基于無線通信的智能分布式饋線自動化技術

錢肖,溫彥軍,張文杰,沃建棟,黃亮亮

(1. 國網浙江省電力有限公司金華供電分公司,浙江 金華 321000；2. 上海金智晟東電力科技有限公司,上海 200233)

0 引言

當前,配電網建設的一個重要目標是提高供電可靠性[1],而饋線自動化 (feeder automation,FA)是提高配電網供電可靠性的重要技術手段。當線路發生故障時,配電終端可自動判別、隔離故障區域,完成非故障區域供電恢復[2—5]。目前,配電終端主要采用電壓時間型、主站集中式和智能分布式3種FA模式[6—10]。隨著配電自動化建設的推進,智能分布式FA[11—14]以其配電終端間對等通信的獨特優勢在配電網應用中受到青睞。由于智能分布式FA的對等式通信對通信介質要求高,目前主要采用基于以太網無源光網絡(ethernet passive optical net-work,EPON)或工業以太網技術的光纖通信方式。該方式需鋪設專門的光纜通道且費用昂貴,對于老城區或舊線路改造的項目實施困難。

目前,飛速發展的4G/5G無線通信技術具備組網方式簡單靈活、通信速率高、傳輸距離遠、安全可靠性高、無需鋪設專用的通信通道等優勢,可為各類保護用電氣量、開關量以及保護信號提供一條快速、可靠的傳輸通道和授時通道[15—17]。但4G/5G無線通信技術在配電網現場應用中存在可靠性較低、通信時延較長等缺點,因此在配電網保護時鮮少得到應用。

文中通過研究智能分布式FA故障處理過程和4G/5G無線通信情況下智能分布式FA的自適應性,提出基于4G/5G無線通信的智能分布式FA技術,實現故障場景下的分布式故障處理和非故障區域供電恢復,為無線通信技術應用于配電網保護奠定基礎,推動配電自動化的建設進程。

1 智能分布式FA技術原理

智能分布式FA是一種區域自治型饋線自動化技術。當配電線路發生故障時,相關配電終端以對等式通信進行信息交互,定位故障點、隔離故障區域、完成非故障區域的供電恢復。在智能分布式FA中,每個終端內初始配置了相鄰節點配電終端的相關信息,構成了配電線路的局部拓撲信息模型。當終端上電或拓撲發生變化時,交換各自的相關信息,建立網絡拓撲。當線路發生故障時,產生過流的開關與相鄰開關交換故障信息并各自獨立作出判斷,判定故障點位置后跳閘完成故障區域隔離,隔離成功后選擇聯絡開關恢復非故障區域的供電。

1.1 故障處理算法

文中建立網絡拓撲反映線路上的配電終端相互連接情況。當任一節點發生故障時,線路網絡自動建立拓撲而無需人工操作,且增加或刪除線路中的某一終端不改變整個網絡拓撲結構,網絡拓撲結構如圖1所示。

圖1 網絡拓撲結構Fig.1 Network topology

CK1和CK2為2個變電站的出口開關；KG1、KG2、KG3、KG5為線路開關；KG4為聯絡開關。在線路S3段發生永久故障情況下,智能分布式FA的處理過程如下：

(1) CK1、KG1、KG2檢測到過流信息；

(2) CK1跳閘；

(3) CK1一次重合閘,此時故障仍然存在,CK1再次跳閘；

(4) KG1、KG2均檢測到線路二次過流失壓,通過相鄰開關間的故障交換,KG2發現KG3未檢測到故障電流,KG1檢測到故障電流,因此判定故障位置在線路S3段；KG3發現KG2檢測到故障電流,自身未檢測故障電流,由此判定故障位置在S3位置；

(5) KG2、KG3跳閘；

(6) KG3跳閘成功后請求KG4合閘恢復供電；

(7) CK1二次重合閘,恢復故障上游供電。

1.2 智能分布式FA局部拓撲算法

以圖1的網絡拓撲為例,智能分布式FA的網絡拓撲建立流程如下：

(1) 在線路中所有終端初始化完成后,根據局部拓撲模型獲取相鄰終端參數信息,包括通信地址、開關ID等。

(2) 電源點首端開關KG1、KG5(以KG1拓撲建立方向為例進行說明)主動發送一條鏈路拓撲報文到相鄰開關。鏈路拓撲報文每間隔10 s發送,拓撲報文中包含電源點開關ID號、是否帶電、開關狀態、電源點電流冗余量和故障信息等。

(3) KG2收到KG1拓撲報文后將首端信息更新至自身拓撲信息表中,并將自身拓撲信息表填充至拓撲報文中,發至KG3。

(4) KG3及其他開關繼續以同樣的方式向下一級開關傳遞包含電源點信息的鏈路拓撲報文至分位開關結束。

(5) KG4開關為分位,并具有兩側的電源點信息拓撲信息表,因此KG4為聯絡開關。KG4添加自身的聯絡信息至鏈路拓撲報文向另一側電源點傳遞,聯絡信息包含聯絡開關ID號、對側電源點ID、帶電狀態、聯絡開關ID等聯絡拓撲報文依次傳遞直至末端開關,最終完成整個網絡的拓撲。

(6) 終端每間隔2 s檢查是否收到拓撲確認幀,若沒收到則再次重發,收到拓撲報文確認后等待下一次拓撲更新。

2 基于4G/5G無線通信的智能分布式FA

4G/5G無線通信組網方式較靈活,具有部署快速、成本低、易升級和擴容的優點,彌補了光纖通信部署難度大、維護成本高等問題。目前,4G網絡技術發展成熟,并已成功應用于智能分布式FA中。5G依托于4G,同時利用高頻資源和天線陣列,大幅提升無線通信的速率。5G還通過降低信令開銷使終端更加省電,使用非正交多址技術以支持更多的終端接入。此外,5G通過對幀結構的優化設計,在時域上縮短每個子幀從而在物理層上進行時延的優化,使時延降到更低,為對時延要求高的應用提供基礎。因此,5G可以被用來在配電自動化領域替代光纖通信等需要大量接線的通信方式,為配電自動化的大規模應用打下堅實的技術基礎。

配電網中智能分布式FA保護控制要求響應速度小于100 ms,其中快速報文要求控制在10 ms以內。在4G無線通信網絡場景下,報文傳輸時間達不到光纖網絡的標準,因此對快速性不做具體的要求,不大于1 s即可。未來5G網絡可以達到實時數據的要求,即能達到光纖網絡的技術水平,同樣可以滿足智能分布式FA對通信網絡時間的要求。

與光纖通信的有線網絡相比,4G/5G無線通信通道穩定性較差。通信質量與通信環境密切相關,在配電終端間進行通信時可能會出現通信中斷、延時、丟包或多包等異常情況。文中針對上述問題設計了新的智能分布式FA算法,以解決配電終端間通信過程中出現的通信異常問題,使之能夠自適應不同的通信信號模式或自動匹配不同的通信質量,從而滿足基于4G/5G無線通信的配電自動化故障處理需求。

2.1 系統架構

智能分布式FA終端裝置采集處理當地站點及其他相關站點的測量和控制信息,完成保護控制決策及動作。裝置內嵌4G/5G無線通信模塊與加密芯片,采用虛擬專網(virtual private network,VPN)技術,實現終端之間及終端與主站之間的無線通信互聯。加密芯片內部采用非對陣加密處理技術,以確保信息的傳輸安全。在配電網中,每個開關或環網柜對應1臺智能分布式FA終端裝置。終端通過4G/5G進行通信交互開關位置和故障狀態等信息,實現故障點快速準確定位。基于4G/5G無線通信的智能分布式FA系統架構如圖2所示。

圖2 基于4G/5G無線通信的智能分布式FA系統架構Fig.2 Intelligent distributed FA system architecture based on 4G/5G wireless communication

在無線4G/5G網絡中,智能分布式FA終端通過工業級無線路由器進入無線網絡。采用VPN專網技術保證保護數據的安全傳輸,VPN專網通過虛擬的安全通道和用戶內部的用戶網絡進行連接,使公共網絡上的用戶無法訪問用戶網絡內部的資源。VPN專網內所有終端獲取的IP地址均唯一,在VPN網絡里面所有終端可互相訪問。由于VPN在物理上仍然屬于公網,因此為保證網絡拓撲保護中的數據安全可靠傳輸,智能控制終端在應用層加入非対稱加密算法進行密文傳輸。

為保證FA動作過程的安全性,各個開關的動作之間有嚴格的時序和邏輯要求,這就要求各終端間通信時間指標與動作信號傳遞時間指標之間必須嚴密配合。對于4G/5G無線通信可能出現的通信中斷、通信延時與丟包、通信多包等異常情況,文中采用應用層協議控制與故障處理流程相結合的方法,通過應用層的超時重發、幀排序、瀏覽控制等協議控制手段與智能分布式FA故障處理流程相結合,實現終端之間通信的時間指標嚴密配合,保證智能分布式FA動作過程的安全性。

2.2 通信中斷處理

在已知線路拓撲條件下,當線路開關有1臺發生通信中斷時,相鄰終端越過此開關,通過拓撲模型獲取下一級開關參數。根據開關參數中IP地址與下一級進行通信,更新自身的拓撲信息,并主動向下一級開關發送最新的拓撲鏈接報文。當下一級開關收到最新拓撲報文后,回復確認,更新自身的拓撲結構以及相鄰開關的信息。更新完成后通過拓撲模型獲取下一級開關參數,根據開關參數中IP地址與下一級進行通信,直至末端整個拓撲信息完成更新。

基于無線通信的智能分布式FA線路開關發生通信中斷后處理流程如圖3所示。

圖3 主開關發生通信中斷處理流程Fig.3 Flow chart of communication interruption processing of main switch

以圖1為例,如KG3發生通信中斷,則處理流程為：

(1) KG2發現與KG3通信中斷后越過KG3,KG2通過自描述模型獲取KG4參數,根據KG4參數中IP地址與KG4進行通信,并更新自身的拓撲信息。

(2) KG2主動向KG4發送最新拓撲連接報文,當KG4收到最新拓撲報文后,回復確認,并更新自身的拓撲結構及相鄰開關的信息。

(3) KG4更新完成后通過自描述模型獲取KG5參數,根據KG5參數中IP地址即可與KG5進行通信,直至末端整個拓撲信息完成更新。

線路發生故障時通信中斷,如圖4所示。

圖4 線路通信中斷示例Fig.4 Example of line communication interruption

故障處理流程為：

(1) 在通信中斷處理過程中,KG2、KG4之間直接建立連接,KG3從網絡拓撲中刪除。

(2)S3、S4線路合并為1條線路,當故障發生在S3、S4段,則擴大隔離區域,KG2跳閘,KG4為聯絡無需跳閘。

2.3 通信延時與丟包處理

網絡延時是影響無線網絡通信性能的主要原因之一。網絡延時嚴重及丟包率高和通信中斷之間既有相同也有不同之處。相同點是終端與終端之間無法有效地進行數據交互；不同點是網絡延時與丟包具有時間段的特性,即特定時間段出現通信質量下降,這種通信異常是可恢復的,而通信中斷是不可恢復的。針對網絡延時與丟包等通信異常情況,文中采用基于應用層協議控制與故障處理流程相結合的方法進行處理。

線路正常運行時,每個開關通過給相鄰開關發送拓撲報文和接收應答報文的時隙評價各個相鄰開關的通信質量Q,計算公式為：

Q=R/S

(1)

式中：R為最近拓撲報文在時間T內收到應答的次數；S為用于調節系統對通信質量的敏感程度的參數,通常S=20。

當Q小于最小值Qmin或大于最大值Qmax時,動態更新時間T。如果Q>Qmax,T縮小10%,如果Q

圖5 狀態轉移Fig.5 State transition

當線路發生故障時,報文發送裝置根據時間T設定詢問報文等待最大時限,大于時間T未接收到應答報文則重發詢問報文。

2.4 通信多包處理

針對無線通信中收到重復報文的問題,系統采用“重名丟棄”的處理方法。具體處理辦法：羅列系統中的所有報文,給每條報文獨立的“ID號”。當裝置收到第1條報文后在裝置中記錄其“ID號”,如果在一段時間內收到相同的報文則選擇丟棄且不發送應答報文,多包處理流程如圖6所示。

圖6 多包處理流程Fig.6 Multi-packet processing

3 測試與驗證

3.1 模擬多場景測試

選擇3種不同的場地搭建測試場景,部署5臺智能分布式FA終端,所有終端都已實現基于無線通信的智能分布式FA技術,FA終端之間通過4G通信,每臺FA終端連接1臺測試儀,如圖7所示。

圖7 測試配電網絡Fig.7 The distribution network for testing

首先,采用測試儀模擬正常三遙數據,分別通過后臺監控軟件查看終端自身數據以及其他終端交互信息,測試無線通信速率和通信穩定性；其次,采用終端測試儀模擬S1段故障情況,將生成的故障通過測試儀注入到各臺FA終端中進行驗證,線路設置為首開關KG2一次重合閘失敗后啟動FA,記錄故障處理結果和故障隔離時間。為了更有效地衡量通信對故障處理過程的影響,故障隔離時間不計入首開關跳閘和重合閘的時間,選擇從首開關KG1重合閘失敗(第二次跳閘后)到故障區段隔離完成的時間。3種不同的測試場景為：

(1) 空曠場景。選擇一塊空曠的場地依次放置5臺FA終端,相鄰終端之間距離大約為1～2 km,用來模擬信號正常情況；

(2) 帶建筑物場景。選擇有建筑物的場地放置5臺FA終端,終端的位置與空曠場景大致相同,用來模擬信號有遮擋情況；

(3) 含地下室場景。在空曠場景的基礎上,將FA終端2和測試儀2放置于地下室內,用來模擬信號差情況。

測試結果如表1所示。根據表1的測試結果可知,在空曠場景、帶建筑物場景、含地下室場景中,4G無線通信速率和通信穩定性依次降低,表明環境對4G無線通信的影響較大。含地下室場景的通信質量最差,出現通信延時等異常情況。在3種場景中,故障處理時間依次增加,證明4G通信環境逐次惡劣,而故障均能成功被處理則表明文中算法能適應不同的4G通信條件。

表1 多場景測試結果Table 1 Test results for three types of scenarios

3.2 現場應用

在國內某條配電線路安裝承載文中算法的FA終端,并已完成現場測試,投入運行。現場目前采用4G通信方式,后期隨著5G的發展可替換為5G通信,現場運行數據情況如表2所示。

表2 現場運行情況Table 2 On-site operation

現場運行結果表明,發生故障時FA終端均能正確定位故障,故障隔離時間均小于1 s,并能準確完成非故障區域的恢復供電,驗證了文中基于4G/5G無線通信的智能分布式FA技術的有效性。

4 結論

文中提出了基于4G/5G無線通信的智能分布式FA技術,分別針對通信中斷、通信延時與丟包、通信多包3種通信異常情況進行算法設計,采用應用層協議控制與故障處理流程相結合的方法,實現故障快速準確隔離與非故障區域恢復。文中選取多種不同場景測試4G/5G無線通信效果和智能分布式FA故障處理效果,并進行了測試與試運行,驗證了文中方法的有效性。

本文得到國網浙江省電力有限公司金華供電分公司科技項目“基于4G/5G無線通信的智能分布式FA研究與應用”資助,謹此致謝！