基于5G 的配電網(wǎng)自協(xié)商配電終端應用研究＊

趙東輝，師恩達，何永濤

（鄭州電力高等專科學校，河南 鄭州 450004）

2019 年年初，國家電網(wǎng)有限公司在兩會報告中明確提出了電力物聯(lián)網(wǎng)的概念，圍繞電力系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)，充分應用移動互聯(lián)、人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)和先進通信技術(shù)，實現(xiàn)電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)萬物互聯(lián)、人機交互。而2015 年6 月國際電信聯(lián)盟（ⅠTU）正式發(fā)布的第五代移動通信網(wǎng)絡（5G）更多考慮了物與物之間的智能互聯(lián)，開啟了萬物互聯(lián)新時代，同時也將電力系統(tǒng)保護作為其垂直行業(yè)的典型應用之一，介紹了利用5G 通信實現(xiàn)電流差動保護的相關研究。

配電線路饋線自動化（FA）主要有集中式、就地型重合器式和智能分布式3 種方式。集中式由主站通過與配電終端信息交互完成故障處理，中間環(huán)節(jié)較多，主站集中處理數(shù)據(jù)多，對通信系統(tǒng)依賴程度高；就地型重合器式不依賴于通信系統(tǒng)，但故障處理時間長，且需要變電站出線開關跳閘配合，整個處理過程需要至少2 次重合，加大了對一次設備的短路沖擊和損害；智能分布式無需主站干預，由終端之間相互通信完成故障處理，故障處理時間短，對通信依賴程度低，減輕主站運行壓力，是配電自動化FA 技術(shù)研究的重點和熱點，也是配電自動化提高供電可靠性的最優(yōu)手段。

2020 年7 月，國網(wǎng)青島供電公司、中國電信青島分公司、華為公司三方共同完成青島5G 智能電網(wǎng)項目，是目前國內(nèi)規(guī)模最大的5G 智能電網(wǎng)，成功實現(xiàn)5G 智能分布式配電、變電站作業(yè)監(jiān)護及電網(wǎng)態(tài)勢感知、5G 基站削峰填谷供電等多個新應用，對于智能分布式的故障處理具體時間未明確說明。

由于5G 技術(shù)在國外發(fā)展及應用較國內(nèi)緩慢，以美國為例，以智能電表為核心的智能電網(wǎng)，總撥款只有500 萬美元，美國科技巨頭中，只有比爾·蓋茨投資800 萬美元研究基于5G 的智能電網(wǎng)，故美國基于5G的智能電網(wǎng)基本處于停滯狀態(tài)。此外，歐洲的網(wǎng)絡基本還處于4G，電網(wǎng)相對國內(nèi)電網(wǎng)較為落后，故相關研究較國內(nèi)緩慢，基于5G 的配電網(wǎng)自協(xié)商配電終端在歐美國家并無實際應用。

1 應用技術(shù)與研究目標探究及理論依據(jù)

1.1 研究目標

本項目重點研究將5G 通信技術(shù)應用至配電系統(tǒng)的終端產(chǎn)品。利用5G 通信的低時延、大帶寬、高速率等特點，不僅可以實現(xiàn)“毫秒級故障隔離，秒級供電恢復”，還可以實現(xiàn)“遙信、遙測、遙控”功能，同時將故障處理過程與結(jié)果進行加密傳輸，上報主站并實時傳送至值班員計算機和手機，方便后續(xù)的故障維修；相較于光纖傳輸，減少了光纖鋪設的成本，同時也便于安裝實施。

1.2 主要研究開發(fā)內(nèi)容

克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，利用5G 網(wǎng)絡具備低時延、高帶寬的技術(shù)特點通過多種通信鏈路實現(xiàn)配電終端之間的通信以及主站的通信，能夠在線路故障發(fā)生后實現(xiàn)無線通信交互，解決因通信信號不穩(wěn)定、中斷或通信模塊出現(xiàn)故障區(qū)域?qū)崟r配網(wǎng)自動化監(jiān)測的難題，提高配電監(jiān)測在線率、穩(wěn)定性，有利于配電系統(tǒng)的管理維護。

基于5G 通信的分布式饋線裝置，包括分布式FA終端和饋線開關，其特征為：分布式FA 終端和饋線開關均為至少2 個，分布式FA 終端安裝于開閉所綜合智能終端和架空線路中的配電終端，用于檢測所述饋線開關的電信號以及分合狀態(tài)信息，并把檢測得到的信息通過通信鏈路與配網(wǎng)自動化主站連通。

1.3 項目研究內(nèi)容的理論或者實踐依據(jù)

5G 通信中智能算法就是解決多維度空間常用的一種方法。在處理信息方面，人工神經(jīng)網(wǎng)絡（Artificial Neural Network，ANN），一般稱作神經(jīng)網(wǎng)絡，是一種模擬動物神經(jīng)網(wǎng)絡構(gòu)成的數(shù)據(jù)處理模型。這種數(shù)據(jù)處理模型是與人類神經(jīng)系統(tǒng)相似的一種信息處理技術(shù)，該網(wǎng)絡通過系統(tǒng)中不同節(jié)點互相連接的特點，達到處理信息的要求，具有很強的自組織和自適應能力。

2 方案設計與實施

2.1 總體方案設計

方案整體分為2 方面業(yè)務：①基于5G 通信的智能分布式故障處理，實現(xiàn)配電線路故障就地處理，達到毫秒級故障隔離，秒級供電恢復；②基于5G 通信的配電自動化業(yè)務，實現(xiàn)與配自主站的“三遙”數(shù)據(jù)、故障處理過程及結(jié)果的加密傳輸。

自協(xié)商配電終端硬件系統(tǒng)設計及實現(xiàn)，系統(tǒng)采用客戶端/服務器的工作模式；軟件系統(tǒng)的實現(xiàn)，搭載ROS 操作系統(tǒng)，編寫程序控制終端上設備；自協(xié)商配電終端能夠?qū)⒆冸娬拘畔⑦M行可靠傳輸，試驗成功后推廣至其他110 kV 變電站進行試運行。

2.2 詳細設計方案

設計標準：基于5G 的配電網(wǎng)自協(xié)商配電終端項目通過D200 終端之間5G 快速通信，相互傳遞故障檢出信息、動作位置信息，不依賴主站控制，無需變電站出線開關跳閘，在變電站切除故障之前，就地實現(xiàn)多級聯(lián)開閉所的聯(lián)絡線、母線、用戶線的故障定位、隔離和供電恢復，并將處理過程及結(jié)果上報主站。符合國家電網(wǎng)D LT 7 2 1 標準配電自動化系統(tǒng)應用DL/T 634.5104—2009 標準。

產(chǎn)品設計方案：以雙環(huán)網(wǎng)三級級聯(lián)開閉所為例，具體方案結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 5G 智能分布式方案結(jié)構(gòu)圖

通過主站原有配置的安全接入?yún)^(qū)接入主站系統(tǒng)，采用內(nèi)置加密芯片方式，達到國網(wǎng)要求的安全防護等級，實現(xiàn)“三遙”數(shù)據(jù)加密傳輸，完成智能分布式故障處理過程及結(jié)果上報。5G 通信拓撲方案如圖2 所示。

圖2 5G 智能分布式通信拓撲圖

分布式FA 終端與無線基站相互通信形成第一通信鏈路，多個所述分布式FA 終端之間首尾相互通信形成第二通信鏈路，第二通信鏈路中的一個分布式FA 終端與相鄰第二通信鏈路中的一個分布式FA 終端相互通信形成第三通信鏈路。

基于5G 通信的分布式饋線裝置，包括分布式FA終端和饋線開關，分布式FA 終端和饋線開關均為至少2 個，且分布式FA 終端安裝于開閉所綜合智能終端和架空線路中的配電終端，用于檢測饋線開關的電信號以及分合狀態(tài)信息，并把檢測得到的信息通過通信鏈路與配網(wǎng)自動化主站連通。利用5G 網(wǎng)絡具備低時延、高帶寬的技術(shù)特點通過多種通信鏈路實現(xiàn)配電終端之間的通信以及主站的通信，能夠在線路故障發(fā)生后實現(xiàn)無線通信交互，解決因通信信號不穩(wěn)定、中斷或通信模塊出現(xiàn)故障區(qū)域?qū)崟r配網(wǎng)自動化監(jiān)測的難題，提高配電監(jiān)測在線率、穩(wěn)定性，有利于對配電系統(tǒng)的管理維護。

通道組織：配自業(yè)務終端（D200）—5G 無線網(wǎng)絡—中國移動基站—運營商網(wǎng)絡—移動運營商MEC 邊緣計算設備—運營商專線—鄭州供電公司配電自動化主站，如圖3 所示。

圖3 配電自動化業(yè)務5G 通信拓撲圖

3 樣品試制方案與步驟

3.1 驗證測試條件

檢查D200 終端設備完整、工作正常，通信參數(shù)設置是否正確；檢查5G 通信設備通信情況，網(wǎng)絡拓撲是否正確，驗證終端間通信延時；檢查與配自主站通信情況，確認連接正常；檢查確認一次線路和設備運行方式、運行情況；檢查故障電流注入設備情況。

3.2 檢查三遙、裝置動作信息通信情況

檢查開閉所接入主站“三遙”信息正常（選取開閉所中具有級聯(lián)關系的聯(lián)絡進線開關、聯(lián)絡出線開關以及備用饋線開關，按點表順序，逐個遙測、遙信、遙控檢查及加密），檢查對應開關邏輯動作是上傳主站動作信息正常。在終端模擬故障定位切除、故障隔離、非故障區(qū)域供電恢復、通信中斷或異常、開關拒動執(zhí)行失敗、FA 閉鎖等動作SOE，驗證通信及主站顯示。

3.3 檢查終端FA 參數(shù)設置是否正常

檢查D200 終端設置、定值整定（聯(lián)絡進線、聯(lián)絡出線、用戶饋線開關相關定值整定和功能投退），檢查D200 終端及現(xiàn)場遠方/就地、壓板投入是否正常。

3.4 逐項開展測試

按表1 所示逐項開展測試，查看并記錄動作前后開關狀態(tài)、主站顯示狀態(tài)、變電站出線開關狀態(tài)。記錄故障啟動時間、故障定位切除時間，隔離完成時間、非故障區(qū)域恢復時間，計算過程時間。

表1 測試方案及步驟

4 結(jié)束語

本文研究的是基于5G 的饋線自動化配電終端產(chǎn)品，而中國正在大力建設5G 網(wǎng)絡，5G 通信技術(shù)具有海量連接、大帶寬、低時延等特點，可以滿足智能分布式應用需求，同時5G 網(wǎng)絡切片技術(shù)可為電網(wǎng)不同分區(qū)業(yè)務提供不同層次的安全隔離能力和更好的安全保障。如果本文研究的項目能夠在國內(nèi)電網(wǎng)配電領域投入使用，配電線路的饋線自動化將由傳統(tǒng)的有線（基于光纖等）逐步過渡為無線（基于5G），從而將大大減少因鋪設光纖等工程帶來的建設成本及環(huán)境污染。

同時，本文研究的項目如能夠投入使用，將產(chǎn)生數(shù)萬個產(chǎn)品生產(chǎn)加工、產(chǎn)品設計與研發(fā)、產(chǎn)品銷售、技術(shù)服務與支持等崗位；5G 通信技術(shù)與配電智能終端的融合，充分發(fā)揮5G 通信的技術(shù)優(yōu)勢，將來建成更廣泛的電力物聯(lián)網(wǎng)，使居民和企業(yè)有更好的用電體驗，為用電客戶提供更優(yōu)質(zhì)的服務，具有重大而現(xiàn)實的意義。