基于R-GOOSE協(xié)議+5G通信的智能分布式配電保護(hù)技術(shù)

李宇晨，梁健軍，張浩民

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司江門江海供電局，廣東 江門 529000）

1 配電自動(dòng)化技術(shù)分析

配電自動(dòng)化技術(shù)主要為饋線自動(dòng)化，即在配電線路中出現(xiàn)故障情況時(shí)，系統(tǒng)能夠在無人工干預(yù)或部分人工干預(yù)的情況下準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)故障區(qū)段的自動(dòng)定位與隔離，確保非故障區(qū)域能夠及時(shí)恢復(fù)供電[1]。饋線自動(dòng)化技術(shù)的深入研究應(yīng)用對提高配網(wǎng)運(yùn)行可靠性、降低線路故障率、縮小配網(wǎng)故障停電范圍具有積極意義，能夠?yàn)橛脩粲绕涫顷P(guān)鍵負(fù)荷用戶提供更優(yōu)質(zhì)的用電體驗(yàn)。在實(shí)際應(yīng)用過程中，配電自動(dòng)化主要具有3種類型，分別為就地饋線自動(dòng)化、集中饋線自動(dòng)化以及本文所研究的智能分布式饋線自動(dòng)化。

2 智能分布式配電保護(hù)技術(shù)中應(yīng)用5G通信存在的問題與必要性分析

《配電網(wǎng)分布式饋線自動(dòng)化技術(shù)規(guī)范》中對分布式饋線自動(dòng)化系統(tǒng)的通信延時(shí)進(jìn)行了規(guī)定：要求速動(dòng)型系統(tǒng)配電主站與智能終端、智能終端與智能終端具有低于20 ms的通信延時(shí)，需要在150 ms之內(nèi)完成故障上游開關(guān)的隔離，3 s內(nèi)將信息傳回配電主站；要求緩動(dòng)型系統(tǒng)配電主站與智能終端、智能終端與智能終端具有低于1 s的通信延時(shí)，在10 s之內(nèi)完成故障上游開關(guān)的隔離，3 s內(nèi)將信息傳回配電主站?，F(xiàn)階段應(yīng)用的5G通信技術(shù)能夠?qū)⒅悄芙K端間或智能終端與主站間的通信延時(shí)控制在1 ms內(nèi)（理論數(shù)據(jù)），具有低延時(shí)、高速率等傳輸優(yōu)勢，然而在實(shí)際應(yīng)用過程中往往會(huì)因?yàn)楦黝惛蓴_導(dǎo)致5G通信質(zhì)量受到影響。

2.1 存在問題分析

5G通信頻率與國內(nèi)應(yīng)用的部分無線通信衛(wèi)星頻率存在一定的相似性，衛(wèi)星通信應(yīng)用過程中將會(huì)對5G通信造成干擾，國家針對干擾問題特別要求，當(dāng)5G通信與衛(wèi)星通信相互干擾時(shí)，前者需要通過調(diào)整進(jìn)行回避，這一問題隨著無線通信衛(wèi)星數(shù)量的增加愈發(fā)嚴(yán)重。因此，電力企業(yè)在應(yīng)用5G通信建設(shè)智能分布式配電自動(dòng)化系統(tǒng)的同時(shí)，需要研究解決通信干擾問題的技術(shù)方法，常規(guī)的方式主要為將5G通信頻率調(diào)整至 3 000 Hz內(nèi)或 4 200 Hz以上，或者借助抗干擾過濾器提升通信傳輸穩(wěn)定性，但2種方法的應(yīng)用將會(huì)對5G通信的低延時(shí)、高速率性能造成影響，不利于滿足配電自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)行需求[2,3]。此外，各類短距離5G信號屏蔽器的應(yīng)用也成為影響配網(wǎng)5G通信的重要因素，如高考、國考期間，各地應(yīng)用的屏蔽器不可避免地會(huì)對周邊配網(wǎng)5G通信造成干擾，但此類干擾的影響時(shí)長相對較短，通常不會(huì)對配電系統(tǒng)可靠運(yùn)行造成較大影響。

2.2 必要性分析

我國地域遼闊，為實(shí)現(xiàn)對智能分布式配電自動(dòng)化系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，需要建設(shè)大量的通信傳輸通道，如果依靠光纖網(wǎng)絡(luò)建立通信通道，那么會(huì)導(dǎo)致配電自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)、運(yùn)營成本大幅度增加，難以滿足大規(guī)模推廣需求。相對而言，5G通信技術(shù)能夠有效降低通信通道的建設(shè)成本，在無法避免5G通信受到干擾的情況下，可以通過研發(fā)相應(yīng)的冗余邏輯判斷機(jī)制解決5G通信異常情況下的配電保護(hù)工作需求。

3 基于R-GOOSE協(xié)議+5G通信的智能分布式配電保護(hù)技術(shù)

3.1 智能分布式配電保護(hù)

配電網(wǎng)線路種類相對輸電線路更加復(fù)雜，一次網(wǎng)架具有雙環(huán)、單環(huán)、輻射、N供1備、花瓣等多種接線類型。隨著接線種類有所不同，各類配電網(wǎng)線路均存在大量的開關(guān)級聯(lián)，架空配電線路還大量存在T接現(xiàn)象[4]。針對這一復(fù)雜接線情況，單純依靠普通的繼電保護(hù)技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)故障問題的快速定位與診斷處理，集中饋線自動(dòng)化、就地饋線自動(dòng)化在故障隔離效率方面也存在一定不足，難以解決合環(huán)運(yùn)行線路的配電保護(hù)工作需求。相對而言，智能分布式配電保護(hù)技術(shù)能夠更好地解決配電網(wǎng)面臨的故障診斷隔離與供電恢復(fù)難題，本文重點(diǎn)從故障隔離、配電保護(hù)方面進(jìn)行論述。

在實(shí)際運(yùn)行過程中，分布式配電保護(hù)線路能夠借助智能終端之間的通信聯(lián)系實(shí)現(xiàn)對線路故障電流參數(shù)的相互共享，基于故障電流流向參數(shù)判斷故障點(diǎn)位，從而高效完成故障點(diǎn)位相關(guān)開關(guān)的分閘操作，實(shí)現(xiàn)故障區(qū)段的隔離處理，避免對非故障區(qū)域正常供電造成影響。分布式配電保護(hù)技術(shù)的邏輯判斷具有帶方向與不帶方向2類，帶方向邏輯通常適用于具有分布式電壓接入或多電壓合環(huán)運(yùn)行的配電線路，不帶方向邏輯則適用于無分布式電源接入且開環(huán)運(yùn)行的配電線路。現(xiàn)有的智能分布式配電自動(dòng)化系統(tǒng)通常選用光纖通信，需要耗費(fèi)較多資金用于光纜的規(guī)劃、敷設(shè)工作，難以在郊區(qū)、農(nóng)村等區(qū)域大面積推廣，導(dǎo)致相關(guān)區(qū)域的配電、供電可靠性難以快速提升，而5G技術(shù)則能夠有效替代傳統(tǒng)光纖通信模式，推動(dòng)智能分布式配電自動(dòng)化系統(tǒng)的快速部署應(yīng)用[5]。

3.2 R-GOOSE協(xié)議與分布式配電保護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)

面向通用對象的變電站事件（Generic Object Oriented Substation Event，GOOSE）協(xié)議適用于光纖通信模式下的分布式配電自動(dòng)化系統(tǒng)，能滿足智能終端之間的通信傳輸屬性，實(shí)現(xiàn)開關(guān)量信號的采集與傳輸，滿足開關(guān)的分合閘狀態(tài)采集與控制需求。由于實(shí)時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量相對較少，能夠?qū)崿F(xiàn)對數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。GOOSE報(bào)文在IEC61850中規(guī)定的通信延時(shí)范圍為4 ms內(nèi)。在不經(jīng)過路由的情況下，GOOSE報(bào)文的傳輸將不受影響，因此GOOSE適用于光纖通信模式下的配電自動(dòng)化系統(tǒng)。然而，5G通信構(gòu)建的分布式配電自動(dòng)化系統(tǒng)需要應(yīng)用路由設(shè)備滿足無線通信需求，這導(dǎo)致GOOSE報(bào)文的傳輸受到限制。IEC/TR 61850-90-5標(biāo)準(zhǔn)改造了傳統(tǒng)的GOOSE協(xié)議與采樣信息的通信服務(wù)（Sampled Value，SV）協(xié)議，針對無法路由的情況應(yīng)用了用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（User Datagram Protocol，UDP）多播技術(shù)，同時(shí)借助標(biāo)識網(wǎng)際互連協(xié)議（Internet Protocol，IP）優(yōu)先級的方式進(jìn)一步增強(qiáng)通信傳輸?shù)目煽啃耘c實(shí)時(shí)性。在IP網(wǎng)絡(luò)的作用下，GOOSE報(bào)文的傳輸更加靈活，也能夠經(jīng)過路由器實(shí)現(xiàn)通信數(shù)據(jù)的自由傳輸，此時(shí)的GOOSE協(xié)議又被定義為可路由通用面向?qū)ο笞冸娬臼录≧outing-Generic Object Oriented Substation Event，R-GOOSE）協(xié)議，SV 協(xié)議則為可路由采樣信息的通信服務(wù)（Routing-Sampled Value，R-SV）協(xié)議。

在IEC/TR 61850-90-5標(biāo)準(zhǔn)的影響下，R-GOOSE信息與R-SV信息可路由，將只能完成站內(nèi)通信傳輸?shù)腉OOSE轉(zhuǎn)化為能夠站間通信傳輸?shù)腞-GOOSE，滿足了各類智能電子設(shè)備（Intelligent Electronic Device，IED）設(shè)備的站間互操作需求，在站間通信異常的情況下也可以借助相關(guān)調(diào)試工作捕獲網(wǎng)絡(luò)報(bào)文，實(shí)現(xiàn)通信異常原因的定位與處置。同步向量測量技術(shù)能夠?yàn)閰^(qū)域差的保護(hù)同步問題提供解決措施，傳統(tǒng)線路差動(dòng)保護(hù)模式通常需要借助計(jì)算通道延時(shí)的方式對各側(cè)電氣量進(jìn)行同步，點(diǎn)對點(diǎn)建立測量點(diǎn)通信連接的過程中通常會(huì)增加區(qū)域通信網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，而IEC/TR 1850-90-5標(biāo)準(zhǔn)則能夠?qū)⒏鱾?cè)時(shí)鐘源統(tǒng)一，滿足電氣量的同步測量需求，實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的簡化處理，更好地同步區(qū)域差動(dòng)保護(hù)。

為滿足農(nóng)村、郊區(qū)等偏遠(yuǎn)區(qū)域智能分布式配電保護(hù)系統(tǒng)的推廣應(yīng)用需求，電力企業(yè)需要積極應(yīng)用5G通信技術(shù)，將傳統(tǒng)的光纖通信網(wǎng)絡(luò)替換為建設(shè)運(yùn)營成本更低的5G通信網(wǎng)絡(luò)，分布式配電自動(dòng)化系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。建設(shè)過程中需要將5G客戶前置設(shè)備與智能終端連接，利用5G孔口與5G基站連接，并借助基站連接5G無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，滿足智能終端之間乃至智能終端與配電主站之間的通信需求。

圖1 基于5G的智能分布式配電自動(dòng)化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3.3 通信帶寬控制技術(shù)

GOOSE報(bào)文控制報(bào)文發(fā)送的傳輸時(shí)間的方式如圖2所示，圖2中的T0為心跳時(shí)間，即裝置每次發(fā)送當(dāng)前狀態(tài)的間隔時(shí)間；當(dāng)發(fā)生突發(fā)事件時(shí)，如電流方向變化、過流元件動(dòng)作狀態(tài)異常等數(shù)值的變化將導(dǎo)致裝置立即發(fā)生數(shù)據(jù)，按照T1、T1、T2、T3的間隔依次將第2、第3、第4、第5幀數(shù)據(jù)發(fā)送，再恢復(fù)初始狀態(tài)，報(bào)文發(fā)生傳輸時(shí)間回歸為心跳時(shí)間。

圖2 GOOSE報(bào)文發(fā)送過程

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)為明確規(guī)定上述T0～T3的時(shí)間間隔要求，當(dāng)前常規(guī)設(shè)置模式通常為4個(gè)間隔時(shí)間翻倍為 5 s、2 ms、4 ms、8 ms，即正常狀態(tài)下間隔5 s發(fā)送1次報(bào)文，突發(fā)事件后發(fā)送全部數(shù)據(jù)，并按照 2 ms、2 ms、4 ms、8 ms的間隔依次發(fā)送 4 幀數(shù)據(jù)，如期間無突發(fā)事件發(fā)送，則再次按照5 s間隔發(fā)送心跳報(bào)文。本文研究的智能分布式配電保護(hù)系統(tǒng)以R-GOOSE報(bào)文的形式在智能終端之間傳輸報(bào)文信息，此類報(bào)文通常具有200 Byte的長度，配電線路無故障發(fā)生的情況下，報(bào)文按照5 s的心跳間隔發(fā)送，在發(fā)生故障的情況下，報(bào)文按照 2 ms、2 ms、4 ms、8 ms的間隔發(fā)送4幀數(shù)據(jù)。

通信傳輸時(shí)的帶寬計(jì)算公式為

式中：BW為帶寬，b/s；ΔT為報(bào)文間隔，ms；N為相鄰智能終端數(shù)量；L為報(bào)文長度，Byte。

在極限狀態(tài)下，智能終端與周邊4個(gè)智能終端建立通信聯(lián)系，上/下行帶寬最大數(shù)值計(jì)算為

為實(shí)現(xiàn)對通信帶寬的有效控制，電力企業(yè)可以對T1、T1、T2、T3的時(shí)間間隔進(jìn)行修改，如果在原有間隔基礎(chǔ)上增加1倍，則帶寬將縮小為原來的1/2，但保護(hù)延時(shí)增加2 ms；如果在原有間隔基礎(chǔ)上增加3倍，則帶寬將縮小為原來的1/4，但保護(hù)延時(shí)增加6 ms，此時(shí)配電自動(dòng)化系統(tǒng)的保護(hù)快速性依然不會(huì)受到較大影響。在實(shí)際應(yīng)用過程中，電力企業(yè)可以結(jié)合自身對帶寬流量、保護(hù)快速性等多方面的需求合理控制傳輸時(shí)間間隔。

4 結(jié) 論

本文對配電保護(hù)技術(shù)中的就地、集中、分布式3類技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)論述，明確了分布式配電保護(hù)技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢，針對該技術(shù)推廣應(yīng)用過程中存在的光纖通信網(wǎng)絡(luò)成本較高問題，提出了基于5G通信傳輸數(shù)據(jù)的技術(shù)方法，同時(shí)針對傳統(tǒng)GOOSE協(xié)議無法經(jīng)過路由傳輸?shù)娜毕荩岢隽诉m用于5G通信網(wǎng)絡(luò)的R-GOOSE協(xié)議，建立了能夠滿足智能分布式配電保護(hù)系統(tǒng)可靠運(yùn)行需求的系統(tǒng)架構(gòu)，為配電保護(hù)相關(guān)難題的解決提供了新思路。