基于5G通信技術(shù)的配電網(wǎng)自協(xié)商配電終端應(yīng)用

何 權(quán)

（廣東眾源投資有限公司，廣東 茂名 525000）

0 引 言

配電線路接線方式復(fù)雜多樣，傳統(tǒng)的就地式饋線自動(dòng)化技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的高效定位及處理。集中饋線自動(dòng)化技術(shù)存在對(duì)配置主站要求較高的問題，容易因主站故障造成較大影響。智能分布式配電保護(hù)技術(shù)在故障診斷隔離方面的處理效率相對(duì)較高。智能分布式配電保護(hù)技術(shù)應(yīng)用過程中，配電網(wǎng)各配電終端能夠相互通信，實(shí)現(xiàn)線路電流、電壓等數(shù)據(jù)參數(shù)的動(dòng)態(tài)共享，從而根據(jù)電壓、電流等參數(shù)的變化情況實(shí)現(xiàn)對(duì)故障點(diǎn)的快速定位，并針對(duì)故障情況實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)斷路器的智能化分閘處理，避免出現(xiàn)大面積停電事故[1]。相對(duì)而言，數(shù)據(jù)通信是有效發(fā)揮智能分布式配電保護(hù)功能的重要條件。在通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)期間，智能分布式配電系統(tǒng)依靠光纖通信模式雖然能夠保證通信可行性和快速性，但存在鋪設(shè)困難的問題。現(xiàn)階段發(fā)展迅速的5G技術(shù)能夠起到良好的替代作用，需要相關(guān)單位進(jìn)行深入研究，基于5G通信實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)自協(xié)商配電終端的應(yīng)用。

1 智能分布式配電保護(hù)的通信要求

1.1 通用要求

為高效發(fā)揮智能分布式配電保護(hù)的自愈功能，電力企業(yè)需要有效應(yīng)用通信技術(shù)，按通信要求保護(hù)裝置[2]。在實(shí)際應(yīng)用過程中，對(duì)等通信信息傳輸需要將時(shí)間控制在20 ms內(nèi)。當(dāng)配電線路應(yīng)用的有線通信或通用分組無線服務(wù)技術(shù)（General Packet Radio Service，GPRS）無線通信存在較長延時(shí)時(shí)，則需要將智能分布式配電保護(hù)功能退出。當(dāng)投入分布式配電保護(hù)時(shí)，需要將電壓、電流配電保護(hù)或電壓時(shí)間型配電保護(hù)退出，然后將常規(guī)過流保護(hù)退出，與分布式配電保護(hù)存在關(guān)聯(lián)的面向通用對(duì)象的變電站事件（Generic Object Oriented Substation Event，GOOSE）接收或發(fā)送端均無線設(shè)置相應(yīng)的軟壓板。

針對(duì)聯(lián)絡(luò)或分段開關(guān)，該節(jié)點(diǎn)未投入分布式配電保護(hù)功能時(shí)，應(yīng)將相關(guān)GOOSE報(bào)文的發(fā)送過程終止。當(dāng)該節(jié)點(diǎn)GOOSE通信異常中斷時(shí)，無須發(fā)出報(bào)警信號(hào)。分布式配電保護(hù)需要投入全部的開關(guān)設(shè)備（負(fù)荷饋線開關(guān)除外），負(fù)荷饋線開關(guān)需要對(duì)GOOSE報(bào)文進(jìn)行持續(xù)發(fā)送，即負(fù)荷開關(guān)檢測(cè)到故障電流后需要發(fā)出相應(yīng)的GOOSE信號(hào)，但無須對(duì)GOOSE報(bào)文進(jìn)行操作，GOOSE應(yīng)具備單獨(dú)投入或退出功能。當(dāng)前節(jié)點(diǎn)投入分布式配電保護(hù)功能時(shí)，針對(duì)GOOSE通信異常中斷問題，應(yīng)具備相應(yīng)的保護(hù)功能。在GOOSE通信功能無法正常發(fā)揮時(shí)，應(yīng)該用過流保護(hù)、失壓跳閘邏輯等功能進(jìn)行故障切除、隔離。常見的GOOSE通信問題主要包括數(shù)據(jù)異常、中斷以及檢修不一致等[3]。

對(duì)等通信的分布式配電保護(hù)功能需要配置轉(zhuǎn)化開關(guān)和軟硬壓板。對(duì)等通信網(wǎng)絡(luò)通常需要具備一定的獨(dú)立性，避免影響通信效率。通信傳輸主要利用以太網(wǎng)和光纖進(jìn)行通信。在進(jìn)行故障切除隔離處理過程中，智能分布式配電保護(hù)通常需要在故障發(fā)生后的10 ms內(nèi)啟動(dòng)相應(yīng)的保護(hù)功能。對(duì)等通信網(wǎng)絡(luò)需要滿足5 ms內(nèi)的數(shù)據(jù)交換速度要求，配電網(wǎng)架內(nèi)配置具有就地各類故障能力的斷路器，將動(dòng)作時(shí)間控制在50 ms內(nèi)，故障切除時(shí)間通常控制在120 ms內(nèi)，特殊情況下不會(huì)超出200 ms。

1.2 故障隔離邏輯要求

配電線路發(fā)生故障后，系統(tǒng)檢測(cè)到某節(jié)點(diǎn)零序電流和相電流高于整定數(shù)值時(shí)，確定相應(yīng)節(jié)點(diǎn)存在故障情況，需立即通過GOOSE發(fā)出相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)故障信號(hào)。過流狀態(tài)消失前，該信號(hào)始終保持。為確保可靠性，故障信號(hào)觸發(fā)后需要持續(xù)300 ms以上[4]。在GOOSE通信無異常、故障隔離充電完成的情況下，配電線路故障后，如果本節(jié)點(diǎn)非末開關(guān)且零序或相電流超出整定數(shù)值，M、N兩側(cè)節(jié)點(diǎn)無GOOSE發(fā)出的節(jié)點(diǎn)故障信號(hào)，則整定故障切除延時(shí)后將本節(jié)點(diǎn)開關(guān)斷開。如果本節(jié)點(diǎn)為末開關(guān)且零序或相電流超出整定數(shù)值，M、N任意側(cè)節(jié)點(diǎn)有GOOSE發(fā)出的節(jié)點(diǎn)故障信號(hào)，整定延時(shí)將本節(jié)點(diǎn)開關(guān)斷開。當(dāng)節(jié)點(diǎn)開關(guān)拒動(dòng)時(shí)，輸出GOOSE開關(guān)拒跳信號(hào)。如果分布式配電保護(hù)正常運(yùn)行，GOOSE通信正常，本節(jié)點(diǎn)為首開關(guān)，線路有壓3 s、開關(guān)合位時(shí)，首開關(guān)失壓保護(hù)自動(dòng)投入，確保能夠快速隔離首開關(guān)與電源間的故障。失壓保護(hù)投入后，如果首開關(guān)節(jié)點(diǎn)無電流且兩側(cè)無電壓，則整定延時(shí)后斷開該節(jié)點(diǎn)開關(guān)，并判斷開關(guān)跳閘失靈情況。如果分布式配電保護(hù)正常運(yùn)行但GOOSE通信存在異常，需要開啟GOOSE通信異常過流保護(hù)，以滿足故障切除隔離需求，用于切除GOOSE通信異常節(jié)點(diǎn)下級(jí)故障。在GOOSE通信異常的情況下，如果某節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)零序或相電流高于整定值的情況，在整定延時(shí)后將節(jié)點(diǎn)開關(guān)斷開。如果出現(xiàn)開關(guān)拒動(dòng)問題，則發(fā)出GOOSE開關(guān)拒跳信號(hào)[5]。

1.3 供電恢復(fù)邏輯要求

智能分布式配電保護(hù)系統(tǒng)隔離故障點(diǎn)位后，各節(jié)點(diǎn)將依次轉(zhuǎn)發(fā)GOOSE隔離成功相關(guān)報(bào)文信號(hào)。當(dāng)本節(jié)點(diǎn)負(fù)荷側(cè)、電源側(cè)單側(cè)失壓且供電恢復(fù)充電后，在接收到GOOSE隔離成功報(bào)文的情況下，整定延時(shí)并閉合開關(guān)，完成供電恢復(fù)處理。網(wǎng)架聯(lián)絡(luò)點(diǎn)較多時(shí)，各聯(lián)絡(luò)開關(guān)的優(yōu)先級(jí)需要根據(jù)整定供電恢復(fù)時(shí)限的結(jié)果來確定，應(yīng)優(yōu)先閉合提高恢復(fù)供電效率的開關(guān)。對(duì)等通信模式下，各節(jié)點(diǎn)接收的GOOSE報(bào)文只能來自相鄰節(jié)點(diǎn)。在轉(zhuǎn)發(fā)故障隔離成功報(bào)文信號(hào)時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)：本節(jié)點(diǎn)觸發(fā)的GOOSE隔離成功報(bào)文信號(hào)，在信號(hào)輸出后需要轉(zhuǎn)發(fā)300 ms后返回，15 s內(nèi)收到相鄰節(jié)點(diǎn)的報(bào)文后不進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)操作；本節(jié)點(diǎn)為開環(huán)點(diǎn)或觸發(fā)故障切除、故障隔離相應(yīng)信號(hào)，接收到相鄰節(jié)點(diǎn)故障隔離報(bào)文時(shí)不進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)操作；其余節(jié)點(diǎn)接收相鄰節(jié)點(diǎn)故障隔離報(bào)文時(shí)，將報(bào)文與本節(jié)點(diǎn)GOOSE報(bào)文合并轉(zhuǎn)發(fā)給相鄰節(jié)點(diǎn)，持續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)300 ms后返回，15 s內(nèi)不重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)；末開關(guān)不觸發(fā)、不轉(zhuǎn)發(fā)GOOSE隔離成功報(bào)文[6]。

2 基于5G通信的配網(wǎng)自協(xié)商配電終端應(yīng)用

2.1 方案設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)5G通信配網(wǎng)自協(xié)商配電終端應(yīng)用，一方面需要確保配電網(wǎng)應(yīng)用智能分布式配電保護(hù)并利用5G技術(shù)進(jìn)行通信傳輸，就地處理配電線路故障，將故障隔離時(shí)間控制在毫秒級(jí)別，將供電恢復(fù)時(shí)間控制在秒級(jí)別；另一方面需要建立配電主站與配電終端的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)三遙數(shù)據(jù)、故障處理與供電恢復(fù)相關(guān)數(shù)據(jù)的傳輸。在硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，自協(xié)商配電終端的工作模式為客戶端/服務(wù)器模式。在軟件系統(tǒng)方面，自協(xié)商配電終端需要使用機(jī)器人操作系統(tǒng)（Robot Operating System，ROS），通過編程控制終端設(shè)備。自協(xié)商配電終端能夠可靠傳輸變電站的各類數(shù)據(jù)信息，具備110 kV變電站的推廣運(yùn)行條件。

設(shè)計(jì)過程中，該配網(wǎng)自協(xié)商配電終端的5G通信建立在D200終端之間，能夠?qū)﹂_關(guān)動(dòng)作位置和故障檢出信息進(jìn)行交換傳輸，無須經(jīng)過配電主站即可進(jìn)行故障切除、隔離，也無須對(duì)出線開關(guān)進(jìn)行跳閘處理。故障切除前，通過配電終端的信息交互，可實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶、母線以及聯(lián)絡(luò)線等各線路故障點(diǎn)位的快速定位與隔離處理，在恢復(fù)供電后將相關(guān)數(shù)據(jù)信息傳輸至配電主站。自協(xié)商配電終端利用主站安全接入?yún)^(qū)接入主站，內(nèi)置加密芯片滿足數(shù)據(jù)加密傳輸需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)故障處理數(shù)據(jù)的上報(bào)傳輸。

智能分布式配電保護(hù)系統(tǒng)的配電終端與無線基站相互聯(lián)系，構(gòu)建第1通信鏈路。各分布式配電終端通信相互連接構(gòu)建第2通信鏈路。相連分布式配電終端之間的數(shù)據(jù)通信為第3通信鏈路。智能分布式配電保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)用5G通信技術(shù)的過程中，主要涉及的設(shè)備包括饋線開關(guān)與配電終端和分布式配電終端。對(duì)于饋線開關(guān)與配電終端，開關(guān)與終端的數(shù)量均不低于2個(gè)。分布式配電終端主要為架空線路配電終端和開閉所綜合智能終端，用于對(duì)開關(guān)分合狀態(tài)、電信號(hào)進(jìn)行智能化檢測(cè)，并利用系統(tǒng)通信鏈路將檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸給配電主站。相對(duì)而言，5G通信網(wǎng)絡(luò)具有高帶寬和低時(shí)延等性能優(yōu)勢(shì)，能夠借助構(gòu)建的3條通信鏈路建立配電主站、配電終端各設(shè)備間的通信聯(lián)系。在任意通信鏈路故障的情況下，可以借助其他鏈路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，有效解決通信模塊故障、通信中斷等影響智能分布式配電保護(hù)功能可靠發(fā)揮的問題，增強(qiáng)配電保護(hù)監(jiān)測(cè)功能的穩(wěn)定性和在線率[7,8]。

在通道組織方面，配電網(wǎng)自協(xié)商D200配電終端是數(shù)據(jù)通信的起點(diǎn)，通過5G網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)基站、運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)營商邊緣計(jì)算設(shè)備、運(yùn)營商專線以及電力企業(yè)配電主站實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信傳輸。

2.2 方案測(cè)試

2.2.1 方案測(cè)試條件

為有效檢測(cè)自協(xié)商配電終端功能，測(cè)試前需要檢查確認(rèn)配電終端的工作情況、通信參數(shù)以及設(shè)備完整性等，核實(shí)確認(rèn)5G通信設(shè)備的通信狀況，檢查網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫欠癜匆笈渲茫_認(rèn)配電終端通信延時(shí)是否符合要求，檢查配電終端與配電主站的通信連接狀況、一次線路及相關(guān)設(shè)備運(yùn)行情況，確認(rèn)故障電流注入設(shè)備是否可靠。

2.2.2 檢查三遙、裝置動(dòng)作信息通信情況

測(cè)試過程中，工作人員需要核實(shí)確認(rèn)終端與配電主站連接后的遙控、遙測(cè)、遙信信息，根據(jù)點(diǎn)表順序依次檢查聯(lián)絡(luò)進(jìn)出線開關(guān)、饋線開關(guān)等，并確認(rèn)信息加密狀態(tài)是否達(dá)標(biāo)，同時(shí)確認(rèn)主站接收的開關(guān)邏輯動(dòng)作信息與現(xiàn)場(chǎng)終端設(shè)備是否一致。利用配電終端模擬通信異常、饋線自動(dòng)化（Feeden Automation，F(xiàn)A）閉鎖、區(qū)域供電恢復(fù)以及故障隔離切除等動(dòng)作，并在主站對(duì)顯示信息進(jìn)行核算對(duì)比，確認(rèn)有無信息傳輸錯(cuò)誤或通信延時(shí)超限的問題。

2.2.3 檢查終端FA參數(shù)設(shè)置是否正常

檢查配電終端定值相關(guān)參數(shù)設(shè)置是否正確，包括聯(lián)絡(luò)進(jìn)出線、饋線開關(guān)投退或整定參數(shù)、確認(rèn)壓板投入情況、遠(yuǎn)方/就地配置情況以及終端狀態(tài)等是否正常。

2.2.4 測(cè)試結(jié)果

為驗(yàn)證配電網(wǎng)自協(xié)商配電終端功能，主要對(duì)運(yùn)行方式、開關(guān)異常、通信異常以及正常狀態(tài)幾種情況發(fā)生后的動(dòng)作時(shí)間等進(jìn)行測(cè)試，相關(guān)項(xiàng)目和結(jié)果要求如表1所示。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)功能滿足使用需求，具備推廣應(yīng)用價(jià)值。

表1 測(cè)試方案及步驟

3 結(jié) 論

本文提出的配電網(wǎng)自協(xié)商配電終端應(yīng)用建立了配電終端與配電主站、配電終端、相鄰配電終端進(jìn)行首尾連接的3條通信傳輸鏈路，充分發(fā)揮了5G通信的傳輸優(yōu)化功能，解決了數(shù)據(jù)傳輸過程中存在的傳輸異常難題，有效提升了配電網(wǎng)故障診斷、切除、隔離與供電恢復(fù)的效率，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。