基于5G通信的智能配電自動化系統研究

王 軒，黃殿勛，牛群峰

（1.中國電建集團河南省電力勘測設計院有限公司，河南 鄭州 450007；2.河南工業大學 電氣工程學院，河南 鄭州 450001）

0 引 言

智能電網和泛在電力物聯網（Internet of Things，IoT）戰略的提出，對電力通信技術提出了更高的要求，5G通信技術的出現，為配電物聯網的發展提供了技術支撐[1,2]。電力系統中，5G通信和配電物聯網的融合應用有助于推動智能配電網發展，提升電力系統的運行水平。

1 配電自動化系統

配電自動化系統（Distribution Automation System，DAS）是配電企業在遠方以實時方式監視、操作配電終端的自動化系統，具有配電網數據采集與監視（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）、饋線自動化（Feeden Autonation，FA）、電網分析和優化等功能。其在結構上一般可分為3層，分別為配電自動化主站、配電子站（常設在110 kV/35 kV變電站內，可選配）以及智能遠方終端設備，其中智能遠方終端設備又包括數據傳輸裝置（Data Transfer Unit，DTU）、配電變壓器監測終端（Distribution Transformer Supervisory Terminal Unit，TTU）以及饋線遠方終端單元（Feeder Terminal Uni，FTU）等，如圖1所示。配電自動化主站主要實現對采集到的配電網運行數據加工、處理和全配網統一調度功能，負責與各個子站之間通信；子站負責與所轄區域DTU/TTU/FTU等智能終端設備通信；智能終端層負責對現場設備進行數據采集、處理，并能與上級站進行通信和接收上級站的控制命令。RTU是現場智能處理器，它支持SCADA控制中心與現場器件間的通信，是一個獨立的數據獲取與控制單元。

圖1 配電自動化系統結構

2 配電自動化的通信方式與需求

配電自動化智能終端通過光纖專網、電力載波、無線專網經骨干通信網或無線公網與配電主站通信。同時，可采用微功率無線通信方式（LoRa、ZigBee、RF433等）增強配電通信網對本地設備的通信覆蓋，配電自動化通信方式如圖2所示。從帶寬、傳輸距離、可靠性以及實時性等方面對配電自動化的通信網絡方式進行綜合考慮，以三遙為主的區域優先選用光纖專網或無線專網；以三遙和二遙為主的區域可選擇光纖、電力線通信或無線專網；以二遙為主的區域宜采用無線公網為主的通信方案[3]。

圖2 配電自動化系統通信方式

在這些通信方案中，光纖專網、電力線載波通信等屬于有線通信，目前廣泛布設在配電網通信線路中，但存在布線調整困難、通信線路網絡固化、線路噪聲以及設備老化受損等問題[4]。無線電力專網、3/4G無線公網、衛星通信、LoRa、ZigBee等通信方式屬于無線通信，常用在對時延要求不高的業務場景，但也存在網絡安全和通信可靠性等問題，因此配電自動化網絡布設和通信方式在重要的場景業務中仍采用有線通信[5]。5G超低時延、超高帶寬、海量接入的無線通信網絡特性將成為配電物聯大部分無線和有線通信方案的新選擇。

3 物聯網和5G在智能配電網應用

3.1 配電物聯網技術

配電物聯網是物聯網技術在配電自動化系統中的具體應用，實現配電自動化系統向數字化、網絡化以及智能化發展[6,7]。通過在配電網各環節和設備上全面部署感知終端，運用軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）和網絡功能虛擬化（Network Functions Virtualization，NFV）搭建配電物聯網網絡架構，實現配電網數據流與能量流的緊密結合、配網實時運行狀態的全面感知與控制以及配電線路的設備保護。

配電物聯網整體架構可分為端、邊、管、云4層架構，如圖3所示。端層是配電物聯網的最底層，其中的智能終端設備不僅能夠實現對配電設備運行狀態、電氣參數等各類數據的采集和監測，而且具有執行配電網保護、控制操作等功能。邊層中分布式網絡邊緣節點就地或就近提供邊緣計算，實現智能決策和服務。從邏輯架構上看，邊層是通過軟件定義方式使智能終端側采集數據進行本地化運算處理，降低配電網云端計算和決策壓力。管層是云層與邊層、邊層和端層間通信的通道，即網絡層，主要包含有線/無線遠程通信網絡和本地通信網絡，實現配電物聯網云平臺與邊緣節點、邊緣節點與智能感知終端間的通信需求。云層指云化的配電物聯網主站平臺。配電主站基于云平臺、大數據等技術實現物聯網架構下業務數據流的統一接入管理、業務信息高效處理以及面向多種業務需求的應用服務。

圖3 配電物聯網架構

3.2 5G通信技術

5G技術作為4G的演進，采用超高頻段、新型多天線、D2D等新型網絡架構定義了高可靠和低延遲通信（ultra-Reliable and Low Latency Communications，uRLLC）、增強型移動寬帶（enhanced Mobile Broadband，eMBB）以及大規模機器類型通信（massive machine Type Communication，mMTC）3大應用場景。5G無線通信能夠使電力網絡和智能配電終端實現海量信息接入、低時延和高可靠性的業務需求，尤其是5G電力切片技術對分布式配電自動化業務場景有很強的適配性。

5G網絡架構如圖4所示，區別于4G，5G基站結構發生了新的變化，將RRU和原本的無源天線集成為一體，出現了新的設備，即有源天線處理單元。室內基帶處理單元（Building Base band Unit，BBU）的物理結構也由于5G改變的網絡框架而演變成了集中單元(Central Unit，CU）和分布單元（Distribute Unit，DU），5G核心網功能下沉到邊緣。5G網絡架構將核心網分為分布式核心網用戶層和核心網控制層，分別提供5G邊緣云和5G核心云服務[8]。5G邊緣云通過5G邊緣計算節點實現業務應用邊緣側直接處理原始配電終端設備數據，降低處理延時。邊緣計算容器技術能夠實現配電不同業務的數據處理，不同容器獨立負責不同業務的邊緣處理，保障業務安全隔離。通過SDN/NFV技術實現邊緣云與核心云里虛擬機邏輯連接，將配電物聯網主站中不同業務下沉至邊緣層，實現故障隔離和自愈等功能。此外，電力網絡切片技術實現不同種類業務擁有不同的網絡通道，具有邊緣計算的切片網絡能更好地實現配電網絡端到端服務。

圖4 5G網絡架構

4 “5G+”配網自動化業務應用

配網自動化系統主要實現對整個區域配電系統運行進行安全監視、保護控制以及分析管理等功能，可以通過采集海量配電終端設備信息，通過5G通信實現配電主站對整個配網設備運行狀態進行監視。當配電網絡發生故障或運行異常時，能夠通過繼電保護裝置檢測和判斷故障區域，實現故障隔離和恢復供電。結合物聯網邊緣計算的5G網絡架構采用核心網端處下沉，邊緣計算等技術保證了配網差動保護業務低延時、高可靠性的實現[8-11]。以配電網電流差動保護應用場景為例，每個智能配電終端分別采集兩側的相電流及零序電流，各自計算被保護線路的差動和制動電流，點對點通信數據流無需回傳至5G核心網，在5G邊緣云側就能完成信息交互和傳輸，滿足配電網差動保護端到端＜20 ms的時延要求。

此外，5G通信技術和配電物聯網結合應用，可以實現對配網終端實際運行狀態的實時感知，提升終端設備監測可觀性，尤其是針對分布式光伏等電源的接入可進行電功率需求分析，實現配網低時延、高可靠性的主動管控[10,11]。

5 結 語

配電自動化是電力系統關鍵業務之一，系統主要實現配電網的保護控制，保障配電可靠性。目前，配網主干區域均布設光纖聯網實現配電SCADA、饋線自動化等功能，但由于光纖布設成本高昂，邊遠地區不容易布設光纖，且隨著配電自動化業務場景擴展，對帶寬和時延等性能指標及傳輸要求進一步提高情況下，5G無線通信、電力網絡切片、SDN/NFV、基于邊緣計算的物聯網等技術為配電自動化系統實現泛在物聯、滿足低時延、高安全可靠性需求提供了強有力的技術支撐。