基于無線通信的智能分布式饋線自動(dòng)化技術(shù)

錢肖,溫彥軍,張文杰,沃建棟,黃亮亮

(1. 國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司金華供電分公司,浙江 金華 321000；2. 上海金智晟東電力科技有限公司,上海 200233)

0 引言

當(dāng)前,配電網(wǎng)建設(shè)的一個(gè)重要目標(biāo)是提高供電可靠性[1],而饋線自動(dòng)化 (feeder automation,FA)是提高配電網(wǎng)供電可靠性的重要技術(shù)手段。當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí),配電終端可自動(dòng)判別、隔離故障區(qū)域,完成非故障區(qū)域供電恢復(fù)[2—5]。目前,配電終端主要采用電壓時(shí)間型、主站集中式和智能分布式3種FA模式[6—10]。隨著配電自動(dòng)化建設(shè)的推進(jìn),智能分布式FA[11—14]以其配電終端間對(duì)等通信的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在配電網(wǎng)應(yīng)用中受到青睞。由于智能分布式FA的對(duì)等式通信對(duì)通信介質(zhì)要求高,目前主要采用基于以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)(ethernet passive optical net-work,EPON)或工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的光纖通信方式。該方式需鋪設(shè)專門的光纜通道且費(fèi)用昂貴,對(duì)于老城區(qū)或舊線路改造的項(xiàng)目實(shí)施困難。

目前,飛速發(fā)展的4G/5G無線通信技術(shù)具備組網(wǎng)方式簡(jiǎn)單靈活、通信速率高、傳輸距離遠(yuǎn)、安全可靠性高、無需鋪設(shè)專用的通信通道等優(yōu)勢(shì),可為各類保護(hù)用電氣量、開關(guān)量以及保護(hù)信號(hào)提供一條快速、可靠的傳輸通道和授時(shí)通道[15—17]。但4G/5G無線通信技術(shù)在配電網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中存在可靠性較低、通信時(shí)延較長(zhǎng)等缺點(diǎn),因此在配電網(wǎng)保護(hù)時(shí)鮮少得到應(yīng)用。

文中通過研究智能分布式FA故障處理過程和4G/5G無線通信情況下智能分布式FA的自適應(yīng)性,提出基于4G/5G無線通信的智能分布式FA技術(shù),實(shí)現(xiàn)故障場(chǎng)景下的分布式故障處理和非故障區(qū)域供電恢復(fù),為無線通信技術(shù)應(yīng)用于配電網(wǎng)保護(hù)奠定基礎(chǔ),推動(dòng)配電自動(dòng)化的建設(shè)進(jìn)程。

1 智能分布式FA技術(shù)原理

智能分布式FA是一種區(qū)域自治型饋線自動(dòng)化技術(shù)。當(dāng)配電線路發(fā)生故障時(shí),相關(guān)配電終端以對(duì)等式通信進(jìn)行信息交互,定位故障點(diǎn)、隔離故障區(qū)域、完成非故障區(qū)域的供電恢復(fù)。在智能分布式FA中,每個(gè)終端內(nèi)初始配置了相鄰節(jié)點(diǎn)配電終端的相關(guān)信息,構(gòu)成了配電線路的局部拓?fù)湫畔⒛Ｐ汀．?dāng)終端上電或拓?fù)浒l(fā)生變化時(shí),交換各自的相關(guān)信息,建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。?dāng)線路發(fā)生故障時(shí),產(chǎn)生過流的開關(guān)與相鄰開關(guān)交換故障信息并各自獨(dú)立作出判斷,判定故障點(diǎn)位置后跳閘完成故障區(qū)域隔離,隔離成功后選擇聯(lián)絡(luò)開關(guān)恢復(fù)非故障區(qū)域的供電。

1.1 故障處理算法

文中建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞从尘€路上的配電終端相互連接情況。當(dāng)任一節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí),線路網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)建立拓?fù)涠鵁o需人工操作,且增加或刪除線路中的某一終端不改變整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Network topology

CK1和CK2為2個(gè)變電站的出口開關(guān)；KG1、KG2、KG3、KG5為線路開關(guān)；KG4為聯(lián)絡(luò)開關(guān)。在線路S3段發(fā)生永久故障情況下,智能分布式FA的處理過程如下：

(1) CK1、KG1、KG2檢測(cè)到過流信息；

(2) CK1跳閘；

(3) CK1一次重合閘,此時(shí)故障仍然存在,CK1再次跳閘；

(4) KG1、KG2均檢測(cè)到線路二次過流失壓,通過相鄰開關(guān)間的故障交換,KG2發(fā)現(xiàn)KG3未檢測(cè)到故障電流,KG1檢測(cè)到故障電流,因此判定故障位置在線路S3段；KG3發(fā)現(xiàn)KG2檢測(cè)到故障電流,自身未檢測(cè)故障電流,由此判定故障位置在S3位置；

(5) KG2、KG3跳閘；

(6) KG3跳閘成功后請(qǐng)求KG4合閘恢復(fù)供電；

(7) CK1二次重合閘,恢復(fù)故障上游供電。

1.2 智能分布式FA局部拓?fù)渌惴?/h3>

以圖1的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇槔?智能分布式FA的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣⒘鞒倘缦拢?/p>

(1) 在線路中所有終端初始化完成后,根據(jù)局部拓?fù)淠Ｐ瞳@取相鄰終端參數(shù)信息,包括通信地址、開關(guān)ID等。

(2) 電源點(diǎn)首端開關(guān)KG1、KG5(以KG1拓?fù)浣⒎较驗(yàn)槔M(jìn)行說明)主動(dòng)發(fā)送一條鏈路拓?fù)鋱?bào)文到相鄰開關(guān)。鏈路拓?fù)鋱?bào)文每間隔10 s發(fā)送,拓?fù)鋱?bào)文中包含電源點(diǎn)開關(guān)ID號(hào)、是否帶電、開關(guān)狀態(tài)、電源點(diǎn)電流冗余量和故障信息等。

(3) KG2收到KG1拓?fù)鋱?bào)文后將首端信息更新至自身拓?fù)湫畔⒈碇?并將自身拓?fù)湫畔⒈硖畛渲镣負(fù)鋱?bào)文中,發(fā)至KG3。

(4) KG3及其他開關(guān)繼續(xù)以同樣的方式向下一級(jí)開關(guān)傳遞包含電源點(diǎn)信息的鏈路拓?fù)鋱?bào)文至分位開關(guān)結(jié)束。

(5) KG4開關(guān)為分位,并具有兩側(cè)的電源點(diǎn)信息拓?fù)湫畔⒈?因此KG4為聯(lián)絡(luò)開關(guān)。KG4添加自身的聯(lián)絡(luò)信息至鏈路拓?fù)鋱?bào)文向另一側(cè)電源點(diǎn)傳遞,聯(lián)絡(luò)信息包含聯(lián)絡(luò)開關(guān)ID號(hào)、對(duì)側(cè)電源點(diǎn)ID、帶電狀態(tài)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)ID等聯(lián)絡(luò)拓?fù)鋱?bào)文依次傳遞直至末端開關(guān),最終完成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)洹?/p>

(6) 終端每間隔2 s檢查是否收到拓?fù)浯_認(rèn)幀,若沒收到則再次重發(fā),收到拓?fù)鋱?bào)文確認(rèn)后等待下一次拓?fù)涓隆?/p>

2 基于4G/5G無線通信的智能分布式FA

4G/5G無線通信組網(wǎng)方式較靈活,具有部署快速、成本低、易升級(jí)和擴(kuò)容的優(yōu)點(diǎn),彌補(bǔ)了光纖通信部署難度大、維護(hù)成本高等問題。目前,4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展成熟,并已成功應(yīng)用于智能分布式FA中。5G依托于4G,同時(shí)利用高頻資源和天線陣列,大幅提升無線通信的速率。5G還通過降低信令開銷使終端更加省電,使用非正交多址技術(shù)以支持更多的終端接入。此外,5G通過對(duì)幀結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì),在時(shí)域上縮短每個(gè)子幀從而在物理層上進(jìn)行時(shí)延的優(yōu)化,使時(shí)延降到更低,為對(duì)時(shí)延要求高的應(yīng)用提供基礎(chǔ)。因此,5G可以被用來在配電自動(dòng)化領(lǐng)域替代光纖通信等需要大量接線的通信方式,為配電自動(dòng)化的大規(guī)模應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

配電網(wǎng)中智能分布式FA保護(hù)控制要求響應(yīng)速度小于100 ms,其中快速報(bào)文要求控制在10 ms以內(nèi)。在4G無線通信網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下,報(bào)文傳輸時(shí)間達(dá)不到光纖網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn),因此對(duì)快速性不做具體的要求,不大于1 s即可。未來5G網(wǎng)絡(luò)可以達(dá)到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的要求,即能達(dá)到光纖網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)水平,同樣可以滿足智能分布式FA對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)間的要求。

與光纖通信的有線網(wǎng)絡(luò)相比,4G/5G無線通信通道穩(wěn)定性較差。通信質(zhì)量與通信環(huán)境密切相關(guān),在配電終端間進(jìn)行通信時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)通信中斷、延時(shí)、丟包或多包等異常情況。文中針對(duì)上述問題設(shè)計(jì)了新的智能分布式FA算法,以解決配電終端間通信過程中出現(xiàn)的通信異常問題,使之能夠自適應(yīng)不同的通信信號(hào)模式或自動(dòng)匹配不同的通信質(zhì)量,從而滿足基于4G/5G無線通信的配電自動(dòng)化故障處理需求。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

智能分布式FA終端裝置采集處理當(dāng)?shù)卣军c(diǎn)及其他相關(guān)站點(diǎn)的測(cè)量和控制信息,完成保護(hù)控制決策及動(dòng)作。裝置內(nèi)嵌4G/5G無線通信模塊與加密芯片,采用虛擬專網(wǎng)(virtual private network,VPN)技術(shù),實(shí)現(xiàn)終端之間及終端與主站之間的無線通信互聯(lián)。加密芯片內(nèi)部采用非對(duì)陣加密處理技術(shù),以確保信息的傳輸安全。在配電網(wǎng)中,每個(gè)開關(guān)或環(huán)網(wǎng)柜對(duì)應(yīng)1臺(tái)智能分布式FA終端裝置。終端通過4G/5G進(jìn)行通信交互開關(guān)位置和故障狀態(tài)等信息,實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)快速準(zhǔn)確定位。基于4G/5G無線通信的智能分布式FA系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于4G/5G無線通信的智能分布式FA系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Intelligent distributed FA system architecture based on 4G/5G wireless communication

在無線4G/5G網(wǎng)絡(luò)中,智能分布式FA終端通過工業(yè)級(jí)無線路由器進(jìn)入無線網(wǎng)絡(luò)。采用VPN專網(wǎng)技術(shù)保證保護(hù)數(shù)據(jù)的安全傳輸,VPN專網(wǎng)通過虛擬的安全通道和用戶內(nèi)部的用戶網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接,使公共網(wǎng)絡(luò)上的用戶無法訪問用戶網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的資源。VPN專網(wǎng)內(nèi)所有終端獲取的IP地址均唯一,在VPN網(wǎng)絡(luò)里面所有終端可互相訪問。由于VPN在物理上仍然屬于公網(wǎng),因此為保證網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浔Ｗo(hù)中的數(shù)據(jù)安全可靠傳輸,智能控制終端在應(yīng)用層加入非対稱加密算法進(jìn)行密文傳輸。

為保證FA動(dòng)作過程的安全性,各個(gè)開關(guān)的動(dòng)作之間有嚴(yán)格的時(shí)序和邏輯要求,這就要求各終端間通信時(shí)間指標(biāo)與動(dòng)作信號(hào)傳遞時(shí)間指標(biāo)之間必須嚴(yán)密配合。對(duì)于4G/5G無線通信可能出現(xiàn)的通信中斷、通信延時(shí)與丟包、通信多包等異常情況,文中采用應(yīng)用層協(xié)議控制與故障處理流程相結(jié)合的方法,通過應(yīng)用層的超時(shí)重發(fā)、幀排序、瀏覽控制等協(xié)議控制手段與智能分布式FA故障處理流程相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)終端之間通信的時(shí)間指標(biāo)嚴(yán)密配合,保證智能分布式FA動(dòng)作過程的安全性。

2.2 通信中斷處理

在已知線路拓?fù)錀l件下,當(dāng)線路開關(guān)有1臺(tái)發(fā)生通信中斷時(shí),相鄰終端越過此開關(guān),通過拓?fù)淠Ｐ瞳@取下一級(jí)開關(guān)參數(shù)。根據(jù)開關(guān)參數(shù)中IP地址與下一級(jí)進(jìn)行通信,更新自身的拓?fù)湫畔?并主動(dòng)向下一級(jí)開關(guān)發(fā)送最新的拓?fù)滏溄訄?bào)文。當(dāng)下一級(jí)開關(guān)收到最新拓?fù)鋱?bào)文后,回復(fù)確認(rèn),更新自身的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及相鄰開關(guān)的信息。更新完成后通過拓?fù)淠Ｐ瞳@取下一級(jí)開關(guān)參數(shù),根據(jù)開關(guān)參數(shù)中IP地址與下一級(jí)進(jìn)行通信,直至末端整個(gè)拓?fù)湫畔⑼瓿筛隆?/p>

基于無線通信的智能分布式FA線路開關(guān)發(fā)生通信中斷后處理流程如圖3所示。

圖3 主開關(guān)發(fā)生通信中斷處理流程Fig.3 Flow chart of communication interruption processing of main switch

以圖1為例,如KG3發(fā)生通信中斷,則處理流程為：

(1) KG2發(fā)現(xiàn)與KG3通信中斷后越過KG3,KG2通過自描述模型獲取KG4參數(shù),根據(jù)KG4參數(shù)中IP地址與KG4進(jìn)行通信,并更新自身的拓?fù)湫畔ⅰ?/p>

(2) KG2主動(dòng)向KG4發(fā)送最新拓?fù)溥B接報(bào)文,當(dāng)KG4收到最新拓?fù)鋱?bào)文后,回復(fù)確認(rèn),并更新自身的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及相鄰開關(guān)的信息。

(3) KG4更新完成后通過自描述模型獲取KG5參數(shù),根據(jù)KG5參數(shù)中IP地址即可與KG5進(jìn)行通信,直至末端整個(gè)拓?fù)湫畔⑼瓿筛隆?/p>

線路發(fā)生故障時(shí)通信中斷,如圖4所示。

圖4 線路通信中斷示例Fig.4 Example of line communication interruption

故障處理流程為：

(1) 在通信中斷處理過程中,KG2、KG4之間直接建立連接,KG3從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲袆h除。

(2)S3、S4線路合并為1條線路,當(dāng)故障發(fā)生在S3、S4段,則擴(kuò)大隔離區(qū)域,KG2跳閘,KG4為聯(lián)絡(luò)無需跳閘。

2.3 通信延時(shí)與丟包處理

網(wǎng)絡(luò)延時(shí)是影響無線網(wǎng)絡(luò)通信性能的主要原因之一。網(wǎng)絡(luò)延時(shí)嚴(yán)重及丟包率高和通信中斷之間既有相同也有不同之處。相同點(diǎn)是終端與終端之間無法有效地進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；不同點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)延時(shí)與丟包具有時(shí)間段的特性,即特定時(shí)間段出現(xiàn)通信質(zhì)量下降,這種通信異常是可恢復(fù)的,而通信中斷是不可恢復(fù)的。針對(duì)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)與丟包等通信異常情況,文中采用基于應(yīng)用層協(xié)議控制與故障處理流程相結(jié)合的方法進(jìn)行處理。

線路正常運(yùn)行時(shí),每個(gè)開關(guān)通過給相鄰開關(guān)發(fā)送拓?fù)鋱?bào)文和接收應(yīng)答報(bào)文的時(shí)隙評(píng)價(jià)各個(gè)相鄰開關(guān)的通信質(zhì)量Q,計(jì)算公式為：

Q=R/S

(1)

式中：R為最近拓?fù)鋱?bào)文在時(shí)間T內(nèi)收到應(yīng)答的次數(shù)；S為用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)通信質(zhì)量的敏感程度的參數(shù),通常S=20。

當(dāng)Q小于最小值Qmin或大于最大值Qmax時(shí),動(dòng)態(tài)更新時(shí)間T。如果Q>Qmax,T縮小10%,如果Q

圖5 狀態(tài)轉(zhuǎn)移Fig.5 State transition

當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí),報(bào)文發(fā)送裝置根據(jù)時(shí)間T設(shè)定詢問報(bào)文等待最大時(shí)限,大于時(shí)間T未接收到應(yīng)答報(bào)文則重發(fā)詢問報(bào)文。

2.4 通信多包處理

針對(duì)無線通信中收到重復(fù)報(bào)文的問題,系統(tǒng)采用“重名丟棄”的處理方法。具體處理辦法：羅列系統(tǒng)中的所有報(bào)文,給每條報(bào)文獨(dú)立的“ID號(hào)”。當(dāng)裝置收到第1條報(bào)文后在裝置中記錄其“ID號(hào)”,如果在一段時(shí)間內(nèi)收到相同的報(bào)文則選擇丟棄且不發(fā)送應(yīng)答報(bào)文,多包處理流程如圖6所示。

圖6 多包處理流程Fig.6 Multi-packet processing

3 測(cè)試與驗(yàn)證

3.1 模擬多場(chǎng)景測(cè)試

選擇3種不同的場(chǎng)地搭建測(cè)試場(chǎng)景,部署5臺(tái)智能分布式FA終端,所有終端都已實(shí)現(xiàn)基于無線通信的智能分布式FA技術(shù),FA終端之間通過4G通信,每臺(tái)FA終端連接1臺(tái)測(cè)試儀,如圖7所示。

圖7 測(cè)試配電網(wǎng)絡(luò)Fig.7 The distribution network for testing

首先,采用測(cè)試儀模擬正常三遙數(shù)據(jù),分別通過后臺(tái)監(jiān)控軟件查看終端自身數(shù)據(jù)以及其他終端交互信息,測(cè)試無線通信速率和通信穩(wěn)定性；其次,采用終端測(cè)試儀模擬S1段故障情況,將生成的故障通過測(cè)試儀注入到各臺(tái)FA終端中進(jìn)行驗(yàn)證,線路設(shè)置為首開關(guān)KG2一次重合閘失敗后啟動(dòng)FA,記錄故障處理結(jié)果和故障隔離時(shí)間。為了更有效地衡量通信對(duì)故障處理過程的影響,故障隔離時(shí)間不計(jì)入首開關(guān)跳閘和重合閘的時(shí)間,選擇從首開關(guān)KG1重合閘失敗(第二次跳閘后)到故障區(qū)段隔離完成的時(shí)間。3種不同的測(cè)試場(chǎng)景為：

(1) 空曠場(chǎng)景。選擇一塊空曠的場(chǎng)地依次放置5臺(tái)FA終端,相鄰終端之間距離大約為1～2 km,用來模擬信號(hào)正常情況；

(2) 帶建筑物場(chǎng)景。選擇有建筑物的場(chǎng)地放置5臺(tái)FA終端,終端的位置與空曠場(chǎng)景大致相同,用來模擬信號(hào)有遮擋情況；

(3) 含地下室場(chǎng)景。在空曠場(chǎng)景的基礎(chǔ)上,將FA終端2和測(cè)試儀2放置于地下室內(nèi),用來模擬信號(hào)差情況。

測(cè)試結(jié)果如表1所示。根據(jù)表1的測(cè)試結(jié)果可知,在空曠場(chǎng)景、帶建筑物場(chǎng)景、含地下室場(chǎng)景中,4G無線通信速率和通信穩(wěn)定性依次降低,表明環(huán)境對(duì)4G無線通信的影響較大。含地下室場(chǎng)景的通信質(zhì)量最差,出現(xiàn)通信延時(shí)等異常情況。在3種場(chǎng)景中,故障處理時(shí)間依次增加,證明4G通信環(huán)境逐次惡劣,而故障均能成功被處理則表明文中算法能適應(yīng)不同的4G通信條件。

表1 多場(chǎng)景測(cè)試結(jié)果Table 1 Test results for three types of scenarios

3.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

在國(guó)內(nèi)某條配電線路安裝承載文中算法的FA終端,并已完成現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,投入運(yùn)行?，F(xiàn)場(chǎng)目前采用4G通信方式,后期隨著5G的發(fā)展可替換為5G通信,現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)情況如表2所示。

表2 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況Table 2 On-site operation

現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行結(jié)果表明,發(fā)生故障時(shí)FA終端均能正確定位故障,故障隔離時(shí)間均小于1 s,并能準(zhǔn)確完成非故障區(qū)域的恢復(fù)供電,驗(yàn)證了文中基于4G/5G無線通信的智能分布式FA技術(shù)的有效性。

4 結(jié)論

文中提出了基于4G/5G無線通信的智能分布式FA技術(shù),分別針對(duì)通信中斷、通信延時(shí)與丟包、通信多包3種通信異常情況進(jìn)行算法設(shè)計(jì),采用應(yīng)用層協(xié)議控制與故障處理流程相結(jié)合的方法,實(shí)現(xiàn)故障快速準(zhǔn)確隔離與非故障區(qū)域恢復(fù)。文中選取多種不同場(chǎng)景測(cè)試4G/5G無線通信效果和智能分布式FA故障處理效果,并進(jìn)行了測(cè)試與試運(yùn)行,驗(yàn)證了文中方法的有效性。

本文得到國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司金華供電分公司科技項(xiàng)目“基于4G/5G無線通信的智能分布式FA研究與應(yīng)用”資助,謹(jǐn)此致謝！