基于5G 網(wǎng)絡(luò)的智能分布式饋線自動化應(yīng)用探討

周可慧，唐海國，李紅青，朱吉然，張帝，李秩期，許路

(1.國網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖南 長沙 410007；2.湖南省湘電試驗研究院有限公司，湖南 長沙 410004；3.國網(wǎng)湖南省電力有限公司株洲供電分公司，湖南 株洲 412000)

0 引言

配電網(wǎng)作為電網(wǎng)的重要組成部分，直接面向電力用戶，與廣大群眾的生產(chǎn)生活息息相關(guān)，是保障和改善民生的重要部分，是用戶對電網(wǎng)服務(wù)感受和體驗的最直觀對象。配電自動化是提高配電網(wǎng)供電可靠性和管理水平的重要手段[1]，饋線自動化(Feeder Automation，F(xiàn)A) 是配電自動化的重要組成部分，是利用自動化裝置或系統(tǒng)，監(jiān)視配電網(wǎng)的運行狀況，及時發(fā)現(xiàn)配電網(wǎng)故障，進行故障定位、隔離和恢復(fù)對非故障區(qū)域的供電[2－4]。

智能分布式FA 作為新一代配電自動化技術(shù)，通過終端之間的通信，快速處理故障，實現(xiàn)毫秒級故障自愈。然而，此種方式設(shè)備間需要對等通信，對通信要求很高，當(dāng)前主要運用方式為光纖通信。但由于配電網(wǎng)網(wǎng)架分布廣、設(shè)備種類多，外部運行條件復(fù)雜，光纖敷設(shè)存在城區(qū)施工難度大，建設(shè)成本高等不足，難以大規(guī)模建設(shè)與使用[5－6]。隨著5G 網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和其高速度、泛在網(wǎng)、低功耗以及低時延的技術(shù)優(yōu)勢，將5G 網(wǎng)絡(luò)與智能分布式FA技術(shù)結(jié)合，構(gòu)建基于5G 網(wǎng)絡(luò)的智能分布式FA 技術(shù)，可大大減少敷設(shè)成本，降低投資，提高配網(wǎng)自動化的運行、維護和管理水平。

1 智能分布式FA 邏輯策略研究

FA 的主要方式包括集中型FA 和就地型FA[7－8]，集中型FA 通過配電自動化主站系統(tǒng)收集配電終端上送的故障信息，綜合分析后定位故障區(qū)域，再采用自動或人工遙控方式進行故障定位、隔離和非故障區(qū)域恢復(fù)供電。就地型FA 則是不依賴主站，通過終端電壓和時間關(guān)系或者其相互通信來實現(xiàn)，并將處理過程和結(jié)果上報主站。智能分布式FA 屬于就地型FA 一種，通過終端之間的對等通信，在變電站出口斷路器保護動作前，實現(xiàn)毫秒級定位及隔離故障，并恢復(fù)供電，大大提高設(shè)備的供電可靠性，圖1 為智能分布式FA 原理示意圖。

圖1 智能分布式FA 原理示意圖

1.1 故障定位、隔離邏輯

當(dāng)線路發(fā)生故障時，經(jīng)一定時間的故障電流確認(rèn)時間后，若流經(jīng)此開關(guān)的電流大于整定值，則判定本節(jié)點開關(guān)故障，并瞬時觸發(fā)“節(jié)點故障” 信號，該信號隨過流狀態(tài)保持。當(dāng)開關(guān)自身產(chǎn)生節(jié)點故障信號，且鄰側(cè)開關(guān)中有且只有一側(cè)節(jié)點開關(guān)未發(fā)出“節(jié)點故障” 信號，則判斷故障位于此開關(guān)下游，經(jīng)延時后，該開關(guān)動作分閘，并產(chǎn)生故障切除成功信號，故障切除邏輯如圖2 所示。

圖2 故障切除邏輯

當(dāng)線路發(fā)生故障時，若本開關(guān)未檢測到故障且收到鄰側(cè)有且僅有一個節(jié)點開關(guān)的“節(jié)點故障”信號，判斷故障位于該開關(guān)上游，則經(jīng)過延時后，產(chǎn)生故障隔離成功信號，開關(guān)動作分閘，故障隔離邏輯如圖3 所示。

圖3 故障隔離邏輯

1.2 聯(lián)絡(luò)點轉(zhuǎn)供邏輯

現(xiàn)有分布式FA 聯(lián)絡(luò)點的合閘邏輯一般為單側(cè)失壓且收到故障隔離成功信號后延時合閘。但此合閘邏輯并未考慮到線路負(fù)荷承載力，可能發(fā)生在聯(lián)絡(luò)點合閘后非故障線路過載情況，使本來正常運行的線路增加故障隱患。本文將聯(lián)絡(luò)點轉(zhuǎn)供邏輯中考慮到負(fù)荷量，基于與故障線路有聯(lián)絡(luò)的非故障線路首開關(guān)信號確定聯(lián)絡(luò)點是否動作，如圖4 所示，具體步驟包括:

圖4 聯(lián)絡(luò)點轉(zhuǎn)供邏輯

1) 當(dāng)故障進行隔離后，故障下游開關(guān)的“故障隔離成功” 信號與分閘前的負(fù)荷量信息傳遞給鄰側(cè)開關(guān)，鄰側(cè)開關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)給下一級。

2) 當(dāng)聯(lián)絡(luò)點開關(guān)收到隔離成功信號且處于單側(cè)失壓狀態(tài)時，繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)隔離成功信號與隔離點開關(guān)的負(fù)荷量給非故障線路的開關(guān)，若聯(lián)絡(luò)點未檢測到單側(cè)失壓，隔離成功信號與隔離點負(fù)荷量停止轉(zhuǎn)發(fā)。

3) 當(dāng)非故障線路首開關(guān)收到故障隔離成功信號和隔離點開關(guān)動作前負(fù)荷量后，計算首開關(guān)的轉(zhuǎn)供允許最大負(fù)荷量。比較轉(zhuǎn)供允許最大負(fù)荷量與隔離點開關(guān)動作前的負(fù)荷量大小，若轉(zhuǎn)供允許負(fù)荷量大于隔離點開關(guān)動作前負(fù)荷量，首開關(guān)發(fā)出允許聯(lián)絡(luò)點轉(zhuǎn)供信號，轉(zhuǎn)發(fā)給聯(lián)絡(luò)點開關(guān)，聯(lián)絡(luò)點允許轉(zhuǎn)供信號轉(zhuǎn)發(fā)至聯(lián)絡(luò)點后，停止轉(zhuǎn)發(fā)。

4) 聯(lián)絡(luò)點開關(guān)收到允許聯(lián)絡(luò)點轉(zhuǎn)供信號后，若開關(guān)仍處于單側(cè)失壓狀態(tài)，則聯(lián)絡(luò)點合閘，完成聯(lián)絡(luò)點轉(zhuǎn)供。

1.3 通信中斷邏輯

當(dāng)環(huán)網(wǎng)箱之間通信中斷，則通信中斷的開關(guān)檢測到過流或失壓條件時，開關(guān)將分閘，如圖5所示。

圖5 開關(guān)通信中斷邏輯

為更好分析，本文以圖6 為例，假設(shè)開關(guān)1L02 和2L01 之間線路發(fā)生故障，則1L01 和1L02之間會流經(jīng)故障電流，此時1L02 開關(guān)將發(fā)出節(jié)點故障信號，且鄰側(cè)開關(guān)1L01 有節(jié)點故障信號，2L01 不產(chǎn)生節(jié)點故障信號，則此時判斷故障點位于1L02 下游，1L02 開關(guān)動作跳閘，并產(chǎn)生故障切除成功信號；同時，2L01 不產(chǎn)生節(jié)點故障信號，且只收到1L02 節(jié)點故障信號，則判斷故障點位于2L01 上游，2L01 開關(guān)動作跳閘，并產(chǎn)生故障隔離成功信號。2L01 將故障隔離成功信號和開關(guān)動作前負(fù)荷量發(fā)送給鄰側(cè)開關(guān)，再依次轉(zhuǎn)發(fā)至非故障線路首開關(guān)5L02，比較5L02 的轉(zhuǎn)供允許最大負(fù)荷量與2L01 開關(guān)動作前的負(fù)荷量大小，若后者小于前者，則發(fā)送轉(zhuǎn)供允許信號給開關(guān)3L02，開關(guān)3L02收到轉(zhuǎn)供允許信號且檢測到單側(cè)失壓，經(jīng)延時后3L02 合閘，恢復(fù)非故障區(qū)域供電。

圖6 線路拓?fù)鋱D

2 基于5G 網(wǎng)絡(luò)的分布式FA 技術(shù)研究

2.1 5G 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于分布式FA 的必要性研究

通信時延小是分布式FA 運行的基本條件，根據(jù)DL/T 1910—2018 ?配電網(wǎng)分布式饋線自動化技術(shù)規(guī)范? 規(guī)定[9]:速動型的分布式饋線自動化系統(tǒng)，對等通信延時需小于20 ms，故障上游側(cè)開關(guān)隔離完成時間不大于150 ms，遙信上送主站時間小于3s。目前配電終端的通信技術(shù)主要包含電力載波通信、光纖通信與4G 網(wǎng)絡(luò)等。電力載波通信是利用電力電纜作為傳輸媒介，通過載波方式傳輸數(shù)據(jù)信號，其建設(shè)成本較低，但傳輸距離短，易受電網(wǎng)負(fù)載和結(jié)構(gòu)影響，抗干擾能力差；光纖通信是利用光信號傳輸信息，傳輸速度高、容量大、可靠性和安全性高，但是有著建設(shè)成本高，城市敷設(shè)難度大，易受到外界環(huán)境破壞等缺點；4G 網(wǎng)絡(luò)是通過無線通信傳輸數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)配網(wǎng)站點的全面覆蓋，但是4G 通信帶寬無法滿足配網(wǎng)區(qū)域保護的通信數(shù)據(jù)量，傳輸延時較大，信息安全無法得到保障。

隨著配電網(wǎng)的迅猛發(fā)展，各類設(shè)備、終端的通信需求爆發(fā)式增長，尋找一種可替代光纖通信，可廣泛覆蓋整個配電網(wǎng)，可實現(xiàn)智能分布式FA 的無線通信技術(shù)是非常必要的。5G 網(wǎng)絡(luò)大帶寬、高可靠、低延時、多連接等特點正滿足智能分布式FA的通信要求。

2.2 5G 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于分布式FA 的可行性研究

5G 作為新型信息基礎(chǔ)設(shè)施的核心引領(lǐng)技術(shù)，已成為推動產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級及經(jīng)濟社會發(fā)展的新引擎。我國高度重視5G 發(fā)展，在電力行業(yè)中，5G在云邊協(xié)同、狀態(tài)檢測，遠(yuǎn)程巡檢，精確控制等方面都有著巨大的發(fā)揮空間。5G 網(wǎng)絡(luò)定義了增強型移動寬帶 (enhanced Mobile Broadband，eMBB)、高可靠低時延通信(ultra－Reliable and Low Latency Communications，uRLLC)、大規(guī)模機器類通信(massive Machine Type Communications，mMTC) 三種應(yīng)用場景[10－12]。相比4G 網(wǎng)絡(luò)而言，其時延是4G 網(wǎng)絡(luò)的二十分之一，可低至1 ms，速率為4G網(wǎng)絡(luò)的100 倍，最高可達(dá)10 Gbit/s，5G 網(wǎng)絡(luò)精度可達(dá)到10 μs 的無線授時[13－14]，具體比較見表1。

表1 5G 和4G 網(wǎng)絡(luò)性能比較

5G 網(wǎng)絡(luò)的高可靠、低延時特性，SA 獨立組網(wǎng)以及網(wǎng)絡(luò)切片等技術(shù)，為5G 通信應(yīng)用于配電網(wǎng)分布式FA 提供了技術(shù)支撐。受到網(wǎng)絡(luò)安全要求限制，當(dāng)前5G 公網(wǎng)無法做到點對點通信。網(wǎng)絡(luò)切片是基于虛擬化技術(shù)，將一張5G 物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在邏輯上切割成多張?zhí)摂M的端到端網(wǎng)絡(luò)，多個網(wǎng)絡(luò)之間核心網(wǎng)、承載網(wǎng)和無線網(wǎng)是相互隔離，邏輯獨立的[15]，因此可以通過網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)將網(wǎng)絡(luò)切割一部分專門用來P2P 通信，這樣既可滿足分布式FA 通信要求，也可保證配網(wǎng)通信的安全性。

3 5G 技術(shù)驗證測試

3.1 測試方案

為驗證5G 技術(shù)在智能分布式FA 中應(yīng)用情況，基于模擬商用公網(wǎng)環(huán)境的SA，5G 測試專用實驗室搭建電纜單環(huán)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，開展基于5G 網(wǎng)絡(luò)的分布式FA 測試，如圖6 所示。5 個5G 路由器通過網(wǎng)線分別與5 個交換機連接，交換機實現(xiàn)環(huán)網(wǎng)箱內(nèi)部分散式DTU 間隔單元之間的通信，5G 路由器通過5G 網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)不同環(huán)網(wǎng)箱之間的通信。

通過向線路拓?fù)湎到y(tǒng)注入電壓、電流等信號，模擬配電線路在不同運行方式下的主線故障、母線故障、支線故障等場景，檢驗分布式FA 動作情況，包括故障下開關(guān)動作邏輯，通信中斷開關(guān)動作邏輯、開關(guān)失靈動作邏輯、聯(lián)絡(luò)點轉(zhuǎn)供邏輯等。為更好分析判斷，分布式FA 故障電流定值設(shè)置為5 A，故障確認(rèn)時間設(shè)置為50 ms，開關(guān)類型根據(jù)圖6 拓?fù)鋱D配置，聯(lián)絡(luò)開關(guān)采用GOOSE 報文判定對側(cè)是否有壓，額定相電壓為57 V，有壓定值配置為額定相電壓的70%，無壓定值設(shè)置為額定相電壓的30%。

3.2 測試結(jié)果

以2L02－3L01 主線故障測試結(jié)果為例，分析說明在保護跳閘壓板退出、通信中斷等運行場景下開關(guān)動作情況及動作時間，主要分為以下四個案例。

1) 通信正常、壓板全投入，聯(lián)絡(luò)點合閘延時定值為1 s。

狀態(tài)1，1L01、1L02、2L01、2L02、3L01 均施加3 A 負(fù)荷電流，2L01、2L02、3L01、3L02 施加A 相電壓57 V，4L01 施加C 相電壓57 V，持續(xù)時間35 s，開關(guān)不動作。狀態(tài)2，1L01、1L02、2L01、2L02 施加5.25 A 故障電流，3L01 施加0 A電流，2L01、2L02、3L01、3L02 施加A 相電壓57 V，4L01 施加C 相電壓57 V，2L02 和3L01 開關(guān)分閘，隔離故障。狀態(tài)3，1L01、1L02 施加3 A負(fù)荷電流，2L01、2L02、3L01、3L02 施加A 相電壓15 V，4L01 施加C 相電壓57 V，聯(lián)絡(luò)點3L02 單側(cè)失壓，開關(guān)合閘。開關(guān)動作時間為2L02 跳閘:150.721 ms；3L01 跳閘:192.506 ms；3L02 合閘:1167.564 ms。

2) 2L02 通信中斷、壓板全投入。

狀態(tài)1，1L01、1L02、2L01、2L02 分別施加3 A、3 A、2 A、2 A 負(fù)荷電流，2L01、2L02、3L01、3L02 施加A 相電壓57 V，4L01 施加C 相電壓57 V，持續(xù)時間20 s，開關(guān)不動作。狀態(tài)2，1L01、1L02、2L01、2L02 施加5.25 A 故障電流，2L01、2L02、3L01、3L02 施 加A 相電壓57 V，4L01 施加C 相電壓57 V，由于環(huán)網(wǎng)箱2 和環(huán)網(wǎng)箱3通信中斷，流經(jīng)2L01、2L02 電流大小超過設(shè)定值，滿足通信中斷下過流跳閘邏輯，2L01、2L02 過流跳閘。狀態(tài)3，1L01、1L02 分別施加3 A、3 A 負(fù)荷電流，2L01、2L02、3L01、3L02 施加A 相電壓15 V，4L01 施加C 相電壓57 V，環(huán)網(wǎng)箱2 和環(huán)網(wǎng)箱3 通信中斷，3L01 施加電壓低于無壓定值設(shè)置，滿足通信中斷下，失壓跳閘邏輯，3L01 跳閘；同時聯(lián)絡(luò)點3L02 單側(cè)失壓，合閘轉(zhuǎn)供。開關(guān)動作時間為2L01 跳閘:103.244 ms；2L02 跳 閘:60.482 ms；3L01 跳 閘:64.873 ms；3L02 合閘:230.229 ms。

3) 通信正常、2L02 壓板未投。

狀態(tài)1，1L01、1L02、2L01、2L02 分別施加3 A、3 A、2 A、2 A 負(fù)荷電流，2L01、2L02、3L01、3L02 施加A 相電壓57 V，4L01 施加C 相電壓57 V，持續(xù)時間20 s，開關(guān)不動作。狀態(tài)2，1L01、1L02、2L01、2L02 施加5.25 A 故障電流，2L01、2L02、3L01、3L02 施 加A 相電壓57 V，4L01 施加C 相電壓57 V，3L01 未檢測到故障且收到2L02 開關(guān)的 “節(jié)點故障” 信號，3L01 跳閘；2L02 保護跳閘壓板退出，發(fā)出開關(guān)拒動信號給上一級開關(guān)，2L01 跳閘。狀態(tài)3，1L01、1L02 分別施加3 A、3 A負(fù)荷電流，2L01、2L02、3L01、3L02施加A 相電壓15 V，4L01 施加C 相電壓57 V，3L02 合閘轉(zhuǎn)供。開關(guān)動作時間為3L01 跳閘:169.256 ms；2L01 跳閘:352.170 ms；3L02 合閘:100.971 ms。

4) 2L02 通信中斷、2L02 壓板未投。

狀態(tài)1，1L01、1L02、2L01、2L02 分別施加3 A、3 A、2 A、2 A 負(fù)荷電流，2L01、2L02、3L01、3L02 施加A 相電壓57 V，4L01 施加C 相電壓57 V，持續(xù)時間20 s，開關(guān)不動作。狀態(tài)2，1L01、1L02、2L01、2L02 施加5.25 A 故障電流；2L01、2L02、3L01、3L02 施加A 相電壓57 V，4L01 施加C 相電壓57 V，2L01 過流跳閘。狀態(tài)3，1L01、1L02 分別施加3 A、3 A 負(fù)荷電流，2L01、2L02、3L01、3L02 施加A 相電壓15 V，4L01 施加C 相電壓57 V，3L01 失壓跳閘、3L02 合閘轉(zhuǎn)供。開關(guān)動作時間為2L01 跳閘:64.385 ms；2L02 跳閘:62.922 ms；3L01 跳閘:67.801 ms；3L02 合閘:231.367 ms。

總體而言，基于5G 的智能分布式FA 測試結(jié)果良好，在開關(guān)動作滿足邏輯的要求下，開關(guān)動作時間基本都在規(guī)定時限內(nèi)，可以實現(xiàn)在變電站出口開關(guān)動作前，對故障進行定位、隔離，同時在較快時間完成負(fù)荷轉(zhuǎn)供。

4 基于5G 網(wǎng)絡(luò)的分布式FA 技術(shù)的展望

隨著智能配電網(wǎng)的建設(shè)與發(fā)展，對配電網(wǎng)的電力可靠供應(yīng)提出了更高的要求?；?G 網(wǎng)絡(luò)的分布式FA 技術(shù)可以在避免變電站出口開關(guān)重合閘帶來的電纜絕緣損壞的前提下，實現(xiàn)快速的故障定位、隔離和轉(zhuǎn)供；其次，相比基于光纖通信實現(xiàn)的智能分布式FA 保護而言，5G 通信可以避免光纖通信的成本高、敷設(shè)難度大和環(huán)境制約等問題，設(shè)備只需安裝5G 模組或者連接5G 路由器就可實現(xiàn)5G 的分布式FA 功能，可大大增加線路智能分布式FA 的覆蓋率，如圖7 所示。

圖7 基于5G 網(wǎng)絡(luò)的通信架構(gòu)

雖然當(dāng)前5G 發(fā)展迅速，5G 商用化也已有快兩年時間，但是部分地區(qū)還是存在5G 信號未完全覆蓋或信號不佳的情況；同時，5G 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景較為單一，運營成本較高，技術(shù)上還沒有完全成熟等現(xiàn)狀，也讓5G 的商用化面臨著較為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此，增強5G 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的多元化，爭取5G網(wǎng)絡(luò)商用的政策支持，突破技術(shù)瓶頸等將是其今后需要聚焦的研究課題。

5 結(jié)論

配電網(wǎng)是能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的關(guān)鍵，是電網(wǎng)發(fā)展轉(zhuǎn)型的前沿，隨著5G 通信技術(shù)的快速發(fā)展與應(yīng)用，將5G 技術(shù)與智能分布式FA 結(jié)合成為研究熱點。本文對智能分布式FA 邏輯策略、5G 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于分布式FA 的必要性、可行性研究等方面進行研究，說明了“5G＋智能分布式FA” 的應(yīng)用優(yōu)勢和良好前景，可有效提高核心區(qū)域城市形象，縮短故障停電時間，保障用戶用電需求。