新型配電網(wǎng)多元業(yè)務(wù)與多模通信適配性評(píng)估方法

董朝武,肖智宏,辛培哲,富子豪,江璟

(國(guó)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院有限公司,北京市 102209)

0 引 言

隨著國(guó)家碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的不斷推進(jìn)、《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》[1]等文件陸續(xù)出臺(tái)、二十大報(bào)告強(qiáng)調(diào)“深入推進(jìn)能源革命”,我國(guó)能源轉(zhuǎn)型不斷深化,傳統(tǒng)火電發(fā)電比例持續(xù)下降、新能源占比逐年提升,分布式光伏、新型儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車等新要素規(guī)?；隱2],電力系統(tǒng)也需要更好地適應(yīng)能源結(jié)構(gòu)與負(fù)荷特性變化。配電網(wǎng)作為電力系統(tǒng)中的重要組成部分,為保障其安全穩(wěn)定運(yùn)行、支撐新型電力系統(tǒng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型,需通過(guò)完善可靠的配電通信網(wǎng)傳輸相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)[3]。然而,配電網(wǎng)具有電壓等級(jí)多、設(shè)備業(yè)務(wù)類型多樣化、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、區(qū)域發(fā)展差異化等特點(diǎn),導(dǎo)致配電通信網(wǎng)整體水平較差。在新能源接入配電網(wǎng)背景下,各類業(yè)務(wù)、通信方式缺乏明確的指導(dǎo)原則[4]。因此,需要對(duì)配電網(wǎng)業(yè)務(wù)與通信技術(shù)進(jìn)行適配性分析,以提出完善的配電網(wǎng)通信技術(shù)架構(gòu)。

目前,已有部分研究開展了配電網(wǎng)通信技術(shù)應(yīng)用的相關(guān)研究。文獻(xiàn)[5-12]分別論述了以太網(wǎng)無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(ethernet passive optical network,EPON)[5-6]、電力線載波[7-8]、4G[9]、5G[10-11]與無(wú)線專網(wǎng)[12]等技術(shù)在配電通信網(wǎng)中的應(yīng)用,但其側(cè)重于分析不同通信技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及其適用的電力業(yè)務(wù)類型,并未系統(tǒng)討論配電網(wǎng)中通信技術(shù)的架構(gòu)體系。文獻(xiàn)[13-14]系統(tǒng)論述了無(wú)線通信技術(shù)在智能配電網(wǎng)中的應(yīng)用,如無(wú)線通信成本低、工作可靠性強(qiáng),適用于可靠性要求不高的用電信息采集業(yè)務(wù)等;光纖通信適合于對(duì)安全、時(shí)延要求較高的業(yè)務(wù)。文獻(xiàn)[15]定性地分析了配用電業(yè)務(wù)與各類通信技術(shù)的適配性,給出了簡(jiǎn)單的配電網(wǎng)通信技術(shù)應(yīng)用實(shí)例。文獻(xiàn)[16]提出了一種“光纖通信+無(wú)線通信+電力線載波(power line communication,PLC)+無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)等”通信方式的配用電通信網(wǎng)絡(luò)框架,但未考慮通信手段與業(yè)務(wù)的適配。文獻(xiàn)[17]考慮了通信技術(shù)與業(yè)務(wù)的適配分析,給出了不同業(yè)務(wù)優(yōu)先采用的通信方式,但其僅從理論層面上得出結(jié)論,理論依據(jù)較為薄弱。文獻(xiàn)[18-19]對(duì)終端接入網(wǎng)業(yè)務(wù)與通信的適配性進(jìn)行了分析,但其配電網(wǎng)業(yè)務(wù)種類與通信手段考慮不全面,且考慮因素不完善。

根據(jù)上述分析,現(xiàn)有配電網(wǎng)通信技術(shù)應(yīng)用的相關(guān)文獻(xiàn)中存在以下缺陷:1)大多數(shù)文獻(xiàn)僅分析一種或一類通信技術(shù)在配電網(wǎng)中的應(yīng)用情況,缺少對(duì)新型電力系統(tǒng)背景下配電網(wǎng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸需求與可用通信技術(shù)性能的全面梳理;2)現(xiàn)有文獻(xiàn)多考慮光纖、載波、無(wú)線公網(wǎng)與無(wú)線專網(wǎng)等傳統(tǒng)通信手段,關(guān)于藍(lán)牙、LoRa、微功率無(wú)線等低壓配電網(wǎng)通信技術(shù)的適配性研究較少;3)現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)電力業(yè)務(wù)與通信技術(shù)的適配性評(píng)估僅從理論分析角度出發(fā),缺少合適的手段對(duì)該適配性進(jìn)行量化。

針對(duì)上述存在問(wèn)題,本文以提出配電通信網(wǎng)一般性發(fā)展指導(dǎo)原則為出發(fā)點(diǎn),首先梳理了新型電力系統(tǒng)背景下配電網(wǎng)各類業(yè)務(wù)的傳輸需求,以及配電網(wǎng)可用通信技術(shù)的相關(guān)性能,提出了考慮接入、覆蓋、經(jīng)濟(jì)、可靠、安全的多維度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系;其次,提出了基于貝葉斯最優(yōu)最劣(Bayesian best worst method,BBWM)和折中解決方法(measurement alternatives and ranking according to compromise solution,MARCOS)的主客觀賦權(quán)適配性綜合分析模型;最后對(duì)中壓、低壓配電網(wǎng)業(yè)務(wù)與通信技術(shù)的適配性進(jìn)行量化分析,進(jìn)而提出配電網(wǎng)全業(yè)務(wù)與通信技術(shù)適配體系。

1 新型電力系統(tǒng)配電網(wǎng)業(yè)務(wù)傳輸需求

新型電力系統(tǒng)配電網(wǎng)按電壓等級(jí)可分為中壓(10 kV)及低壓(0.4 kV)配電網(wǎng),其中的電力業(yè)務(wù)按是否涉控可分為控制類及非控制類業(yè)務(wù),非控制類業(yè)務(wù)按傳輸數(shù)據(jù)量可分為窄帶采集類業(yè)務(wù)及寬帶圖像視頻類業(yè)務(wù)。

1.1 新型電力系統(tǒng)配電網(wǎng)控制類業(yè)務(wù)

配電網(wǎng)控制類業(yè)務(wù)主要分為中壓控制類及低壓控制類兩類,該類業(yè)務(wù)是電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定安全的關(guān)鍵保障,對(duì)吞吐量要求不高,但對(duì)通信傳輸可靠性和安全性要求極高[18-20]。表1為新型電力系統(tǒng)配電網(wǎng)控制類業(yè)務(wù)對(duì)通信技術(shù)的需求分析。中壓控制類業(yè)務(wù)包括如下幾類:

表1 新型電力系統(tǒng)配電網(wǎng)控制類業(yè)務(wù)通信需求Table 1 Communication requirements of control service in new power distribution network

1)配電自動(dòng)化三遙:通過(guò)對(duì)配電網(wǎng)線路、節(jié)點(diǎn)的遙控、遙信、遙測(cè),實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的運(yùn)行監(jiān)測(cè)及控制功能,對(duì)時(shí)延及帶寬要求很低,對(duì)可靠性及安全性要求較高。

2)精準(zhǔn)負(fù)荷控制:通過(guò)對(duì)負(fù)荷的分類、分級(jí)、分區(qū)域管理,實(shí)現(xiàn)由調(diào)度直接對(duì)可中斷負(fù)荷的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)控制,按時(shí)效性可分為毫秒級(jí)精準(zhǔn)負(fù)荷控制及秒級(jí)、分鐘級(jí)負(fù)荷控制,對(duì)時(shí)延、可靠性、安全性要求均較高。

3)10 kV新能源調(diào)控:通過(guò)對(duì)接入電網(wǎng)的分布式新能源逆變器進(jìn)行調(diào)控,實(shí)現(xiàn)新能源出力的監(jiān)控與控制,其對(duì)帶寬及時(shí)延要求較低,對(duì)可靠性要求較高。

低壓控制類業(yè)務(wù)包括如下幾類,其均對(duì)時(shí)延、帶寬要求較低,對(duì)可靠性及安全性要求較高。

1)分布式儲(chǔ)能調(diào)控:通過(guò)對(duì)分布式儲(chǔ)能電站進(jìn)行控制,對(duì)負(fù)荷曲線進(jìn)行削峰填谷,緩解配電網(wǎng)調(diào)頻壓力。

2)380 V分布式電源控制:對(duì)接入電網(wǎng)的低壓分布式電源逆變器調(diào)控以控制其出力。

3)電動(dòng)汽車充電樁:通過(guò)充電樁與車聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)雙向通信,實(shí)現(xiàn)主站發(fā)布召測(cè)、計(jì)費(fèi)、調(diào)度等功能;終端上傳設(shè)備或線路監(jiān)測(cè)狀態(tài)、實(shí)時(shí)計(jì)費(fèi)信息。

1.2 新型電力系統(tǒng)配電網(wǎng)非控制類業(yè)務(wù)

配電網(wǎng)非控制類業(yè)務(wù)主要包括采集類業(yè)務(wù)及圖像視頻類業(yè)務(wù)兩方面,其中采集類業(yè)務(wù)接入海量終端通信設(shè)備,具有大規(guī)模連接的特點(diǎn),且對(duì)通信的可靠性有一定的要求[18-19,21]。表2為新型電力系統(tǒng)配電網(wǎng)非控制類業(yè)務(wù)對(duì)通信技術(shù)的需求分析。采集類業(yè)務(wù)主要包括如下幾類:

表2 新型電力系統(tǒng)配電網(wǎng)非控制類業(yè)務(wù)通信需求Table 2 Communication requirements of non-control service in new power distribution network

1)配電自動(dòng)化二遙:配電自動(dòng)化二遙只承擔(dān)遙信、遙測(cè)功能,即只采集配電線路運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)時(shí)延、可靠性、安全性要求均較低,并且要求設(shè)備功耗較低。

2)用電信息采集:對(duì)配電變壓器和用戶終端的用電數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析,實(shí)現(xiàn)用電監(jiān)控、負(fù)荷管理、線損分析,以達(dá)到自動(dòng)抄表、用電檢查、負(fù)荷預(yù)測(cè)等目的。其設(shè)備連接規(guī)模較大,對(duì)帶寬、時(shí)延要求較低,對(duì)可靠性及安全性要求較高。

3)配電設(shè)備監(jiān)測(cè):通過(guò)對(duì)設(shè)備局放、樁頭測(cè)溫、蓄電池狀態(tài)、電纜狀態(tài)等進(jìn)行監(jiān)測(cè),判斷設(shè)備是否處于正常工作狀態(tài),其對(duì)時(shí)延有一定要求,對(duì)可靠性要求較高。

4)配電環(huán)境監(jiān)測(cè):通過(guò)對(duì)配電設(shè)備所處環(huán)境的溫度、濕度、SF6濃度、水位等進(jìn)行監(jiān)測(cè),判斷設(shè)備所處環(huán)境是否正常,對(duì)帶寬及安全性要求較低,對(duì)時(shí)延有一定要求。

5)視頻圖像類業(yè)務(wù)對(duì)傳輸帶寬要求較高,現(xiàn)有業(yè)務(wù)包括視頻監(jiān)控、機(jī)器人巡檢及無(wú)人機(jī)巡檢等,其主要通過(guò)對(duì)設(shè)備拍攝視頻或抓拍圖像以判斷設(shè)備是否處于正常工作狀態(tài)。

2 配電網(wǎng)通信技術(shù)分析及評(píng)價(jià)體系

目前配電通信網(wǎng)按電壓等級(jí)可分為中壓配電通信網(wǎng)及低壓配電通信網(wǎng),按通信傳輸方式可分為有線及無(wú)線通信網(wǎng)。

2.1 中壓配電網(wǎng)通信技術(shù)

中壓配電網(wǎng)有線通信技術(shù)包括電力光纖專網(wǎng)、工業(yè)以太網(wǎng)、中壓電力線載波,無(wú)線通信技術(shù)包括無(wú)線專網(wǎng)、4G、5G,具體技術(shù)特點(diǎn)如下[22-23]:

電力光纖專網(wǎng):目前電力系統(tǒng)主要采用基于IP(internet protocol,IP)的無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)EPON,其帶寬及速率極高,可靠性、安全性均較高,但成本較高,建設(shè)速度較慢。

工業(yè)以太網(wǎng):基于IEEE 802.3規(guī)范,加入千兆以太網(wǎng)以及快速以太網(wǎng)技術(shù),傳輸速率高,組網(wǎng)靈活,網(wǎng)絡(luò)兼容性、安全性好,但也存在成本高、擴(kuò)展性低的缺陷。

中壓電力線載波:將電力線作為傳輸介質(zhì),利用載波將信號(hào)調(diào)制為能夠在電力線上傳輸?shù)母哳l信號(hào),無(wú)須布線和重新組網(wǎng),成本低,但易受到外界環(huán)境以及噪聲的干擾,且其沒有防竊聽措施,安全性難以得到保障。

無(wú)線專網(wǎng):國(guó)家電網(wǎng)有限公司為解決光纖專網(wǎng)建設(shè)難度大、公網(wǎng)存在安全隱患弊端,在部分城市建設(shè)了電力無(wú)線專網(wǎng),包括230 MHz及1 800 MHz兩個(gè)頻段,較光纖具備經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì),但存在多行業(yè)頻譜共用的缺陷。

4G:截至2021年底,全國(guó)4G覆蓋率已達(dá)98%以上,4G公網(wǎng)應(yīng)用最為廣泛,經(jīng)濟(jì)性、成熟度均較優(yōu),規(guī)?；潭燃爱a(chǎn)業(yè)鏈豐富,終端成本和公網(wǎng)租用費(fèi)用性價(jià)比高,但其通信性能受限,安全風(fēng)險(xiǎn)長(zhǎng)期存在。

5G:截至2021年,我國(guó)三大運(yùn)營(yíng)商已實(shí)現(xiàn)全國(guó)地級(jí)市主城區(qū)、95%縣區(qū)、35%鄉(xiāng)鎮(zhèn)核心區(qū)域5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋。5G公網(wǎng)通信具有安全性高、可靠性強(qiáng)、通信性能優(yōu)越等優(yōu)勢(shì),但當(dāng)前基站租賃費(fèi)及流量費(fèi)整體偏高,技術(shù)及產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展尚未健全。

表3總結(jié)了中壓配電網(wǎng)可用通信技術(shù)性能具體指標(biāo)數(shù)值。

表3 中壓配電網(wǎng)可用通信技術(shù)性能Table 3 Performance of available communication technologies in medium-voltage power distribution network

2.2 低壓配電網(wǎng)通信技術(shù)

低壓配電網(wǎng)有線通信技術(shù)包括低壓電力線高速載波通信(HPLC)、RS-485,無(wú)線通信技術(shù)包括無(wú)線專網(wǎng)、4G、5G、遠(yuǎn)距離無(wú)線電(long range radio,LoRa)、微功率無(wú)線、WiFi、藍(lán)牙、窄帶物聯(lián)網(wǎng)(narrow band internet of things,NB-IoT),具體技術(shù)特點(diǎn)如下[23-24]:

HPLC:低壓電力線高速載波通信技術(shù)為電力線載波技術(shù)的一種,多用于低壓臺(tái)區(qū)用電信息采集系統(tǒng)本地通信中,采用OFDM技術(shù),通信可靠,免布線,施工成本低,但存在信號(hào)不穩(wěn)定造成信息孤島等缺陷。

RS-485:其為一種工業(yè)網(wǎng)絡(luò),屬于專線通信,網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單且可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信,抗干擾能力強(qiáng),能在大噪聲下傳輸信息,技術(shù)成熟度很高,具有高可靠性。但其數(shù)據(jù)傳輸速率低,需額外布線導(dǎo)致成本增加,組網(wǎng)靈活度較低。

LoRa:采用線性擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù),可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無(wú)線通信,具有低功耗特性,網(wǎng)絡(luò)性能更穩(wěn)定,傳輸安全性、實(shí)時(shí)性較高,但其受到功耗及帶寬的限制,傳輸速率低。

微功率無(wú)線:國(guó)家電網(wǎng)有限公司為達(dá)到對(duì)用電用戶的全面覆蓋、完善數(shù)據(jù)采集的目標(biāo),解決電力業(yè)務(wù)本地接入問(wèn)題而提出,其主要工作在470～510 MHz頻段,設(shè)備發(fā)射功率小于50 mW。其組網(wǎng)快捷靈活,建網(wǎng)成本低,具有自動(dòng)中繼和路由能力,抗干擾能力較高,但其靈敏度受限,覆蓋范圍較小。

WiFi:其為IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)下的一種無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù),工作頻段包括2.4 GHz和5.8 GHz,組網(wǎng)便捷,網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展靈活,帶寬高,時(shí)延低,經(jīng)濟(jì)性較好,技術(shù)相對(duì)成熟,但其通信距離較短,信號(hào)容易受到干擾,加密措施有限,網(wǎng)絡(luò)安全性有待提高。

藍(lán)牙:目前主流的短距離無(wú)線通信技術(shù),工作頻段在2.4 GHz,傳輸距離通常在10 m以內(nèi),適合于設(shè)備間小范圍的通信,能夠快速組網(wǎng),建網(wǎng)成本低,功耗低,安全性較高,但易受其他通信設(shè)備干擾。

NB-IoT:為基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)的一種新興技術(shù),支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的連接,其覆蓋廣,功耗低,連接數(shù)量大,連接較為穩(wěn)定可靠。

表4總結(jié)了低壓配電網(wǎng)可用通信技術(shù)性能具體指標(biāo)數(shù)值。

表4 低壓配電網(wǎng)可用通信技術(shù)性能Table 4 Performance of available communication technologies in low-voltage power distribution network

2.3 適配性評(píng)估指標(biāo)體系

選取一套完善、科學(xué)、合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是進(jìn)行配電網(wǎng)通信技術(shù)與業(yè)務(wù)適配性評(píng)估的重要前提。本文綜合考慮通信技術(shù)與配電網(wǎng)業(yè)務(wù)的特點(diǎn),從接入性、覆蓋性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性及安全性五個(gè)方面出發(fā),構(gòu)建了配電網(wǎng)通信技術(shù)與業(yè)務(wù)適配性評(píng)估指標(biāo)體系,如圖1所示。其中,接入性指標(biāo)包含速率、時(shí)延;覆蓋性指標(biāo)包含覆蓋半徑與連接數(shù);經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)包含組網(wǎng)成本、運(yùn)維成本及產(chǎn)業(yè)鏈狀況;可靠性指標(biāo)包含丟包率及抗干擾能力;安全性指標(biāo)主要考慮隔離方式。

圖1 配電網(wǎng)通信技術(shù)與業(yè)務(wù)適配性評(píng)估指標(biāo)體系Fig.1 Evaluation index system of the matching of power distribution network service and communication technology

3 基于BBWM-MARCOS的配電網(wǎng)通信技術(shù)與業(yè)務(wù)適配性的評(píng)估方法

配電網(wǎng)可用通信技術(shù)種類較多,而不同配電網(wǎng)業(yè)務(wù)對(duì)于通信技術(shù)有不同的側(cè)重,因此需考慮對(duì)通信技術(shù)與業(yè)務(wù)的適配性進(jìn)行量化評(píng)估,具體包括三個(gè)步驟:首先,基于專家對(duì)某一類業(yè)務(wù)通信需求的重要度排序與BBWM法,得到各指標(biāo)權(quán)重;其次,根據(jù)業(yè)務(wù)需求,對(duì)通信技術(shù)單指標(biāo)與業(yè)務(wù)需求的適配進(jìn)行量化;最后,基于指標(biāo)權(quán)重與指標(biāo)適配量化矩陣,計(jì)算各通信技術(shù)的效用度并排序,最終得到與配電網(wǎng)業(yè)務(wù)適配的最優(yōu)通信技術(shù)。配電網(wǎng)通信技術(shù)與業(yè)務(wù)適配性綜合評(píng)估流程如圖2所示。

3.1 基于BBWM的指標(biāo)權(quán)重確定方法

2015年,代爾夫特理工大學(xué)首次提出了最優(yōu)最劣法(best-worst method,BWM)[25],其可以有效減少指標(biāo)間的比較次數(shù),對(duì)解決多屬性決策問(wèn)題較為有效,但其只能對(duì)一位專家的重要度排序進(jìn)行分析,當(dāng)有多位專家時(shí),若簡(jiǎn)單對(duì)各位專家的賦權(quán)結(jié)果取平均顯然是不準(zhǔn)確的,因此在2020年,學(xué)者M(jìn)ajid Mohammadi對(duì)BWM與貝葉斯理論進(jìn)行了結(jié)合,提出了BBWM方法[26-29],其將各專家的重要度評(píng)價(jià)視為隨機(jī)事件,而權(quán)重則為各事件的概率,進(jìn)而可消除在確定指標(biāo)權(quán)重過(guò)程中的不確定性。其具體流程如下:

1)設(shè)通信技術(shù)共有n個(gè)技術(shù)指標(biāo),第k位專家針對(duì)配電網(wǎng)中的某一類業(yè)務(wù),確定其在通信技術(shù)指標(biāo){c1,c2,…,cn}中最重要的指標(biāo)cB,k及最次要的指標(biāo)cW,k。

2)將cB,k與其他非最重要指標(biāo)cj,k進(jìn)行對(duì)比(下標(biāo)j表示第j個(gè)指標(biāo)),用數(shù)字1至9表征cB,k相對(duì)于其他指標(biāo)的重要性程度,1表示cB,k與cj,k重要性相同,數(shù)字越大代表cB,k比cj,k越重要,則第k位專家的最優(yōu)比較向量為:

(1)

式中:aB,k,j(j=1,2,…,n)表示第k位專家j個(gè)指標(biāo)cj,k相對(duì)于最重要指標(biāo)cB,k的重要程度。

3)與流程2)類似,將最次要指標(biāo)cW,k與其他指標(biāo)cj,k兩兩對(duì)比,使用1至9表征cW,k相對(duì)于其他指標(biāo)的重要程度,數(shù)字越大代表cj,k比cW,k越重要,則最次要比較向量為:

(2)

式中:aW,k,j(j=1,2,…,n)表示第k位專家j個(gè)指標(biāo)cj,k相對(duì)于最次要指標(biāo)cW,k的重要程度。

(3)

式中:ξ為絕對(duì)誤差;wk,j為第k位專家第j個(gè)指標(biāo)的權(quán)重;wB,k,wW,k分別為最重要及最次要指標(biāo)對(duì)應(yīng)的權(quán)重。

(4)

(5)

(6)

式中:∝表示服從正比,其具體推導(dǎo)過(guò)程可見文獻(xiàn)[30]。因此,綜合權(quán)重的確定可轉(zhuǎn)化為概率估計(jì)問(wèn)題,可通過(guò)分層貝葉斯模型求解,設(shè)第k位專家的權(quán)重向量為wk,全部專家的綜合權(quán)重為wall,其聯(lián)合概率分布為:

(7)

式中:K為專家總數(shù)量;1:K表示所有專家的權(quán)重向量均服從該聯(lián)合概率分布。

通過(guò)文獻(xiàn)[30]中的求解方法,可對(duì)式(7)進(jìn)行求解并得到綜合權(quán)重向量wall。隨后需要根據(jù)基于Credal排序的一致性檢驗(yàn)方法[26]判斷各專家意見是否一致。兩個(gè)不同指標(biāo)Cj1與Cj2之間的重要性對(duì)比概率計(jì)算為:

(8)

3.2 通信技術(shù)性能與業(yè)務(wù)適配量化方法

配電網(wǎng)應(yīng)用范圍廣泛,但考慮成本限制,通信系統(tǒng)只需滿足其業(yè)務(wù)需求即可,而并非性能越高越好。因此,本文主要考慮對(duì)每種業(yè)務(wù)尋找最適配的可用通信技術(shù),而非性能最強(qiáng)的通信技術(shù)。通信技術(shù)的各項(xiàng)指標(biāo)單位不同,且部分指標(biāo)僅為概括性描述,無(wú)法直接計(jì)算,因此考慮將對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行歸一量化,其原則為:將最優(yōu)指標(biāo)量化為1,將最差指標(biāo)或不滿足電力通信需求的指標(biāo)量化為0,因此該量化值的取值范圍為[0,1]區(qū)間,值越大說(shuō)明該指標(biāo)與業(yè)務(wù)適配性越好;針對(duì)描述性指標(biāo),經(jīng)專家討論確定各等級(jí)指標(biāo)的量化值,類似的賦值方法可見文獻(xiàn)[18]。需要說(shuō)明的是,部分指標(biāo)某一等級(jí)的通信技術(shù)僅用于特殊應(yīng)用(如應(yīng)急通信),因此未納入本文考慮范圍。下面詳細(xì)說(shuō)明本文提出的通信技術(shù)性能與業(yè)務(wù)適配量化方法:

C1速率:不滿足業(yè)務(wù)需求記為0,滿足業(yè)務(wù)需求記為1。

C2時(shí)延:不滿足業(yè)務(wù)需求記為0,控制類業(yè)務(wù)時(shí)延越低適配度越高,即:

(9)

式中:ti為第i種通信技術(shù)的時(shí)延;T=[t1,t2,…,tm]為各個(gè)可選技術(shù)的時(shí)延,下標(biāo)m表示可選通信技術(shù)數(shù)量;xt,i為第i個(gè)通信技術(shù)的時(shí)延指標(biāo)。對(duì)于非控制類業(yè)務(wù),滿足業(yè)務(wù)時(shí)延需求即記為1。

C3覆蓋半徑:通信技術(shù)的覆蓋范圍越大則量化指標(biāo)越大,即:

(10)

式中:ri為第i種通信技術(shù)的覆蓋范圍;R=[r1,r2,…,rm]為各技術(shù)的覆蓋范圍;xr,i為第i種通信技術(shù)的覆蓋半徑指標(biāo)。

C4連接數(shù):量化方法與式(10)一致。

C5組網(wǎng)成本:該指標(biāo)較難直接進(jìn)行數(shù)值量化,經(jīng)專家討論,考慮將其分為高、較高、中、低四個(gè)級(jí)別,量化值分別為0、0.3、0.6、1。

C6運(yùn)維成本:該指標(biāo)較難直接進(jìn)行數(shù)值量化,經(jīng)專家討論,高、中、低三個(gè)等級(jí)的量化值分別為0、0.5、1。

C7產(chǎn)業(yè)鏈狀況:該指標(biāo)較難直接進(jìn)行數(shù)值量化,經(jīng)專家討論,成熟、較成熟、待成熟、存在問(wèn)題的量化值分設(shè)置別為1、0.66、0.33、0。

C8抗干擾能力:經(jīng)專家討論,強(qiáng)、較強(qiáng)、中、較弱、弱的量化值分別設(shè)置為1、0.75、0.5、0.25、0。

C9丟包率:丟包率越低量化適配度越高,計(jì)算方式類似式(9)。

C10隔離方式:不滿足需求記為0,滿足則記為1。

3.3 基于MARCOS的適配度綜合評(píng)估方法

MARCOS法于2020年提出,同時(shí)考慮理想解及反理想解,并使用效用函數(shù)來(lái)聚合多個(gè)指標(biāo)的綜合度量[31-33]。具體步驟如下:

1)構(gòu)建初始指標(biāo)矩陣。當(dāng)有m個(gè)備選通信技術(shù),每個(gè)技術(shù)具有n個(gè)指標(biāo)時(shí),指標(biāo)值設(shè)為xij,初始指標(biāo)矩陣為[xij]m×n。

2)對(duì)指標(biāo)矩陣歸一化。按3.2節(jié)中的方法,對(duì)初始指標(biāo)矩陣進(jìn)行量化及歸一化。

3)確定加權(quán)矩陣R=[rij]m×n,其中加權(quán)值由通信技術(shù)歸一化指標(biāo)乘該指標(biāo)的權(quán)重得到,即rij=xij×wj,每種業(yè)務(wù)中指標(biāo)的權(quán)重值由3.1節(jié)中的BBWM方法確定。

4)確定理想解及反理想解。理想解與反理想解由各指標(biāo)中最優(yōu)及最劣值組成:

(11)

(12)

式中:S+,S-分別為各項(xiàng)指標(biāo)的理想解與反理想解。

5)計(jì)算每種通信技術(shù)的效用度?？紤]計(jì)算備選通信技術(shù)相對(duì)于理想解與反理想解的效用度:

(13)

(14)

式中:K(i)+,K(i)-分別為第i種通信技術(shù)相對(duì)于理想解與反理想解的效用度。

6)計(jì)算效用函數(shù)。該函數(shù)f(Ki)是通過(guò)每種通信技術(shù)的效用度與理想解與反理想解之間的距離得到的:

(15)

(16)

(17)

7)對(duì)通信技術(shù)排序。由效用函數(shù)從高到低來(lái)確定通信技術(shù)的適配度排序。

4 適配算例分析

4.1 中壓配電網(wǎng)業(yè)務(wù)與通信技術(shù)適配分析

圖3為各通信技術(shù)指標(biāo)間的Credal排序,從圖3中可以看出,各指標(biāo)間的Credal排序值均超過(guò)0.5,說(shuō)明整體而言專家之間的意見較為一致,可認(rèn)為專家給出的意見是客觀可靠的,可避免指標(biāo)權(quán)重的不確定性。從圖3中可以看出,專家對(duì)丟包率與時(shí)延、隔離方式與組網(wǎng)成本間的重要性判斷有一定差異。

圖3 配電自動(dòng)化三遙業(yè)務(wù)與通信技術(shù)適配指標(biāo)間的Credal排序Fig.3 Credal ranking of indicators for the matching of three-remote distribution automation and communication technology

基于配電自動(dòng)化三遙業(yè)務(wù)及中壓配電網(wǎng)技術(shù)性能,基于3.2節(jié)中的方法對(duì)通信技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行量化,量化結(jié)果如表5所示?；诖_定的權(quán)重及MARCOS法,對(duì)配電自動(dòng)化三遙業(yè)務(wù)與中壓通信技術(shù)適配性進(jìn)行量化,并進(jìn)行排序,結(jié)果如表6所示,適配性從高到底分別為光纖、5G、電力線載波、4G及無(wú)線專網(wǎng)。光纖因其具有極低的時(shí)延及極高的可靠性與安全性,與三遙業(yè)務(wù)最為適配;5G、電力線載波、4G適配性略低于光纖;無(wú)線專網(wǎng)與三遙適配性最低,其建設(shè)成本過(guò)高,且抗干擾能力、安全性較差。

表5 中壓配電網(wǎng)通信技術(shù)性能歸一化量化值Table 5 Quantization of communication technology performance in medium-voltage power distribution network

表6 配電自動(dòng)化三遙與中壓通信技術(shù)適配量化Table 6 Quantization for the matching of three-remote distribution automation and communication technology

4.2 低壓配電網(wǎng)業(yè)務(wù)與通信技術(shù)適配分析

以低壓采集類業(yè)務(wù)用電信息采集為例,首先確定該業(yè)務(wù)條件下通信技術(shù)各指標(biāo)的重要度權(quán)重。根據(jù)BBWM方法步驟,6位專家首先確定該業(yè)務(wù)最重要及最次要指標(biāo),并基于指標(biāo)間的對(duì)比結(jié)果形成最優(yōu)比較向量及最劣比較向量,即:

求解分層貝葉斯模型計(jì)算綜合權(quán)重,可得到指標(biāo)C1至C10的權(quán)重分別為:0.041、0.071、0.166、0.134、0.171、0.113、0.058、0.102、0.071、0.073,可見最重要的指標(biāo)為組網(wǎng)成本、覆蓋半徑與連接數(shù),符合預(yù)期。圖4為用電信息采集業(yè)務(wù)條件下各通信技術(shù)指標(biāo)間的Credal排序,從圖4中可以看出,各指標(biāo)間的Credal排序值均超過(guò)0.5,說(shuō)明整體而言專家之間的意見較為一致,但專家對(duì)丟包率與隔離方式、隔離方式與時(shí)延、覆蓋半徑與組網(wǎng)成本間的重要性判斷有一定差異。

圖4 用電信息采集業(yè)務(wù)各通信技術(shù)指標(biāo)間的Credal排序Fig.4 Credal ranking of indicators for the matching of electricity information collection and communication technology

基于用電信息采集及低壓配電網(wǎng)技術(shù)性能,基于3.2節(jié)中的方法對(duì)通信技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行量化,量化結(jié)果如表7所示?；诖_定的權(quán)重及MARCOS法,對(duì)用電信息采集與低壓通信技術(shù)適配性進(jìn)行量化,并進(jìn)行排序,結(jié)果如表8所示,適配性從高到底分別為微功率無(wú)線、HPLC、藍(lán)牙、RS-485、NB-IoT、WiFi、LoRa。

表7 低壓配電網(wǎng)通信技術(shù)性能歸一化量化值Table 7 Quantization of communication technology performance in low-voltage power distribution network

表8 用電信息采集與低壓通信技術(shù)適配量化Table 8 Quantization for the matching of electricity information collection and communication technology

4.3 配電網(wǎng)全業(yè)務(wù)與通信技術(shù)適配體系

根據(jù)提出的適配性評(píng)估模型,對(duì)中低壓配電網(wǎng)控制類、非控制類業(yè)務(wù)與可用通信技術(shù)進(jìn)行全面適配性分析,進(jìn)而構(gòu)建配電網(wǎng)全業(yè)務(wù)與通信技術(shù)適配體系。

表9和表10分別為中壓及低壓配電網(wǎng)全業(yè)務(wù)與通信技術(shù)的適配性分析結(jié)果,表格中的顏色越深,代表該通信技術(shù)與此類業(yè)務(wù)越適配。從表9中可知,中壓控制類業(yè)務(wù)主要考慮使用光纖進(jìn)行承載,4G、5G次之;中壓非控制類業(yè)務(wù)主要考慮使用4G、5G進(jìn)行承載,無(wú)線專網(wǎng)與光纖在特定業(yè)務(wù)中具有顯著優(yōu)勢(shì)。從表10中可知,低壓控制類業(yè)務(wù)可考慮成本較低的HPLC與RS-485方式進(jìn)行承載,低壓非控制類業(yè)務(wù)主要考慮覆蓋范圍較廣的微功率無(wú)線與HPLC承載。本文部分結(jié)論與文獻(xiàn)[18-19]中相似,如文獻(xiàn)[18]指出:“配電自動(dòng)化‘二遙’業(yè)務(wù)匹配度最高的終端通信接入網(wǎng)廣域通信技術(shù)為無(wú)線公網(wǎng),其次為無(wú)線專網(wǎng)”;文獻(xiàn)[19]指出“用電信息采集業(yè)務(wù)優(yōu)選寬帶載波(含雙模),其次為短距離無(wú)線、串口總線等通信方式”,說(shuō)明本文適配結(jié)論具有可靠性。

表9 中壓配電網(wǎng)全業(yè)務(wù)與通信技術(shù)適配分析Table 9 Matching analysis of full services and communication technology in medium-voltage distribution network

表10 低壓配電網(wǎng)全業(yè)務(wù)與通信技術(shù)適配分析Table 10 Matching analysis of full services and communication technology in low-voltage distribution network

表9和表10中的業(yè)務(wù)與通信技術(shù)適配分析為一般性結(jié)論,并非適用于所有地區(qū)。針對(duì)特定業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景,可根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整本文方法,以因地制宜開展業(yè)務(wù)與通信適配評(píng)估。

5 結(jié) 論

為實(shí)現(xiàn)新型電力系統(tǒng)配電網(wǎng)通信技術(shù)的準(zhǔn)確選型,保障業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的安全可靠傳輸,本文提出了適用于電力系統(tǒng)多元業(yè)務(wù)與多模通信的適配性評(píng)估方法。首先,對(duì)新型配電網(wǎng)業(yè)務(wù)傳輸需求與可用通信技術(shù)性能進(jìn)行全面梳理,提出了涵蓋接入、覆蓋、經(jīng)濟(jì)、可靠、安全五方面的兩級(jí)十維度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系;其次,提出了基于BBWM和MARCOS的主客觀賦權(quán)適配性綜合分析模型,通過(guò)將多個(gè)專家的重要度評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)換為概率分布,消除指標(biāo)權(quán)重確定過(guò)程中的不確定性,通過(guò)提出的指標(biāo)量化方法實(shí)現(xiàn)適配度的綜合量化;最后對(duì)中、低壓配電網(wǎng)業(yè)務(wù)與通信技術(shù)的適配度進(jìn)行計(jì)算,提出配電網(wǎng)全業(yè)務(wù)與通信技術(shù)適配體系,彌補(bǔ)了現(xiàn)有研究?jī)H對(duì)適配性開展理論分析的缺陷。

本文成果可指導(dǎo)配電網(wǎng)通信技術(shù)選型,服務(wù)于配電通信網(wǎng)的規(guī)劃與設(shè)計(jì),支撐新型電力系統(tǒng)高質(zhì)量發(fā)展。

本文對(duì)配電網(wǎng)各類業(yè)務(wù)與通信技術(shù)的適配度進(jìn)行計(jì)算,但在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中可包含多種業(yè)務(wù),如何根據(jù)多個(gè)業(yè)務(wù)需求確定通信技術(shù)的適配度成為下一步研究的重點(diǎn)。