分布式新能源接入的电力通信网络可靠性评估

钟朝晖，王程鹏，蒙浩然，张晓波，王智东

（1.中国能源建设集团广西电力设计研究院有限公司，南宁 534000；2.华南理工大学电力学院，广州 510640；3.广州城市理工学院，广州 510800）

引言

随着碳中和、碳达峰目标的提出，电力产业也迎来了新能源转型和升级。光伏发电、风能发电等能源在电力生产中的应用，使得电力系统的生产和输送都受到了影响，同时对电力系统二次设备的要求也进一步提高。多种多样的发电形式需要多个通信接口传送信息，而传统电力系统由于发电形式单一，通信接口数量较少，不能满足当前多种新能源同时使用的要求，因此需要增加接口数量。接口数量的增加对信息传输渠道的要求也进一步提高，传统电力系统发电形式单一，信息传输线路较少。为了满足多种新能源发电电气量的传输，需要进一步扩建信息传输系统，即需要建设更多的信息传输线路，为配电网提供可靠有序的信息支撑。

现有文献大多的关注点在分布式能源中的多资源的有效协同、规划运行、实时性的问题。丁津津、孙伟等都针对变电站多跳无线网络传输的实时性和可靠性进行研究，并提出了多种电力设备在通信时自身所产生的噪声信息对造成通信网络特别无线通信干扰等现象；蒋文辉等针对变电站的远动通信设计了故障性况下冗余通信可靠性提升方案，有较高的应用推广价值；陈琳为突出通信技术在配电网中的潜在应用，结合实际开展了通信网络与电力网的联合信息流优化运行与规划研究；孙辉等以余姚山配电网通信系统为研究对象，对其可靠性进行分析并提出了提升策略。这些研究都考虑了主体间的信息共享依赖于通信网络的可靠运行，并保证了通信网络的可靠性，但均未考虑通信拓扑结构中某部分出现故障时对通信传输的影响。随着分布式能源与电力系统的耦合性日益增强，对分布式新能源接入的电力通信网络可靠性分析与评估对提升资源共享率具有重要意义。本文先分析新能源接入电力通信网络的结构，通过计算出可靠性指标，评估通信网络的可靠性，为指导分布式新能源接入的电力通信网络的建设提供参考。

1 分布式新能源接入电力通信网络结构与接入情况分析

分布式新能源接入电力通信网络的结构与传统电力系统不同，其特点为结构更加复杂、结构进一步扩大。跟传统能源比起来，新能源的种类更多，因此需要更多的信息传输线路、并网开关去并入电力通信网络、传输电气量。例如，传统的燃煤、燃油燃气发电厂要传输信息，需要一定数量的传输线路，如今各种各样新能源发电厂如风力发电、生物质能发电、核能发电厂得到建设，为了从这些新的发电厂传输信息就需要建设新的传输线路。因此分布式新能源接入电力通信网络的结构会更加复杂。分布式新能源因地制宜接入配电网，当前电力通信专网主要面对传统能源发电，设备和接口单一，无法覆盖所有分布式新能源发电和送电区域，需要靠多种灵活的通信手段，实现分布式新能源和配电网的通信相连。

如图1 所示，利用新能源的发电厂如光伏发电、风能发电、生物质能发电厂的电气量信息分别经过各自的并网开关并入主电网，其他的传统变电站也通过变电站开关并入电力通信网。通信网络有联络开关与其他变电站联系，用户也可以通过变压器接入电力通信网。变电站、新能源发电厂、各种开关、用户一起组成了有分布式新能源接入的电力通信网络。电力通信网络的可靠性直接关系到分布式新能源与配电网调控系统的正常运行，因此对通信网络进行可靠性评估具有重要的实用意义。

图1 分布式新能源接入电力通信网络结构

2 分布式新能源接入电力通信网络的可靠性分析

2.1 短距离局域电网

短距离局域电网的通信网络结构如图2 所示。为了提高数据传输的可靠性，电力智能电子设备IED 的信息数据需要同时发送至两个网关中，其中一个网关作为备份，防止由于IED 其中一个通信接口故障或一个网关故障导致无法正常传输IED 的数据。其具体工作原理如下：IED1 的数据通过通信接口1 和通信接口2 将数据上送至网关1 和网关2 中。IED2 等其他IED 同样将数据上送至两个网关中，所有IED 均独立工作。若所有设备正常运行，每个网关都收集到所有IED 的数据，若有设备故障，这种连接方式也能保证至少有一个网关拥有所有IED 的数据，可靠性将得到有效提高。

图2 短距离局域电网的通信网络结构

由于外部物理破坏或信号干扰等原因，不可避免各类设备间会产生故障情况。为了计算短距离局域电网的故障率并进行可靠性分析。先建立短距离局域网模型，如图3 所示。

图3 短距离局域电网可靠性计算模型

IED1、IED2、IED3 和IED4 等4 个设备将信息数据上送至网关1 和网关2 中，在这一阶段不作故障判断，是“或”关系；两个网关连接到上一级再判断。以IED1为例，只要有一个网关接收到了全部正确数据即认为正常工作。只有当两个网关都没有接收到正确的IED1 发出的数据时，才表明发生了故障，所以两个网关之间也是“或”关系。

定义短距离局域电网故障为：不能接收到至少一个IED 传输的数据。出现该情况的可能性有四种（假定故障出现的情况只可能是：IED 故障，IED 连接到网关的线路故障，网关故障）：

1）该IED 所有连接到网关的线路都故障；

2）所有网关都发生故障；

3）IED 故障；

4）s 条线路故障，剩下不与这s 条线路连接的n-s个网关故障。

分别计算这四种可能性出现的概率（故障率），以计算IED1 数据的概率为例，其他IED 计算方法同理。假设一个局域电网中有m 个IED，n 个网关，计算IED1的故障率λIi（i=1，2，…，m）（数值上约等于故障频率fIi（），网关的故障率λNj（j=1，2，…，n）（数值上约等于故障频率fNj），连接到一个IED 的线路的故障率λLk（k=1，2，…，n）一个IED 需要n 条线路与n 个不同的网关连接）（数值上约等于故障频率flj）故障率λ 计算公式如下：

式中：

TMTTF—系统的故障前平均运行时间。

3）λIi（表示第i 个IED 的故障率，这里取i=1）；

故没能收到至少一个IED 传来的数据的概率为：

取该概率为短距离局域电网故障的概率。由于每个故障率都是小于1 的小数，故障计算的公式以乘积运算为主，所以可用的网关越多，故障率越低，该电力通信网络的可靠性越高。当然实际建设时还需要考虑建设成本的问题，本论文不对此进行研究。

2.2 长距离跨域电网

长距离跨域电网的通信网络结构如图4 所示。长距离通信需要更长的通信线路，如果每个网关分别有一条线路连接到电力调控中心，将消费大量的建设成本，所以在近端把网关数据进行汇聚，接到路由器。并通过路由以传输数据到电力调控中心，节省建设成本。

图4 长距离跨域电网的通信网络结构

对长距离跨域电网的故障率进行分析。建立的长距离跨域电网模型如图5 所示。三个局域电网（为简洁表示，图中作了模块化处理，实际局域电网2、3 的结构与局域电网1 即2.1中讨论的模型相同，均为不同数量的IED 接到多个网关）并通过路由器接入电力通信网络，其中只要有一个发生故障，那么就判定为电力通信网络发生了故障，所以是“与”关系。

图5 长距离跨域电网的通信可靠性计算模型

定义长距离跨域电网故障为：无法接收到局域电网中至少一个IED 传输的数据，在2.1计算的基础上，出现该情况的可能性有：

1）其中一个局域电网发生故障；

2）其中一个路由器发生故障；

3）连接局域电网到电力调控中心的线路发生故障。

由于以上3 种有两个同时发生的概率较低，计算时不计入。

根据20株酵母菌在NCBI上的比对结果选取相似度高的已知序列菌株，利用MEGA 4.0做出系统发育树，找出待测菌株与已知酵母种属菌株的关系。

假设一个长距离跨域电网中由p 个局域电网、p 个路由器（每个局域电网配备一个路由器）

λ1i表示第i个局域电网发生故障的概率，由2.1 算出，λj表示第j 个路由器发生故障的概率，λk表示第k 条线路发生故障的概率：

故由本文定义，长距离跨域电网故障的概率：

对长距离跨域电网的可靠性进行分析。根据公式（2）可得，总概率由各个故障率的和组成，所以一个电力通信网络中，组成的局域电网个数越多、路由器、线路越多，故障率越高，即一个电力通信网络的规模越大，它的故障率也越高。

3 电力通信网络可靠性的算例分析

针对图3、图5 所示的电力通信网络进行可靠性算例分析。查GB/T 40435-2021 得，各设备故障率如下所示。图3 中局域电网的电缆长度取1 km。

由式（2）计算得λ1=1 140.92×106/h×106/h；

取不同的电缆长度，故障率计算如表2。

表1 设备故障率

表2 通信线路长度不同的局域电网故障率

由表2 得线路长度越长，故障率越高。

取不同的电缆长度，故障率计算如表3。

表3 通信线路长度不同的跨域电网故障率

由表3 得线路长度越长，故障率越高。

4 结论

本文针对分布式新能源接入的电力通信网络的可靠性进行了评估和研究。通过分析分布式新能源接入电力通信网络的结构，研究新能源接入网络的情况，并计算出分布式新能源接入的电力通信网络的可靠性，为指导分布式新能源接入的电力通信网络的建设提供参考。今后可以研究的方向有：①在建设局域电网通信系统时，把经济性也考虑进来，如线路建设成本；②在建设长距离跨域电网的电力通信网时，如何控制通信网络规模，如把通信网络进一步划分成一个个小区域等；③进一步细化算法，运用建模计算得出电力系统通信网络各组成部分的故障率。