基于5G 通信的新型配電網(wǎng)饋線自動化方法研究

鄒劍鋒，張建雨，金 盛，姜睿智，劉 洋，崔龍衛(wèi)，徐 濤，林永洪

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314000；2.許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

0 引言

近年來，電網(wǎng)通信一直以光纖網(wǎng)絡(luò)為主，然而城市配電網(wǎng)光纖通道建設(shè)周期長、成本高，且難以解決配電網(wǎng)點無光纖覆蓋的保護配置問題[1]，已經(jīng)成為配電網(wǎng)故障快速處理技術(shù)在推廣過程中的主要影響因素。因此，無線通信在配電網(wǎng)故障快速處理中的應(yīng)用開始受到普遍關(guān)注。隨著以5G為代表的新型通信技術(shù)的快速發(fā)展與應(yīng)用，特別是在高帶寬、低時延[2-3]方面的突破，可通過增加信息量優(yōu)化配電網(wǎng)保護原理，提升配電網(wǎng)保護的動作性能，從而提高配電網(wǎng)的可靠性。其次，故障快速隔離、精準(zhǔn)定位和自愈恢復(fù)是提高配電網(wǎng)供電可靠性的關(guān)鍵。文獻[4-8]將差動保護引入配電網(wǎng)故障處理；文獻[1]更是采用5G 通信技術(shù)與外部對時相結(jié)合的方式實現(xiàn)了配電網(wǎng)差動保護；文獻[9-11]闡述了基于對等通信的分散式配電網(wǎng)保護與自愈控制方法，實現(xiàn)配電網(wǎng)故障的毫秒級定位隔離。但以上方法均未見通信異常時的保護處理方案。

本文提出一種基于5G 通信的新型配電網(wǎng)饋線自動化方案，以5G 無線網(wǎng)絡(luò)作為信號傳輸通道，配電網(wǎng)環(huán)網(wǎng)單元聯(lián)絡(luò)線配網(wǎng)終端間橫向通信交互故障判別信息，基于兩側(cè)過流及方向判據(jù)的動態(tài)自適應(yīng)保護，整條線路某段通信異常時，兩端動態(tài)自適應(yīng)保護相較線路其他分段延時降低一個級差，實現(xiàn)配電網(wǎng)主干線路故障段毫秒級隔離，無故障段不受影響，故障隔離的同時啟動下一級的備自投完成無故障區(qū)段轉(zhuǎn)供電。

1 網(wǎng)架及通信方案

1.1 網(wǎng)架

雙環(huán)式要求4 條母線來自同一供電區(qū)域的2個變電站（開關(guān)站）的不同段母線各引出一回線路或同一變電站的不同段母線各引出一回線路，構(gòu)成雙環(huán)式接線方式。雙環(huán)式結(jié)構(gòu)的電網(wǎng)中可以串接多個開關(guān)站，這種接線方式下，當(dāng)其中一條線路故障時，整條線路可以劃分為若干部分被其余線路轉(zhuǎn)供，供電可靠性較高，運行較為靈活。雙環(huán)網(wǎng)帶站內(nèi)聯(lián)絡(luò)接線方式，如圖1 所示，實線所示線路為變電站1 饋出線構(gòu)成的一個手拉手環(huán)網(wǎng)，開環(huán)運行。虛線所示線路為變電站2 饋出線構(gòu)成的一個手拉手環(huán)網(wǎng)，開環(huán)運行。2 個環(huán)網(wǎng)在每座開關(guān)站建立聯(lián)絡(luò)，聯(lián)絡(luò)開關(guān)常開運行。

文獻[9]詳細(xì)分析了雙環(huán)網(wǎng)網(wǎng)架下保護配置現(xiàn)狀，指出其存在的問題是不能保證雙環(huán)網(wǎng)高可靠性供電。利用無線通信方式成本低、部署簡單、適應(yīng)性強、覆蓋面廣以及5G 通信高帶寬、低時延等特點，本文提出基于5G 通信動態(tài)自適應(yīng)保護的新型饋線自動化方案，解決多分段配電網(wǎng)存在的線路過流保護無法級差配合、光纖鋪設(shè)困難等問題。

1.2 通信方案

5G 通信技術(shù)是在4G 通信技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的通信技術(shù)，與4G 通信技術(shù)相比，5G 通信技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸速度大幅度提升（見表1）[12-21]。4G 通信技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸峰值為150 Mb/s，而5G 通信技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸速度為15 Gb/s，與此同時，5G通信技術(shù)能對網(wǎng)絡(luò)延時進行有效的控制。由于5G 技術(shù)具備超低時延、超高帶寬、更高移動速率以及海量接入的優(yōu)勢性能，4G 無法承載的時延敏感及大帶寬業(yè)務(wù)將通過5G 網(wǎng)絡(luò)承載應(yīng)用，根據(jù)ITU 的正式定義，5G 有3 個主要應(yīng)用場景：eMBB（增強型移動寬帶）、mMTC（大連接物聯(lián)網(wǎng)）、uRLLC（低時延和高可靠通信），可有效滿足用戶對于大連接、大流量及低時延的基本需求。

表1 5G 與4G 關(guān)鍵指標(biāo)對比分析

在圖1 所示每座開關(guān)站配置分布式DTU（數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備）。保護控制信息信道采用間隔DTU經(jīng)CPE（無線通信終端）接入5G 通信網(wǎng)，基站通過承載網(wǎng)和傳輸網(wǎng)接入本地核心網(wǎng)實現(xiàn)基站互通，進而完成終端的端到端互聯(lián)。

如圖2 所示，在DTU 配置基于地址的網(wǎng)絡(luò)路由，由CPE 接入5G 網(wǎng)絡(luò)，在基站附近下沉核心網(wǎng)中部署CPE 路由，實現(xiàn)DTU 網(wǎng)絡(luò)的互通。

圖1 10 kV 雙環(huán)網(wǎng)典型接線

圖2 基于5G 通信的配電網(wǎng)分布式保護終端網(wǎng)絡(luò)

通信帶寬要求： 根據(jù)IEC 618508—1（GOOSE）通信規(guī)約，線路兩端保護終端動態(tài)自適應(yīng)保護GOOSE 報文傳輸允許信號、跳閘信號、閉鎖信號、開關(guān)位置等狀態(tài)量，維持正常鏈路心跳報文時間間隔為5 s，當(dāng)故障發(fā)生時，GOOSE 報文發(fā)送時間間隔為2 ms，2 ms，4 ms，8 ms。60 路開關(guān)量時的典型值計算，通信帶寬需要1 Mbps。保護終端對5G 通信的主要要求： 端到端鏈路延時，CPE 間通信總延時小于30 ms；數(shù)據(jù)幀抖動時間，以數(shù)據(jù)幀間隔大于太網(wǎng)最小幀間隙，小于5 ms。

2 基于5G 通信動態(tài)自適應(yīng)保護的饋線自動化方案

2.1 動態(tài)自適應(yīng)保護配置方法

以雙環(huán)網(wǎng)網(wǎng)架為例，線路接線方式和配電網(wǎng)保護終端配置如圖3 所示。每個開關(guān)配置分布式DTU，主干線進出線DTU 配置動態(tài)自適應(yīng)保護、小電流接地選線、擴大差動保護，分段處配置就地自愈功能、動態(tài)自適應(yīng)保護、小電流接地選線，饋線配置過流保護、小電流接地選線功能。

如圖4 所示，動態(tài)自適應(yīng)保護配置在環(huán)網(wǎng)單元進出線及母聯(lián)保護裝置上。配置該保護裝置經(jīng)5G 無線網(wǎng)絡(luò)同時接收與本裝置連接的環(huán)網(wǎng)電纜對側(cè)斷路器保護裝置過流啟動判斷信號，以及本裝置所在母線的進出線及母聯(lián)斷路器保護裝置過流啟動判斷信號；配置動態(tài)自適應(yīng)過流保護的裝置檢測故障電流大于“動態(tài)自適應(yīng)過流定值”時，動態(tài)自適應(yīng)過流保護啟動，此時如果裝置接收到的2 類過流啟動判斷信號均為“真”，則本裝置動態(tài)自適應(yīng)過流保護被閉鎖并判斷為區(qū)外故障；如果該裝置接收到的2 類過流啟動判斷信號有且僅有1 個為假則判為區(qū)內(nèi)故障，且若是環(huán)網(wǎng)電纜對側(cè)斷路器的保護裝置過流啟動判斷信號為“假”，則判為該環(huán)網(wǎng)電纜故障，若是本母線進出線及母聯(lián)斷路器的保護裝置過流啟動判斷信號為“假”，則判為本裝置所在母線故障，該裝置的動態(tài)自適應(yīng)過流保護經(jīng)T1 延時快速動作出口切除故障。若配置所述保護功能的裝置出現(xiàn)故障或者通信異常，則自動降低一個時間級差，經(jīng)T2 動作出口切除故障，動態(tài)自適應(yīng)過流保護功能的T3 延時段為固定延時作為后備保護。

2.2 故障處理原則

將配電網(wǎng)故障分為主干聯(lián)絡(luò)線故障、環(huán)網(wǎng)單元母線故障、用戶饋線故障3 種，分別對應(yīng)圖3所示的A，B，C 點故障，以圖3 的環(huán)網(wǎng)單元2，3中的裝置3，4，5 動作行為為例，說明使用動態(tài)自適應(yīng)保護實現(xiàn)配電網(wǎng)線路全段有選擇性故障處理原則，如表2 所示（假設(shè)供電方向從左至右）。

上述原則不僅適用于5G 通信環(huán)境也適用于具備橫向通信的配電網(wǎng)保護環(huán)境。

圖3 動態(tài)自適應(yīng)保護配合

表2 基于5G 動態(tài)自適應(yīng)保護的配網(wǎng)故障處理原則

2.3 主干線故障分析

第一種情況： 裝置通信正常，裝置4 和5 經(jīng)5G 通信交互故障啟動信號及方向判別信息，裝置4 符合2.2 節(jié)闡述動態(tài)自適應(yīng)保護T1 動作原則，動作出口跳開斷路器4 并聯(lián)跳斷路器5，完成故障隔離。線路上其他裝置判斷為故障點發(fā)生在區(qū)外，動態(tài)加速過流保護T1 時限被閉鎖，保護不動作。

第二種情況： 裝置4 和5 通信異常，裝置4和5 的動態(tài)適應(yīng)加速過流保護T1 時限閉鎖，T2時限保護開放，裝置4 動態(tài)加速過流保護T2 動作跳開斷路器4。線路上其他裝置通信正常判斷為故障點發(fā)生在區(qū)外，動態(tài)加速過流保護T1 時限被閉鎖，保護不動作。

第三種情況： 裝置4 和5 通信正常但裝置4失電或故障，裝置3，4，5 的動態(tài)適應(yīng)加速過流保護T1 時限閉鎖，T2 時限保護開放，裝置3 動態(tài)加速過流保護T2 動作跳開斷路器3，裝置4動態(tài)加速過流保護T2 動作跳開斷路器4。線路上其他裝置通信正常判斷為故障點發(fā)生在區(qū)外，動態(tài)加速過流保護T1 時限被閉鎖，保護不動作。

2.4 母線故障分析

第一種情況： 裝置通信正常，裝置3 和4 經(jīng)本地通信交互故障啟動信號及方向判別信息，此時裝置3 符合2.2 節(jié)闡述動態(tài)自適應(yīng)保護T1 動作原則，動作出口跳開斷路器3 并聯(lián)跳斷路器4、母聯(lián)斷路器102，完成故障隔離。線路上其他裝置判斷故障點發(fā)生在區(qū)外，其動態(tài)適應(yīng)加速過流保護T1 時限被閉鎖，保護不動作。

第二種情況： 裝置3 和4 通信異常，裝置3和4 的動態(tài)適應(yīng)加速過流保護T1 時限閉鎖，T2時限保護開放，裝置3 動態(tài)加速過流保護T2 動作跳開斷路器3。線路上其他裝置通信正常判斷為故障點發(fā)生在區(qū)外，動態(tài)加速過流保護T1 時限被閉鎖，保護不動作。

圖4 動態(tài)自適應(yīng)保護邏輯

第三種情況： 裝置3 和4 通信正常但裝置4失電或故障，裝置3，4，5 的動態(tài)適應(yīng)加速過流保護T1 時限閉鎖，T2 時限保護開放，裝置3 動態(tài)加速過流保護T2 動作跳開斷路器3。線路上其他裝置通信正常判斷為故障點發(fā)生在區(qū)外，動態(tài)加速過流保護T1 時限被閉鎖，保護不動作。

2.5 饋線故障分析

環(huán)網(wǎng)單元饋線C 處發(fā)生短路故障。饋線故障時進出線動態(tài)適應(yīng)過流被閉鎖不動作，饋線電流速斷保護動作并跳開故障點C 上游開關(guān)。

2.6 就地自愈分析

就地自愈功能配置在每個環(huán)網(wǎng)單元母聯(lián)處，由上一級聯(lián)跳進線啟動就地母聯(lián)備自投。

（1）聯(lián)絡(luò)線故障

故障發(fā)生在斷路器4 和5 之間的A 點，故障定位由配置在4 處的動態(tài)適應(yīng)保護完成跳開斷路器4，并聯(lián)跳斷路器5，完成故障隔離，啟動環(huán)網(wǎng)單元3 就地備自投，確認(rèn)斷路器5 已跳開、左側(cè)母線失壓、右側(cè)母線有壓，完成環(huán)網(wǎng)單元3 左側(cè)母線轉(zhuǎn)供電。

（2）母線故障

故障發(fā)生在環(huán)網(wǎng)站2 母線B 點，故障定位由配置在3 處的動態(tài)適應(yīng)保護完成跳開斷路器3，聯(lián)跳斷路器4，并聯(lián)跳斷路器5，完成故障隔離，啟動環(huán)網(wǎng)單元3 就地備自投，確認(rèn)斷路器5 已跳開、左側(cè)母線失壓、右側(cè)母線有壓，完成環(huán)網(wǎng)單元3 左側(cè)母線轉(zhuǎn)供電。

3 5G 環(huán)境實證

基于5G 的通信鏈路，其鏈路復(fù)雜，主要為：A 端配網(wǎng)差動終端—A 端CPE—A 端5G 基站—5G 核心網(wǎng)（MEC/UPF 等設(shè)備）—B 端5G 基站—B端CPE—B 端配網(wǎng)差動終端。非獨立組網(wǎng)5G 網(wǎng)絡(luò)，如未實現(xiàn)UPF 下沉，端到端時延及其抖動比較大。獨立組網(wǎng)5G 網(wǎng)絡(luò)各地運營商正在加緊建設(shè)步伐，本文測試數(shù)據(jù)采用許繼5G 配網(wǎng)差動保護終端和許繼CPE、華為CPE、中興CPE 在實驗室接入5G 通信網(wǎng)絡(luò)進行模擬測試，測試結(jié)果如表3 所示。

上述測試數(shù)據(jù)表明，即使采用UPF 下沉和同步網(wǎng)絡(luò)，僅減少鏈路傳輸時延仍避免不了傳輸抖動，且目前各地運營商大多未實現(xiàn)經(jīng)核心網(wǎng)的端到端互通，下一步需要保護終端廠家、通信設(shè)備廠家、運營商分析研究抖動產(chǎn)生的環(huán)節(jié)及鏈路抖動實測數(shù)據(jù)，研究在基站和核心網(wǎng)層面、CPE終端層面分別進行下述優(yōu)化[11]： 上下行調(diào)度、傳輸優(yōu)先級、減少空口重傳、優(yōu)化重傳時延等，達到優(yōu)化控制時延和抖動目的。

表3 5G 配電網(wǎng)動態(tài)自適應(yīng)保護測試

4 結(jié)語

由于5G 網(wǎng)絡(luò)處于商用部署初期，技術(shù)層面仍需隨標(biāo)準(zhǔn)不斷進行迭代和平滑演進，測試數(shù)據(jù)顯示目前5G 通信存在鏈路時延及抖動不穩(wěn)定問題，下一步應(yīng)針對差動保護類時時在線、報文傳輸抖動小特點進行空口優(yōu)化，配電終端向著基于差動保護的饋線自動化發(fā)展，需要針對無線做針對性能優(yōu)化，增大緩存時間等功能。

本文提出的基于5G 通信的新型配電網(wǎng)饋線自動化方案，以5G 無線網(wǎng)絡(luò)作為信號傳輸通道，配電網(wǎng)環(huán)網(wǎng)單元聯(lián)絡(luò)線配電網(wǎng)終端間橫向通信交互故障判別信息，基于兩側(cè)過流及方向判據(jù)的動態(tài)自適應(yīng)保護，整條線路某段通信異常時，兩端動態(tài)自適應(yīng)保護相較線路其他分段延時降低一個級差，實現(xiàn)配電網(wǎng)主干線路故障段毫秒級隔離，無故障段不受影響。對下一步實現(xiàn)基于差動保護的饋線自動化發(fā)展具有指導(dǎo)意義。