股份有限公司，天津市300384；4.國網(wǎng)能源研究院，北京市102209)

智能電網(wǎng)已成為當今電網(wǎng)的發(fā)展趨勢。作為支撐智能電網(wǎng)的重要組成部分，信息系統(tǒng)與配電一次網(wǎng)架系統(tǒng)相互耦合、密不可分，對電網(wǎng)規(guī)劃和運行的影響日益突出，傳統(tǒng)的配電網(wǎng)規(guī)劃方法較少考慮信息系統(tǒng)與配電一次網(wǎng)架系統(tǒng)間的相互影響，已無法適應智能電網(wǎng)發(fā)展背景下的精細化規(guī)劃的需求。該文探討了配電網(wǎng)架規(guī)劃、配電通信網(wǎng)規(guī)劃、配電自動化規(guī)劃三者之間的協(xié)調(diào)關系和協(xié)調(diào)指標，初步提出了三者協(xié)同規(guī)劃的思路框架并具體探討了各規(guī)劃子問題的規(guī)劃模型、指標和方法。研究結論可為未來主動配電網(wǎng)的一次電網(wǎng)架構、二次自動化系統(tǒng)與智能決策支持系統(tǒng)的三位一體協(xié)同規(guī)劃提供思路。

配電網(wǎng)架系統(tǒng)；配電自動化；配電通信網(wǎng)；協(xié)同規(guī)劃；協(xié)調(diào)性評估

0 引 言

智能電網(wǎng)的建設將成為今后很長一段時期國內(nèi)外電力系統(tǒng)發(fā)展和建設的主要目標。從傳統(tǒng)被動配電網(wǎng)向主動配電網(wǎng)[1]過渡是配電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢。在智能電網(wǎng)和主動配電網(wǎng)發(fā)展背景下，與一次網(wǎng)架配套的配電通信系統(tǒng)和配電自動化系統(tǒng)(為表述方便，本文稱之為廣義的主動配電網(wǎng)信息系統(tǒng)，簡稱信息系統(tǒng))已經(jīng)成為主動配電網(wǎng)不可分割的重要組成部分，將為主動配電網(wǎng)實現(xiàn)潮流主動管理和主動控制提供重要的支撐條件。主動配電網(wǎng)的發(fā)展對當前的配電網(wǎng)規(guī)劃工作提出了許多新的要求，要求充分考慮配電自動化、配電通信網(wǎng)和配電管理系統(tǒng)對改善配電網(wǎng)運行性能所發(fā)揮的重大作用，協(xié)調(diào)統(tǒng)一地規(guī)劃建設堅強可靠的一次電網(wǎng)架構、深度協(xié)同的二次自動化系統(tǒng)與功能強大的智能決策支持系統(tǒng)[2]，實現(xiàn)一次網(wǎng)架系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的協(xié)同規(guī)劃。

傳統(tǒng)的配電網(wǎng)規(guī)劃工作[3-4]側重于一次網(wǎng)架結構的優(yōu)化和變壓器位置容量的優(yōu)化，一般很少考慮配電自動化系統(tǒng)、配電通信系統(tǒng)和配電管理系統(tǒng)對電網(wǎng)運行和供電可靠性的影響，配電一次網(wǎng)架、配電自動化和配電通信系統(tǒng)的規(guī)劃工作彼此獨立，缺乏配電一次網(wǎng)架系統(tǒng)和信息系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃的相關理論方法的指導。國家電網(wǎng)公司在近年來的配電網(wǎng)規(guī)劃工作中嘗試開展了有關配電自動化規(guī)劃[5]和配電通信網(wǎng)規(guī)劃[6]的專項規(guī)劃。同時，近年來熱議的有關電力物理信息系統(tǒng)[7]的研究較好地揭示了電力系統(tǒng)與通信系統(tǒng)間的耦合規(guī)律[8]，這些都為配電一次網(wǎng)架系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的協(xié)同規(guī)劃研究提供了基礎。

鑒于此，為滿足新型主動配電網(wǎng)規(guī)劃深度的需要，本文在梳理上述配電網(wǎng)架系統(tǒng)與信息系統(tǒng)間相互影響的基礎上，提出配電網(wǎng)一次網(wǎng)架與信息系統(tǒng)的協(xié)同規(guī)劃框架，探討其各規(guī)劃子問題的協(xié)調(diào)規(guī)劃模型、指標與方法。

1 網(wǎng)架系統(tǒng)與信息系統(tǒng)的相互影響關系

主動配電網(wǎng)的一次網(wǎng)架系統(tǒng)與支撐電網(wǎng)智能化和主動化水平的通信網(wǎng)絡系統(tǒng)、配電自動化系統(tǒng)、信息平臺等相互耦合、密不可分。主要體現(xiàn)在如下幾方面。

(1)信息系統(tǒng)是配電網(wǎng)實現(xiàn)向廣大用戶可靠供電的基礎支撐條件。

當系統(tǒng)發(fā)生故障時，配電管理系統(tǒng)通過對故障區(qū)段的快速定位和隔離[9-10]，實現(xiàn)對非故障區(qū)域的恢復供電，有效避免大面積停電事故的發(fā)生，同時借助信息系統(tǒng)實現(xiàn)故障搶修和不停電作業(yè)，可大大提高配電網(wǎng)的供電可靠性。在系統(tǒng)正常運行狀態(tài)下，信息系統(tǒng)通過實時監(jiān)測配電元件運行狀態(tài)，對電網(wǎng)風險的提前預知預判，并給出相應的操作決策方案，避免潛在事故的發(fā)生[11-13]，從而保障電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠運行。

(2)信息系統(tǒng)的可靠性對配網(wǎng)可靠性的影響不可忽略。

信息系統(tǒng)元件的異常會導致配電系統(tǒng)的運行風險增大，如變壓器監(jiān)測元件故障使得系統(tǒng)在運元件處在不可監(jiān)測的狀態(tài)，這會導致系統(tǒng)運行風險提高[14]。信息系統(tǒng)的安全性也是影響可靠性的不確定因素[15]。如通信系統(tǒng)在面臨黑客惡意攻擊時，可能導致配網(wǎng)元件退出運行從而導致配網(wǎng)事故[16-17]的發(fā)生。

(3)信息系統(tǒng)對配網(wǎng)運行效率的提升至關重要。

信息系統(tǒng)中的配電監(jiān)測單元可以幫助配電網(wǎng)管理人員更加全面細致地掌握系統(tǒng)運行狀態(tài)[18]，依據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)評估和態(tài)勢估計，對系統(tǒng)運行狀態(tài)和潛在的問題與薄弱環(huán)節(jié)預估預判，預先制定針對性的預防性措施，實現(xiàn)主動運行和主動管理，提高系統(tǒng)運行效率[19]。

(4)靈活堅強的一次網(wǎng)架是配電通信和配電自動化可靠高效運行的基礎。

電力通信網(wǎng)絡和配電自動化裝置往往是沿著配電一次網(wǎng)架的走向部署的。為了以最小的投資最大限度地提高配電網(wǎng)的運行效率和供電可靠性，這就需要在規(guī)劃中考慮以配電網(wǎng)一次網(wǎng)架為基礎對配電終端進行最優(yōu)布點[20-21]。除配電自動化系統(tǒng)外，通信系統(tǒng)拓撲結構、組網(wǎng)方式、通信方式的選擇[22]以及帶寬流量的規(guī)劃[23]也必須與一次網(wǎng)架的結構相適應。

2 協(xié)同規(guī)劃思路框架

圖1為配電網(wǎng)架與信息系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃總體流程框架。首先，開展配電一次網(wǎng)架規(guī)劃，明確配電自動化規(guī)劃和通信網(wǎng)規(guī)劃的需求。然后，開展配電自動化系統(tǒng)與配電網(wǎng)絡系統(tǒng)的協(xié)同規(guī)劃，考慮配電網(wǎng)架結構、負荷位置、重要程度以及可靠性指標等，對配電自動化終端如量測、監(jiān)測、開關控制等裝置進行最優(yōu)布局，并確定終端信息交互的協(xié)調(diào)關系，然后考慮配網(wǎng)變電站的相關信息進行配電自動化主站布局。在確定了配電自動化運行模式和布點規(guī)劃后，結合配電網(wǎng)架結構和運行方式確定通信骨干網(wǎng)、10 kV、0.4 kV通信網(wǎng)的業(yè)務需求和帶寬、流量、通信速率等一系列規(guī)劃指標，開展通信網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃，設計通信網(wǎng)拓撲結構，選擇適宜的組網(wǎng)方式和通信方式。配電自動化規(guī)劃和通信規(guī)劃完成后，基于配電網(wǎng)的可靠性、網(wǎng)絡裕度等指標對配電網(wǎng)架與信息系統(tǒng)的協(xié)調(diào)水平進行進一步校驗，若相關指標不滿足要求，需要進一步對一次網(wǎng)架系統(tǒng)、配電自動化系統(tǒng)以及通信網(wǎng)絡系統(tǒng)規(guī)劃進行調(diào)整，直至滿足為止。

3 配電網(wǎng)與通信網(wǎng)協(xié)同規(guī)劃思路

3.1 通信業(yè)務分類和通信流量分析模型

隨著分布式新能源和新型負荷的接入，配電通信網(wǎng)承載的業(yè)務需求發(fā)生了很大變化，為開展配電網(wǎng)與通信網(wǎng)協(xié)同規(guī)劃，首先梳理主動配電網(wǎng)條件下的配電通信網(wǎng)的業(yè)務需求、流量和帶寬需求，明確通信規(guī)劃目標和規(guī)劃指標，建立通信規(guī)劃的業(yè)務模型以及各業(yè)務帶寬、流量的需求斷面模型。

圖1 配電網(wǎng)架與信息系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃流程框架Fig.1 Coordination planning framework of cyber-power distribution system

3.1.1 通信業(yè)務分類模型

為實現(xiàn)配電網(wǎng)數(shù)據(jù)的區(qū)域分層集結、集中管理，配電通信網(wǎng)通常采用層次化結構設計，根據(jù)配電網(wǎng)規(guī)模采用骨干層、接入層的層次化設計。各層次的業(yè)務分類如下。

(1)骨干通信網(wǎng)業(yè)務。

骨干通信網(wǎng)主要承載調(diào)度實時信息、保護業(yè)務、調(diào)度電話、行政電話、會議電視、辦公MIS、用電MIS、視頻監(jiān)控、綜合監(jiān)控、電能信息、負荷信息、故障信息遠傳、遠程抄表、集控信息等主要業(yè)務。

(2)10 kV通信網(wǎng)業(yè)務。

10 kV通信接入網(wǎng)以220 kV、110 kV、35 kV變電站為通信接入點，向下覆蓋到配電網(wǎng)開關站、配電室、環(huán)網(wǎng)柜、柱上開關、公用配電變壓器、分布式電源、電動汽車充換電站等設備，其業(yè)務按照功能與投資屬性可分為支撐配電自動化部分和支撐用電業(yè)務部分。

(3)0.4 kV通信網(wǎng)業(yè)務。

0.4 kV通信網(wǎng)是指覆蓋10 kV變壓器的0.4 kV出線至低壓用戶表計、電動汽車充電樁和分布式電源等的通信網(wǎng)絡，主要承載用電信息采集、用電營業(yè)服務、用戶雙向互動等業(yè)務。

根據(jù)上述的業(yè)務分析，配電通信系統(tǒng)各業(yè)務斷面模型如圖2所示[23]。

在圖2中，a21～a24表示配電業(yè)務終端到變電站的業(yè)務斷面流量，a25為用電業(yè)務和其他需要擴展的配電業(yè)務到變電站的斷面流量；a1代表變電站到地市主站的斷面流量。配電終端的各類信息通過接入層通信網(wǎng)匯集到配電自動化主站，由子站匯集的信息再通過骨干層通信網(wǎng)傳輸?shù)脚潆娭髡荆⒂芍髡镜墓芾硐到y(tǒng)進行儲存和處理。

3.1.2 通信信息量模型

(1)預測基本方法。

圖2 配網(wǎng)通信系統(tǒng)業(yè)務斷面示意圖Fig.2 Schematic diagram of traffic section ofdistribution network communication system

帶寬需求預測方法采用直觀預測和彈性系數(shù)結合的方法，在預測中一般可采用式(1)估算:

式中:B為帶寬需求；B′為業(yè)務凈流量；N為鏈路數(shù)量；Φ1為冗余系數(shù)，指為業(yè)務預留備份通道和發(fā)展空間所需彈性系數(shù)；Φ2為并發(fā)比例系數(shù)，對于專線業(yè)務、實時性要求高的業(yè)務，并發(fā)比例均取100%。

(2)配電自動化業(yè)務的流量模型。

配電自動化業(yè)務流量模型中應考慮10 kV電壓等級站點的數(shù)據(jù)流量、站點數(shù)量及110 kV，35 kV變電站的出線線路數(shù)量，以10 kV站點數(shù)據(jù)流量為基本數(shù)據(jù)流量，配電自動化業(yè)務流量模型采用公式[23]:

式中:i為站點類型；N為站點總數(shù)量；ni為每個站點的出線數(shù)量。

(3)電能質量監(jiān)測業(yè)務流量模型。

電能質量監(jiān)測需采集每條線路的三相電壓、三相電流6個信息，每個數(shù)據(jù)2個字節(jié)，共計12個字節(jié)，計及數(shù)據(jù)采集周期、數(shù)據(jù)記錄周期及數(shù)據(jù)上送時長，業(yè)務流量模型采用公式[23]:

式中:n為10 kV線路數(shù)量；fsamp為采樣頻率；Tr為數(shù)據(jù)記錄周期；Tp為數(shù)據(jù)上送時長。

(4)配電監(jiān)控運行業(yè)務流量模型。

配電監(jiān)控運行業(yè)務流量包括視頻監(jiān)控業(yè)務、語音業(yè)務、數(shù)據(jù)業(yè)務通道流量，并計及每條10 kV線路設置的監(jiān)控點數(shù)量，業(yè)務流量模型采用公式[23]:

式中:Bv、Bt、Bd分別為視頻監(jiān)測業(yè)務、語音業(yè)務、數(shù)碼業(yè)務的帶寬需求；N為鏈路數(shù)量。

(5)分布式電源接入業(yè)務流量模型。

分布式電源接入業(yè)務流量應依據(jù)每條10 kV線路的接入點數(shù)及每個分布式電源接入采集的信息量計算業(yè)務流量，業(yè)務流量模型采用公式[23]:

式中:BDG應根據(jù)每個分布式電源系統(tǒng)采集的信息量計算。

(6)其他業(yè)務流量模型。

0.4 kV通信接入網(wǎng)在帶寬業(yè)務流量分析預測過程中，可考慮用電信息采集、分布式電源(接入380 V)、電動汽車充電樁等業(yè)務需求，在四級骨干通信網(wǎng)為營銷業(yè)務系統(tǒng)預留30 Mbit帶寬。綜合式(2)～(6)，變電站至主站的斷面流量模型采用公式[23]:

3.2 與配電網(wǎng)架相協(xié)調(diào)的配電通信網(wǎng)規(guī)劃原則

目前，應用于電力系統(tǒng)的主流通信方式主要有光纖通信、電力載波通信和無線通信等幾種方式。通信網(wǎng)的拓撲結構設計、組網(wǎng)方式、通信方式的選擇應該與配電網(wǎng)的網(wǎng)架結構、所處地理位置、配電網(wǎng)供電可靠性以及通信業(yè)務等要求相協(xié)調(diào)。

根據(jù)不同通信方式的特點，不同供電區(qū)域的通信方式的要求如表1所示。

3.3 電力網(wǎng)規(guī)劃與通信網(wǎng)規(guī)劃協(xié)調(diào)指標

(1)帶寬冗余度指標。

帶寬冗余度表示通信通道傳輸信息的充裕程度，表達式為

式中:B1為該斷面所有線路側光接口速率之和；B2為該斷面所有開通通道的帶寬之和。裕度越大，表示通信的可靠性越高，在滿足經(jīng)濟性的條件下，通信網(wǎng)在每一節(jié)點的帶寬都應留有一定裕度。冗余度過低將不能滿足電力通信業(yè)務快速發(fā)展和通道可靠性保障的需求，過高則會造成資源浪費，總體宜控制在0.3左右。

表1 不同供電區(qū)域通信方式要求Table 1 Communication mode requirements for different power supply regions

(2)覆蓋率指標。

覆蓋率表示在所有配電網(wǎng)設施中被通信系統(tǒng)覆蓋的配電網(wǎng)設施所占的比例。該指標實際上是一個指標族。根據(jù)通信系統(tǒng)覆蓋的配電網(wǎng)設施種類的不同，本文將通信系統(tǒng)覆蓋率分為配電線路通信覆蓋率和匯聚點覆蓋率2類。

1)配電線路通信覆蓋率，表示被通信系統(tǒng)覆蓋的線路占總線路條數(shù)的比例。如中壓電力線載波方式覆蓋率、230 MHz無線專網(wǎng)方式覆蓋率、無線公網(wǎng)GPRS覆蓋率等。以10 kV電網(wǎng)的中壓電力線載波方式覆蓋率為例說明該指標計算方法，設10 kV配電網(wǎng)有n條饋線，其中覆蓋電力線載波通信的饋線有a條，則覆蓋率β1表達式為

2)匯聚點覆蓋率，表示被通信系統(tǒng)覆蓋的站點占總的變電站的比例。如四級骨干通信網(wǎng)110 kV及35 kV變電站、地市公司、第二匯聚點光纖的覆蓋率等。以110 kV變電站光纖覆蓋率為例說明該指標計算方法，設110 kV變電站共有n座，其中覆蓋光纖通信的有a座，則覆蓋率β2表達式為

4 配電網(wǎng)與配電自動化協(xié)同規(guī)劃思路

4.1 基于一次網(wǎng)架的配電終端布點和配置原則

配電自動化終端是用于配電網(wǎng)的各種遠方監(jiān)測、控制單元的總稱，簡稱配電終端。不同的配電設備對終端的功能要求、運行環(huán)境與安裝結構不同。主要配置原則如下:

(1)應根據(jù)網(wǎng)架結構、設備狀況和應用需求，合理選用自動化終端或故障指示器；

(2)配電終端的容量宜根據(jù)配電站所的發(fā)展需要確定，發(fā)展時間宜考慮10年；

(3)不同的應用場合應選擇相應類型的配電終端，一般的:1)配電室、環(huán)網(wǎng)柜、箱式變電站、以負荷開關為主的開關站應選用站所終端；2)柱上開關應選用饋線終端；3)配電變壓器應選用配變終端；4)架空線路或不能安裝電流互感器的電纜線路，可選用具備通信功能的故障指示器。

4.2 配電網(wǎng)規(guī)劃與配電自動化規(guī)劃協(xié)調(diào)指標

(1)可靠率提升指標。

這里將規(guī)劃前后的區(qū)域電網(wǎng)可靠性指標的提升作為網(wǎng)架與配電自動化協(xié)調(diào)規(guī)劃的評估指標。

以用戶平均停電時間為例，設安裝配電自動化前的用戶平均停電時間為a h/(戶·a)，裝設配電自動化后的用戶平均停電時間為b h/(戶·a)，則可靠性提升指標γ為

(2)覆蓋率指標。

與通信網(wǎng)覆蓋率指標類似，該指標也是一個指標族，也可將覆蓋率指標分為配電線路覆蓋率(如饋線自動化覆蓋率)和配電網(wǎng)節(jié)點覆蓋率(如環(huán)網(wǎng)柜的配電自動化覆蓋率)2類。

4.3 面向供電可靠性的配電終端數(shù)量配置模型

配電終端配置的數(shù)量及其位置需要以配網(wǎng)供電可靠性為依據(jù)，本文依據(jù)文獻[21]提出的方法，討論“三遙”、“二遙”配電終端和分界開關的數(shù)量配置問題。

(1)全部安裝“三遙”終端模塊的模式。

如圖3所示，假設各個區(qū)域的用戶分布均勻，在饋線上安裝k個配電終端模塊將該饋線分為k＋1個區(qū)域，每個區(qū)域含有n/(k＋1)個用戶。

圖3 “三遙”終端部署示意圖Fig.3 Deployment schematic diagram of three-remote terminals

假設饋線沿線單位長度故障率相同。故障處理時間T主要由3個部分構成，即

式中:t1為故障區(qū)域查找時間；t2為人工故障區(qū)域隔離時間；t3為故障修復時間。

對于全部安裝“三遙”終端模塊的情形，可近似地認為t1＝t2＝0。

根據(jù)供電可用率定義，可以推導得到在分段開關處安裝k個“三遙”終端模塊的饋線的供電可用率為

式中fi為第i個區(qū)域的故障率。

為簡化，令f1＝f2＝…＝…fi＝…＝fk＋1≈f＝F/ (k＋1)。在要求供電可用率不低于A的情況下，即有α3>A，所需要在分段開關處安裝“三遙”終端模塊的數(shù)量k須滿足[21]

(2)全部安裝“二遙”終端模塊的模式。

同理，在全部安裝“二遙”終端模塊的模式下，只能定位故障區(qū)域而不能自動隔離故障和恢復健全區(qū)域供電，可近似地認為t1＝0。

在分段開關處安裝k個“二遙”終端模塊的饋線的供電可用率a2[21]可表示為

在要求供電可用率不低于A的情況下，可以解出滿足供電可靠性要求所需要安裝“二遙”終端模塊的數(shù)量k[21]，即

5 通信網(wǎng)與配電自動化協(xié)同規(guī)劃思路

通信網(wǎng)的組網(wǎng)方式以及通信通道的帶寬設計應與配電自動化業(yè)務需求、信息傳輸實時性需求和安全需求相協(xié)調(diào)，總體的協(xié)調(diào)原則如下所述。

5.1 通信組網(wǎng)規(guī)劃原則

(1)應結合配電自動化業(yè)務分類，綜合考慮配電通信網(wǎng)實際業(yè)務需求、建設周期、投資成本、運行維護等因素，選擇技術成熟、多廠商支持的通信技術和設備，保證通信網(wǎng)的安全性、可靠性、可擴展性。

(2)配電通信網(wǎng)所采用的光纜應與配電網(wǎng)一次網(wǎng)架同步規(guī)劃、同步建設，或預留相應位置和管道，滿足配電自動化中、長期建設和業(yè)務發(fā)展需求。

(3)配電通信網(wǎng)通信設備應采用統(tǒng)一管理的方式，在設備網(wǎng)管的基礎上充分利用通信管理系統(tǒng)實現(xiàn)對配電通信網(wǎng)中各類設備的統(tǒng)一管理。

5.2 安全需求配置原則

(1)在生產(chǎn)控制大區(qū)與管理信息大區(qū)之間應部署正、反向電力系統(tǒng)專用網(wǎng)絡安全隔離裝置進行電力系統(tǒng)專用網(wǎng)絡安全隔離。

(2)對于采用公網(wǎng)作為通信信道的前置機，與主站之間應采用正、反向網(wǎng)絡安全隔離裝置實現(xiàn)物理隔離。

(3)具有控制要求的終端設備應配置軟件安全模塊，對來源于主站系統(tǒng)的控制命令和參數(shù)設置指令應采取安全鑒別和數(shù)據(jù)完整性驗證措施，以防范冒充主站對現(xiàn)場終端進行攻擊，惡意操作電氣設備。

6 算 例

6.1 算例簡介及網(wǎng)架規(guī)劃結果

圖4為某規(guī)劃地區(qū)的配電網(wǎng)一次網(wǎng)架規(guī)劃方案示意圖。該區(qū)域為A＋供電區(qū)，由一座35/10 kV變電站供電，線路均為架空線。在干線節(jié)點8和支線節(jié)點17、18分別接有分布式電源，節(jié)點5，6設有聯(lián)絡開關。設每條10 kV支線的用戶數(shù)均為60，饋線的故障率為2次/(百km·a)。t1＝1.5 h，t2＝0.5 h，t3＝4 h?，F(xiàn)根據(jù)一次網(wǎng)架布局為該電網(wǎng)設計配電自動化系統(tǒng)和通信系統(tǒng)，要求供電可靠性達到99.99%。

圖4 算例1O kV配電網(wǎng)規(guī)劃網(wǎng)架示意圖Fig.4 Example of 1OkV distribution network planning

6.2 配電自動化系統(tǒng)規(guī)劃

算例中10 kV支線所需安裝配電自動化終端數(shù)量分析過程如下:

如果全部安裝“三遙”裝置，需要每條支線安裝9個，如果安裝“二遙”，則由于故障檢測時間t2的影響，可靠性無法達到99.99%，因此最終方案為每條支線安裝9個“三遙”裝置。

根據(jù)該配電網(wǎng)結構，最終的配電自動化終端布點方案如下:在所有干線節(jié)點加裝三遙終端以及電能質量監(jiān)測單元，在8、17、18節(jié)點裝設分布式電源監(jiān)測單元。主站位于35 kV變電站內(nèi)。

6.3 通信網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃

根據(jù)6.1節(jié)配電網(wǎng)架和6.2節(jié)所得到的配電自動化規(guī)劃方案確定通信網(wǎng)的通信流量帶寬以及組網(wǎng)方式。

(1)通信流量帶寬計算。

1)配電自動化業(yè)務流量。

10 kV典型三遙站點信息點數(shù)統(tǒng)計如表2所示。

表2 1O kV三遙站點典型信息點數(shù)統(tǒng)計Table 2 Typical information points of 1O kV three-remote terminals

設該網(wǎng)絡的三遙終端均為柱上開關，按每個遙測信息需要用2個字節(jié)信息量，8個遙信信息需要1個字節(jié)，遙控信息需要5個字節(jié)，每個電度量4個字節(jié)，按照所有點量測量均需3 s上傳計算得到柱上開關流量12 bit/s。該網(wǎng)絡10 kV干線裝有9個三遙終端，11條支線共裝有99個三遙終端，則所需流量為

2)電能質量監(jiān)測業(yè)務流量。

按1 kHz采樣點數(shù)，記錄2 s的擾動數(shù)據(jù)，每次擾動數(shù)據(jù)在10 s內(nèi)上送到電能質量分析主站，結果如下:

3)配電監(jiān)控運行業(yè)務流量。

考慮每個重要節(jié)點配置視頻監(jiān)控業(yè)務、語音業(yè)務、數(shù)據(jù)業(yè)務通道流量。設視頻業(yè)務圖像格式質量達到4CIF要求考慮，業(yè)務流量為2 Mbit/s。語音業(yè)務按64kbit/s考慮。數(shù)據(jù)業(yè)務通道主要滿足就地操作票、工作票的接收和流轉需求，流量128 kbit/s。則9個重要節(jié)點的配電監(jiān)控運行業(yè)務流量計算結果如下:

4)分布式電源接入業(yè)務流量。

有3個分布式電源接入點，每點上送32點遙測，16點遙信，4點電度量計，按1 s送到主站，需要流量為

統(tǒng)計上述4項數(shù)據(jù)可得1個變電站所有配電業(yè)務所需的帶寬為

并發(fā)比例取1，網(wǎng)絡冗余系數(shù)取2，可靠性系統(tǒng)取1，可得:

(2)通信網(wǎng)拓撲結構及組網(wǎng)方式。

將35 kV變電站作為配電自動化主站位置，骨干網(wǎng)選擇光纖網(wǎng)絡，覆蓋10 kV干線，干線節(jié)點2～10作為光纖環(huán)網(wǎng)的信息傳輸、交換的節(jié)點，安裝無源光纖分路器(passive optical splitter，POS)用來向主站的光線路終端(optical line terminal，OLT)傳輸上行數(shù)據(jù)，同時向光網(wǎng)絡單元節(jié)點(optical network unit，ONU)分發(fā)下行數(shù)據(jù)。接入層網(wǎng)覆蓋10 kV支線上的配電自動化終端(feeder terminal unit，F(xiàn)TU)以及分布式電源的檢測模塊，選擇電力線載波通信方式，同時無線專網(wǎng)作為備用網(wǎng)絡。通信網(wǎng)絡結構圖如圖5所示。

圖5 通信網(wǎng)設計方案示意圖Fig.5 Design scheme of communication network example

7 結 論

智能電網(wǎng)已經(jīng)成為當今電網(wǎng)的發(fā)展趨勢，與一次網(wǎng)架配套的配電通信系統(tǒng)和配電自動化系統(tǒng)為實現(xiàn)配電網(wǎng)智能化和主動特性提供了必要的支撐。本文探討了配電網(wǎng)架規(guī)劃、配電自動化規(guī)劃、配電通信網(wǎng)規(guī)劃三者之間的協(xié)調(diào)關系和指標，初步提出了三者協(xié)同規(guī)劃的思路框架和具體內(nèi)容，可為未來主動配電網(wǎng)的一次電網(wǎng)架構、二次自動化系統(tǒng)與智能決策支持系統(tǒng)的三位一體的協(xié)同規(guī)劃提供思路。

[1]劉廣一，黃仁樂，張凱，等.主動配電網(wǎng)的核心理念與技術實現(xiàn)[C]//中國電工技術學會學術年會——新能源發(fā)電技術論壇論文集.威海，2013.

[2]劉廣一，張凱，舒彬.主動配電網(wǎng)的6個主動與技術實現(xiàn)[J].電力建設，2015，36(1):33-37.

Liu Guangyi，Zhang Kai，Shu Bin.Six actives and key technologies of active distribution network[J].Electric Power Construction，2015，36(1):33-37.

[3]張憲.基于GIS的配電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃的研究[D].保定:華北電力大學，2006.

Zhang Xian.The study of distribution network planning based on GIS[D].Baoding:North China Electric Power University，2006.

[4]張永伍.變電站選址定容優(yōu)化規(guī)劃[D].天津:天津大學，2005.

Zhang Yongwu.Optimal planning for substation locating and sizing [D].Tianjin:Tianjin University，2005.

[5]宋若晨，徐文進，楊光，等.基于環(huán)間聯(lián)絡和配電自動化的配電網(wǎng)高可靠性設計方案[J].電網(wǎng)技術，2014，38(7):1966-1972.

Song Ruochen，Xu Wenjin，Yang Guang，et al.A design scheme of high-reliable distribution network based on tie line between ringshaped distribution networks and distribution automation[J].Power System Technology，2014，38(7):1966-1972.

[6]胡江溢，祝恩國，杜新綱，等.用電信息采集系統(tǒng)應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].電力系統(tǒng)自動化，2014，38(2):131-135.

Hu Jiangyi，Zhu Enguo，Du Xingang，et al.Application status and development trend of power consumption information collection system[J].Automation of Electric Power Systems，2014，38(2): 131-135.

[7]Falahati B，F(xiàn)u Y.A study on interdependencies of cyber-power networks in smart grid applications[C]//Innovative Smart Grid Technologies(ISGT)，2012 IEEE PES.IEEE，2012:1-8.

[8]Ashok A，Hahn A，Govindarasu M.A cyber-physical security testbed for smart grid:System architecture and studies[C]// Proceedings of the Seventh Annual Workshop on Cyber Security and Information Intelligence Research.ACM，2011:20.

[9]Lawler J S，Lai J S，Monteen L D，et al.Impact of automation on the reliability of the Athens Utilities Board，s distribution system[J]. IEEE Transactions on Power Delivery，1989，4(1):770-778.

[10]程紅麗，唐開成，劉健.配電自動化條件下配電系統(tǒng)供電可靠性評估[J].高電壓技術，2007，33(7):166-172.

Cheng Hongli，Tang Kaicheng，Liu Jian.Reliability evaluation for distributionsystemswithautomation[J].HighVoltage Engineering，2007，33(7):166-172.

[11]唐開成.配電自動化條件下配電系統(tǒng)供電可靠性評估[D].西安:西安科技大學，2006.

Tang Kaicheng.Reliability evaluation for distribution systems with distribution automation[D].Xi，an:Xi，an University of Science and Technology，2006.

[12]Meng Q，Wang T.Effects of distribution automation on distribution system reliability[C]//Transportation Electrification Asia-Pacific (ITEC Asia-Pacific)，2014 IEEE Conference and Expo.IEEE，2014:1-4.

[13]向真，杜亞松，邢恩靖，等.配網(wǎng)自動化建設對供電可靠性影響[J].電網(wǎng)與清潔能源，2012，28(10):20-24.

Xiang Zhen，Du Yasong，Xing Enjing，et al.Influence of distribution automation construction on the power supply reliability [J].Power System and Clean Energy，2012，28(10):20-24.

[14]Cheng D，Onen A，Zhu D，et al.Automation effects on reliability and operation costs in storm restoration[J].Electric Power Components and Systems，2015，43(6):656-664.

[15]Falahati B，F(xiàn)uY，MousaviMJ.Reliabilitymodelingand evaluation of power systems with smart monitoring[J].IEEE Transactions on Smart Grid，2013，4(2):1087-1095.

[16]Wei D，Lu Y，Jafari M，et al.Protecting smart grid automation systems against cyberattacks[J].IEEE Transactions on Smart Grid，2011，2(4):782-795.

[17]Ten C W，Liu C C，Manimaran G.Vulnerability assessment of cybersecurity for SCADA systems[J].IEEE Transactions on Power Systems，2008，23(4):1836-1846.

[18]Makinen A，Parkki M，Jarventausta P，et al.Power quality monitoring as integrated with distribution automation[C]//16th International Conference and Exhibition on Electricity Distribution. IET，2001.

[19]Antila S，Jarventausta P，Makinen A，et al.Comprehensive solution for using distribution automation equipment in voltage quality monitoring[C]//18thInternationalConferenceand Exhibition on Electricity Distribution.IET，2005:1-4.

[20]王天華，王平洋，范明天.用0-1規(guī)劃求解饋線自動化規(guī)劃問題[J].中國電機工程學報，2000，20(5):54-58.

Wang Tianhua，Wang Pingyang，F(xiàn)an Mingtian.Optimal feeder automation planning using binary programming[J].Proceedings of the CSEE，2000，20(5):54-58.

[21]劉健，程紅麗，張志華.配電自動化系統(tǒng)中配電終端配置數(shù)量規(guī)劃[J].電力系統(tǒng)自動化，2013，37(12):44-50.

Liu Jian，Cheng Hongli，Zhang Zhihua.Planning of terminal unit amount in distribution automation systems[J].Automation of Electric Power Systems，2013，37(12):44-50.

[22]Choi M S，Lim I H，Trirohadi H，et al.An optimal location of automatic switchesforrestorableconfigurationindistribution automation systems[C]//2011InternationalConferenceon Advanced Power System Automation and Protection(APAP). IEEE，2011，:1938-1942.

[23]何清素，曾令康，歐清海，等.配電通信網(wǎng)業(yè)務斷面流量分析方法[J].電力系統(tǒng)自動化，2014，38(23):91-96.

He Qingsu，Zeng Lingkang，Ou Qinghai，et al.An analysis method for business sectional flow of distribution communication network[J].Automation of Electric Power Systems，2014，38 (23):91-96.

(編輯：張媛媛)

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

李蘊(1962)，男，高級工程師，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃及輸變電設計和工程管理工作；

李雪男(1983)，男，工程師，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃及輸變電工程工作；

舒彬(1964)，男，高級工程師，從事一體化能量管理系統(tǒng)(EMS)設計建設與運行，從事智能電網(wǎng)、新技術應用、配電管理系統(tǒng)電網(wǎng)規(guī)劃的研究工作；

紀斌(1977)，男，碩士，高級工程師，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃方面的研究和管理工作；

張?zhí)煊?1992)，男，博士研究生，主要研究方向為新型主動配電系統(tǒng)分析與優(yōu)化規(guī)劃等；

羅鳳章(1980)，男，博士，講師，通信作者，主要研究方向為新型主動配電系統(tǒng)分析與優(yōu)化規(guī)劃等。

國家自然科學基金項目(51207101)；國家高技術研究發(fā)展計劃項目(863計劃)(2014AA051901)；中國博士后科學基金資助項目(2013M530113)；國家電網(wǎng)公司科技項目(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)。