基于5G通信的智能分布式饋線自動化

艾福洲，李 昇，蔡 超，孫 超，余福振

（1.國網湖北省電力有限公司，湖北 武漢 430000；2.山東省煙臺市東方電子股份有限公司，山東 煙臺 264010）

0 引 言

電力是推動現代社會正常運轉的重要基礎，關乎社會穩定和經濟發展。隨著我國國民經濟的迅猛發展，社會和科技都得到了很大進步，工廠企業及居民用戶均對我國電力系統的可靠性與供電質量提出了更高的需求[1]。

在現代電力網絡中，電力系統是由發電廠、輸電網、變電站、配電網以及終端用電等環節組成的完整閉環生產消費系統。其中，配電網由饋電線路、配電自動化終端、繼保裝置、斷路器以及負荷開關等設備構成。作為承接電能輸送和分配的中間環節，其自身網架的安全性越來越受到人們的重視。隨著通信網絡技術、微電子技術及計算機應用技術的發展，配電網內單個設備的狀態信息、電網運行的實時信息、用戶用電信息、網架結構參數與地理信息等眾多信息進行整合集成，形成了一個兼顧自動化和運行管理的配電自動化系統[2-4]。

作為配電網技術的核心內容，饋線自動化是提高用戶供電質量和可靠性最有效最直接的方式[5-7]。因此，在發展配電網自動化的過程中，應當將其作為首要發展對象。按故障處理模式的不同，可將FA分為多種類型，本文主要針對智能分布式FA進行詳細介紹。

1 概念與分類

饋線自動化指變電站出線到用戶用電設備之間的饋電線路自動化，是一個對配電網饋電線路上一、二次設備進行遠方監測、協調以及控制的自動化系統。其主要內容可以分為兩部分，一是正常情況下的數據采集與控制，實時監視當前饋線上的開關位置信息、保護狀態以及電壓、電流、功率等，即常規“遙測”“遙信”以及“遙控”；二是在故障情況下獲取到當前故障記錄，對饋線故障進行故障定位、隔離、轉移以及非故障區恢復供電的處理功能。按照故障處理方式的不同，饋線自動化分為就地控制與集中控制兩種類型。其中，又可將就地控制型分為智能分布式、就地重合式以及級差保護方式[8-10]。

按照不同的動作邏輯，可將分布式FA進一步分為速動型與緩動型，二者定義與特點如下。

1.1 速動型分布式FA

速動型分布式FA功能所屬的開關屬性為斷路器，當配電網發生故障時，由分布式FA完成故障定位并由故障點相鄰開關直接完成故障切除與隔離。

速動型分布式FA可快速定位、隔離故障，在變電站/開關站出口斷路器保護動作前完成故障隔離，故障點電源側的非故障區段無停電，故障影響范圍最小，故障隔離的時間最短。此外，速動型分布式FA需全線間隔均配置斷路器，且變電站/開關站出口斷路器保護動作時限至少需0.2 s及以上的延時。

1.2 緩動型分布式FA

緩動型分布式FA功能所屬的開關屬性為負荷開關，當配電網發生故障時，由開關屬性為斷路器的上級開關完成故障切除后，故障點相鄰開關的分布式FA完成故障隔離。

緩動型分布式FA必須等待變電站/開關站出口斷路器保護動作后隔離故障。故障隔離時間比速動型分布式FA長，故障點電源側的非故障區段會受到停電干擾。根據目前現場一次設備的匹配情況，一般采用緩動型故障處理模式。

速動型FA與緩動型FA對不同情況下的時間要求不同，具體指標如表1所示。

表1 不同情況的時間指標

2 網架結構及終端類型

2.1 網架結構

智能分布式FA適用的網架結構應滿足下列要求。首先應是閉環設計、開環運行的線路（帶聯絡開關）；其次應是純架空線路、純電纜線路或架空電纜混合線路；最后應是輻射狀或多電源點的手拉手環網。其中手拉手環網結構如圖1所示。

圖1 拉手環網結構示意圖

2.2 終端類型

配電終端是安裝于中低壓配電網現場各類遠方監測和控制單元的總稱。智能分布式FA適用的終端類型為三遙型FTU與三遙型DTU。

3 通信方式

適用的通信方式應滿足下列要求，一是互操作性，二是分布式饋線自動化靜態拓撲改變僅需修改相鄰的終端配置，三是可以同時支持光纖和5G。

傳統智能分布式饋線自動化保護是基于光纖通信實現的。光纖通信雖然具有一定優勢，但同時存在部分缺陷，如需要單獨鋪設光纜、成本高昂、施工難度大。5G通信同樣可滿足配電網智能分布式饋線自動化通信要求，可作為光纖通信實現分布式FA的一種補充[11,12]。5G通信具有高帶寬、高可靠、低時延以及廣連接的特點，布點方便，不需光纖，可通過隧道技術支撐GOOSE通信，實現智能分布式FA。

4 實施方案簡述

4.1 基于光纖

基于光纖的實習方案如下所述。首先選定線路，需為全電纜手拉手環網改造環網柜，加裝來自同一廠家的三遙型集中式DTU。其次補齊光纖通道并調試，開通終端間互通，開通GOOSE組播轉發，確認通信延時，確認FA模式為緩動型還是速動型，確認變電站出口是否延時，確認分支線開關是否參與。再次按照實際拓撲確定智能分布式FA方案及邏輯驗證。最后進行智能分布式FA現場投運及測試，其中新建線路可在送電前全線帶一次測試。

4.2 基于5G專網

首先選定線路，需為全電纜手拉手環網改造環網柜，加裝來自同一廠家的三遙型集中式DTU，需加裝5G模塊。其次確認5G專網通道開通，固定IP、SIM卡支持點對點通信，測試通道延時，定制5G切片網絡。確認FA模式為緩動型還是速動型，確認變電站出口是否延時，確認分支線開關是否參與。再次按照實際拓撲確定智能分布式FA方案及邏輯驗證。最后進行智能分布式FA現場投運及測試，其中新建線路可在送電前全線帶一次測試。

5 動作邏輯

純電纜手拉手環網線路示意如圖2所示。

圖2 純電纜手拉手環網線路示意圖

其中，CB1和CB2為站內出口斷路器。4個環網柜分布安裝4臺DTU，環進環出為負荷開關（K1～K8），,K5為聯絡開關（開環點），K1和K8為首開關。故障點位于K2和K3之間，投緩動式FA，變電站出口不參與分布式FA。

智能分布式動作邏輯如下。分布式FA執行時，DTU1只跟DTU2通信，DTU2需跟DTU1和DTU3通信，同理DTU3需跟DTU2和DTU4通信，DTU4只跟DTU3通信。K1～K8互相獨立，K2與K3之間發生故障時，K2與K1和K3交互故障GOOSE信息。啟動條件為自身檢測到故障或收到相鄰設備的故障信號。

K2和K3間發生故障后，同時K1和K2檢測到故障電流，K3無故障電流，CB1保護跳閘，示意如圖3所示。

圖3 動作邏輯示意圖一

K2與K1、K3交互故障信息，K3與K2、K4交互故障信息，因K1有故障信號、K3無故障信號，故K2判斷自己處于故障上游，經失壓失流延時后跳閘，切除故障。因K2有故障信號，K3自身沒有故障信號，K4也無故障信號，因此K3判斷自己處于故障下游，K3經失壓失流延時后跳閘，故障隔離。K3隔離后，向兩側K2和K4發送隔離成功GOOSE信號，經轉發后K5收到隔離成功信號且單側失壓，經延時后合閘成功恢復非故障區域供電。CB1由重合閘或調度遙控操作完成CB1至K1之間的供電，其示意如圖4所示。

圖4 動作邏輯示意圖二

K2和K3之間發生故障時，K2跳開完成故障切除，K3隔離跳閘時出現開關拒動后向K2和K4發送開關拒動GOOSE信號，K4收到。若K2切除故障時發送拒動，則K2向K1發送開關拒動GOOSE信號，K1收到后判斷處于故障點上游則跳開，以切除故障，示意如圖5所示。

圖5 動作邏輯示意圖三

值得注意的是，若出現越級切除或越級隔離，僅限越一級。

6 結 論

本文提出了基于5G的智能分布式FA。針對我國配電網現階段存在的問題，介紹了FA的概念與分類，分析了不同類型FA的特點與適用范圍，繼而介紹了適用的網架結構與終端類型，分析了光纖與5G兩種通信方式的特點，指出了基于5G智能分布式FA具有高帶寬、高可靠、低時延、廣連接的特點，且布點方便，不需光纖。然后基于光纖與5G專網兩種不同的通信方式分別給出了二者的工程實施方案，并分析了智能分布式FA的動作邏輯，從理論層面驗證了該方法的可行性與有效性，為工程實際應用提供了理論基礎。