適應5G通信的配電網(wǎng)分布式供電恢復策略

程曉平， 章昊， 王同文， 張駿， 于洋， 宋志偉， 芮濤， 周帆， 林振鋒

(1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司， 合肥 230601； 2.南京南瑞繼保工程技術(shù)有限公司， 南京 211102； 3. 安徽大學電氣工程與自動化學院， 合肥 230601)

故障是影響配電網(wǎng)供電可靠性的重要因素，配電網(wǎng)故障后，必須盡快恢復非故障停電區(qū)的供電[1-2]。智能分布式饋線自動化技術(shù)(feeder automation， FA)是實現(xiàn)配電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)和自愈控制，提升終端用戶供電質(zhì)量的一種有效手段[3]，已經(jīng)在美國以及歐洲等發(fā)達國家有了廣泛的應用[4-5]。近年來，中國對于分布式FA的研究也在不斷的完善。分布式FA通過智能配電終端(smart terminal unit， STU)之間的高速、實時通信，可以將非故障區(qū)的停電時間縮短至秒級。分布式FA對通信技術(shù)的要求極為嚴格，傳統(tǒng)的電力無線專網(wǎng)通信因帶寬小、時延高、穩(wěn)定性不足等問題，難以滿足分布式FA實現(xiàn)快速配電網(wǎng)自愈控制的要求[6-7]，在實際應用中多采用光纖、以太網(wǎng)構(gòu)建對等通信網(wǎng)絡(luò)[8]。但受通信線路的鋪設(shè)與維護成本限制，此類通信網(wǎng)絡(luò)通常只建設(shè)在A+、A類供電區(qū)域，難以解決無光纖點和以太網(wǎng)覆蓋區(qū)域的供電恢復問題。

第五代移動通信技術(shù)(5th generation mobile communication technology，5G)作為即將普及的新一代無線通信技術(shù)，具有高覆蓋密度、高帶寬、低延遲、高可靠等優(yōu)點[9]，在實驗室理想條件下，其測試性能基本上可以滿足分布式FA對通信網(wǎng)絡(luò)的要求[10-11]。已有學者提出基于5G的網(wǎng)絡(luò)切片、邊緣計算、靈活回傳及低延時等技術(shù)的5G承載業(yè)務(wù)平臺，取代光纖通信解決配電網(wǎng)差動保護裝置之間的實時通信問題[12-13]?？梢?G有望進一步替代由光纖、以太網(wǎng)構(gòu)成的對等通信網(wǎng)絡(luò)，解決分布式FA中的故障隔離、定位及自愈控制等問題。參考現(xiàn)有的分布式供電恢復技術(shù)，在5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)的STU中加入5G切片認證功能，構(gòu)造基于STU的區(qū)域代理[14-15]、饋線代理[16]、聯(lián)盟代理及多代理協(xié)同[17-19]等分布式控制架構(gòu)，可逐步實現(xiàn)5G通信技術(shù)與分布式FA的深度融合，提升配電網(wǎng)的自動化與智能化水平。然而，傳統(tǒng)的分布式供電恢復策略多普遍存在搜索效率低、收斂性差的問題，沒有考慮到故障恢復后的系統(tǒng)可靠性，不利于重要負荷的安全性。

針對5G通信網(wǎng)絡(luò)的特征，現(xiàn)建立一種考慮可靠性約束的配電網(wǎng)分布式供電恢復策略。該策略首先構(gòu)建可靠性模型，采用深度搜索算法搜索供電恢復路徑并生成負荷節(jié)點的供電恢復請求方案，將非故障停電區(qū)域分解為多個獨立的轉(zhuǎn)供區(qū)域；其次，聯(lián)絡(luò)開關(guān)節(jié)點根據(jù)收到的供電恢復請求，以最大化重要負荷供電恢復為目標，構(gòu)建轉(zhuǎn)供區(qū)域內(nèi)的負荷優(yōu)化模型，并將求解出的供電恢復方案發(fā)送至負荷終端。負荷節(jié)點與聯(lián)絡(luò)開關(guān)節(jié)點之間通過多次信息交換后，將生成最終的供電恢復方案，進而實現(xiàn)整個非故障停電區(qū)負荷節(jié)點的供電恢復。

1 系統(tǒng)概述

1.1 通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

所研究的分布式供電恢復策略適用于基于5G的配電網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖1所示。相較于傳統(tǒng)配電系統(tǒng)中的4G無線通信網(wǎng)絡(luò)，5G核心網(wǎng)定義了增強型移動寬帶(enhanced mobile broadband， eMBB)、海量物聯(lián)網(wǎng)通信(mass internet of things communication， mMTC)以及超高可靠與低時延通信(ultra-High reliability and low delay communication， uRLLC)三大應用場景，更加適合配電系統(tǒng)饋線自動化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

圖1 基于5G的配電饋線自動化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.1 Distribution feeder automation network architecture based on 5G

節(jié)點STU可通過用戶前端設(shè)備(customer premises equipment， CPE)、5G通信基站、5G核心網(wǎng)實現(xiàn)與配電業(yè)務(wù)主站、聯(lián)絡(luò)開關(guān)STU以及其他節(jié)點STU之間的信息交互。

1.2 智能終端

當配電系統(tǒng)發(fā)生故障后，節(jié)點STU通過上傳本地狀態(tài)信息、訪問上下游相鄰節(jié)點的狀態(tài)信息，實現(xiàn)故障定位。故障定位完成后，各節(jié)點STU與聯(lián)絡(luò)開關(guān)STU之間通過信息交互和資源協(xié)調(diào)，實現(xiàn)非故障停電區(qū)的供電恢復。其中，節(jié)點STU負責采集本地信息、控制開關(guān)分斷和發(fā)出供電恢復請求等；聯(lián)絡(luò)開關(guān)STU負責收集供電恢復請求、制定供電恢復方法、控制聯(lián)絡(luò)開關(guān)的分斷狀態(tài)等。為提升STU的響應能力與執(zhí)行效率，各節(jié)點STU在故障發(fā)生前均對整個配電網(wǎng)絡(luò)拓撲信息、聯(lián)絡(luò)開關(guān)位置、通信IP地址等進行了存儲。業(yè)務(wù)主站負責匯集與存儲故障前后的配電網(wǎng)運行信息，進而為節(jié)點STU和聯(lián)絡(luò)開關(guān)STU提供信息輔助服務(wù)，提升STU獲取信息的效率。

2 轉(zhuǎn)供路徑選擇

對于停電區(qū)的節(jié)點STU，在獲取到故障點與非故障停電區(qū)域信息后，需盡快選擇聯(lián)絡(luò)開關(guān)節(jié)點，并向其發(fā)出供電恢復請求。通常整個非故障停電區(qū)會存在多個聯(lián)絡(luò)開關(guān)接入點，停電節(jié)點到聯(lián)絡(luò)開關(guān)節(jié)點的路徑也可能存在多種選擇。

2.1 可靠性模型

(1)

(2)

(3)

式(3)中：?k∈K；Xk為二進制變量，表示待恢復負荷節(jié)點是否發(fā)出供電恢復請求。

(4)

式(4)中：?k∈K；?n∈Nn(k)；Yij為二進制變量，表示支路ij是否投入使用。式(4)的作用是確保所選供電路徑中的所有支路ij全部投入使用。

2.2 路徑搜索與選擇

供電路徑可靠性的計算還需要負荷到聯(lián)絡(luò)開關(guān)的供電路徑集合。通過深度搜索算法求取轉(zhuǎn)供路徑。其實現(xiàn)流程步驟如下。

步驟1輸入任一非故障停電區(qū)域負荷節(jié)點k，聯(lián)絡(luò)開關(guān)集合H和圖G。

步驟2從負荷節(jié)點k出發(fā)，向外搜索與節(jié)點k連接的節(jié)點，集合M用來記錄搜索過的節(jié)點。

步驟3當搜索到的負荷節(jié)點沒有繼續(xù)向下的節(jié)點時，返回上一級節(jié)點繼續(xù)向搜索其他未搜索節(jié)點。直到搜索到聯(lián)絡(luò)開關(guān)集合H中的節(jié)點。記錄此時的k到聯(lián)絡(luò)開關(guān)的路徑。

步驟4重復步驟2，直到遍歷所有路徑。得到節(jié)點k供電路徑集合節(jié)點的Nn。

步驟5重復步驟1，直到所有待恢復負荷節(jié)點均完成搜索。

經(jīng)過上述流程，非故障停電區(qū)域節(jié)點STUk獲得了有效供電路徑集合，結(jié)合相應供電路徑的可靠性模型，即可選擇出合適的供電路徑，STUk將向合適的聯(lián)絡(luò)開關(guān)發(fā)出供電恢復請求。

3 供電恢復模型

聯(lián)絡(luò)開關(guān)STU 在收到非故障停電區(qū)域STU 發(fā)來的轉(zhuǎn)供請求后，需根據(jù)請求節(jié)點在配電網(wǎng)拓撲中的位置，構(gòu)建單輻射型供電網(wǎng)絡(luò)。如果請求節(jié)點可構(gòu)成完整的輻射網(wǎng)絡(luò)，則根據(jù)供電恢復目標，制定供電恢復計劃；如果請求節(jié)點不能與聯(lián)絡(luò)開關(guān)及其他請求節(jié)點一起構(gòu)成單輻射網(wǎng)絡(luò)，則不參與此次供電恢復計劃。

3.1 供電恢復目標

針對可構(gòu)成單輻射供電網(wǎng)絡(luò)的各節(jié)點，聯(lián)絡(luò)開關(guān)STUn以最大程度的恢復停電負荷為目標，優(yōu)先恢復一類負荷供電，再恢復二類負荷供電，最后恢復三類負荷供電。其目標函數(shù)可描述為

maxG=ω1G1+ω2G2+ω3G3

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：G、G1、G2和G3分別為聯(lián)絡(luò)開關(guān)單輻射供電區(qū)域內(nèi)的總負荷、一類負荷、二類負荷和三類負荷的供電恢復目標；ω1、ω2和ω3分別為一類負荷、二類負荷和三類負荷供電恢復的權(quán)重因子，且有ω1+ω2+ω3=1，ω1>ω2>ω3；d1，i、d2，i和d3，i分別為節(jié)點i的一類負荷、二類負荷和三類負荷的控制開關(guān)狀態(tài)，該變量為0時代表開關(guān)斷開，為1時代表開關(guān)閉合。

3.2 潮流約束及其凸包松弛

式(5)中的目標函數(shù)還需充分考慮配電網(wǎng)潮流約束，即

(9)

(10)

(11)

(12)

Vmin≤Vi≤Vmax

(13)

0≤Iij≤Imax

(14)

(15)

(16)

(17)

將式(17)代入式(11)～式(14)中，得到潮流方程的新形式為

(18)

(19)

(20)

(21)

令xij=[Pij，Qij，vi，iij]T(?(i，j)∈N)，結(jié)合式(13)～式(15)的安全運行約束，式(20)的可行域集合可以定義為

(22)

由凸包的定義，易得上面非凸集合ΩS的凸包形式為

(23)

(24)

(25)

(26)

(27)

經(jīng)過上面的推導，原潮流約束方程已被轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)為凸包模型，該模型形式包含了一個二階錐不等式和一個含有支路安全約束的線性不等式。因此，式(5)的目標優(yōu)化問題將進一步轉(zhuǎn)換為混合整數(shù)二階錐規(guī)劃問題，可采用商業(yè)求解器CPLEX進行求解。

4 分布式供電恢復實現(xiàn)流程

非故障停電區(qū)節(jié)點STU和聯(lián)絡(luò)開關(guān)STU之間通過信息交互實現(xiàn)分布式供電恢復的流程如圖2所示。

圖2 供電恢復流程圖Fig.2 Flow chart of power supply restoration

4.1 節(jié)點STU

節(jié)點STU在檢測到自身斷電后，將訪問區(qū)域數(shù)據(jù)中心查詢故障信息，待故障定位結(jié)束后，將開始請求恢復供電，具體流程如下。

步驟1向區(qū)域數(shù)據(jù)中心獲取非故障停電區(qū)域范圍及各支路停電前的電流信息等。

步驟2利用深度搜索算法搜索供電恢復路徑。

步驟3根據(jù)可靠性模型選擇聯(lián)絡(luò)開關(guān)及轉(zhuǎn)供路徑。

步驟4節(jié)點STU向聯(lián)絡(luò)開關(guān)STU發(fā)出供電恢復請求。

步驟5等待聯(lián)絡(luò)開關(guān)STU的應答信息。

步驟6判斷聯(lián)絡(luò)開關(guān)STU所返回的負荷供電策略是否能滿足當前節(jié)點一類負荷的供電需求。

步驟7若滿足，則等待聯(lián)絡(luò)開關(guān)STU發(fā)送來的斷路器分段信號，執(zhí)行負荷投切，斷開線路分段開關(guān)；反之，則返回步驟3重新選擇聯(lián)絡(luò)開關(guān)與轉(zhuǎn)供路徑。

4.2 聯(lián)絡(luò)開關(guān)STU

步驟1聯(lián)絡(luò)開關(guān)STU在故障定位完成后，周期性地收集停電區(qū)節(jié)點STU發(fā)來的供電恢復請求。

步驟2根據(jù)配電網(wǎng)絡(luò)拓撲信息，構(gòu)造請求節(jié)點的單輻射型連通網(wǎng)絡(luò)，更新聯(lián)絡(luò)開關(guān)節(jié)點的供電區(qū)域。

步驟3根據(jù)目標函數(shù)[式(5)]，以最大化恢復供電區(qū)域內(nèi)的一類、二類、三類負荷為目標，求解供電恢復策略。

步驟4根據(jù)求解結(jié)果，形成供電恢復方案，并將其發(fā)送至非故障停電區(qū)的節(jié)點STU。

步驟5對比本次供電方案與上一次的供電方案是否相同，若相同，則表明節(jié)點STU請求結(jié)束，執(zhí)行下一步，若不同，返回步驟1收集新的供電恢復請求。

步驟6向當前的供電區(qū)域末端節(jié)點STU發(fā)出斷開下游分段開關(guān)指令。

步驟7等待分段開關(guān)指令的返回信號，閉合本地聯(lián)絡(luò)開關(guān)。

5 仿真分析

5.1 算例參數(shù)

以IEEE 33節(jié)點系統(tǒng)為研究對象驗證所提分布式供電恢復策略的有效性，并采用MATLAB2016a進行仿真分析。如圖3所示，該配電系統(tǒng)有33個節(jié)點、32條支路，4個聯(lián)絡(luò)開關(guān)分別位于25、33、18、22節(jié)點相鄰的B、C、D、E節(jié)點，各節(jié)點備用容量分別為300、600、600、800 kW，系統(tǒng)基準電壓為12.66 kV，基準功率為10 MW，各節(jié)點負荷按優(yōu)先級程度分為一類、二類、三類，相應的負荷值優(yōu)先級分別為0.5、0.3和0.2。轉(zhuǎn)供支路故障發(fā)生概率λij取0.001～0.003的隨機值。5G承載網(wǎng)下的數(shù)據(jù)傳輸延遲如表1所示[20]，仿真模型中均采取數(shù)據(jù)延遲的最大值。

仿真分析中考慮如下故障場景：假設(shè)節(jié)點1、2之間發(fā)生永久性故障F1，觸發(fā)保護動作，跳開該線路出線端的斷路器，隔離故障。下面將從非故障停電區(qū)供電恢復過程、負荷供電恢復情況、轉(zhuǎn)供區(qū)域電壓恢復情況3個方面說明所提出的分布式供電恢復策略的有效性。

表1 5G承載網(wǎng)下的數(shù)據(jù)傳輸延遲Table 1 Data transmission delay in 5G bearer network

圖3 IEEE 33節(jié)點系統(tǒng)Fig.3 IEEE 33 bus system

5.2 供電恢復過程

故障F1發(fā)生后，1節(jié)點STU將斷開下游的分段開關(guān)，實現(xiàn)故障隔離，節(jié)點2～33將發(fā)生斷電，形成非故障停電區(qū)。STU2-STU33通過訪問區(qū)域數(shù)據(jù)中心，搜索供電恢復路徑，并根據(jù)可靠性模型選擇聯(lián)絡(luò)開關(guān)與供電路徑。聯(lián)絡(luò)開關(guān)STUB、STUC、STUD、STUE在收到供電恢復請求后，根據(jù)流程圖2，啟動供電恢復過程。

仿真運行的供電恢復過程可以根據(jù)請求與響應的次數(shù)劃分4個階段。第1階段確定聯(lián)絡(luò)開關(guān)STUB的供電恢復區(qū)域包括節(jié)點2、23、24、25，聯(lián)絡(luò)開關(guān)STUC的供電恢復區(qū)域包括節(jié)點27、28、29、30、31、32、33，聯(lián)絡(luò)開關(guān)STUD的供電恢復區(qū)域包括節(jié)點10、11、12、13、14、15、16、17、18，聯(lián)絡(luò)開關(guān)STUE的供電恢復區(qū)域包括節(jié)點3、4、5、6、7、8、9、19、20、21、22、26，節(jié)點9向聯(lián)絡(luò)開關(guān)E請求供電恢復失?。辉诘?階段，節(jié)點9向聯(lián)絡(luò)開關(guān)STUD發(fā)出供電恢復請求，請求成功；第3階段，STUB向供電區(qū)邊緣STU2發(fā)出斷開下游分段開關(guān)K2的指令，STUC向STU27發(fā)出斷開下游分段開關(guān)K26的指令，STUD向STU9發(fā)出斷開下游分段開關(guān)K8指令，STUE向STU3、STU8、STU26分別發(fā)出斷開下游分段開關(guān)K2、K8、K26的指令；第4階段，各聯(lián)絡(luò)開關(guān)STU閉合聯(lián)絡(luò)開關(guān)，實現(xiàn)供電恢復。經(jīng)過上述過程，可以得到非故障停電區(qū)節(jié)點2～33的負荷轉(zhuǎn)供方案，各聯(lián)絡(luò)開關(guān)的供電恢復區(qū)域如圖4所示。

策略在實施過程中，保持各代理節(jié)點及請求節(jié)點均為并行工作。表2為各階段請求、計算、應答、指令發(fā)送及開關(guān)動作延遲時間。其中，節(jié)點STU與聯(lián)絡(luò)開關(guān)STU之間進行數(shù)據(jù)交換的通信延遲為128 ms，第1階段中聯(lián)絡(luò)開關(guān)STU計算供電恢復策略需3 400 ms；第2階段中聯(lián)絡(luò)開關(guān)STU計算供電恢復策略需270 ms；第3階段聯(lián)絡(luò)開關(guān)STU給開關(guān)K2、K8、K26發(fā)出斷開指令需130 ms，分段開關(guān)動作需500 ms；第4階段聯(lián)絡(luò)開關(guān)STU控制本地聯(lián)絡(luò)開關(guān)需2 ms，聯(lián)絡(luò)開關(guān)動作需500 ms。因此，在故障信息確定后，非故障停電區(qū)實現(xiàn)分布式供電恢復的時間約為6.31 s。

5.3 負荷供電恢復情況

各聯(lián)絡(luò)開關(guān)供電區(qū)域內(nèi)節(jié)點的負荷恢復情況如表3所示。由Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅲ類負荷的恢復情況可知，各區(qū)域優(yōu)先恢復Ⅰ類負荷需求，其次恢復Ⅱ類負荷需求，最后恢復Ⅲ類負荷需求。其中，聯(lián)絡(luò)開關(guān)B、C、D、E對應的供電區(qū)域的一類負荷均得到完全恢復，二類負荷和三類負荷未得到完全恢復。聯(lián)絡(luò)開關(guān)B、C、D、E的供電區(qū)域內(nèi)已恢復的總負荷需求分別占總供電恢復請求的61.0%、61.8%、60.5%、68.9%。

表2 供電恢復過程所需時間Table 2 Time required for power supply restoration

表3 負荷供電恢復信息Table 3 Load supply recovery information

圖4 供電區(qū)域選擇示意圖Fig.4 Schematic diagram of power supply area selection

5.4 電壓恢復情況

為進一步說明所提出分布式供電恢復策略的有效性。非故障停電區(qū)實現(xiàn)供電恢復后的節(jié)點電壓曲線如圖5所示。供電恢復過程完成后各節(jié)點的電壓標幺值均維持在0.95～0.97 pu，供電恢復后的電壓可以滿足負荷接入的要求。

4個聯(lián)絡(luò)開關(guān)供電區(qū)域內(nèi)供電節(jié)點至供電區(qū)域末端節(jié)點的電壓曲線如圖6所示?？梢娐?lián)絡(luò)開關(guān)B、C、D、E閉合后，節(jié)點電壓曲線沿首端節(jié)點至末端節(jié)點逐漸降低。其中C區(qū)9節(jié)點和D區(qū)8節(jié)點的電壓均降至0.95附近，可見9節(jié)點首次向STUE請求失敗的原因之一是因為無法滿足節(jié)點電壓的要求。

圖5 非故障停電區(qū)節(jié)點電壓情況Fig.5 Non-faulty power-off area node voltage situation

6 結(jié)論

提出了一種基于5G通信的配電網(wǎng)分布式供電恢復策略來解決配電網(wǎng)發(fā)生故障后的供電恢復問題。各非故障停電區(qū)域節(jié)點STU根據(jù)可靠性模型發(fā)出供電恢復請求，聯(lián)絡(luò)開關(guān)STU根據(jù)自身供電能力和請求情況進行計算，得出最優(yōu)供電恢復方案。經(jīng)過仿真驗證，所提分布式供電恢復策略可以得到以下結(jié)論。

(1)該策略在故障發(fā)生后，能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)供區(qū)域的快速劃分與負荷投切策略的分布式求解，計算量低、供電恢復速度快。

(2)負荷投切策略中，考慮了轉(zhuǎn)供區(qū)域的潮流安全問題，在優(yōu)先恢復一類負荷供電的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)轉(zhuǎn)供區(qū)域內(nèi)供電恢復的最大化。

圖6 各供電區(qū)域內(nèi)節(jié)點電壓曲線Fig.6 Node voltage curve in each supply area

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