继电保护专网与电力通信网的规划思考

侯 颖 刘 琳

中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司 上海 200001

1 研究背景

为了深入贯彻国家提出的能源安全新战略,顺应能源革命和数字革命相融合的发展趋势,国家电网公司提出全面推进三型两网建设,加快打造具有全球竞争力的世界一流能源互联网企业的战略部署。基于能源转型升级,构建清洁低碳的能源网架构这一初衷,围绕电力系统各环节,充分应用移动互联、人工智能等现代信息技术、先进通信技术,实现电力系统各个环节万物互联、人机交互,具有状态全面感知、信息高效处理、应用便捷灵活特征的智慧服务系统。运用新一代信息通信技术,通过信息广泛交互和充分共享,以数字化管理,使电力通信网运行更安全、管理更精益、投资更精准、服务更优质。

电力通信网向着一体化通信网络的方向建设发展。多种类的新型业务伴随着传统业务的融入,是网络层中重要的关键节点。在十四五电力通信网建设期间,极有必要对目前现役的电力通信网进行架构分析及业务梳理,并通过有计划、有步骤的调整及建设,为电力通信网的建设奠定基础。

2 电力通信网现状

电力通信网作为电网的信息通信传输主干网,承载着越来越多的电力通信业务。从网络架构看,现役的电力通信网架构主要依据调度关系分为四个层级。一级为国干网络,主要以特高压电路及跨区干线组成。二级为区域级网络,主要为区域内500 kV及以上变电站间及跨省电路。三级为省干网络,主要为省内500 kV变电站间及跨地市电路。四级为地市级网络,主要为地市公司区域内35 kV及以上变电站间电路。

在承载业务上,目前电力通信网承载的业务主要有电网运行控制类业务、电网生产管理类业务、企业管理类业务。

电网运行控制类业务主要有线路继电保护、自动化专线、能量管理系统、自动化监控、故障信息管理等。电网运行控制类业务对实时性、安全性、可靠性要求最高。

电网生产管理类业务主要有应急指挥系统、站点视频监控、线路状态监测、营销分析决策、用电信息采集、雷电定位系统等。

企业管理类业务主要有行政电话、会议电视系统、一体化集团企业资源计划系统(SG-ERP)、营销管理系统等。

电力通信网构成及业务支撑架构如图1所示。

按实验方法，分别加入0～5mL 10g/L天然高分子表面活性剂阿拉伯树胶溶液、10g/L非离子表面活剂曲拉通-100溶液和10g/L阳离子表面活性剂十二烷基二甲基氯化胺溶液作为增敏剂，考察3种表面活性剂对体系灵敏度的影响。结果表明：阿拉伯树胶溶液增敏性好，当阿拉伯树胶溶液用量在1～2mL时体系吸光度最大且恒定，吸光度比用曲拉通-100溶液时提高达35%；十二烷基二甲基氯化胺溶液对体系灵敏度影响较小。实验选取1mL的阿拉伯树胶溶液。

图1 电力通信网构成及业务支撑架构

3 电力通信网需求与挑战

枢纽型、平台型、共享型电网的建设目标,在更加安全可靠的同时,也强调了电网的友好互动性和开放共享性。

强调开放、互通、共享,将引入大量非传统电力信息业务等互联网业务。目前的电力通信网每一层级的单套设备同时承载了电网运行控制类业务和电网生产管理类业务、企业管理类业务等。虽在网络层、业务层做了安全等级划分,但在传输层面上还是承载在同一物理设备上。随着电网的发展,电力通信网可能引入更多的管理信息类业务、互联网业务,在这一背景下需要更好地保障线路继电保护等业务的安全,需要考虑组建继电保护专网单独承载继电保护业务,进一步确保电网运行安全。

临场感知和信息交互、感传一体化等关键技术,需要通过一体化通信网络架构等实现实时信息互通。而电力通信网目前以调度管理关系划分的业务层层转接的多层级网络结构,并不能更好地适应信息高水平互联互通的要求,因此需要建立一个上下互通、更为便捷的一体化网络,以更好适应业务的需求和网络的发展。

部分新建变电站及老站改造中,需要按照三站合一的模式建设,即电源中心、储能中心、数据中心。其中数据中心的建设,需要占用一定量的通信机房和通信电源资源。随着近年来各专业业务需求的不断提高,通信设备数量和容量也在不断增加,有的站点机房和电源已趋于饱和,这对为满足三站合一站点的建设要求而进行的机房和电源改造也提出了不小的挑战。

面对上述需求与挑战,考虑将继电保护等安全级别较高的业务从现有电力通信网剥离,承载在专门构建的继电保护专网上,同时梳理电力通信网架构,构建自上而下、贯通始末的一体化通信网络,避免因多层级网络架构造成的光纤、机房、电源资源浪费。

调整现有电力通信网架构,由现有依据调度管理关系、多层级部署传输设备的格局改变为依据业务属性、弱化层级部署传输设备的模式。在确保电网安全的前提下,使其更好适应电力通信网的发展。

4 线路继电保护通道配置原则

国家电网公司对220 kV及以上线路继电保护的配置要求为:220 kV及以上线路继电保护应采用双重化配置,每套保护设备应具备双通道接入能力,原则上应采用光纤通道,其中500 kV及以上双通道线路继电保护应配置三条独立的通信路由,220(330) kV双通道线路继电保护应至少配置两条独立的通信路由,条件具备时,宜配置三条独立的通信路由。

5 线路继电保护通道现状及问题

根据目前500 kV变电站的典型布置规划,通信机房基本都布置在变电站场前区,而500 kV保护室、220 kV保护室则根据需要布置在场地内。因此,站内用于承载继电保护业务的线缆路径如下:通信进站光缆从门型构架引入通信机房内的通信光传输设备,通信机房内的通信光传输设备与通信机房内的保护接口装置之间敷设2M线缆连接,通信机房内的保护接口装置与500 kV保护室内的保护设备之间敷设光缆连接。光缆从门型构架经场地至场前区通信机房,再绕回场地内500 kV保护室。如此,在场地内多次重复敷设光缆,造成电缆沟内空间资源浪费。

此外,目前对保护接口装置与保护设备之间需要敷设的继电保护专用光缆并无强制性条文及相关设计规范,工程中常常出现某一回线路的四根继电保护专用光缆在同一电缆沟敷设的情况,对继电保护通道的安全性产生了很大隐患。因此,光电转换作为继电保护通道的中间环节,也可能成为继电保护通道发生故障的节点。

6 继电保护专网构想

为了一体化通信网络的建设目标,将继电保护业务从业务种类繁杂的现网剥离,考虑构建用于传输继电保护业务的专项网络,同时该网络的建设,也可减少继电保护通道的潜在故障环节。

在目前的工程建设方案中,至A站方向光缆的通信进站光缆从门型构架引入通信机房,再经继电保护专用光缆至500 kV保护室,光缆通道从门型构架经场地电缆沟至场前区通信机房,再绕回场地内500 kV保护室。继电保护专网建设前继电保护通道站内光缆路径如图2所示。

图2 继电保护专网建设前继电保护通道站内光缆路径

如建设继电保护专网承载继电保护业务,并将继电保护专网设备紧随保护设备布置于500 kV保护室内,那么用于继电保护专网的光缆仅需从门型构架直接引入500 kV保护室,不必再引入通信机房,可大大减少光缆在各房间之间反复敷设的故障环节。继电保护专网建设后继电保护通道站内光缆路径如图3所示。

图3 继电保护专网建设后继电保护通道站内光缆路径

目前,用于承载继电保护业务的通信传输设备布置在通信机房,通信传输设备与保护接口装置间2M线缆连接,继电保护业务信息经保护接口装置光电转换后,再传输至保护室内的保护设备。保护接口装置的运行情况并未在通信的可监控范围内,光电转换成为了继电保护通道发生故障的环节之一。继电保护专网建设前的继电保护通道如图4所示。

图4 继电保护专网建设前继电保护通道

将继电保护专网设备布置在500 kV保护室内,可在同一房间内,利用2M同轴电缆实现继电保护专网设备与保护设备之间的直接连接,避免了电、光、电的转换,减少了故障点。

同时,采用2M复用方式组织的继电保护通道,每回线路四套保护接口装置,需要布置在通信机房,占用了通信机房内的部分空间及电源,取消保护接口装置,也在一定程度上,为后期电力通信网的发展及电力数据中心的建设提供条件。继电保护专网建设后继电保护通道如图5所示。

图5 继电保护专网建设后继电保护通道

7 继电保护专网组网

7.1 设备配置

基于业务种类建设的继电保护专网,可以打破固有的网架层级,为满足继电保护通道三条通信路由的要求,实现三条通信路由完全独立,以站为原则,按站配置继电保护专网设备,即在变电站配置三套继电保护专网设备,安装在500 kV保护室内。

7.2 组网方案

按照线路出线方向及光缆资源,逐一建设通信传输电路。在光缆承载网的层面上,打破光缆分层分级,按照光缆共享的原则,统筹利用各级光缆资源,为不同电压等级的线路提供基础资源,如220 kV线路和500 kV线路继电保护通道可交互承载在不同电压等级的光缆上。按照这一原则建设的继电保护专网,每套设备具有多个方向光电路,在安全性上可以满足继电保护业务的要求。

7.3 通道组织

A站与B站之间的某一回线路,配置两套保护设备,每套保护设备具备A、B双保护接口装置,四条通道需按照三条通信路由方式安排。继电保护通道典型方式见表1。

具体通信路由按照一二、一三的方式组织,其中,第一套保护设备的A口(第一通道)利用第一通信路由,第一套保护设备的B口(第二通道)利用第二通信路由,第二套保护设备的A口(第三通道)利用第一通信路由,第二套保护设备的B口(第四通道)利用第三通信路由。继电保护通道配置要求如图6所示。

表1 继电保护通道典型方式

图6 继电保护通道配置要求

7.4 组网模型

在站内布置三套继电保护专网设备,根据变电站光缆方向及数量选择直达光缆与对侧变电站建立直达路由,作为继电保护的第一路由。在满足点对点双光缆的条件下,可选择另一条光缆、另一套继电保护专网设备,建立直达路由,作为继电保护的第二路由。选择最优路由,通常结合路径距离或中间跳接点数量较少的路由,利用第三套继电保护专网设备组织本站至对侧站点的2M复用通道,作为继电保护的第三路由。继电保护专网设备配置及继电保护通道组织方案如图7所示。

图7 继电保护专网设备配置及继电保护通道组织方案

8 对电力通信网规划的建议

随着电力通信网引入更多的管理信息类业务、互联网业务,在这一背景下为了更好地保障继电保护业务的安全,考虑构建继电保护专网单独承载继电保护业务,同时继电保护专网设备与保护设备就近布置在保护室,减少中间电缆沟光缆敷设、光电转换环节,从而在本质上极大提升电网运行安全性。

基于各类信息业务互联互通的要求,电力通信网应考虑统筹各层级光缆、机房、电源资源,本着资源共享原则,打破目前的网络层级结构,减少层层转接环节,由现有的四级分层网络架构向着更加扁平化的网络方向发展,实现架构上的一体化通信网络。

另外,通信机房保护接口装置的取消及通信网络扁平化,可以节省通信机房内部分光缆纤芯资源、屏位资源和电源资源,也为新时代数据中心的建设提供必要的资源支撑。