基于5G通信技術的電網保護和區域自動控制系統研究與應用

魏慶海

（國家電網公司，河南 三門峽 472000）

0 引 言

電力系統的一次網絡結構是由“發、輸、變、配、用”5部分組成，而且每一部分都具有極強的同一性。發電部分由多臺同類發電機和變壓器組構成，輸電部分由多條線路和變電設備構成，變電和配用電系統也是如此。這些發電或輸電設備分布于不同的地理位置，交流、直流、柔性方式各異，而電力屬性卻完全可以按類別協調控制和保護[1]。目前，同一發電站、同一變電站在不同容量和電壓等級框架下，“發、輸、變、配、用”5部分設備都具有獨立的多套二次系統保護和自動裝置，只是參數、動作限值及時間各有差異。通過現場交流采樣，利用5G通信技術傳輸，實現同一類設備用一套保護。進行巡回檢測，經過定值比對作用于對應的開關，針對故障性質進行選擇性的重合，保證電網安全穩定運行。根據研究，這種自動控制模式完全可以實現[2]。

1 5G通信技術的支撐

5G技術是實現工業控制現代化的前提。電力系統要實現自動化，必須以先進的通信技術作為依托。與4G相比，5G具有更高的速率、更寬的頻帶、更高的可靠性以及幾乎忽略的延時等特征，這些正與所研發的網絡保護及區域控制系統的要求相吻合。

目前，5G網絡已成功在電氣化軌道交通、系統遠程監控智能化、工業控制等領域得到廣泛應用。將5G技術應用于電網自動化切實可行且具有廣闊的發展前景，能夠滿足電力系統需求。從5G應用于航空航天、智能制造、高清視頻以及自動駕駛領域的情況來看，5G技術水平與電力系統自動化可靠性、靈敏性、正確性的要求相符[3-6]。

2 網絡保護和區域自動控制系統的架構

電力系統是一個龐大的網絡，其研究與應用必須和電網結構、調度管理體制、行政區劃緊密結合，形成電網運行與管理體制的高度統一。按現行電網結構和調度業務關系，構建層間與區域相結合的3級網絡保護和區域自動控制體系是本研究的基本思路。

（1）國家調度控制體系。建設跨國、跨區、跨省電網的二次系統體系，主要是跨國±400～±1 100 kV直流、跨區、跨省1 000 kV特高壓交流和±500 kV直流。

（2）省級調度控制體系。建設省內與地級電網界面以上的各電壓等級的輸變電設備自動化系統。

（3）地市調度控制體系。建設地市區域內各電壓等級輸變電設備的自動化系統。

3 5G數據傳輸的控制策略

電力系統中通常采用光纖作為通信網絡傳輸載體，為了保證采集、轉換、傳輸、分析、決策以及出口6個串聯環節的同一性，對可能存在的誤差必須進行策略修正，以保證系統的安全可靠運行[7]。

（1）延時控制策略。若多站之間數據延時過大，則容易產生信息控制錯誤。為保證數據采集的同時性，需要在5G傳輸的數據包中增數據生成系統，以便始末兩端用校時的方法減少延時誤差。

（2）擁塞控制策略。在數據超過閥值或開關量未發生變化時，向關聯站按設定規則發送高頻數據，確保主站能夠及時準確采集到輸變電現場實際數據，做出正確的判斷和決策。

（3）在線控制策略。電力系統的保護與控制必須是實時在線，時限在毫秒和微秒范圍內，需具有高分辨率和極強的自適應性，以滿足電力自動化的要求。

（4）手動操作的離線控制策略。電力系統控制需滿足就地和遠程、手動和自動的控制要求，以實現手動操作的離線控制。

4 基于5G通信技術的電網網絡保護和區域自動控制系統

4.1 網絡保護歸類和集中控制原則

電力系統是一個拓樸網絡結構，由于各電壓等級和跨地區輸電的存在，形成了非線性多節點的巨陣方程，因此對網絡保護要實現分區集中控制，同時進行系統的歸類，以實現用最少的資源發揮出最大的保護和控制效果。

網絡保護歸類和集中控制原則共有8個。一是配置與電壓等級相統一，不同電壓等級的保護和自動裝置有不同的配置方式；二是配置與一次電網的輸電方式相統一，直流輸電、背靠背直流輸電、交流輸電各自歸類；三是配置與保護類型相統一，將同一保護類型納入同一巡回檢測模塊系統形成獨立的體系；四是配置與元件性質相統一，同一電壓等級的發電機組、變壓器、線路基本屬于同一配置原則；五是區域內安全自動裝置與控制對象相統一；六是電網監視信號系統和現場管理監視系統相統一；七是無功補償與電壓調整系統相統一；八是區域內電網設備操作系統與管理類操作系統相統一。

基于這種分類體系控制原則，構建一種分層分區保護控制的網絡化格局。電網網絡保護采樣與控制示意如圖1所示。

圖1 電網網絡保護采樣與控制示意圖

4.2 技術方案

基于5G通信技術的電網網絡保護和區域自動控制系統整體方案共由6個層次構成。

（1）子站端采樣。在子站端采集電力系統發電、輸電、變電、配電的運行參數以及環境和消防參數，包括電流、電壓、頻率、濕度、壓力、極限位置等。

（2）數模轉換。將子站端中全部采樣參數的模擬量轉換成數字量。

（3）網絡傳輸。應用現有的5G數字通信系統，將已轉換的數字信號傳送至主站端。

（4）主站接收分類。對傳送到主站的數字信號進行分類，分別是網絡保護與自動控制系統、手動操作與控制系統、實時監視與測量系統以及電力電量計算與管理系統。

（5）巡回檢測與校準定值比對。將與網絡保護和區域自動控制系統相關的參數按規定的頻次與定值比對，明確是否發生故障或需要系統調解操作，做出決策判斷。

（6）出口操作與調控。將瞬時故障的設備切除后再次投入系統運行，將永久故障的設備按次序重合，在切除后另行處理。對于需要調節的無功補償、變壓器有載分接、直流輸電的功率變動以及管理類的監視與控制，將根據自動和手動兩種模式遠程作用于現場設備[8-11]。網絡保護與區域自動化控制系統整體如圖2所示。

圖2 網絡保護與區域自動化控制系統全圖

5 結 論

通過構建網絡保護模式，開創性地將巡回檢測技術應用于電力系統自動控制中，實現了區域電網同類保護和自動裝置的一對多控制目標，突出體現了用一套保護控制多個元件、由分散控制向集中控制、由就地控制向遠程控制、由一維點線決策向三維立體決策、由單項監控向復合監控的轉變，提高了電網運行的現代化水平。理論上該研究的應用能使系統造價和管理成本大幅降低，同時為用戶側管理和防止竊電提供了全天候的監控措施。