分布式電源接入通信系統(tǒng)建設(shè)研究*

孔為為，劉 龍，胡光宇，欽 佩，劉文貴，吉利峰

（南京南瑞信息通信科技有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

近年來，在智能電網(wǎng)建設(shè)和發(fā)展中，分布式電源的應(yīng)用推動了分布式電站接入通信系統(tǒng)的建設(shè)。與傳統(tǒng)的大型電站相比，分布式發(fā)電更靠近用戶，不需要高壓輸電系統(tǒng)，可以減少基礎(chǔ)設(shè)施的投資，且建設(shè)速度快、運行成本低，與電網(wǎng)聯(lián)合運行還可以大大提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性、安全性和靈活性，滿足能源可持續(xù)發(fā)展的要求。分布式電源將會成為智能電網(wǎng)建設(shè)和發(fā)展的重點，因此深入研究分布式電源具有重要意義。

本文結(jié)合國內(nèi)外分布式電源建設(shè)現(xiàn)狀，分析國家電網(wǎng)公司分布式電源接入業(yè)務(wù)需求，研究分布式電源接入通信系統(tǒng)，提出了分布式電源接入通信系統(tǒng)建設(shè)方案。

1 業(yè)務(wù)需求分析

1.1 背 景

自20世紀90年代以來，分布式電源發(fā)展迅速，世界上許多國家都把分布式電源作為經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展的一個重要突破點。德國分布式電源以光伏發(fā)電為主，2013年2月底，其光伏發(fā)電裝機3.287×107kW·h，居世界第一位，其中分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)容量占比近80%。美國的分布式發(fā)電以天然氣熱電聯(lián)供為主，年發(fā)電量1.6×1012kW·h，占總發(fā)電量的4.1%。2003年，美國熱電聯(lián)產(chǎn)總裝機5.6×107kW·h，2010年達到9.2×107kW·h。日本的分布式電源主要以熱電聯(lián)產(chǎn)為主，約占全國總電力的16.7%。日本的熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)展得益于該國實施的高折舊和初始低稅貸款政策，諸多優(yōu)惠的財稅政策刺激了投資動機，促進了日本分布式電源的大力發(fā)展[1-2]。

截至2012年6月底，我國已并網(wǎng)投產(chǎn)的分布式電源共4 680個，裝機容量1.06×107kW·h。各類分布式電源發(fā)電情況見表1。

表1 2012年6月底國內(nèi)分布式電源發(fā)電建設(shè)情況

1.2 業(yè)務(wù)需求

根據(jù)國網(wǎng)公司企業(yè)標準《Q/GDW677-2011分布式電源接入配電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)功能規(guī)范》，分布式電站接入電網(wǎng)須滿足電網(wǎng)調(diào)度、營銷等業(yè)務(wù)需求，其中380V/220V分布式電源只需要滿足營銷業(yè)務(wù)需求。10kV并網(wǎng)分布式電源業(yè)務(wù)需求主要包括調(diào)度部門電站業(yè)務(wù)需求和營銷部門業(yè)務(wù)需求[3-4]。

調(diào)度部門電站業(yè)務(wù)需求包括以下幾個方面：分布式發(fā)電站并網(wǎng)狀態(tài)（開關(guān)位置）、分布式發(fā)電站并網(wǎng)點有功功率及無功功率、有功電量及無功電量、功率因數(shù)、分布式發(fā)電站并網(wǎng)點的電壓、電流和頻率、分布式電站并網(wǎng)點開關(guān)遙控、分布式電站無功功率/電壓調(diào)節(jié)和有功功率調(diào)節(jié)。

營銷部門業(yè)務(wù)需求包括以下幾個方面：分布式發(fā)電站并網(wǎng)點的電能質(zhì)量、電壓偏差、電壓波動和閃變、電網(wǎng)諧波、電壓三相不平衡、頻率偏差、間諧波等指標、分布式電源與配電網(wǎng)公共連接點處的正反向電能量。

380 V/220 V并網(wǎng)分布式電源業(yè)務(wù)需求主要包括營銷部門業(yè)務(wù)需求、分布式電源與配電網(wǎng)公共連接點處的正反向電能量、并網(wǎng)點電流、電壓、功率，預(yù)留上傳并網(wǎng)點開關(guān)狀態(tài)能力。

1.3 寬帶測算

電能質(zhì)量監(jiān)測每條線路采集點3相電壓、電流有效值及其63次諧波值、63次有功和無功諧波功率，共510點遙測數(shù)據(jù)。按IEC104通信規(guī)約分為17幀上送，共需數(shù)據(jù)量3 774字節(jié)。

分布式能源接入按IEC104通信規(guī)約每秒上傳1次數(shù)據(jù)計算，根據(jù)每個接入終端點上送32點遙測、16點遙信、1點遙控計算信息量，總數(shù)據(jù)量444字節(jié)。

電表信息包括6點遙測和4點電度量信息。按IEC104通信規(guī)約，總數(shù)據(jù)量202字節(jié)，每秒上傳數(shù)據(jù)1次。

根據(jù)上述業(yè)務(wù)需求，測算10 kV并網(wǎng)接入?yún)R總流量為53.04 kb/s，380 V/200 V并網(wǎng)接入?yún)R總流量為2.424 kb/s，具體測算情況見表2。

1.4 承載業(yè)務(wù)和實際應(yīng)用情況

國外分布式發(fā)電由于起步較早，早期的通信方式主要采用無線通信和Modem撥號。隨著光纖的普及，PDH、SDH、PON技術(shù)逐漸成熟應(yīng)用，慢慢采用PDH、SDH、PON技術(shù)方式進行光纖通信。

表2 分布式電源通信站點流量需求

我國分布式發(fā)電由于起步較晚，目前主要采用無線公網(wǎng)和光纖通信方式。其中，10 kV并網(wǎng)接入以光纖通信方式為主，無線專網(wǎng)和中壓電力載波作為一種補充，380 V/220 V并網(wǎng)接入以無線公網(wǎng)方式為主。

目前已并網(wǎng)的分布式電源通信主要承載電網(wǎng)調(diào)度、營銷等業(yè)務(wù)，具體承載業(yè)務(wù)如表3所示。

表3 目前分布式電源通信主要承載業(yè)務(wù)

2 配套通信建設(shè)方案

2.1 接入技術(shù)原則

分布式發(fā)電站接入通信設(shè)備、線路等不考慮雙重化配置，通道一般按單路配置。分布式發(fā)電站側(cè)的通信設(shè)備型號應(yīng)與電網(wǎng)側(cè)保持一致；配套的電源、配線設(shè)備以及相關(guān)的運行環(huán)境等，按能夠保障通信設(shè)備連續(xù)、安全穩(wěn)定運行的要求配置。

在分布式電源密集部署且光纜易于敷設(shè)的區(qū)域，或在配電自動化光纖網(wǎng)絡(luò)已覆蓋的區(qū)域，優(yōu)先選擇EPON傳輸技術(shù)方案[5]。在分布式電源相對分散且具備光纖網(wǎng)絡(luò)但不宜采用EPON技術(shù)的區(qū)域，優(yōu)先選擇SDH傳輸技術(shù)方案。在分布式電源相對分散且光纜線路難以敷設(shè)的區(qū)域，優(yōu)先選擇中壓電力線載波方案（方案三）；在分布式電源密集且光纜敷設(shè)困難的區(qū)域，可選擇無線專網(wǎng)方案[6-8]。對10 kV電壓接入的分布式電源，若無控制業(yè)務(wù)需求，可選擇無線公網(wǎng)方案；對380 V/220 V低壓接入分布式電源，優(yōu)先選擇無線公網(wǎng)方案。

2.2 EPON傳輸技術(shù)方案

根據(jù)分布式發(fā)電站10 kV送出線路的不同形式，新建分布式發(fā)電站接入光纜可以采用ADSS光纜和普通光纜，光纜芯數(shù)宜為12～24芯，光纜纖芯均采用ITU-T G.652光纖。

在分布式發(fā)電站配1臺ONU設(shè)備，利用上述光纜形成分布式發(fā)電站至電網(wǎng)側(cè)的通信電路，將分布式發(fā)電站的自動化等信息接入系統(tǒng)。ONU組網(wǎng)宜具備保護能力，有條件的地區(qū)可考慮實現(xiàn)手拉手保護。方案一組網(wǎng)示意圖見圖1。

圖1 分布式發(fā)電站接入系統(tǒng)通信方案（EPON）

2.3 SDH傳輸技術(shù)方案

在分布式發(fā)電站配置1臺SDH光端機，利用方案一所述光纜，建設(shè)分布式發(fā)電站至接入變電站通信電路，將分布式發(fā)電站的自動化信息接入系統(tǒng)，形成分布式發(fā)電站至系統(tǒng)的通信通道。方案二組網(wǎng)示意圖見圖2。

圖2 分布式發(fā)電站接入系統(tǒng)通信方案（SDH）

2.4 中壓電力線載波

在變電站側(cè)配置主載波機，分布式電源側(cè)配置從載波機。主載波機依據(jù)線路結(jié)構(gòu)對下進行載波組網(wǎng)，并通過載波通信方式將終端數(shù)據(jù)匯聚至主載波機。載波通信采用一主多從的方式組網(wǎng)，即一個載波主機和多個從機組成一個載波通信網(wǎng)絡(luò)，載波主機和載波從機之間采用問答方式進行數(shù)據(jù)傳輸，載波從機之間不進行數(shù)據(jù)傳輸。方案三組網(wǎng)示意圖見圖3。

圖3 分布式發(fā)電站接入系統(tǒng)通信方案（中壓電力線載波）

2.5 無線專網(wǎng)方案

無線專網(wǎng)涵蓋230 MHz數(shù)傳電臺、WiMAX、McWiLL、TD-LTE230等多種技術(shù)體制。比較4種技術(shù)特點和性價比，根據(jù)分布式發(fā)電站通信數(shù)據(jù)傳輸要求，選擇TD-LTE230系統(tǒng)。TD-LTE230無線通信系統(tǒng)主要基于230 MHz頻段進行建設(shè)，具有覆蓋廣、傳輸速率高、實時性和頻譜適應(yīng)性強等特點。與傳統(tǒng)230 MHz數(shù)傳電臺相比較，TD-LTE230由于采用蜂窩方式組網(wǎng)，系統(tǒng)組網(wǎng)能力顯著提升，傳輸時延和傳輸效率得到顯著改善；與1.8 GHz等高頻段無線專網(wǎng)相比，TD-LTE230系統(tǒng)具有覆蓋范圍廣的技術(shù)優(yōu)勢[9-10]。

基站需根據(jù)實際環(huán)境進行選址，無線終端模塊安裝在分布式電源接入終端，與基站之間采用無線方式通信，基站與主站采用光纖方式接入電力通信網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

2.6 無線公網(wǎng)方案

無線公網(wǎng)是指租用運營商的GPRS、CDMA等信道，在電源側(cè)設(shè)備的無線通信模塊加裝SIM卡，實現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)與分布式電源之間的通信。公司每月需向運營商繳納租用費用，無網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。

3 分布式電源多種接入方式的通信建設(shè)

3.1 分散接入模式

隨著國家及地方政府對分布式電源的大力推廣和相關(guān)補助政策的不斷落實，許多居民已開始自發(fā)建設(shè)小型分布式發(fā)電系統(tǒng)來實現(xiàn)自家電力需求的自給自足或上網(wǎng)賣電。因此，以家庭為單位的分散式接入模式具有一定的市場基礎(chǔ)。目前，小區(qū)居民只要前往地方電力公司即可獲得專業(yè)的技術(shù)支持。小區(qū)開發(fā)商或物業(yè)需進一步為居民提供分布式電源建設(shè)優(yōu)惠或服務(wù)支撐，以提升智能小區(qū)品牌形象及節(jié)能效益。這種家庭式分散接入模式具有一定可行性，系統(tǒng)接入的一次架構(gòu)一般如圖4所示。

圖4 家庭式分散接入模式一次架構(gòu)

該架構(gòu)采用1回線路將分布式光伏接入用戶配電箱或線路，建議接入容量不大于300 kW，8 kW及以下可單相接入，并按照就近分散接入、就地平衡消納的原則進行設(shè)計。

該建設(shè)模式的優(yōu)點主要包括接入靈活、無需專線、對配網(wǎng)影響小、小區(qū)開發(fā)商無需投資和均為用戶自愿行為等。缺點主要包括無法統(tǒng)一調(diào)度管理、單位建設(shè)成本價格較高、前期設(shè)計規(guī)劃無法把控和無法滿足小區(qū)公共用電的需求等。

可見，它沒有開發(fā)商支持，存在一定的建設(shè)協(xié)調(diào)問題。

3.2 集中接入模式

隨著智能小區(qū)建設(shè)的不斷推進，小區(qū)利用可再生能源的比例逐步攀升。由于家庭分散式接入模式的局限性（投資主體眾多，很難統(tǒng)一規(guī)劃），如果要提高小區(qū)可再生能源的利用比例，樓宇式集中接入模式不失為一個不錯的選擇。樓宇式集中接入的投資主要是開發(fā)商或者物業(yè)，可再生能源的發(fā)電主要用于小區(qū)公共用電。通過開發(fā)商或物業(yè)前期的統(tǒng)一規(guī)劃，能更合理地利用可再生能源，實現(xiàn)清潔能源的最大化利用。這種樓宇式集中接入模式具有較好的可行性，系統(tǒng)接入一次架構(gòu)一般如圖5所示。

圖5 樓宇式集中接入模式一次架構(gòu)

該架構(gòu)采用1回線路將分布式光伏接入用戶配電箱或線路，單個并網(wǎng)點參考裝機容量不大于300 kW，采用三相接入，裝機容量8 kW及以下，可采用單相接入。

該建設(shè)模式的優(yōu)點主要包括能夠統(tǒng)一規(guī)劃、建設(shè)、調(diào)度、管理，單位建設(shè)成本較家庭式分散接入要低，可以實現(xiàn)小區(qū)公共用電采用清潔能源的需求。缺點主要包括統(tǒng)一接入需考慮對配電網(wǎng)的影響和無法滿足部分家庭利用清潔能源的需求。

3.3 混合接入模式

家庭式分散接入模式和樓宇式集中接入模式均有各自的優(yōu)缺點。為了彌補各自的缺點，提高小區(qū)分布式電源接入的靈活性、可靠性、經(jīng)濟性及可管理性，包含家庭式分散接入模式和樓宇式集中接入模式的混合接入模式應(yīng)運而生。這種模式不僅能夠?qū)崿F(xiàn)統(tǒng)一管理、統(tǒng)一調(diào)度，豐富分布式電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及運行方式，提高分布式電源系統(tǒng)的供電可靠性，還能在滿足小區(qū)清潔能源高效利用的同時，滿足部分居民對清潔能源的自主利用。因此，這種混合接入模式具有較強的可行性，系統(tǒng)接入一次架構(gòu)一般如圖6所示。

該架構(gòu)中家庭式分散接入可通過1回或多回380 V線路接入公共電網(wǎng)配電箱、配電室或箱變低壓母線，單體容量小于8 kW可單相接入，樓宇式集中接入部分可以1回或多回10 kV線路接入公共電網(wǎng)變電站10 kV母線、T接接入公共電網(wǎng)10 kV線路或公共電網(wǎng)開關(guān)站、配電室或箱變10 kV母線。

該建設(shè)模式的優(yōu)點主要包括結(jié)構(gòu)靈活多變，運行方式多樣化，既可滿足小區(qū)公共用電采用清潔能源的需求，還可滿足部分家庭利用清潔能源的需求，整個系統(tǒng)具有更高的供電可靠性。缺點主要是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制難度高。

圖6 混合接入模式一次架構(gòu)

4 結(jié) 語

本文主要分析分布式電源通信的主要通信方式以及主要承載的業(yè)務(wù)、應(yīng)用情況，提出了分布式電源配套通信建設(shè)方案，并針對分布式電源不同的接入方式提出了分散接入模式、集中接入模式和混合接入模式。本文的研究成果對目前國內(nèi)分布式電源接入通信系統(tǒng)建設(shè)具有一定的參考價值。