基于5G 網絡的智能分布式饋線自動化應用探討

周可慧，唐海國，李紅青，朱吉然，張帝，李秩期，許路

(1.國網湖南省電力有限公司電力科學研究院，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

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

智能分布式FA 作為新一代配電自動化技術，通過終端之間的通信，快速處理故障，實現毫秒級故障自愈。然而，此種方式設備間需要對等通信，對通信要求很高，當前主要運用方式為光纖通信。但由于配電網網架分布廣、設備種類多，外部運行條件復雜，光纖敷設存在城區施工難度大，建設成本高等不足，難以大規模建設與使用[5－6]。隨著5G 網絡的發展和其高速度、泛在網、低功耗以及低時延的技術優勢，將5G 網絡與智能分布式FA技術結合，構建基于5G 網絡的智能分布式FA 技術，可大大減少敷設成本，降低投資，提高配網自動化的運行、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收集配電終端上送的故障信息，綜合分析后定位故障區域，再采用自動或人工遙控方式進行故障定位、隔離和非故障區域恢復供電。就地型FA 則是不依賴主站，通過終端電壓和時間關系或者其相互通信來實現，并將處理過程和結果上報主站。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，實現毫秒級定位及隔離故障，并恢復供電，大大提高設備的供電可靠性，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

當線路發生故障時，經一定時間的故障電流確認時間后，若流經此開關的電流大于整定值，則判定本節點開關故障，并瞬時觸發“節點故障” 信號，該信號隨過流狀態保持。當開關自身產生節點故障信號，且鄰側開關中有且只有一側節點開關未發出“節點故障” 信號，則判斷故障位于此開關下游，經延時后，該開關動作分閘，并產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

當線路發生故障時，若本開關未檢測到故障且收到鄰側有且僅有一個節點開關的“節點故障”信號，判斷故障位于該開關上游，則經過延時后，產生故障隔離成功信號，開關動作分閘，故障隔離邏輯如圖3 所示。

圖3 故障隔離邏輯

1.2 聯絡點轉供邏輯

現有分布式FA 聯絡點的合閘邏輯一般為單側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荷承載力，可能發生在聯絡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。本文將聯絡點轉供邏輯中考慮到負荷量，基于與故障線路有聯絡的非故障線路首開關信號確定聯絡點是否動作，如圖4 所示，具體步驟包括:

圖4 聯絡點轉供邏輯

1) 當故障進行隔離后，故障下游開關的“故障隔離成功” 信號與分閘前的負荷量信息傳遞給鄰側開關，鄰側開關轉發給下一級。

2) 當聯絡點開關收到隔離成功信號且處于單側失壓狀態時，繼續轉發隔離成功信號與隔離點開關的負荷量給非故障線路的開關，若聯絡點未檢測到單側失壓，隔離成功信號與隔離點負荷量停止轉發。

3) 當非故障線路首開關收到故障隔離成功信號和隔離點開關動作前負荷量后，計算首開關的轉供允許最大負荷量。比較轉供允許最大負荷量與隔離點開關動作前的負荷量大小，若轉供允許負荷量大于隔離點開關動作前負荷量，首開關發出允許聯絡點轉供信號，轉發給聯絡點開關，聯絡點允許轉供信號轉發至聯絡點后，停止轉發。

4) 聯絡點開關收到允許聯絡點轉供信號后，若開關仍處于單側失壓狀態，則聯絡點合閘，完成聯絡點轉供。

1.3 通信中斷邏輯

當環網箱之間通信中斷，則通信中斷的開關檢測到過流或失壓條件時，開關將分閘，如圖5所示。

圖5 開關通信中斷邏輯

為更好分析，本文以圖6 為例，假設開關1L02 和2L01 之間線路發生故障，則1L01 和1L02之間會流經故障電流，此時1L02 開關將發出節點故障信號，且鄰側開關1L01 有節點故障信號，2L01 不產生節點故障信號，則此時判斷故障點位于1L02 下游，1L02 開關動作跳閘，并產生故障切除成功信號；同時，2L01 不產生節點故障信號，且只收到1L02 節點故障信號，則判斷故障點位于2L01 上游，2L01 開關動作跳閘，并產生故障隔離成功信號。2L01 將故障隔離成功信號和開關動作前負荷量發送給鄰側開關，再依次轉發至非故障線路首開關5L02，比較5L02 的轉供允許最大負荷量與2L01 開關動作前的負荷量大小，若后者小于前者，則發送轉供允許信號給開關3L02，開關3L02收到轉供允許信號且檢測到單側失壓，經延時后3L02 合閘，恢復非故障區域供電。

圖6 線路拓撲圖

2 基于5G 網絡的分布式FA 技術研究

2.1 5G 網絡應用于分布式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DL/T 1910—2018 ?配電網分布式饋線自動化技術規范? 規定[9]:速動型的分布式饋線自動化系統，對等通信延時需小于20 ms，故障上游側開關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主要包含電力載波通信、光纖通信與4G 網絡等。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據信號，其建設成本較低，但傳輸距離短，易受電網負載和結構影響，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，但是有著建設成本高，城市敷設難度大，易受到外界環境破壞等缺點；4G 網絡是通過無線通信傳輸數據，可實現配網站點的全面覆蓋，但是4G 通信帶寬無法滿足配網區域保護的通信數據量，傳輸延時較大，信息安全無法得到保障。

隨著配電網的迅猛發展，各類設備、終端的通信需求爆發式增長，尋找一種可替代光纖通信，可廣泛覆蓋整個配電網，可實現智能分布式FA 的無線通信技術是非常必要的。5G 網絡大帶寬、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 網絡應用于分布式FA 的可行性研究

5G 作為新型信息基礎設施的核心引領技術，已成為推動產業轉型升級及經濟社會發展的新引擎。我國高度重視5G 發展，在電力行業中，5G在云邊協同、狀態檢測，遠程巡檢，精確控制等方面都有著巨大的發揮空間。5G 網絡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)、大規模機器類通信(massive Machine Type Communications，mMTC) 三種應用場景[10－12]。相比4G 網絡而言，其時延是4G 網絡的二十分之一，可低至1 ms，速率為4G網絡的100 倍，最高可達10 Gbit/s，5G 網絡精度可達到10 μs 的無線授時[13－14]，具體比較見表1。

表1 5G 和4G 網絡性能比較

5G 網絡的高可靠、低延時特性，SA 獨立組網以及網絡切片等技術，為5G 通信應用于配電網分布式FA 提供了技術支撐。受到網絡安全要求限制，當前5G 公網無法做到點對點通信。網絡切片是基于虛擬化技術，將一張5G 物聯網絡在邏輯上切割成多張虛擬的端到端網絡，多個網絡之間核心網、承載網和無線網是相互隔離，邏輯獨立的[15]，因此可以通過網絡切片技術將網絡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，也可保證配網通信的安全性。

3 5G 技術驗證測試

3.1 測試方案

為驗證5G 技術在智能分布式FA 中應用情況，基于模擬商用公網環境的SA，5G 測試專用實驗室搭建電纜單環網拓撲結構，開展基于5G 網絡的分布式FA 測試，如圖6 所示。5 個5G 路由器通過網線分別與5 個交換機連接，交換機實現環網箱內部分散式DTU 間隔單元之間的通信，5G 路由器通過5G 網絡實現不同環網箱之間的通信。

通過向線路拓撲系統注入電壓、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，包括故障下開關動作邏輯，通信中斷開關動作邏輯、開關失靈動作邏輯、聯絡點轉供邏輯等。為更好分析判斷，分布式FA 故障電流定值設置為5 A，故障確認時間設置為50 ms，開關類型根據圖6 拓撲圖配置，聯絡開關采用GOOSE 報文判定對側是否有壓，額定相電壓為57 V，有壓定值配置為額定相電壓的70%，無壓定值設置為額定相電壓的30%。

3.2 測試結果

以2L02－3L01 主線故障測試結果為例，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，聯絡點合閘延時定值為1 s。

狀態1，1L01、1L02、2L01、2L02、3L01 均施加3 A 負荷電流，2L01、2L02、3L01、3L02 施加A 相電壓57 V，4L01 施加C 相電壓57 V，持續時間35 s，開關不動作。狀態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 開關分閘，隔離故障。狀態3，1L01、1L02 施加3 A負荷電流，2L01、2L02、3L01、3L02 施加A 相電壓15 V，4L01 施加C 相電壓57 V，聯絡點3L02 單側失壓，開關合閘。開關動作時間為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1，1L01、1L02、2L01、2L02 分別施加3 A、3 A、2 A、2 A 負荷電流，2L01、2L02、3L01、3L02 施加A 相電壓57 V，4L01 施加C 相電壓57 V，持續時間20 s，開關不動作。狀態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，由于環網箱2 和環網箱3通信中斷，流經2L01、2L02 電流大小超過設定值，滿足通信中斷下過流跳閘邏輯，2L01、2L02 過流跳閘。狀態3，1L01、1L02 分別施加3 A、3 A 負荷電流，2L01、2L02、3L01、3L02 施加A 相電壓15 V，4L01 施加C 相電壓57 V，環網箱2 和環網箱3 通信中斷，3L01 施加電壓低于無壓定值設置，滿足通信中斷下，失壓跳閘邏輯，3L01 跳閘；同時聯絡點3L02 單側失壓，合閘轉供。開關動作時間為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1，1L01、1L02、2L01、2L02 分別施加3 A、3 A、2 A、2 A 負荷電流，2L01、2L02、3L01、3L02 施加A 相電壓57 V，4L01 施加C 相電壓57 V，持續時間20 s，開關不動作。狀態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 開關的 “節點故障” 信號，3L01 跳閘；2L02 保護跳閘壓板退出，發出開關拒動信號給上一級開關，2L01 跳閘。狀態3，1L01、1L02 分別施加3 A、3 A負荷電流，2L01、2L02、3L01、3L02施加A 相電壓15 V，4L01 施加C 相電壓57 V，3L02 合閘轉供。開關動作時間為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1，1L01、1L02、2L01、2L02 分別施加3 A、3 A、2 A、2 A 負荷電流，2L01、2L02、3L01、3L02 施加A 相電壓57 V，4L01 施加C 相電壓57 V，持續時間20 s，開關不動作。狀態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3，1L01、1L02 分別施加3 A、3 A 負荷電流，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 合閘轉供。開關動作時間為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 測試結果良好，在開關動作滿足邏輯的要求下，開關動作時間基本都在規定時限內，可以實現在變電站出口開關動作前，對故障進行定位、隔離，同時在較快時間完成負荷轉供。

4 基于5G 網絡的分布式FA 技術的展望

隨著智能配電網的建設與發展，對配電網的電力可靠供應提出了更高的要求?；?G 網絡的分布式FA 技術可以在避免變電站出口開關重合閘帶來的電纜絕緣損壞的前提下，實現快速的故障定位、隔離和轉供；其次，相比基于光纖通信實現的智能分布式FA 保護而言，5G 通信可以避免光纖通信的成本高、敷設難度大和環境制約等問題，設備只需安裝5G 模組或者連接5G 路由器就可實現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 網絡的通信架構

雖然當前5G 發展迅速，5G 商用化也已有快兩年時間，但是部分地區還是存在5G 信號未完全覆蓋或信號不佳的情況；同時，5G 網絡應用場景較為單一，運營成本較高，技術上還沒有完全成熟等現狀，也讓5G 的商用化面臨著較為嚴峻的挑戰。因此，增強5G 網絡應用的多元化，爭取5G網絡商用的政策支持，突破技術瓶頸等將是其今后需要聚焦的研究課題。

5 結論

配電網是能源互聯網建設的關鍵，是電網發展轉型的前沿，隨著5G 通信技術的快速發展與應用，將5G 技術與智能分布式FA 結合成為研究熱點。本文對智能分布式FA 邏輯策略、5G 網絡應用于分布式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” 的應用優勢和良好前景，可有效提高核心區域城市形象，縮短故障停電時間，保障用戶用電需求。