海岛微电网通信架构设计

邓　华，李广磊，孙业隆，张婷婷，赵　鹏

（1．国网山东省电力公司烟台供电公司，山东　烟台　264001；2．国网山东省电力公司电力科学研究院，济南　250003；3．国网山东龙口市供电公司，山东　龙口　265700）

海岛微电网通信架构设计

邓华1，李广磊2，孙业隆3，张婷婷1，赵鹏2

（1．国网山东省电力公司烟台供电公司，山东烟台264001；2．国网山东省电力公司电力科学研究院，济南250003；3．国网山东龙口市供电公司，山东龙口265700）

分析海岛微电网的通信需求，提出微电网通信系统的一种分层体系架构，从就地层、中间层和站控层3个逻辑层次给出了具体设计方案，可实现高速、实时、双向的信息通信和交互控制。并结合长岛分布式发电及微电网示范工程，验证提出的海岛微电网通信架构设计方案的可行性，为海岛微电网调控运行提供信息保障。

海岛微电网；通信系统；信息融合；运行监控

0　引言

我国岛屿岸线长达14 000多km，全国拥有500 m2以上的岛屿6 961座［1］。海岛的开发建设和海岛居民的日常生活均需要可靠的能源动力作保障，由于地理、气候、成本以及技术等多方面原因，我国海岛可再生能源在海岛能源消费中的比重较低，目前海岛能源利用方式以大陆供给常规能源为主。海岛供电主要由大陆电网通过海底电缆延伸供电，一旦海底电缆出现故障，恢复供电时间长，影响岛内居民正常生产生活。

通过敷设海底电缆、增加供电回路，虽然能提高海岛地区供电可靠性，但是由于海底电缆生产运维成本较高、海洋输电设施造价高，这种方式经济性较差。海岛的地理位置决定了岛内风能、太阳能等资源充足，通过开展岛内新能源接入的微电网工程建设，既能有效开发可再生能源以解决岛上电力不足的现状，又能减少电缆故障、灾害环境等意外条件对海岛用电需求的影响。目前，微电网已被公认为是分布式电源最有效的利用方式［2］。一般采用能量优化管理系统（微电网监控系统）通过信息采集、功率控制、继电保护等手段确保微电网安全稳定运行和系统平衡，而实现这些目标的基础支撑是微电网系统具备完整的通信网络。目前一般遵循IEC 61850标准，建立具有与智能大电网统一接口的微电网监控系统平台［3-5］。文献［6］采用通用面向对象变电站事件通信服务（GOOSE）与设备层进行信息交互，以及配合优化层进行微电网的多时间尺度协调控制和能量优化。

首先分析海岛微电网的通信需求，在此基础上提出一种分层的海岛微电网通信架构，从就地层、中间层和站控层3个逻辑层来实现上层系统和底层设备之间高速、实时、双向的信息通信和交互控制，并能实现数据采集、数据分析处理、微电网经济优化运行、能量优化管理等功能。最后，结合长岛分布式发电及微电网示范工程对提出的海岛微电网通信方案进行验证。

1　海岛微电网通信需求

由于海岛位置偏远、岛屿之间联络分散、岛内通信建设条件较差，设计海岛微电网通信方案必须考虑上述不利因素，同时需要满足微电网的快速、实时、可靠和安全性的通信要求，从技术性、经济性、扩展性等角度来看，海岛微电网的通信需要满足以下条件。

快速数据监控。微电网包含风力发电、光伏发电、柴油发电、储能系统、用电负荷等多类涉网设备，通过电力通信业务网相互连接，实现各设备和各环节的电气量和非电气量的状态信息快速监控、高效可靠传输和多维数据集中监视，以确保信息获取的实时性、准确性和全面性，为微电网系统的运行监控、并网/孤网双模式无缝切换等指令传输提供坚强通信保障。

统一标准协议。微电网内设备厂家多、类型多、接口通信繁多，为了满足双向、实时、高效通信的数据监控要求，微电网通信需要制定统一的设备接入、数据格式、通信协议等指标要求，借鉴IEC 61850、GOOSE、智能变电站智能终端等先进通信技术，减少数据中间转换等待时间，确保微电网设备之间的灵活互动、不同软件版本之间的一致性和兼容性。

安全通信冗余。采用双链路备份、安全防火墙、数据隔离控制，既要满足《电力二次系统安全防护规定》要求，又能实现数据同步和互相备份，达到降低网络故障率、提高网络可靠性和冗余度高的目标，以确保微电网在故障或干扰情况下的关键数据监控，进而提高微电网的快速恢复能力与自治能力，减少微电网的故障恢复时间。

易于拓展维护。需要考虑微电网后期的设备接入、功能扩展，预留通信容量及通信接口；同时应满足微电网的集中监控、少人或无人值守要求，需具备自我诊断、故障预警等辅助手段，减少运维人员的监控成本和设备维护成本。

2　海岛微电网通信架构

2.1间歇式可再生能源电网结构

海岛微电网通常包含风电、光伏、储能以及柴油发电机在内的多种分布式电源，且分布式电源的装机容量占据较大的比例。典型的间歇式可再生能源电网的结构如图1所示。

图1　某间歇式可再生能源海岛电网结构

图1中，在并网情况下，通过对储能单元采取功率差控制，能有效抑制新能源波动性，提高海岛电网对间歇性能源的接纳能力。当进线海缆出现故障时，海岛电网故障恢复相对大陆上电网需要更长的时间。在外故障恢复时间内，需要对风电、光伏、储能及柴油发电机进行综合控制，并主要对柴储电源进行有效的主从协调控制，确保海岛电网的正常运行。海岛可再生能源电网涉及多种分布式电源之间的实时协调控制，快速、实时、可靠和安全性通信微电网通信架构对于保障海岛微电网的稳定运行具有重要的意义。

2.2海岛微电网分层通信架构

IEC 61850是第一个完全以实现变电站自动化系统中智能电子设备互操作性为主要目的通信标准体系［3］。在规划微电网通信网络时，借鉴数字化变电站建设的相关经验，采用基于IEC 61850的架构，通信架构采用就地层、中间层、站控层3个层次构成［7］。系统结构如图2所示。

就地层。就地层主要由涉网设备和智能合并单元构成，其中涉网设备主要包括负荷线路、气象预测系统、风力发电系统、光伏发电系统、储能系统、柴油发电机和用电负荷；合并单元按系统内一次设备配置，就地加装在对应的涉网设备处，采集现场数据，并通过点对点光纤网上送交换服务器，同时负责电能供给、设备开断和底层控制命令的执行。

图2　海岛微电网通信架构

中间层。中间层主要由光纤通信网络、光纤同步网、交互服务器等组成，就地层通过涉网设备和智能合并单元获取数据信息后通过中间层实现与中央控制器的通信传输，同时获得中央控制器控制指令对风电机组、光伏发电、储能系统等设备进行远程状态监测和控制。为了保证电力通信的可靠性，中间层设备通过光纤A、B双网和服务器A、B进行数据交换，交换服务器A、B采用完全独立的工业以太网络和就地层设备通信，光纤网络A和B发送的就地层信息完全相同，避免单系统故障导致全系统失去保护和控制功能情况的出现。

站控层。站控层负责整个微电网运行，综合分析中间层上传的运行数据，根据微电网运行数据制定实时控制策略，并及时下发指令，实现为电网的功率预测、负荷预测、协调控制、并网/孤网模式切换、经济优化运行等功能。实现这些控制目标必须依靠高速、稳定、可靠的通信技术支撑。因此，站控层采用高安全级别的工业以太网通信，实现系统内间隔层设备、一次设备的控制及与远方控制中心、工程师站、操作员站及人机界面双向通信的功能，并经过协议转换设备与第三方装置进行数据双向交换。站控层设备优先选择跨硬件平台与跨操作系统平台，确保实现异构操作系统混合配置，从而具有良好的开放性和可扩展性，方便以后进行功能扩展或升级。

3　工程应用

目前，国网山东省电力公司正在建设山东长岛分布式发电及微电网示范工程，主要开展风力发电、光伏发电、柴油发电、储能系统、配电网改造等建设。长岛又名长山列岛、庙岛群岛，由32个岛屿组成，位于渤海海峡，黄海、渤海交汇处，系渤海咽喉、京津门户，地理位置十分重要。由于海岛特殊的地质情况和电网建设难度，长岛电网较为薄弱，而通过建设分布式发电及微电网示范工程将增强海岛电网结构、提高供电可靠性，满足用电负荷快速增长的需要。

系统通信采用高实时性的IEC 61850国际标准规约，实现装置与装置之间、装置与主站之间的互联互通。其中，站控层与就地控制及保护单元间，采用GOOSE/SV快速通信；微网区域保护与就地保护装置间采用GOOSE/SV快速通信；对非IEC 61850规约但需要将其进行监控设备（光伏发电设备、风力发电设备等）规约转换为IEC 61850规约，并统一通过高速网络进行数据的交换；通过基于IEC6 1850标准的过程层网络，与全网就地保护装置进行快速通信，并与MGCC配合，在全网快速故障定位与隔离。

3.1架构设计

结合山东长岛分布式发电及微电网示范工程，在上述海岛微电网通信架构设计的基础上，进行海岛微电网能量优化管理系统设计，主要功能如图3所示。

由图3可知，海岛微电网能量优化管理系统主要由就地控制、数据获取、数据处理与应用、微电网协调控制、微电网优化调度、上级调度控制等组成。

就地控制。站控层通过合并单元就地控制风电机组、光伏发电、储能PCS、柴油发电机、用电负荷、并网开关等设备，实现微电网系统的能量优化管理。

数据获取。配置通信前置机和控制室，根据系统分类和地理分布分多个通信交换机采集汇总。如果采用串口通信，则通过串口服务器汇总后转换为以太网，经光电转换器后变换为光信号汇集到前置交换机。

图3　系统功能

数据处理与应用。主要由采集系统、实时数据库、历史数据库和支撑平台组成，前置数据采集采用冗余交换式以太网结构，实时数据传输也采用冗余交换式以太网结构，配置三层交换功能的交换机，采用100 M/1 000 M自适应通信网络，经纵向认证装置后可转发至上级调度控制。

微电网协调控制。微电网的协调控制包含紧急控制、模式切换、功率平衡、无功优化、电能质量5部分，充分利用全岛风、光、储与负荷之间广泛存在的互补性，实现并网及孤网运行的能量就地平衡。

微电网优化调度。根据上级调度系统的调度指令，利用风力发电功率预测技术、光伏发电功率预测技术、负荷功率预测技术，制定日发电计划。根据优化算法，兼顾各发电单元的经济特性，合理安排各发电单元启动顺序、运行时间等计划。对制定的计划进行状态估计、潮流计算、短路计算、静态安全分析，从而进一步优化调度指令，实现微电网系统的经济优化运行。

上级调度控制。根据电网运行需要，由上级调度控制微电网的并网运行、计划孤岛、联络线功率等，实现微电网与大电网的灵活互动。

3.2软件功能

软件功能由操作系统、支撑平台、应用功能3个层次组成，网络架构如图4所示。操作系统选用Linux/Unix操作系统。支撑平台主要为高级应用分析功能提供数据支撑服务，其功能包括：数据传输（通过网络数据传输软总线实现数据交互和进程服务管理，从而能监视整个微电网系统的运行信息，并采用智能平衡分流方法保证网络数据流量的均衡一致性）、实时数据库（将分布在系统所有结点上的实时数据通过软同步技术汇集到实时数据库中，保证了数据的一致性）、历史数据库（提供整个系统数据采样、数据存储、数据查询等历史数据服务功能，采用同步、并行的高速处理技术，提高了系统数据处理的效率）、图形显示（采用图模库一体化设计方法，考虑电力行业的通用图形特色，运用矢量技术实现图形的无极缩放，并采用svg格式进行不同系统间的图形交互）、统计报表（采用java方式建立底层模型，自动生成系统各类报表，同时兼容了EXCEL的各种操作特点，方便运行）、权限管理（制定不同优先级的权限用户，权限内容包括实时库读写、历史库读写、图形查看编辑等，并按照分层分级的原则在系统支撑平台上对数据进行过滤处理，从而提高上层应用的处理效率）、运行告警（故障预警、越限报警、人工操作告警等）。应用功能包括：数据采集（对风力发电、光伏发电、低压负荷开关柜的运行状态数据采集与显示）、监控功能（储能系统运行监控、负荷监控、分布式发电预测、风光储协调控制）、分析功能（实时分析分布式电源的发电状况、电力负荷的用电需求、微电网与主网并网点的功率交换情况，统计电网内的发电量、用电量、工程投资、经济效益

图4　软件框架

等）、能量优化管理功能（针对微电网容量配置和电网调度需求，定制协调控制功能，主要包括紧急控制、模式切换、功率平衡、无功优化、电能质量、孤岛检测等功能模块）。

3.3现场应用

所设计的微电网通信架构以及能量优化管理系统应用于长岛分布式发电及微电网建设工程中。在工程调试中，使用监控系统作为后台接收规约模块上传的数据，并存储到实时数据库中，以组态的方式显示到调度员屏幕上，从而能清晰地判别实时数据库数据是否和预设数据一致。通过开展微电网并网与孤网的模式切换试验进行测试［7］，对微电网内风电和光伏、储能模块、电力用户负荷等的遥测、遥信、遥脉的数据进行上行测试，同时测试下行数据，包括控制命令，遥调命令，定值的下发，达到了预期效果。

4　结语

在分析海岛微电网的通信需求基础上，设计分层的海岛微电网通信架构，结合长岛分布式发电及微电网示范工程进行测试验证，达到了遥测、遥信、遥控、遥脉、定值信息的通信要求，促进了电力流、业务流、信息流高效的融合，有力支撑了海岛微电网供电系统的安全、稳定、优化运行。

［1］《全国海岛资源综合调查报告》编写组.全国海洋资源综合调查报告［M］.北京：海洋出版社，1996.

［2］王成山，李鹏.分布式发电、微网与智能配电网的发展与挑战［J］.电力系统自动化，2010，34（2）：10-14.

［3］蹇芳，李建泉，吴小云.基于IEC 61850标准的微电网监控系统［J］.大功率变流技术，2012（2）：26-29.

［4］邓卫，裴玮，齐智平.基于IEC 61850标准的微电网信息交互［J］.电力系统自动化，2013，37（3）：6-11.

［5］YANG Q，BARRIA JA，GREEN TC.Communication Infrastructures for Distributed Control of Power Distribution Networks［J］IEEETRANSACTIONSONINDUSTRIALINFORMATICS，2011，7（2）：316.

［6］查申森，窦晓波，王李东，等.微电网监控与能量管理装置的设计与研发［J］.电力系统自动化，2014，38（9）：232-239.

［7］黄曼青，李峰，蒋成杰.基于智能变电站技术的集中式微电网能量管理和稳定控制系统［J］.电气技术，2014（S1）：24-27.

Communication System Architecture Design for Island Microgrid

DENG Hua1，LI Guanglei2，SUN Yelong3，ZHANG Tingting1，ZHAO Peng2
（1.State Grid Yantai Power Supply Company，Yantai 264001，China；2.State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China；3.State Grid Longkou Power Supply Company，Longkou 265700，China）

Communication needs of the island microgrid are analyzed，and the communication system with layer model architecture is proposed in this paper.The specific programmatic definition is put forward from three levels，namely，equipment layer，middle layer and substation control layer，to achieve information communication and interactive control with properties of high speed，real-time and bilateral interaction.The proposed microgrid communication scheme has been verified by the distributed generation and microgrid demonstration project in Changdao，which can provide communication guarantee for regulation of island microgrid.

island microgrid；communication system；information fusion；operation monitoring

TM727；TN919

A

1007－9904（2016）07－0025－04

2016-02-26

邓华（1970），男，高级工程师，从事信息通信相关工作；

李广磊（1985），男，工程师，从事分布式发电及微电网接入控制相关工作；

孙业隆（1974），男，高级工程师，从事电网信息安全相关工作；张婷婷（1981），男，高级工程师，从事电网规划相关工作；

赵鹏（1985），男，工程师，从事电力系统运行控制相关工作。