项目背景
通信技术是智能电网研究与建设中的关健技术。目前智能变电站、智能配电网、并网型微电网的通信技术都已得到了深入地研究及广泛地应用。
智能变电站的通信网络主要承载保护、测量、控制、状态监测、告警、计量等信息流的传输，根据信息类型的不同可以分为SV报文、GOOSE报文、MMS报文及对时报文。SV报文具有传输数据量大，报文长度固定，对实时性和同步性要求高的特点。GOOSE报文具有报文数据量小，报文长度短，有一定的突发性等特点，同样对实时性和同步性也有很高的要求。由于智能变电站对通信网络在扩展性、可靠性、实时性方面提出了更高的要求，所以目前智能变电站的通信组网方案一般采用三层设备两层网络(三层设备：站控层、间隔层、过程层，两层网络：过程层网络、站控层网络)的结构。而针对保护装置多采用直采直跳方式，合并单元与装置直接通过光纤相连，不经过过程层交换机，以最大限度地避免信息丢失及保证采样间隔和传输延时的稳定性。
智能配电网的通信网络为完成生产控制与信息管理而建设，承载配电网SCADA、负荷控制管理、远程抄表等业务。根据状态信息、测量信息、控制信息等不同类型数据信息对网络传输的实时性、可靠性、带宽的要求，以及由于配电网具有配电设备数量多、分布广;通信网络数据量相对少;结构复杂多变等特点，配电通信网采用骨干层、接入层的分层组网模式。骨干层网络采用光纤自愈环网结构，接入层采用以太网无源光网络(EPON)、工业以太网等高速网络。其中EPON通过分光器形成点到多点传输网络，本身适应配电网复杂多变的拓扑结构，并且可以节省大量光纤资源，为配电通信网接入层的首选方案。
并网型微电网的通信网络连接元件级、微网级、调度级三级设备，实现微电网相对于大电网为单一受控单元、微电网内部自主控制管理功能。微电网通过工业级以太网络联连，采集各元件运行参数，下发控制命令。
兆瓦(MW)级海岛微电网包含发、输、变、配、用、调度六大环节。本文借鉴智能变电站、智能配电网、并网型微电网所采用的通信技术，提出适用于兆瓦(MW)级海岛微电网的对“上”至上级电网、主站内两层信息网络、对“下”至配用电环节的三级通信网络架构体系。并在文中以我国首个兆瓦级的南麂岛工程为例，简述该海岛微电网的系统结构，阐述了南麂岛微电网保护控制及管理系统的架构、网络通信系统的架构组成及关键技术、配置原则及设备选型等。
[pagebreak]兆瓦级海岛微电网系统架构
以浙江南麂岛工程为例说明海岛微电网设备配置和接线方式等系统结构，南麂岛离网型微网示范工程充分利用阳光和风，在岛上建设风力发电系统、光伏发电系统以及储能系统，同时还结合电动汽车充换电站、智能电表、用户交互(可中断负荷交互)等先进的智能电网技术。系统采用单母分段主接线方式，由6组500 kW储能变流器PCS、4组500 kWh锂电池、2组500 kWx10 s超级电容构成储能系统，545kWp光伏电池组、10台100kW风力发电机组及2台300kW柴油发电机、2台500kW柴油发电机构成发电系统，平均负荷在1MW左右。系统结构如下图所示，其中柴发距离主站0.5km，10台风机分成两组，每5台共用一台变压器升压，两条风力发电输电线路长4km，光伏发电后隆站输电线路长2.5km，两条配电线路分别长8.5km和4km，共有23台配电变压器，用电负载为1 MW。
南麂岛微电网系统结构图
兆瓦级海岛微电网系统通信网络分析
海岛微电网管控系统结构图
1、海岛微电网通信网络需求分析
具体海岛微电网对通信网络的需求主要体现在以下几个方面。
(1) 微电网的保护信息、测量控制信息、状态监测信息、告警计量信息(MMS服务)的传输需求。基于此类信息，微网主站调控层完成常规的监控及经济优化调度。相对于智能变电站，微电网的信息采集地理范围更广，设备分类众多。
(2) 跳闸报文和快速报文(GOOSE服务)、原始数据报文(SV)的传输需求。基于此类信息，实现微网内集中式保护、功率扰动控制及故障数据信息记录功能。此类信息具有实时性及高可靠性的要求，需要有高实时和高可靠的通信网络系统作支撑。
(3) 经济性和高效管理的需求。对于微电网通信网络进行结构简化和性能提升，可以有效降低组网的复杂度，适应海岛微电网经济高效的运行要求。
[pagebreak]2、通信网络技术分析
(1) 分层分网的网络通信架构
现行智能变电站自动化系统基于IEC61850标准定义的数据接口模型，采用“三层设备，两层网络”结构，二次设备装置分为站控层、间隔层和过程层，层与层设备间通过站控层网络、过程层网络实现。
站内通信网络用来传输保护、测控、计量、向量测量、故障录波等业务数据，主要数据报文有制造报文(MMS)、面向通用对象的变电站事件(GOOSE)、采样值(SV)和同步信息PTP共4类。站控层采用双星形或星形以太网络，MMS、SNTP共网传输，过程层网络一般采用保护直采直跳方案，GOOSE、SV独立组网模式。SV和GOOSE独立组网一方面不利于整站信息共享互动，另一方面造成过程层交换机数量过多，导致网络结构和接线复杂，网络设备可靠性降低。
(2) SV和GOOSE共网传输技术
SV报文用于过程层和间隔层间设备的单向采样值传输。SV报文传输数据量大，报文长度固定，由于采样频率固定，占用通信网络资源也固定，对实时性和同步性有很高的要求。GOOSE报文用于间隔层之间的联闭锁信号和间隔层与过程层间的位置信号、状态信号和控制信号等。GOOSE报文数据量小，报文长度短，网络负担轻，同样对实时性和同步性有很高的要求。系统发生故障时，报文有一定的突发性。在智能变电站的通信组网方案中，一般采用GOOSE和SV独立组网的方式。对于GOOSE、SV共网传输的组网方式进行信息的采集和数据的传输，这种组网方式下，间隔层的设备信息直接通过一根光纤就可以实现与过程层的数据交换，无论是从安装还是运维方面都是比较简单方便的。过程层传输的信息除了SV采样值和GOOSE信息外，还可以有少量辅助信息，如对信息、网络设备管理信息等。理论分析证明了该技术的可行性。
(3) 配电接入网通信技术
配用电通信网络：采用两台OLT，10台ONU及20台分光器，每个ONU对应两个分光器，形成跨OLT保护。分光器10%的分支与ONU的PON相连接，90%的分支通过ODF架继续延伸至下级业务节点位置，以此类推。ONU连接配网的智能终端采集信息。
以太网与PON的结合，产生了以太网无源光网络(EPON)。它同时具备了以太网和PON的优点。EPON媒质的性质是共享媒质和点到点网络的结合，在下行方向，拥有共享媒质的连接性，传输数据采用广播的方式，而在上行方向其行为特性就如同点到点网络，数据传输采用时分多址技术，由于其光分配网络采用无源光器件，无需租用机房和配电电源，维护简单。EPON技术在电力系统配电自动化、电力光纤到户等领域已逐步开展应用。
[pagebreak]兆瓦级海岛微电网通信网络架构
通过深入分析智能变电站及智能配电网、并网型微电网的通信架构方案特点及相关技术，结合海岛微电网的保护控制及管理系统的业务需求，提出了海岛微电网对“上”至上级远方调度主站、微网主站内两层信息网络、对“下”至配用电环节的三级通信网络架构体系。
海岛微电网通信网络架构
南麂岛微电网通信系统案例
南麂岛微电网示范工程的通信系统采用文中论述的分级结构通信网络架构的方案。
(1) 站内调控层通信网络：选用4台多电口光口工业级交换机构成，连接集中控制层设备12台、就地控制层设备27台、其它智能设备5台。
(2) 站内过程层通信网络。选用3台16光口工业级交换机构成，连接集中控制层设备8台、就地综合智能终端19台，PCS6台，SV采样频率24点/周。
(3) 配用电通信网络：采用两台OLT，10台ONU及20台分光器，每个ONU对应两个分光器，形成跨OLT保护。分光器10%的分支与ONU的PON相连接，90%的分支通过ODF架继续延伸至下级业务节点位置，以此类推。ONU连接配网的智能终端采集信息。
(4) 对时网络：采用一台主时钟设备、二台对时扩展装置。主站调度层设备采用SNTP网络报文授时，就地安装的智能终端及集中控制层设备采用光B码信号授时。
结论
海岛微电网涵盖电力系统的发、输、变、配、用、调度的六大环节，其运行控制与管理模式完全依赖于可靠的信息采集与传输，可靠、安全、经济、高效的通信系统是微电网运行控制与管理的基础环节。本文在系统分析了微电网通信系统的特殊问题及主要需求后，综合智能变电站、智能配电网中的通信架构及相关通信技术的基础上，提出了分级结构的海岛微电网通信网络架构，并结合南麂岛微电网示范工程，介绍了该网络架构在工程应用的实际应用方案。基于此通信网络架构的南麂岛微电网已于2014年9月26日正式投入运行，已为岛上居民提供光伏发电、风力发电等清洁能源。本文提出的分级结构的海岛微电网通信网络架构，为海岛微电网的通信系统的研究与建设提供了重要的理论支撑和实践依据，将为微电网和海岛微电网的工程设计及建设提供很好的借鉴作用。
