面向綜合能源網絡的融合通信系統(tǒng)的設計與應用

楊云濤

（國網陜西省電力有限公司，西安 710061）

0 引言

當前，建設以低碳化、智慧化、電氣化為核心的綜合能源利用體系，成為行業(yè)發(fā)展共識。綜合能源服務將多類型能源的生產、存儲、傳輸、消費以及能源市場交易進行深度融合，最終達到節(jié)能減排、提升能效的目的。在現(xiàn)代信息技術和傳感器技術的支持下，綜合能源服務體系已由傳統(tǒng)的能源價值鏈向多要素協(xié)同優(yōu)化的能源網絡轉變，其中，融合通信系統(tǒng)在能源網絡的數(shù)字化、智慧化方面起到了支撐作用。

融合通信系統(tǒng)是支撐綜合能源網絡實現(xiàn)在線監(jiān)測、遠程控制、指令調度、數(shù)據傳輸?shù)冉⒌木C合通信體系，是綜合能源網絡的重要組成部分。綜合能源網絡通信系統(tǒng)的功能需求和性能需求，與電力通信網等傳統(tǒng)通信系統(tǒng)既有關聯(lián)，又有顯著區(qū)別，目前綜合能源領域還沒有通用的通信標準。文獻[1]構建了以電能為載體的能源互聯(lián)網信息通信總體架構，其中通信網絡作為基礎資源，支撐數(shù)據可靠傳輸、業(yè)務正常運行和決策快速部署；文獻[2]將IEC 61850技術推廣至微電網通信系統(tǒng)領域，提出一種廣泛適用的微電網通信體系架構；文獻[3]提出適應電力物聯(lián)網的通信網新架構，從面向新業(yè)務的電力通信網關鍵技術應用和發(fā)展趨勢兩方面進行探索；文獻[4]提出了能源互聯(lián)網共享運營平臺的技術架構，其中以電力專網、第三方通信網作為網絡層，支撐業(yè)務系統(tǒng)、設備等數(shù)據安全傳輸。這些研究主要集中于通信技術的性能參數(shù)、應用范圍的比較分析，沒有充分考慮綜合能源業(yè)務對通信系統(tǒng)建設的功能需求和性能需求。

本文依據智慧園區(qū)綜合能源網絡架構，分析了綜合能源網絡通信需求，設計了面向智慧園區(qū)的綜合能源網絡融合通信系統(tǒng)，并通過某綜合能源示范項目中通信系統(tǒng)的現(xiàn)場應用，驗證了該系統(tǒng)的可行性和有效性。

1 智慧園區(qū)綜合能源網絡架構

從能源輸入看，電力、熱力和天然氣是智慧園區(qū)綜合能源網絡的主要能源。通過對文獻[5-6]提出的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)架構進行優(yōu)化，構建由源、網、儲、荷四個模塊組成的智慧園區(qū)綜合能源網絡架構，如圖1所示。外部能源供應網絡由電網、天然氣管網、熱網組成，內部包含能源傳輸、存儲設備，滿足用戶側電、熱、冷、氣4種負荷消費需求[7-9]。

（1）源模塊包括電網、天然氣網、熱網，分別由變壓器、壓縮機、熱交換站作為輸入，風能和太陽能分別通過園區(qū)風力發(fā)電機和光伏機組輸入。

（2）網模塊中，應用電解制氣、電制冷、電鍋爐、燃料電池、燃氣鍋爐、冷熱電聯(lián)產（Combined Cooling Heating and Power，CCHP）等設備及系統(tǒng)，實現(xiàn)能源的相互轉化，構建能源輸送和分配網絡，支持電、熱、冷、氣的綜合供應[10]。

（3）儲模塊包括電、熱、冷、氣儲能裝置，抵消能源峰值需求，起到能量緩存作用。

（4）荷模塊是園區(qū)綜合能源網絡的能源消費環(huán)節(jié)，為用戶提供靈活、低碳、安全、高效的能源供應。

2 智慧園區(qū)綜合能源網絡通信需求

基于圖1，從性能和功能兩個維度分析智慧園區(qū)綜合能源網絡對通信系統(tǒng)的主要需求。

圖1 智慧園區(qū)綜合能源網絡架構Fig.1 Architecture of integrated energy system for smart park

2.1 功能需求

綜合能源網絡依賴通信系統(tǒng)，實現(xiàn)對多種能源的協(xié)同傳輸與優(yōu)化控制，包括工業(yè)控制、能源計量、設備狀態(tài)監(jiān)測等業(yè)務，覆蓋電力、天然氣、熱力的傳輸管線、控制開關、計量終端設備等，其對通信系統(tǒng)的功能需求可分為3個方面。

（1）工業(yè)控制。主要包括智慧園區(qū)冷、熱、電、氣等能源網絡節(jié)點的自動化控制；分布式能源系統(tǒng)的運行控制；部分網絡節(jié)點設備的遙測、遙控采集和控制等。

（2）能源計量。通過在能源輸入側、消費側以及重要的控制與負荷節(jié)點，應用計量裝置或傳感器，實現(xiàn)數(shù)據采集、校驗、分析、處理以及權限控制等功能。

（3）設備狀態(tài)監(jiān)測。主要包括能源網絡及重要設備的運行監(jiān)測，如對CCHP、充電站（樁）、光伏、風電、儲能裝置的監(jiān)測等。

2.2 性能需求

從實時性、帶寬、可用性、安全性、可擴展性5個方面，分析智慧園區(qū)綜合能源網絡對通信系統(tǒng)的性能需求。

2.2.1 實時性

能源網絡通信系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據類型主要有狀態(tài)量、量測量、控制量、其他量等，各類數(shù)據傳輸?shù)膬?yōu)先級見表1，各類數(shù)據傳輸實時性要求見表2[11-13]。

表1 綜合能源網絡融合通信系統(tǒng)主要傳輸數(shù)據Tab.1 Main transmission data of integrated energy network converged communication system

表2 數(shù)據傳輸實時性要求Tab.2 Real?time data transmission requirements

2.2.2 帶寬

通信帶寬與業(yè)務需求、用戶數(shù)量、站點數(shù)量密切相關。以綜合能源網絡中的電網通信為例[14]，對通信帶寬進行估算，含冷、熱、氣的園區(qū)通信系統(tǒng)帶寬需求可參照計算。

2.2.2 .1 終端需求估算

通常情況下，變電站的調度數(shù)據系統(tǒng)帶寬需求Bs=192 kbit/（s·站），配網自動化系統(tǒng)的單個無線節(jié)點帶寬需求Bd為3~4 kbit/（s·站）。

2.2.2 .2 收斂比設定

變電站至匯聚層收斂比為1（不收斂），匯聚層至核心層收斂比取1：2（50%），核心層至骨干層收斂比取1：2（50%）；配網自動化系統(tǒng)無線節(jié)點并發(fā)率為1：10（平均每個時刻有10%的節(jié)點在發(fā)送數(shù)據）；帶寬冗余度一般取總帶寬需求的20%。

2.2.2 .3 計算公式

（1）APN專網GRE專線帶寬需求：[無線節(jié)點數(shù)量×10%（并發(fā)率）×Bd]×120%。

假設一個區(qū)域內有2048個無線節(jié)點，根據公式計算需要GRE專線帶寬0.8~1 Mbit/s。

（2）匯聚層至核心層帶寬需求：[（下轄變電站數(shù)量×Bs）×50%（收斂比）+1024 kbit/s（匯聚層自身需求）]×120%。

假設縣級區(qū)域下轄10個變電站，根據公式計算其上行帶寬需求為2.2~2.4 Mbit/s。

（3）核心層至骨干層帶寬需求：[所有下轄匯聚節(jié)點需求帶寬之和×50%（收斂比）+（下轄變電站數(shù)量×Bs）×50%（收斂比）+配網自動化系統(tǒng)帶寬×50%（收斂比）+2048 kbit/s（核心層自身需求）]×120%。

假設市級節(jié)點下轄5個匯聚節(jié)點，每個匯聚節(jié)點上行帶寬與上述計算一致，同時市級節(jié)點下轄變電站20個，則根據公式計算其上行帶寬需求為8~10 Mbit/s。

2.2.3 可用性

融合通信系統(tǒng)支撐著綜合能源網絡的安全可靠運行，綜合能源網絡對融合通信系統(tǒng)具有極強的依賴性，可實現(xiàn)多種能源的協(xié)同傳輸與優(yōu)化控制。融合系統(tǒng)通信遙信、遙測、遙控業(yè)務對于可用性的要求如表3所示[15]。

表3 融合通信系統(tǒng)可用性要求Tab.3 Communication system availability requirements

2.2.4 安全性

在綜合能源網絡通信系統(tǒng)安全性方面，國內還沒有統(tǒng)一的標準，本文以電力系統(tǒng)作為參考，根據《電力二次系統(tǒng)安全防護規(guī)定》及《電力二次系統(tǒng)安全防護總體方案》的要求，電力二次系統(tǒng)安全防護工作應堅持安全分區(qū)、網絡專用、橫向隔離、縱向認證的原則[16]。

2.2.5 可擴展性

綜合能源網絡融合通信系統(tǒng)應易于擴展，當能源網絡增加電、熱、冷、氣的負荷節(jié)點，或光伏、風電、儲能等控制節(jié)點時，通信網絡應具備標準化和即插即用的功能，以支撐綜合能源網絡實現(xiàn)“平臺化”拓展。

3 綜合能源網絡融合通信系統(tǒng)設計

依據以上分析，設計適用于智慧園區(qū)綜合能源網絡的融合通信系統(tǒng)，對各種通信技術選型及組網方式進行分析和設計。

3.1 系統(tǒng)架構

智慧園區(qū)綜合能源網絡融合通信系統(tǒng)架構如圖2所示，系統(tǒng)包括多種通信方式獨立應用與綜合應用，滿足綜合能源網絡對通信方式的性能與功能需求。與綜合能源網絡調控層、區(qū)域層、終端層對應，通信系統(tǒng)一般分為三層：骨干網、接入網和駐地網[17]。

圖2 智慧園區(qū)綜合能源網絡融合通信系統(tǒng)架構Fig.2 Architecture of converged energy network communication system for smart park

對融合通信系統(tǒng)涉及的主流通信技術，從帶寬、時延、傳輸距離、技術標準、適用場景等方面進行比較，結果如表4所示。各級通信方式的選擇，應綜合考慮能源網架特性、通信技術特征、數(shù)據節(jié)點地理分布以及場景環(huán)境影響4個因素。當園區(qū)規(guī)模較小且相對集中時，調控層、區(qū)域層合二為一，通信系統(tǒng)也可由三層簡化為兩層，即以光纖構建骨干網，以工業(yè)以太網、無線通信等靈活多樣的通信方式構建駐地網。

表4 融合通信系統(tǒng)主流通信技術比較Tab.4 Comparison of mainstream communication technologies in converged communication system

3.2 骨干網

骨干網提供匯聚子站與通信主站之間的數(shù)據通道，支撐能源網絡調度服務器、數(shù)據庫服務器運行，一般以SDH/MSTP（多業(yè)務傳送平臺）作為骨干網，滿足大帶寬、低時延、高可靠需求，同時與上級網絡通信協(xié)議兼容[18]。

智慧園區(qū)各類通信子站最終匯聚到骨干網。骨干網每一個匯聚子站均設置SDH交換機，采用光纖自愈環(huán)網，具有高速、可靠、實時的優(yōu)勢，將能源網絡的骨干節(jié)點（子站）信息與調度中心（主站）互聯(lián)，實現(xiàn)全網集中統(tǒng)一管理，由調度中心對風機、光伏、變壓器、壓縮機、熱交換站、儲能設備、CCHP系統(tǒng)進行集中控制，通過優(yōu)化各項控制參數(shù)，實現(xiàn)對源、網、儲、荷模塊的統(tǒng)一調度，滿足用戶對電、熱、冷、氣四類負荷的需求，同時實現(xiàn)綜合能源網絡建設和運營成本最優(yōu)的目標。

3.3 接入網

接入網構建駐地網至匯聚子站之間的數(shù)據通道，將駐地網集中的數(shù)據匯聚并發(fā)送至骨干網，同時將骨干網調度數(shù)據下行發(fā)送到駐地網。園區(qū)通信一般以GPON/EPON作為接入網通信方式，相比SDH/MSTP骨干網，PON網絡投資較少，運維簡單，可以滿足智慧園區(qū)子區(qū)域內、短距離、1.25~10 Gbit/s帶寬下的通信需求。

接入層通信網絡應因地制宜，可綜合采用光纖、載波、無線等多種通信方式，實現(xiàn)多種方式的統(tǒng)一接入、統(tǒng)一接口規(guī)范和統(tǒng)一管理，并支持以太網和標準串行通信接口。以園區(qū)配電網為例，接入網匯聚的范疇以10 kV網段為單位，將10 kV網段內所有用戶信息收集匯聚后，接入至骨干網。對于用戶較為集中的園區(qū)，通信系統(tǒng)由雙環(huán)GPON/EPON光纖構成接入網，對于較為分散的控制節(jié)點，可采用4G/5G終端實現(xiàn)接入。

3.4 駐地網

駐地網支撐綜合能源網絡中終端數(shù)據的采集和監(jiān)視以及操作指令的執(zhí)行。駐地網一般選擇工業(yè)以太網、載波、ZigBee、WiFi、4G/5G、RS485總線、230 MHz無線專網等通信方式。由于園區(qū)綜合能源業(yè)務種類、設備類型、部署方式等不盡相同，駐地網對通信網絡帶寬、容量、實時性、可靠性、安全性等需求存在較大差異，但總體具有方式靈活、成本低、覆蓋廣、安全性和可用性較高的特點。

融合通信系統(tǒng)以多種通信方式滿足園區(qū)綜合能源業(yè)務的通信需求。光伏、風電、CCHP、配電、儲能等能源控制終端，在智慧園區(qū)中作為數(shù)據匯聚、邊緣計算、應用集成的中心，具有高可靠、低時延、大帶寬的通信需求，一般采用工業(yè)以太網、5G、RS485總線、230 MHz無線專網等通信方式與業(yè)務主站系統(tǒng)進行數(shù)據交互。智能表計、傳感器、配網自動化等能源計量、設備狀態(tài)監(jiān)測（控）業(yè)務，具有數(shù)據量大、覆蓋范圍廣、雙向可靠通信的需求，一般以高速電力線載波（High-Speed Power Line Carri?er，HPLC）、4G、RS485總線為主，結合園區(qū)數(shù)據采集、視頻監(jiān)控等業(yè)務的實際需求，因地制宜選取Zig?Bee、WiFi等輔助通信方式，并可根據園區(qū)內光纖網絡、無線專網覆蓋情況靈活切換。

4 工程應用

按照設計的融合通信系統(tǒng)架構，建立某園區(qū)綜合能源示范項目通信系統(tǒng)架構，基于融合通信系統(tǒng)構建智慧園區(qū)能源物聯(lián)網云平臺，應用安全防護措施，并對系統(tǒng)性能進行測試。

4.1 項目概況

項目定位區(qū)域多能互補、循環(huán)利用的綜合能源園區(qū)，以電能、天然氣、光伏、風能等多能供給，依托國家級輸氣管線，園區(qū)規(guī)劃120 km2，建設110 kV變電站3座，液化天然氣（LNG）工廠1座(日處理天然氣40萬m3），35 MPa加氫站1座，光伏裝機為32 MW，風電裝機為16 MW，熱電聯(lián)產裝機為27 MW，余熱鍋爐蒸汽產量36 t/h。

項目利用風、光、天然氣發(fā)電，通過LNG液化、制氫、充電等環(huán)節(jié)消納后，余電上網，未上網電量轉化為電池儲能。熱能形成高溫蒸汽，供應園區(qū)內的化工、紡織、食品生產企業(yè)，富余熱量用于園區(qū)冬季供暖，園區(qū)整體實現(xiàn)源網荷儲一體化建設目標。

4.2 通信系統(tǒng)架構

園區(qū)通信系統(tǒng)架構主要滿足智慧園區(qū)能源物聯(lián)網云平臺與終端之間高可靠、低時延、差異化的通信需求，建成以光纖為主、多種通信技術為輔的融合通信網絡。

園區(qū)骨干網基于MS-OTN技術的OptiXtrans光傳輸設備，實現(xiàn)SDH、PKT、OTN技術融合，單通道最大帶寬200 Gbit/s。建設接入網3個，基于SmartAX EA5800設備，GPON端口數(shù)量最多272個，最大帶寬10 Gbit/s，接入網覆蓋變電站3座、光伏控制終端126個、風機控制終端32個、環(huán)網柜34臺、柱上開關274臺。駐地網采用4G/5G、HPLC、ZigBee技術接入智能電表1.3萬只、設備狀態(tài)監(jiān)測傳感器0.6萬余個，通過工業(yè)以太網、RS485總線接入配電智能終端設備262臺，通過WiFi實現(xiàn)CCHP、變電站1080P高清視頻回傳，無人巡檢實時數(shù)據回傳等。

4.3 云平臺部署

基于融合通信架構和回傳數(shù)據，建設了智慧園區(qū)能源物聯(lián)網云平臺，涵蓋LNG液化工廠、熱電聯(lián)產、加氣站、加氫站、風電場、屋頂光伏、變電站7個應用場景，各場景具備狀態(tài)感知、運行監(jiān)測、視頻監(jiān)控、智能運維等功能[19-24]。

平臺部署架構如圖3所示。通過在能源節(jié)點部署一、二次設備和智能終端等裝置，智能感知和識別能源網絡運行工況、設備狀態(tài)、環(huán)境情況及其他監(jiān)測數(shù)據，根據生產及管理需要，通過駐地網、接入網、骨干網上傳必要數(shù)據至綜合能源云平臺主站。應用大數(shù)據、人工智能技術，對園區(qū)能源網絡運行狀態(tài)進行精準監(jiān)控，實現(xiàn)廣泛的能源網絡狀態(tài)全景感知，對運行數(shù)據進行在線分析與深度挖掘，基于主站側負荷約束和激勵機制，在用能高峰期，通過云平臺發(fā)出需求響應指令，柔性、精準調節(jié)用能負荷，緩解高峰壓力，保障能源網絡安全運行。

圖3 基于融合通信系統(tǒng)的智慧園區(qū)能源物聯(lián)網云平臺架構Fig.3 Energy IoT cloud platform architecture of smart park based on converged communication system

4.4 安全防護

智慧園區(qū)能源物聯(lián)網云平臺的安全防護包括終端防護、網絡防護和平臺防護三部分。

（1）終端防護：對智能表計、傳感器、控制終端等根據應用場景采取硬件加密，對通信終端及傳輸設備采用基于身份認證和加密防護措施，實現(xiàn)終端與主站之間控制指令和關鍵業(yè)務數(shù)據的安全防護。

（2）網絡防護：對WiFi、ZigBee等短距離無線方式，在廠房、臺區(qū)、能源站等區(qū)域配置安全網關，滿足數(shù)據就地接入需求。用能信息采集業(yè)務通過租用運營商APN通道（無線公網）、230 MHz無線專網，經統(tǒng)一安全網關接入云平臺。

（3）平臺防護：云平臺設置生產控制區(qū)與互聯(lián)網區(qū)，兩區(qū)通過防火墻、網絡安全隔離裝置實現(xiàn)物理隔離，平臺對口令數(shù)據、隱私數(shù)據和關鍵業(yè)務數(shù)據等敏感信息的本地存儲進行加密保護，通過訪問權限控制、數(shù)據脫敏等措施實現(xiàn)平臺安全防護。

4.5 系統(tǒng)測試

通過對傳輸速率、傳輸延遲、誤碼率等主要性能參數(shù)的測試，典型應用場景時延測試結果如表5所示。所建立的融合通信系統(tǒng)架構具有設備模塊化、接口標準化、網絡可拓展等特征，支持能源網絡節(jié)點通信設備即插即用，滿足工業(yè)控制、能源計量、設備狀態(tài)監(jiān)測等應用場景的數(shù)據傳輸要求。

表5 融合通信系統(tǒng)典型應用場景時延測試結果Tab.5 Delay test results of typical application scenarios of converged communication system

5 結束語

融合通信系統(tǒng)是綜合能源網絡的重要組成部分。對多種通信技術的集成研究，既有利于新技術的推廣應用，又有利于增強已有系統(tǒng)建設的薄弱環(huán)節(jié)，提高綜合能源網絡的自動化和數(shù)字化水平。本文設計了面向智慧園區(qū)的綜合能源網絡融合通信系統(tǒng)，包括骨干網、接入網、駐地網三層，涵蓋了主流通信技術的獨立應用和集成應用。通過工程現(xiàn)場應用驗證了設計系統(tǒng)的可行性和有效性，可有效滿足智慧園區(qū)綜合能源網絡各類應用場景的高可靠、低時延、差異化通信需求，為融合通信系統(tǒng)在綜合能源網絡中的應用研究提供了架構支撐和技術驗證。