無線通信技術在分布式配網保護中的應用研究

徐 鼎，孔心怡

（國網上海浦東供電公司，上海 200122）

0 引 言

隨著全球能源結構的轉型和分布式能源的快速增長，傳統電力系統正面臨著前所未有的挑戰和變革[1-4]。在此背景下，建設一張擁有較強韌性的多源互聯配電網具有里程碑式的意義，將完全重新定義新型電力系統中的新型配電網。因此，分布式配網保護將取代原有集中式繼電保護，成為確保電力系統穩定運行和提高供電可靠性的關鍵技術。然而，分布式配網保護系統在實際應用中常常遭遇時延和數據不同步問題，不僅影響系統的實時響應能力造成選擇性錯誤，還可能導致保護裝置閉鎖，增加系統運行風險。傳統光纖通信技術在解決這些問題時易受到物理限制和成本的雙重約束，而無線通信技術則因其靈活性、高效性以及成本效益，被視為一種有前景的解決方案。

1 分布式配網保護技術概述

分布式配網保護是利用配網保護裝置間的橫向通信，與同一環網內相鄰終端設備進行信息交互。通過比對相鄰點保護裝置啟動、故障方向判斷結果等信息，相互傳遞過流標記、過流方向標記等信號，構成配網縱聯保護，從而準確定位故障點，實現區內、區外故障快速定位與隔離，無須考慮配網多級開關的級差配合[5]。

2 無線通信技術概述

隨著技術的進步，無線通信已經發展出多種標準和形式，主要形式如圖1 所示。這些技術各有特點，如蜂窩網絡和衛星通信提供了廣泛的覆蓋范圍和較高的數據傳輸速率，適用于遠距離通信；而Wi-Fi 和藍牙則在提供較高傳輸速度的同時，更適合短距離通信。通過利用無線技術，可以實現保護系統各部件之間的實時、同步通信，有效解決時延和不同步問題，從而提升配網保護的性能和響應速度[6]。

圖1 無線通信技術得主要形式

3 無線通信在分布式配網保護中的應用

3.1 在就地型分布式配網保護中的應用

就地型配網保護通常指在電網的特定節點，如配電變壓器、配電線路的關鍵接入點等地方直接部署保護裝置，以實現對該節點或線路段的直接監控和保護。這種配置的特點對保護響應時間和系統可靠性有極高的要求，因為任何時延都可能導致故障擴散，造成更廣泛的影響。針對該問題，無線通信技術可以利用高速的無線通信網絡，實現故障信息的即時傳輸，保證保護指令的快速下達和執行、故障信息的上傳和處置。這種即時性是通過無線通信技術的低時延特性實現的，可以保證即使在分布式能源密集接入的復雜電網環境中，保護系統也能迅速逐個響應，有效隔離故障，防止其擴散。除此之外，就地型配網保護的一個關鍵挑戰是需要在物理空間受限的環境中部署設備。無線通信技術通過消除對有線基礎設施的依賴，大大提高了保護裝置的部署靈活性和經濟效益。這使得無線通信技術成為就地型配網保護系統中不可或缺的組成部分，不僅提高了系統的操作效率和可靠性，還降低了系統的總體建設和維護成本。

3.2 在遠傳型分布式配網保護中的應用

在遠傳型分布式配網保護中，無線通信技術的應用展現出其獨有的價值和功能，尤其是在處理跨越廣泛地理區域的數據傳輸和通信需求時。遠傳型配網保護依賴于能夠從遠端監測點收集數據，并將這些數據傳輸回中心或局部控制中心進行分析和處理，以實現對廣泛電網區域的監控與保護。這種類型的配網保護對通信技術的覆蓋范圍和可靠性提出了更高的要求，因為任何通信中斷或延遲都可能妨礙及時的故障檢測和響應，進而影響到電網的穩定性和安全性。而5G 網絡、衛星通信能夠支持大規模的設備連接，同時保證高速數據的實時傳輸，對于遠距離監控和控制尤為關鍵。通過利用5G、衛星通信等無線技術，遠傳型配網保護系統可以實現從遠端監測點到控制中心的高效數據傳輸，確保故障檢測、分析以及響應的實時性和準確性。此外，無線通信技術在遠傳型配網保護中的應用還帶來了系統設計和維護的靈活性。與傳統的有線通信相比，無線技術的部署更為簡便和經濟，特別是在難以布線或成本過高的偏遠地區。這種靈活性不僅降低了配網保護系統的建設和運維成本，也加快了系統的部署速度，提高了電網對新興挑戰的適應能力。

3.3 在站域型分布式配網保護中的應用

站域型配網保護側重于電站或變電站內部的監測和控制。數據的實時交換和處理需要依靠高速、可靠的通信技術，以確保系統的快速反應和高度自動化。無線通信技術為站域型保護提供了一種靈活且高效的通信方式。此技術的應用允許系統內設備和傳感器的數據交換無須物理連接即可進行，特別適合于復雜的站內環境。傳統的有線通信布線可能受到物理空間限制，或增加成本和額外的維護工作，而無線通信技術（如Wi-Fi、ZigBee 或專用的無線通信網絡）可以幫助站域型配網保護系統實現更高速的數據傳輸和更少的延時，以保障電網狀態的實時監控和快速響應能力。無線通信技術的引入進一步增加了系統的可靠性和靈活性。在電站或變電站遭受外部影響（如自然災害、人為破壞等）時，無線通信網絡相比有線網絡能降低物理損害的風險，為系統的穩定運行提供更強保障。同時，無線網絡的可擴展性使得系統的升級無須通過大規模的基礎設施改造實現，根據需求輕松添加或重新配置傳感器和設備即可。

3.4 在區域型分布式配網保護中的應用

區域型配網保護涉及多個配電區域的綜合監測和不同的保護策略，為保證故障發生時能夠實施有效的保護和控制措施，其對數據整合能力和跨區域的通信效率要求較高。基于多技術（5G、Wi-Fi、ZigBee 等）融合的無線通信技術，為區域型配網保護提供了一種高效的解決方案。這些無線技術支持遠距離低時延和短距離高速率的數據傳輸，能夠覆蓋更為廣泛的地理區域，從而實現對多個配電區域內設備和傳感器的實時數據采集與通信。除此之外，基于遠距離無線蜂窩通信技術的高速率特性，可以引入相應的智能算法對通信和處理的延遲進行預測，提前對保護系統的動作做針對性調整，以減少不同步問題帶來的不利影響，提高系統的穩定性和可靠性。下面以區域型分布式配網為例，提出一種常用的基于LightGBM 算法的延遲預測流程。

首先，利用無線通信技術對區域型分布式配網的數據進行收集和預處理，基于數據的可視化分析揭示了數據變化的規律性，明確了用于訓練模型的關鍵特征量，包括年份、月份、日期、星期、小時、周末及節假日等。其次，對數據進行徹底的清洗和預處理，以排除缺失或錯誤信息；通過對零值數據的處理，防止其干擾后續預測誤差的計算。再次，特征工程環節旨在區分數值型和類別型數據。LightGBM 算法以其高速的處理能力和低內存占用而著稱，特別適用于處理細粒度采樣的回歸問題，如延遲預測等場景。同時，其也是一種基于決策樹模型的衍生算法，通過利用信息增益率或基尼指數等指標，在特征空間中進行分裂以尋找最優分裂點。由于此過程是基于階躍式的不可導操作，且任何不影響排序結果的單調變換都不會對模型的決策過程造成干擾，因而可省略數據歸一化處理過程。再者，LightGBM 算法已完成對類別特征的優化，因而無須進行One-Hot 編碼。最后，利用基于Python 的datetime 庫，對周一至周日相應分配0 ～6的值，同時將周末和節假日標記為1，工作日標記為0，以完成對特征的預處理。通過預處理后的特征稱為特征數據，用于模型的訓練和學習。區域型分布式配網的饋線自動化區域主站負責執行機器學習任務，每日向區域內的終端下發次日預測的延遲數值。終端設備則根據接收到的預測值和實際測量的延遲，通過加權調整確定自身下一時間段的故障搜索等待時間。通過這種方式，可以更精確地預測和調整系統的響應時間，進而提高電網的運行效率和可靠性，具體流程如圖2 所示。

圖2 預測流程

4 結 論

本研究探討了無線通信技術在分布式配網保護中的應用，并通過對就地型、遠傳型、站域型及區域型配網保護的分析，探討了無線通信技術在解決時延造成的不同步問題及優化配網保護系統性能上的有效性。本研究旨在為電力系統的保護和自動化方向提供新的視角與方法，也為電網的智能化升級與優化提供理論支持和實踐基礎。