基于5G通信的智能配電自動(dòng)化系統(tǒng)研究

王 軒，黃殿勛，牛群峰

（1.中國(guó)電建集團(tuán)河南省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，河南 鄭州 450007；2.河南工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

0 引 言

智能電網(wǎng)和泛在電力物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）戰(zhàn)略的提出，對(duì)電力通信技術(shù)提出了更高的要求，5G通信技術(shù)的出現(xiàn)，為配電物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供了技術(shù)支撐[1,2]。電力系統(tǒng)中，5G通信和配電物聯(lián)網(wǎng)的融合應(yīng)用有助于推動(dòng)智能配電網(wǎng)發(fā)展，提升電力系統(tǒng)的運(yùn)行水平。

1 配電自動(dòng)化系統(tǒng)

配電自動(dòng)化系統(tǒng)（Distribution Automation System，DAS）是配電企業(yè)在遠(yuǎn)方以實(shí)時(shí)方式監(jiān)視、操作配電終端的自動(dòng)化系統(tǒng)，具有配電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）、饋線自動(dòng)化（Feeden Autonation，F(xiàn)A）、電網(wǎng)分析和優(yōu)化等功能。其在結(jié)構(gòu)上一般可分為3層，分別為配電自動(dòng)化主站、配電子站（常設(shè)在110 kV/35 kV變電站內(nèi)，可選配）以及智能遠(yuǎn)方終端設(shè)備，其中智能遠(yuǎn)方終端設(shè)備又包括數(shù)據(jù)傳輸裝置（Data Transfer Unit，DTU）、配電變壓器監(jiān)測(cè)終端（Distribution Transformer Supervisory Terminal Unit，TTU）以及饋線遠(yuǎn)方終端單元（Feeder Terminal Uni，F(xiàn)TU）等，如圖1所示。配電自動(dòng)化主站主要實(shí)現(xiàn)對(duì)采集到的配電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)加工、處理和全配網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)度功能，負(fù)責(zé)與各個(gè)子站之間通信；子站負(fù)責(zé)與所轄區(qū)域DTU/TTU/FTU等智能終端設(shè)備通信；智能終端層負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理，并能與上級(jí)站進(jìn)行通信和接收上級(jí)站的控制命令。RTU是現(xiàn)場(chǎng)智能處理器，它支持SCADA控制中心與現(xiàn)場(chǎng)器件間的通信，是一個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)獲取與控制單元。

圖1 配電自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 配電自動(dòng)化的通信方式與需求

配電自動(dòng)化智能終端通過光纖專網(wǎng)、電力載波、無線專網(wǎng)經(jīng)骨干通信網(wǎng)或無線公網(wǎng)與配電主站通信。同時(shí)，可采用微功率無線通信方式（LoRa、ZigBee、RF433等）增強(qiáng)配電通信網(wǎng)對(duì)本地設(shè)備的通信覆蓋，配電自動(dòng)化通信方式如圖2所示。從帶寬、傳輸距離、可靠性以及實(shí)時(shí)性等方面對(duì)配電自動(dòng)化的通信網(wǎng)絡(luò)方式進(jìn)行綜合考慮，以三遙為主的區(qū)域優(yōu)先選用光纖專網(wǎng)或無線專網(wǎng)；以三遙和二遙為主的區(qū)域可選擇光纖、電力線通信或無線專網(wǎng)；以二遙為主的區(qū)域宜采用無線公網(wǎng)為主的通信方案[3]。

圖2 配電自動(dòng)化系統(tǒng)通信方式

在這些通信方案中，光纖專網(wǎng)、電力線載波通信等屬于有線通信，目前廣泛布設(shè)在配電網(wǎng)通信線路中，但存在布線調(diào)整困難、通信線路網(wǎng)絡(luò)固化、線路噪聲以及設(shè)備老化受損等問題[4]。無線電力專網(wǎng)、3/4G無線公網(wǎng)、衛(wèi)星通信、LoRa、ZigBee等通信方式屬于無線通信，常用在對(duì)時(shí)延要求不高的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，但也存在網(wǎng)絡(luò)安全和通信可靠性等問題，因此配電自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)布設(shè)和通信方式在重要的場(chǎng)景業(yè)務(wù)中仍采用有線通信[5]。5G超低時(shí)延、超高帶寬、海量接入的無線通信網(wǎng)絡(luò)特性將成為配電物聯(lián)大部分無線和有線通信方案的新選擇。

3 物聯(lián)網(wǎng)和5G在智能配電網(wǎng)應(yīng)用

3.1 配電物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

配電物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在配電自動(dòng)化系統(tǒng)中的具體應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)配電自動(dòng)化系統(tǒng)向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化以及智能化發(fā)展[6,7]。通過在配電網(wǎng)各環(huán)節(jié)和設(shè)備上全面部署感知終端，運(yùn)用軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Functions Virtualization，NFV）搭建配電物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)數(shù)據(jù)流與能量流的緊密結(jié)合、配網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)的全面感知與控制以及配電線路的設(shè)備保護(hù)。

配電物聯(lián)網(wǎng)整體架構(gòu)可分為端、邊、管、云4層架構(gòu)，如圖3所示。端層是配電物聯(lián)網(wǎng)的最底層，其中的智能終端設(shè)備不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)配電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、電氣參數(shù)等各類數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)測(cè)，而且具有執(zhí)行配電網(wǎng)保護(hù)、控制操作等功能。邊層中分布式網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)就地或就近提供邊緣計(jì)算，實(shí)現(xiàn)智能決策和服務(wù)。從邏輯架構(gòu)上看，邊層是通過軟件定義方式使智能終端側(cè)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行本地化運(yùn)算處理，降低配電網(wǎng)云端計(jì)算和決策壓力。管層是云層與邊層、邊層和端層間通信的通道，即網(wǎng)絡(luò)層，主要包含有線/無線遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)和本地通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)配電物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)與邊緣節(jié)點(diǎn)、邊緣節(jié)點(diǎn)與智能感知終端間的通信需求。云層指云化的配電物聯(lián)網(wǎng)主站平臺(tái)。配電主站基于云平臺(tái)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的統(tǒng)一接入管理、業(yè)務(wù)信息高效處理以及面向多種業(yè)務(wù)需求的應(yīng)用服務(wù)。

圖3 配電物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

3.2 5G通信技術(shù)

5G技術(shù)作為4G的演進(jìn)，采用超高頻段、新型多天線、D2D等新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)定義了高可靠和低延遲通信（ultra-Reliable and Low Latency Communications，uRLLC）、增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（enhanced Mobile Broadband，eMBB）以及大規(guī)模機(jī)器類型通信（massive machine Type Communication，mMTC）3大應(yīng)用場(chǎng)景。5G無線通信能夠使電力網(wǎng)絡(luò)和智能配電終端實(shí)現(xiàn)海量信息接入、低時(shí)延和高可靠性的業(yè)務(wù)需求，尤其是5G電力切片技術(shù)對(duì)分布式配電自動(dòng)化業(yè)務(wù)場(chǎng)景有很強(qiáng)的適配性。

5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖4所示，區(qū)別于4G，5G基站結(jié)構(gòu)發(fā)生了新的變化，將RRU和原本的無源天線集成為一體，出現(xiàn)了新的設(shè)備，即有源天線處理單元。室內(nèi)基帶處理單元（Building Base band Unit，BBU）的物理結(jié)構(gòu)也由于5G改變的網(wǎng)絡(luò)框架而演變成了集中單元(Central Unit，CU）和分布單元（Distribute Unit，DU），5G核心網(wǎng)功能下沉到邊緣。5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將核心網(wǎng)分為分布式核心網(wǎng)用戶層和核心網(wǎng)控制層，分別提供5G邊緣云和5G核心云服務(wù)[8]。5G邊緣云通過5G邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用邊緣側(cè)直接處理原始配電終端設(shè)備數(shù)據(jù)，降低處理延時(shí)。邊緣計(jì)算容器技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)配電不同業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)處理，不同容器獨(dú)立負(fù)責(zé)不同業(yè)務(wù)的邊緣處理，保障業(yè)務(wù)安全隔離。通過SDN/NFV技術(shù)實(shí)現(xiàn)邊緣云與核心云里虛擬機(jī)邏輯連接，將配電物聯(lián)網(wǎng)主站中不同業(yè)務(wù)下沉至邊緣層，實(shí)現(xiàn)故障隔離和自愈等功能。此外，電力網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同種類業(yè)務(wù)擁有不同的網(wǎng)絡(luò)通道，具有邊緣計(jì)算的切片網(wǎng)絡(luò)能更好地實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)絡(luò)端到端服務(wù)。

圖4 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

4 “5G+”配網(wǎng)自動(dòng)化業(yè)務(wù)應(yīng)用

配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)區(qū)域配電系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行安全監(jiān)視、保護(hù)控制以及分析管理等功能，可以通過采集海量配電終端設(shè)備信息，通過5G通信實(shí)現(xiàn)配電主站對(duì)整個(gè)配網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視。當(dāng)配電網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障或運(yùn)行異常時(shí)，能夠通過繼電保護(hù)裝置檢測(cè)和判斷故障區(qū)域，實(shí)現(xiàn)故障隔離和恢復(fù)供電。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用核心網(wǎng)端處下沉，邊緣計(jì)算等技術(shù)保證了配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)低延時(shí)、高可靠性的實(shí)現(xiàn)[8-11]。以配電網(wǎng)電流差動(dòng)保護(hù)應(yīng)用場(chǎng)景為例，每個(gè)智能配電終端分別采集兩側(cè)的相電流及零序電流，各自計(jì)算被保護(hù)線路的差動(dòng)和制動(dòng)電流，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信數(shù)據(jù)流無需回傳至5G核心網(wǎng)，在5G邊緣云側(cè)就能完成信息交互和傳輸，滿足配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)端到端＜20 ms的時(shí)延要求。

此外，5G通信技術(shù)和配電物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)配網(wǎng)終端實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)感知，提升終端設(shè)備監(jiān)測(cè)可觀性，尤其是針對(duì)分布式光伏等電源的接入可進(jìn)行電功率需求分析，實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)低時(shí)延、高可靠性的主動(dòng)管控[10,11]。

5 結(jié) 語

配電自動(dòng)化是電力系統(tǒng)關(guān)鍵業(yè)務(wù)之一，系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的保護(hù)控制，保障配電可靠性。目前，配網(wǎng)主干區(qū)域均布設(shè)光纖聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)配電SCADA、饋線自動(dòng)化等功能，但由于光纖布設(shè)成本高昂，邊遠(yuǎn)地區(qū)不容易布設(shè)光纖，且隨著配電自動(dòng)化業(yè)務(wù)場(chǎng)景擴(kuò)展，對(duì)帶寬和時(shí)延等性能指標(biāo)及傳輸要求進(jìn)一步提高情況下，5G無線通信、電力網(wǎng)絡(luò)切片、SDN/NFV、基于邊緣計(jì)算的物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)為配電自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)泛在物聯(lián)、滿足低時(shí)延、高安全可靠性需求提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。