面向综合能源网络的融合通信系统的设计与应用

杨云涛

（国网陕西省电力有限公司，西安 710061）

0 引言

当前，建设以低碳化、智慧化、电气化为核心的综合能源利用体系，成为行业发展共识。综合能源服务将多类型能源的生产、存储、传输、消费以及能源市场交易进行深度融合，最终达到节能减排、提升能效的目的。在现代信息技术和传感器技术的支持下，综合能源服务体系已由传统的能源价值链向多要素协同优化的能源网络转变，其中，融合通信系统在能源网络的数字化、智慧化方面起到了支撑作用。

融合通信系统是支撑综合能源网络实现在线监测、远程控制、指令调度、数据传输等建立的综合通信体系，是综合能源网络的重要组成部分。综合能源网络通信系统的功能需求和性能需求，与电力通信网等传统通信系统既有关联，又有显著区别，目前综合能源领域还没有通用的通信标准。文献[1]构建了以电能为载体的能源互联网信息通信总体架构，其中通信网络作为基础资源，支撑数据可靠传输、业务正常运行和决策快速部署；文献[2]将IEC 61850技术推广至微电网通信系统领域，提出一种广泛适用的微电网通信体系架构；文献[3]提出适应电力物联网的通信网新架构，从面向新业务的电力通信网关键技术应用和发展趋势两方面进行探索；文献[4]提出了能源互联网共享运营平台的技术架构，其中以电力专网、第三方通信网作为网络层，支撑业务系统、设备等数据安全传输。这些研究主要集中于通信技术的性能参数、应用范围的比较分析，没有充分考虑综合能源业务对通信系统建设的功能需求和性能需求。

本文依据智慧园区综合能源网络架构，分析了综合能源网络通信需求，设计了面向智慧园区的综合能源网络融合通信系统，并通过某综合能源示范项目中通信系统的现场应用，验证了该系统的可行性和有效性。

1 智慧园区综合能源网络架构

从能源输入看，电力、热力和天然气是智慧园区综合能源网络的主要能源。通过对文献[5-6]提出的园区综合能源系统架构进行优化，构建由源、网、储、荷四个模块组成的智慧园区综合能源网络架构，如图1所示。外部能源供应网络由电网、天然气管网、热网组成，内部包含能源传输、存储设备，满足用户侧电、热、冷、气4种负荷消费需求[7-9]。

（1）源模块包括电网、天然气网、热网，分别由变压器、压缩机、热交换站作为输入，风能和太阳能分别通过园区风力发电机和光伏机组输入。

（2）网模块中，应用电解制气、电制冷、电锅炉、燃料电池、燃气锅炉、冷热电联产（Combined Cooling Heating and Power，CCHP）等设备及系统，实现能源的相互转化，构建能源输送和分配网络，支持电、热、冷、气的综合供应[10]。

（3）储模块包括电、热、冷、气储能装置，抵消能源峰值需求，起到能量缓存作用。

（4）荷模块是园区综合能源网络的能源消费环节，为用户提供灵活、低碳、安全、高效的能源供应。

2 智慧园区综合能源网络通信需求

基于图1，从性能和功能两个维度分析智慧园区综合能源网络对通信系统的主要需求。

图1 智慧园区综合能源网络架构Fig.1 Architecture of integrated energy system for smart park

2.1 功能需求

综合能源网络依赖通信系统，实现对多种能源的协同传输与优化控制，包括工业控制、能源计量、设备状态监测等业务，覆盖电力、天然气、热力的传输管线、控制开关、计量终端设备等，其对通信系统的功能需求可分为3个方面。

（1）工业控制。主要包括智慧园区冷、热、电、气等能源网络节点的自动化控制；分布式能源系统的运行控制；部分网络节点设备的遥测、遥控采集和控制等。

（2）能源计量。通过在能源输入侧、消费侧以及重要的控制与负荷节点，应用计量装置或传感器，实现数据采集、校验、分析、处理以及权限控制等功能。

（3）设备状态监测。主要包括能源网络及重要设备的运行监测，如对CCHP、充电站（桩）、光伏、风电、储能装置的监测等。

2.2 性能需求

从实时性、带宽、可用性、安全性、可扩展性5个方面，分析智慧园区综合能源网络对通信系统的性能需求。

2.2.1 实时性

能源网络通信系统传输的数据类型主要有状态量、量测量、控制量、其他量等，各类数据传输的优先级见表1，各类数据传输实时性要求见表2[11-13]。

表1 综合能源网络融合通信系统主要传输数据Tab.1 Main transmission data of integrated energy network converged communication system

表2 数据传输实时性要求Tab.2 Real⁃time data transmission requirements

2.2.2 带宽

通信带宽与业务需求、用户数量、站点数量密切相关。以综合能源网络中的电网通信为例[14]，对通信带宽进行估算，含冷、热、气的园区通信系统带宽需求可参照计算。

2.2.2 .1 终端需求估算

通常情况下，变电站的调度数据系统带宽需求Bs=192 kbit/（s·站），配网自动化系统的单个无线节点带宽需求Bd为3~4 kbit/（s·站）。

2.2.2 .2 收敛比设定

变电站至汇聚层收敛比为1（不收敛），汇聚层至核心层收敛比取1：2（50%），核心层至骨干层收敛比取1：2（50%）；配网自动化系统无线节点并发率为1：10（平均每个时刻有10%的节点在发送数据）；带宽冗余度一般取总带宽需求的20%。

2.2.2 .3 计算公式

（1）APN专网GRE专线带宽需求：[无线节点数量×10%（并发率）×Bd]×120%。

假设一个区域内有2048个无线节点，根据公式计算需要GRE专线带宽0.8~1 Mbit/s。

（2）汇聚层至核心层带宽需求：[（下辖变电站数量×Bs）×50%（收敛比）+1024 kbit/s（汇聚层自身需求）]×120%。

假设县级区域下辖10个变电站，根据公式计算其上行带宽需求为2.2~2.4 Mbit/s。

（3）核心层至骨干层带宽需求：[所有下辖汇聚节点需求带宽之和×50%（收敛比）+（下辖变电站数量×Bs）×50%（收敛比）+配网自动化系统带宽×50%（收敛比）+2048 kbit/s（核心层自身需求）]×120%。

假设市级节点下辖5个汇聚节点，每个汇聚节点上行带宽与上述计算一致，同时市级节点下辖变电站20个，则根据公式计算其上行带宽需求为8~10 Mbit/s。

2.2.3 可用性

融合通信系统支撑着综合能源网络的安全可靠运行，综合能源网络对融合通信系统具有极强的依赖性，可实现多种能源的协同传输与优化控制。融合系统通信遥信、遥测、遥控业务对于可用性的要求如表3所示[15]。

表3 融合通信系统可用性要求Tab.3 Communication system availability requirements

2.2.4 安全性

在综合能源网络通信系统安全性方面，国内还没有统一的标准，本文以电力系统作为参考，根据《电力二次系统安全防护规定》及《电力二次系统安全防护总体方案》的要求，电力二次系统安全防护工作应坚持安全分区、网络专用、横向隔离、纵向认证的原则[16]。

2.2.5 可扩展性

综合能源网络融合通信系统应易于扩展，当能源网络增加电、热、冷、气的负荷节点，或光伏、风电、储能等控制节点时，通信网络应具备标准化和即插即用的功能，以支撑综合能源网络实现“平台化”拓展。

3 综合能源网络融合通信系统设计

依据以上分析，设计适用于智慧园区综合能源网络的融合通信系统，对各种通信技术选型及组网方式进行分析和设计。

3.1 系统架构

智慧园区综合能源网络融合通信系统架构如图2所示，系统包括多种通信方式独立应用与综合应用，满足综合能源网络对通信方式的性能与功能需求。与综合能源网络调控层、区域层、终端层对应，通信系统一般分为三层：骨干网、接入网和驻地网[17]。

图2 智慧园区综合能源网络融合通信系统架构Fig.2 Architecture of converged energy network communication system for smart park

对融合通信系统涉及的主流通信技术，从带宽、时延、传输距离、技术标准、适用场景等方面进行比较，结果如表4所示。各级通信方式的选择，应综合考虑能源网架特性、通信技术特征、数据节点地理分布以及场景环境影响4个因素。当园区规模较小且相对集中时，调控层、区域层合二为一，通信系统也可由三层简化为两层，即以光纤构建骨干网，以工业以太网、无线通信等灵活多样的通信方式构建驻地网。

表4 融合通信系统主流通信技术比较Tab.4 Comparison of mainstream communication technologies in converged communication system

3.2 骨干网

骨干网提供汇聚子站与通信主站之间的数据通道，支撑能源网络调度服务器、数据库服务器运行，一般以SDH/MSTP（多业务传送平台）作为骨干网，满足大带宽、低时延、高可靠需求，同时与上级网络通信协议兼容[18]。

智慧园区各类通信子站最终汇聚到骨干网。骨干网每一个汇聚子站均设置SDH交换机，采用光纤自愈环网，具有高速、可靠、实时的优势，将能源网络的骨干节点（子站）信息与调度中心（主站）互联，实现全网集中统一管理，由调度中心对风机、光伏、变压器、压缩机、热交换站、储能设备、CCHP系统进行集中控制，通过优化各项控制参数，实现对源、网、储、荷模块的统一调度，满足用户对电、热、冷、气四类负荷的需求，同时实现综合能源网络建设和运营成本最优的目标。

3.3 接入网

接入网构建驻地网至汇聚子站之间的数据通道，将驻地网集中的数据汇聚并发送至骨干网，同时将骨干网调度数据下行发送到驻地网。园区通信一般以GPON/EPON作为接入网通信方式，相比SDH/MSTP骨干网，PON网络投资较少，运维简单，可以满足智慧园区子区域内、短距离、1.25~10 Gbit/s带宽下的通信需求。

接入层通信网络应因地制宜，可综合采用光纤、载波、无线等多种通信方式，实现多种方式的统一接入、统一接口规范和统一管理，并支持以太网和标准串行通信接口。以园区配电网为例，接入网汇聚的范畴以10 kV网段为单位，将10 kV网段内所有用户信息收集汇聚后，接入至骨干网。对于用户较为集中的园区，通信系统由双环GPON/EPON光纤构成接入网，对于较为分散的控制节点，可采用4G/5G终端实现接入。

3.4 驻地网

驻地网支撑综合能源网络中终端数据的采集和监视以及操作指令的执行。驻地网一般选择工业以太网、载波、ZigBee、WiFi、4G/5G、RS485总线、230 MHz无线专网等通信方式。由于园区综合能源业务种类、设备类型、部署方式等不尽相同，驻地网对通信网络带宽、容量、实时性、可靠性、安全性等需求存在较大差异，但总体具有方式灵活、成本低、覆盖广、安全性和可用性较高的特点。

融合通信系统以多种通信方式满足园区综合能源业务的通信需求。光伏、风电、CCHP、配电、储能等能源控制终端，在智慧园区中作为数据汇聚、边缘计算、应用集成的中心，具有高可靠、低时延、大带宽的通信需求，一般采用工业以太网、5G、RS485总线、230 MHz无线专网等通信方式与业务主站系统进行数据交互。智能表计、传感器、配网自动化等能源计量、设备状态监测（控）业务，具有数据量大、覆盖范围广、双向可靠通信的需求，一般以高速电力线载波（High-Speed Power Line Carri⁃er，HPLC）、4G、RS485总线为主，结合园区数据采集、视频监控等业务的实际需求，因地制宜选取Zig⁃Bee、WiFi等辅助通信方式，并可根据园区内光纤网络、无线专网覆盖情况灵活切换。

4 工程应用

按照设计的融合通信系统架构，建立某园区综合能源示范项目通信系统架构，基于融合通信系统构建智慧园区能源物联网云平台，应用安全防护措施，并对系统性能进行测试。

4.1 项目概况

项目定位区域多能互补、循环利用的综合能源园区，以电能、天然气、光伏、风能等多能供给，依托国家级输气管线，园区规划120 km2，建设110 kV变电站3座，液化天然气（LNG）工厂1座(日处理天然气40万m3），35 MPa加氢站1座，光伏装机为32 MW，风电装机为16 MW，热电联产装机为27 MW，余热锅炉蒸汽产量36 t/h。

项目利用风、光、天然气发电，通过LNG液化、制氢、充电等环节消纳后，余电上网，未上网电量转化为电池储能。热能形成高温蒸汽，供应园区内的化工、纺织、食品生产企业，富余热量用于园区冬季供暖，园区整体实现源网荷储一体化建设目标。

4.2 通信系统架构

园区通信系统架构主要满足智慧园区能源物联网云平台与终端之间高可靠、低时延、差异化的通信需求，建成以光纤为主、多种通信技术为辅的融合通信网络。

园区骨干网基于MS-OTN技术的OptiXtrans光传输设备，实现SDH、PKT、OTN技术融合，单通道最大带宽200 Gbit/s。建设接入网3个，基于SmartAX EA5800设备，GPON端口数量最多272个，最大带宽10 Gbit/s，接入网覆盖变电站3座、光伏控制终端126个、风机控制终端32个、环网柜34台、柱上开关274台。驻地网采用4G/5G、HPLC、ZigBee技术接入智能电表1.3万只、设备状态监测传感器0.6万余个，通过工业以太网、RS485总线接入配电智能终端设备262台，通过WiFi实现CCHP、变电站1080P高清视频回传，无人巡检实时数据回传等。

4.3 云平台部署

基于融合通信架构和回传数据，建设了智慧园区能源物联网云平台，涵盖LNG液化工厂、热电联产、加气站、加氢站、风电场、屋顶光伏、变电站7个应用场景，各场景具备状态感知、运行监测、视频监控、智能运维等功能[19-24]。

平台部署架构如图3所示。通过在能源节点部署一、二次设备和智能终端等装置，智能感知和识别能源网络运行工况、设备状态、环境情况及其他监测数据，根据生产及管理需要，通过驻地网、接入网、骨干网上传必要数据至综合能源云平台主站。应用大数据、人工智能技术，对园区能源网络运行状态进行精准监控，实现广泛的能源网络状态全景感知，对运行数据进行在线分析与深度挖掘，基于主站侧负荷约束和激励机制，在用能高峰期，通过云平台发出需求响应指令，柔性、精准调节用能负荷，缓解高峰压力，保障能源网络安全运行。

图3 基于融合通信系统的智慧园区能源物联网云平台架构Fig.3 Energy IoT cloud platform architecture of smart park based on converged communication system

4.4 安全防护

智慧园区能源物联网云平台的安全防护包括终端防护、网络防护和平台防护三部分。

（1）终端防护：对智能表计、传感器、控制终端等根据应用场景采取硬件加密，对通信终端及传输设备采用基于身份认证和加密防护措施，实现终端与主站之间控制指令和关键业务数据的安全防护。

（2）网络防护：对WiFi、ZigBee等短距离无线方式，在厂房、台区、能源站等区域配置安全网关，满足数据就地接入需求。用能信息采集业务通过租用运营商APN通道（无线公网）、230 MHz无线专网，经统一安全网关接入云平台。

（3）平台防护：云平台设置生产控制区与互联网区，两区通过防火墙、网络安全隔离装置实现物理隔离，平台对口令数据、隐私数据和关键业务数据等敏感信息的本地存储进行加密保护，通过访问权限控制、数据脱敏等措施实现平台安全防护。

4.5 系统测试

通过对传输速率、传输延迟、误码率等主要性能参数的测试，典型应用场景时延测试结果如表5所示。所建立的融合通信系统架构具有设备模块化、接口标准化、网络可拓展等特征，支持能源网络节点通信设备即插即用，满足工业控制、能源计量、设备状态监测等应用场景的数据传输要求。

表5 融合通信系统典型应用场景时延测试结果Tab.5 Delay test results of typical application scenarios of converged communication system

5 结束语

融合通信系统是综合能源网络的重要组成部分。对多种通信技术的集成研究，既有利于新技术的推广应用，又有利于增强已有系统建设的薄弱环节，提高综合能源网络的自动化和数字化水平。本文设计了面向智慧园区的综合能源网络融合通信系统，包括骨干网、接入网、驻地网三层，涵盖了主流通信技术的独立应用和集成应用。通过工程现场应用验证了设计系统的可行性和有效性，可有效满足智慧园区综合能源网络各类应用场景的高可靠、低时延、差异化通信需求，为融合通信系统在综合能源网络中的应用研究提供了架构支撑和技术验证。