基于5G通信技術(shù)的電網(wǎng)保護(hù)和區(qū)域自動控制系統(tǒng)研究與應(yīng)用

魏慶海

（國家電網(wǎng)公司，河南 三門峽 472000）

0 引 言

電力系統(tǒng)的一次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是由“發(fā)、輸、變、配、用”5部分組成，而且每一部分都具有極強(qiáng)的同一性。發(fā)電部分由多臺同類發(fā)電機(jī)和變壓器組構(gòu)成，輸電部分由多條線路和變電設(shè)備構(gòu)成，變電和配用電系統(tǒng)也是如此。這些發(fā)電或輸電設(shè)備分布于不同的地理位置，交流、直流、柔性方式各異，而電力屬性卻完全可以按類別協(xié)調(diào)控制和保護(hù)[1]。目前，同一發(fā)電站、同一變電站在不同容量和電壓等級框架下，“發(fā)、輸、變、配、用”5部分設(shè)備都具有獨(dú)立的多套二次系統(tǒng)保護(hù)和自動裝置，只是參數(shù)、動作限值及時間各有差異。通過現(xiàn)場交流采樣，利用5G通信技術(shù)傳輸，實現(xiàn)同一類設(shè)備用一套保護(hù)。進(jìn)行巡回檢測，經(jīng)過定值比對作用于對應(yīng)的開關(guān)，針對故障性質(zhì)進(jìn)行選擇性的重合，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。根據(jù)研究，這種自動控制模式完全可以實現(xiàn)[2]。

1 5G通信技術(shù)的支撐

5G技術(shù)是實現(xiàn)工業(yè)控制現(xiàn)代化的前提。電力系統(tǒng)要實現(xiàn)自動化，必須以先進(jìn)的通信技術(shù)作為依托。與4G相比，5G具有更高的速率、更寬的頻帶、更高的可靠性以及幾乎忽略的延時等特征，這些正與所研發(fā)的網(wǎng)絡(luò)保護(hù)及區(qū)域控制系統(tǒng)的要求相吻合。

目前，5G網(wǎng)絡(luò)已成功在電氣化軌道交通、系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控智能化、工業(yè)控制等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。將5G技術(shù)應(yīng)用于電網(wǎng)自動化切實可行且具有廣闊的發(fā)展前景，能夠滿足電力系統(tǒng)需求。從5G應(yīng)用于航空航天、智能制造、高清視頻以及自動駕駛領(lǐng)域的情況來看，5G技術(shù)水平與電力系統(tǒng)自動化可靠性、靈敏性、正確性的要求相符[3-6]。

2 網(wǎng)絡(luò)保護(hù)和區(qū)域自動控制系統(tǒng)的架構(gòu)

電力系統(tǒng)是一個龐大的網(wǎng)絡(luò)，其研究與應(yīng)用必須和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、調(diào)度管理體制、行政區(qū)劃緊密結(jié)合，形成電網(wǎng)運(yùn)行與管理體制的高度統(tǒng)一。按現(xiàn)行電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和調(diào)度業(yè)務(wù)關(guān)系，構(gòu)建層間與區(qū)域相結(jié)合的3級網(wǎng)絡(luò)保護(hù)和區(qū)域自動控制體系是本研究的基本思路。

（1）國家調(diào)度控制體系。建設(shè)跨國、跨區(qū)、跨省電網(wǎng)的二次系統(tǒng)體系，主要是跨國±400～±1 100 kV直流、跨區(qū)、跨省1 000 kV特高壓交流和±500 kV直流。

（2）省級調(diào)度控制體系。建設(shè)省內(nèi)與地級電網(wǎng)界面以上的各電壓等級的輸變電設(shè)備自動化系統(tǒng)。

（3）地市調(diào)度控制體系。建設(shè)地市區(qū)域內(nèi)各電壓等級輸變電設(shè)備的自動化系統(tǒng)。

3 5G數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂撇呗?/h2>

電力系統(tǒng)中通常采用光纖作為通信網(wǎng)絡(luò)傳輸載體，為了保證采集、轉(zhuǎn)換、傳輸、分析、決策以及出口6個串聯(lián)環(huán)節(jié)的同一性，對可能存在的誤差必須進(jìn)行策略修正，以保證系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行[7]。

（1）延時控制策略。若多站之間數(shù)據(jù)延時過大，則容易產(chǎn)生信息控制錯誤。為保證數(shù)據(jù)采集的同時性，需要在5G傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包中增數(shù)據(jù)生成系統(tǒng)，以便始末兩端用校時的方法減少延時誤差。

（2）擁塞控制策略。在數(shù)據(jù)超過閥值或開關(guān)量未發(fā)生變化時，向關(guān)聯(lián)站按設(shè)定規(guī)則發(fā)送高頻數(shù)據(jù)，確保主站能夠及時準(zhǔn)確采集到輸變電現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)，做出正確的判斷和決策。

（3）在線控制策略。電力系統(tǒng)的保護(hù)與控制必須是實時在線，時限在毫秒和微秒范圍內(nèi)，需具有高分辨率和極強(qiáng)的自適應(yīng)性，以滿足電力自動化的要求。

（4）手動操作的離線控制策略。電力系統(tǒng)控制需滿足就地和遠(yuǎn)程、手動和自動的控制要求，以實現(xiàn)手動操作的離線控制。

4 基于5G通信技術(shù)的電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)保護(hù)和區(qū)域自動控制系統(tǒng)

4.1 網(wǎng)絡(luò)保護(hù)歸類和集中控制原則

電力系統(tǒng)是一個拓樸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由于各電壓等級和跨地區(qū)輸電的存在，形成了非線性多節(jié)點的巨陣方程，因此對網(wǎng)絡(luò)保護(hù)要實現(xiàn)分區(qū)集中控制，同時進(jìn)行系統(tǒng)的歸類，以實現(xiàn)用最少的資源發(fā)揮出最大的保護(hù)和控制效果。

網(wǎng)絡(luò)保護(hù)歸類和集中控制原則共有8個。一是配置與電壓等級相統(tǒng)一，不同電壓等級的保護(hù)和自動裝置有不同的配置方式；二是配置與一次電網(wǎng)的輸電方式相統(tǒng)一，直流輸電、背靠背直流輸電、交流輸電各自歸類；三是配置與保護(hù)類型相統(tǒng)一，將同一保護(hù)類型納入同一巡回檢測模塊系統(tǒng)形成獨(dú)立的體系；四是配置與元件性質(zhì)相統(tǒng)一，同一電壓等級的發(fā)電機(jī)組、變壓器、線路基本屬于同一配置原則；五是區(qū)域內(nèi)安全自動裝置與控制對象相統(tǒng)一；六是電網(wǎng)監(jiān)視信號系統(tǒng)和現(xiàn)場管理監(jiān)視系統(tǒng)相統(tǒng)一；七是無功補(bǔ)償與電壓調(diào)整系統(tǒng)相統(tǒng)一；八是區(qū)域內(nèi)電網(wǎng)設(shè)備操作系統(tǒng)與管理類操作系統(tǒng)相統(tǒng)一。

基于這種分類體系控制原則，構(gòu)建一種分層分區(qū)保護(hù)控制的網(wǎng)絡(luò)化格局。電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)保護(hù)采樣與控制示意如圖1所示。

圖1 電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)保護(hù)采樣與控制示意圖

4.2 技術(shù)方案

基于5G通信技術(shù)的電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)保護(hù)和區(qū)域自動控制系統(tǒng)整體方案共由6個層次構(gòu)成。

（1）子站端采樣。在子站端采集電力系統(tǒng)發(fā)電、輸電、變電、配電的運(yùn)行參數(shù)以及環(huán)境和消防參數(shù)，包括電流、電壓、頻率、濕度、壓力、極限位置等。

（2）數(shù)模轉(zhuǎn)換。將子站端中全部采樣參數(shù)的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。

（3）網(wǎng)絡(luò)傳輸。應(yīng)用現(xiàn)有的5G數(shù)字通信系統(tǒng)，將已轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號傳送至主站端。

（4）主站接收分類。對傳送到主站的數(shù)字信號進(jìn)行分類，分別是網(wǎng)絡(luò)保護(hù)與自動控制系統(tǒng)、手動操作與控制系統(tǒng)、實時監(jiān)視與測量系統(tǒng)以及電力電量計算與管理系統(tǒng)。

（5）巡回檢測與校準(zhǔn)定值比對。將與網(wǎng)絡(luò)保護(hù)和區(qū)域自動控制系統(tǒng)相關(guān)的參數(shù)按規(guī)定的頻次與定值比對，明確是否發(fā)生故障或需要系統(tǒng)調(diào)解操作，做出決策判斷。

（6）出口操作與調(diào)控。將瞬時故障的設(shè)備切除后再次投入系統(tǒng)運(yùn)行，將永久故障的設(shè)備按次序重合，在切除后另行處理。對于需要調(diào)節(jié)的無功補(bǔ)償、變壓器有載分接、直流輸電的功率變動以及管理類的監(jiān)視與控制，將根據(jù)自動和手動兩種模式遠(yuǎn)程作用于現(xiàn)場設(shè)備[8-11]。網(wǎng)絡(luò)保護(hù)與區(qū)域自動化控制系統(tǒng)整體如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)保護(hù)與區(qū)域自動化控制系統(tǒng)全圖

5 結(jié) 論

通過構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)保護(hù)模式，開創(chuàng)性地將巡回檢測技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)自動控制中，實現(xiàn)了區(qū)域電網(wǎng)同類保護(hù)和自動裝置的一對多控制目標(biāo)，突出體現(xiàn)了用一套保護(hù)控制多個元件、由分散控制向集中控制、由就地控制向遠(yuǎn)程控制、由一維點線決策向三維立體決策、由單項監(jiān)控向復(fù)合監(jiān)控的轉(zhuǎn)變，提高了電網(wǎng)運(yùn)行的現(xiàn)代化水平。理論上該研究的應(yīng)用能使系統(tǒng)造價和管理成本大幅降低，同時為用戶側(cè)管理和防止竊電提供了全天候的監(jiān)控措施。