基于5G 通信網(wǎng)絡的精準負荷控制系統(tǒng)

林曉亮，白申義，史俊瀟，段玉帥，魏艷偉

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司信息通信分公司，杭州 310016；2.許繼集團有限公司，河南 許昌 461000）

0 引言

精準負荷控制系統(tǒng)是特高壓交直流電網(wǎng)系統(tǒng)保護的重要組成部分。在特高壓直流故障初期，頻率快速下降，受端電網(wǎng)需要有效控制大量負荷，在低周減載動作前，調控中心需要通過負荷管理系統(tǒng)進行負荷調控，快速切除可中斷負荷，以阻止頻率繼續(xù)跌落，避免大量拉限線路、變電站等造成較大的社會影響[1-6]。精準負荷控制技術具有點多面廣、選擇性強、響應時間更快、對用戶用電影響小的優(yōu)勢，通過與傳統(tǒng)負荷控制系統(tǒng)協(xié)同作用，可滿足多直流換相失敗和閉鎖故障對大量切負荷的客觀要求，是保障過渡期電網(wǎng)安全的最有效手段之一[7-9]。為避免頻率下降給電網(wǎng)運行帶來巨大風險，國家電網(wǎng)公司統(tǒng)一部署，在各直流落點分區(qū)（省區(qū)）建設精準負荷控制系統(tǒng)工程。

可中斷負荷主要包括有較大日常負荷量的普通工業(yè)用戶、大型商業(yè)用戶、電動汽車集中充電站、大型儲能電站（充電時）、燃煤電廠可中斷輔機負荷等，這些可中斷的大用戶負荷具有用戶數(shù)多、分布分散且地理范圍廣的特點。鑒于5G 通信技術超高速率、超低時延、超大連接等優(yōu)勢，基于5G 無線通信技術可為精控終端的接入提供廣覆蓋、大連接、高可靠、低延時、高安全的解決方案。相比于文獻[1]中提到的無線4G 專網(wǎng)通信模式，5G 通信網(wǎng)絡更有技術優(yōu)勢。5G 網(wǎng)絡能夠接入更多的可中斷負荷，解決不具備光纖通信條件或光纖鋪設成本高、難度大的應用場景；5G低時延可在無線通信通道條件下，提供更快的通信速度，相比無線4G 專網(wǎng)通信模式，能夠減小系統(tǒng)整體動作時間；同時5G 網(wǎng)絡具備切片服務能力，能夠解決電網(wǎng)通信網(wǎng)絡的安全隔離問題。因此，無線5G 通信是精準負荷控制業(yè)務接入的理想解決方案，能夠為可中斷負荷響應實時性和數(shù)據(jù)安全性提供更好的支持，應用前景廣闊。

1 精準負荷分層控制系統(tǒng)架構

精準負荷控制系統(tǒng)圍繞“精確、快速、可靠切除可中斷負荷”的核心目標，從邏輯層面一般采用4 層體系架構。文獻[1]中提到了子站到終端側的架構，基于5G 通信網(wǎng)絡的系統(tǒng)架構則對文獻[1]中的系統(tǒng)整體架構進行了更加完整的描述，并對各裝置的動作指標進行了測試和描述。系統(tǒng)包含協(xié)控總站、主站、子站、通信擴展裝置、路由器設備、5G 核心網(wǎng)設備、5G CPE（用戶駐地設備）終端及用戶側精控終端等，如圖1 所示。

圖1 基于5G 通信網(wǎng)絡精準負荷分層控制系統(tǒng)架構

為滿足電網(wǎng)安全穩(wěn)定要求，毫秒級精準負荷控制系統(tǒng)從直流故障時刻起，經協(xié)控主站、精準負荷控制主站、精準負荷控制子站直至精控終端出口，系統(tǒng)整體動作時間要小于120 ms。協(xié)控總站一般部署在區(qū)域協(xié)調控制核心站點，協(xié)調直流調制、抽蓄切泵、快速切除可中斷負荷等多項控制功能[10-12]，裝置動作時間小于25 ms；主站、子站一般部署在各地市樞紐變電站，主站接收子站上送的可切負荷信息，進行負荷分配，按策略下發(fā)切負荷命令；子站匯集本分區(qū)可切負荷量上送主站，執(zhí)行主站下發(fā)的切負荷命令，主、子站裝置動作時間小于25 ms；精控終端針對具備專有變電站或配電室的大型電力用戶，負責采集多條支路的運行負荷信息，接收遠方控制命令，完成負荷切除和負荷恢復操作，快速出口控制回路動作時間小于20 ms。

無線5G 通信精準負荷控制系統(tǒng)在子站和用戶側精控終端之間建立無線通信網(wǎng)絡，實現(xiàn)對可中斷負荷的實時精準控制。子站通過100M 以太網(wǎng)將報文傳輸至5G 核心網(wǎng)，核心網(wǎng)通過無線基站與5G CPE 之間的無線通道，實現(xiàn)子站與精控終端的無線信息傳輸。從各個裝置的動作時間進行分析，系統(tǒng)要滿足整體120 ms 的動作時間要求，精準負荷控制系統(tǒng)對5G 網(wǎng)絡的通道時延要小于25 ms。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 主、子站硬件設計

精準負荷控制系統(tǒng)主、子站硬件采用模塊化設計，主要包括主CPU 插件、通信接口插件、通信擴展插件。該硬件結構不僅適用于精準負荷控制系統(tǒng)主站，也適用于精準負荷控制系統(tǒng)子站。硬件設計架構如圖2 所示。對比文獻[1]中的描述，對硬件架構及軟件進行了改進和升級，增加了通信擴展CPU1，用于支持精準負荷控制系統(tǒng)的有線控制接入，將有線通信和無線通信功能分別由不同的通信板卡實現(xiàn)，板卡功能區(qū)分更加明確。同時對通信擴展CPU 的工程接入能力進行了描述。

主CPU 插件實現(xiàn)硬開入信號的采集、應用邏輯處理及核心控制策略執(zhí)行，集成設計4 個2M 光口，用來與上一級控制站點通信，接收上級控制站點切負荷命令，同時將可切負荷量信息、通道信息、壓板信息等上送給上級控制站點。

通信接口插件通過裝置背板以太網(wǎng)接口與主CPU 通信，具備快速數(shù)據(jù)傳輸機制，實現(xiàn)智能液晶接口、61850 通信、穩(wěn)控104 通信、對時及打印功能，改進了文獻[1]中的普通液晶人機交互，同時支持61850 通信、穩(wěn)控104 通信，升級了文獻[1]中只支持穩(wěn)控104 通信功能，使通信接入方式更加靈活，更能滿足實際工程需求。

通信擴展CPU 插件與主CPU 插件之間采用高速以太網(wǎng)口通信，通信擴展插件支持8 個2M光纖口和8 個100M 以太網(wǎng)口2 種設計規(guī)格。當主站所接入子站小于8 個時，直接通過裝置2M通信擴展插件即可滿足要求；當接入子站規(guī)模大于8 個時，可通過100M 通信擴展插件接入通信擴展裝置擴充接入30 個子站的能力。同時100M通信插件支持接入5G 核心網(wǎng)，再通過無線基站接入無線精控終端。

2.2 精控終端硬件設計

精控終端裝置采用高性能的32 位基于PowerPC 的硬件平臺，硬件設計架構如圖3 所示。對比文獻[1]中硬件架構只能夠支持8 個支路的接入，對接入支路數(shù)進行了硬件升級，現(xiàn)有硬件能夠支持12 個支路的接入，節(jié)省了因用戶側支路多而需多配置一臺精控終端的投資。同時對策略CPU進行優(yōu)化升級，原有CPU 只支持無線接入，現(xiàn)有CPU 能夠同時支持無線和有線的接入，方便用戶有線和無線的切換接入。策略CPU 插件支持2M有線通信和無線5G 通信，主要完成應用邏輯運算、數(shù)據(jù)收發(fā)、出口邏輯和開關量輸入等功能，用于和擴展插件的通信。當選擇有線通信模式時，通過2M 光口與子站裝置通信；當選擇無線通信模式時，以太網(wǎng)接口可連接CPE 無線終端接入設備對無線信息進行轉發(fā)，從而通過無線網(wǎng)絡與子站進行通信。同時該插件可完成人機接口管理，包括信息輸入設置、界面顯示、信息打印管理功能。通信管理包括RS232，RS485，以太網(wǎng)以及時鐘管理等。

3 無線通信體系架構及控制策略

3.1 通信體系架構

子站通過通信擴展插件100M 以太網(wǎng)口將報文傳輸至核心網(wǎng)，核心網(wǎng)通過無線基站與CPE之間的無線通道，實現(xiàn)子站與精控終端的無線信息傳輸。子站支持同時接入有線2M 終端和無線終端。子站至精控終端之間的通信數(shù)據(jù)流如圖4所示。

圖2 系統(tǒng)硬件設計架構

圖3 精控終端硬件設計架構

圖4 子站至精控終端數(shù)據(jù)流

精控終端作為客戶端，子站裝置作為服務端，子站與精控終端的發(fā)送間隔默認均為100 ms，并且發(fā)送時間間隔可配置，通信協(xié)議采用UDP/IP（用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議）[13]，將精準負荷控制有線傳輸?shù)?e 報文幀直接進行封裝，報文格式如表1 所示。通過UDP/IP 傳輸，當子站或者精控終端收到報文后，只需要將報文中的應用數(shù)據(jù)解幀，并按照有線2M 通信數(shù)據(jù)處理方式進行處理。

3.2 子站無線設計方案

子站無線5G 接入方案如圖5 所示，對圖中的通信擴展插件進行升級，用于支持無線5G 通信。文獻[1]中的應用場合為無線專網(wǎng)，子站、精控終端的IP 都是分配好的固定IP，而5G 運行在公網(wǎng)上，無線終端CPE 的WAN（廣域網(wǎng)）口IP 不固定，每次重啟上電IP 都有可能變化，通過升級通信擴展插件平臺，支持5G 動態(tài)IP 應用模式，同時兼容無線專網(wǎng)的接入。子站根據(jù)各精控終端動態(tài)分配IP 地址，再根據(jù)各個精控終端的IP 地址信息分別建立連接，并進行UDP 數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收[14-15]；子站向終端發(fā)送的55（普通報文幀的特征碼）正常報文，按照固定間隔發(fā)送，發(fā)送時間間隔默認初值為100 ms；子站向終端發(fā)送的99（命令報文幀的特征碼）命令報文，采用突變方式發(fā)送，發(fā)送間隔不大于10 ms，持續(xù)發(fā)送時間為50 ms。同時采用三幀確認機制，只有收到三幀有效命令時才執(zhí)行切負荷或提醒負荷恢復命令。

表1 7e 報文幀格式

圖5 子站有線/無線通信示意圖

3.3 精準負荷控制策略

精準負荷控制系統(tǒng)切負荷控制主站接收協(xié)控總站下發(fā)的切負荷容量指令，根據(jù)子站每層級可中斷負荷容量，按層級分配子站需要切除的負荷，計算確定應該切除的負荷層級和負荷量。

若剩余需切量小于下一層級總可切量，則按照該層級各子站可中斷負荷總量的比例分配各子站切負荷量，即：本子站切負荷量=（該層需切量/該層總可切量）×本子站該層可切量。雙套裝置獨立運行，但是可切量需要相互交互。

該策略改進了文獻[1]中提到的按子站優(yōu)先級切除負荷造成各子站切負荷不均的弊端，各切負荷子站根據(jù)切負荷控制主站下發(fā)的切負荷指令（層級、容量）以及本站負荷終端排序向負荷終端下發(fā)切除指令。

4 關鍵技術創(chuàng)新

4.1 裝置動作快速性及可靠性

基于多CPU 間數(shù)據(jù)和信息交互，裝置的通信插件CPU 及策略CPU 均設計了1.667 ms 的定間隔中斷任務處理機制（如圖6 所示），用于處理通信數(shù)據(jù)接收及發(fā)送，裝置啟動判別任務及切負荷控制策略執(zhí)行任務。基于該中斷任務的處理機制，保證了精準負荷控制主站及子站裝置從接收到第一幀有效控制命令，經連續(xù)三幀有效確認觸發(fā)裝置啟動，執(zhí)行切負荷控制策略，到控制命令下發(fā)的處理時間不超過10 ms。

“一鍵式”負荷恢復控制功能，在系統(tǒng)頻率恢復正常后，主站“一鍵式”下發(fā)負荷恢復命令，子站按照實際切除情況并結合就地判據(jù)下發(fā)合閘命令。對于用戶側負控終端，在收到恢復命令后，發(fā)出允許合閘的提示信號（燈光），用戶手動合閘。

同時采用基于區(qū)域均衡控制原則的多層級劃分策略，實現(xiàn)面向終端用戶定點切除負荷的功能，切除負荷精確到一個終端用戶的一類負荷，采用電流互感器二次回路斷線實時判別技術，提高了裝置保護動作的可靠性。

圖6 基于定時中斷任務的通信數(shù)據(jù)處理機制

4.2 集成化設計及多重防誤策略

系統(tǒng)設備采用集成化設計和多重防誤策略，可有效提高系統(tǒng)可靠性。子站和終端采用集約化設計，子站設備集成光通信口設計，終端側也采用光口設計，減少兩側的光電轉換設備配置，減少了系統(tǒng)通信傳輸2 個層級，節(jié)省了設備的投資，減少了時間傳輸時延；各層設備均采用“遠方命令+就地判劇”的防誤方案（如圖7 所示），以保證動作的可靠性。

裝置硬件采用并行總線自檢技術，避免了由并行總線故障導致的系統(tǒng)數(shù)據(jù)錯誤；軟件采用“數(shù)據(jù)分層多重校驗+業(yè)務應用邏輯防誤”的級聯(lián)校驗技術，確保通信報文正確性；主站與協(xié)控總站、主站與子站均采用雙通道冗余機制，保證了通信的可靠性。

圖7 “遠方命令+就地判據(jù)”的防誤方案

4.3 系統(tǒng)安全性及時效性

頂層設備功能解耦，末端設備邏輯互鎖，有效提升了系統(tǒng)安全性。主站、子站A/B 套設備和通道相互獨立；切負荷終端雙通道接入，依據(jù)通道狀態(tài)動態(tài)切換“通道二取二”和“通道二取一”出口模式，如圖8 所示。

采用多通道并行處理技術，可保證整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)接收及發(fā)送的同步性，也提高了通信數(shù)據(jù)的處理效率。對通信插件接收的通信數(shù)據(jù)采取并行接收，校驗打包后通過裝置內部的高速串口或以太網(wǎng)口傳給對應CPU 插件，有效提高了通信數(shù)據(jù)處理的時效性。

4.4 有線、無線通信方式兼容設計

支持多種混合通信方式，包括用戶側無線、2M E1、大用戶接入裝置的接入，實現(xiàn)了終端用戶有線模式和無線模式的靈活接入；具備現(xiàn)場“一鍵式”模擬策略測試和全景故障過程可視化功能，有效提升了系統(tǒng)易維護性。各層設備內嵌獨立的模擬策略測試模塊，一鍵式測試，自動生成報告文件。

5 無線通信測試驗證

為開展基于5G 通信網(wǎng)絡的精準負荷控制系統(tǒng)的切負荷動作、負荷恢復及動作時間測試[16-20]，搭建測試環(huán)境如圖9 所示。

5.1 切負荷動作試驗

對切負荷動作邏輯進行驗證，測試結果如表2 所示。當頻率施加值小于整定值時，裝置可靠動作；當頻率施加值大于整定值時，裝置可靠不動作，滿足可靠性要求。

5.2 負荷恢復試驗驗證

對負荷恢復動作邏輯進行驗證，測試結果如表3 所示。當頻率施加值大于整定值時，裝置可靠恢復；當頻率施加值小于整定值時，裝置可靠不恢復，滿足可靠性要求。

圖9 基于5G 精準負荷控制測試環(huán)境

表2 切負荷動作試驗測試記錄

表3 負荷恢復試驗測試記錄

5.3 動作時間測試

在5G 測試環(huán)境下，對子站到終端的系統(tǒng)動作時間進行驗證，測試結果如表4 所示。

表4 系統(tǒng)動作時間

由表4 可以看出，從子站裝置下發(fā)切負荷命令開始到精控終端動作繼電器出口，5G 通信環(huán)境下精準負荷控制系統(tǒng)整組動作時間不超過40 ms，減去裝置本身的動作時間，5G 通信網(wǎng)絡完全滿足毫秒級切負荷的應用要求，且優(yōu)于無線4G 通信網(wǎng)絡的動作時間指標。

經驗證，精準負荷控制系統(tǒng)能夠通過無線5G網(wǎng)絡準確上傳可切負荷量和用戶側終端狀態(tài)信息，實現(xiàn)可切負荷量的計算，并依據(jù)核心控制策略，實現(xiàn)控制命令的下發(fā)和執(zhí)行。

6 結語

本文提出基于5G 先進通信技術的精準負荷控制業(yè)務系統(tǒng)架構，并充分利用5G 組網(wǎng)方案的技術優(yōu)勢，實現(xiàn)對多通道控制目標的控制。滿足電網(wǎng)緊急情況下的應急處置需求，可切負荷為用戶的可中斷負荷，將經濟損失、社會影響降至最低。完成了基于5G 通信網(wǎng)絡的精準負荷控制通信體系研究，充分利用了無線通信無需建設通道、網(wǎng)絡部署快、系統(tǒng)擴展能力強等技術優(yōu)勢，通過5G 無線通信網(wǎng)可以為業(yè)務傳輸提供可靠性、安全性保障。能有效解決精控業(yè)務部分應用場景的光纖通信受施工難度大、建設周期長、難以覆蓋等制約因素，具有較好的技術經濟性。精準負荷控制系統(tǒng)通過匯聚公司內及社會上各層級的海量調節(jié)資源，為構建大規(guī)模源網(wǎng)荷儲友好互動體系，以及源網(wǎng)荷儲各類資源的可觀、可測、可控、可調提供基礎支撐，是建設多元融合高彈性電網(wǎng)的有效支撐。