基于5G 的配電網自協商配電終端應用研究＊

趙東輝，師恩達，何永濤

（鄭州電力高等專科學校，河南 鄭州 450004）

2019 年年初，國家電網有限公司在兩會報告中明確提出了電力物聯網的概念，圍繞電力系統的各環節，充分應用移動互聯、人工智能等現代信息技術和先進通信技術，實現電力系統各環節萬物互聯、人機交互。而2015 年6 月國際電信聯盟（ⅠTU）正式發布的第五代移動通信網絡（5G）更多考慮了物與物之間的智能互聯，開啟了萬物互聯新時代，同時也將電力系統保護作為其垂直行業的典型應用之一，介紹了利用5G 通信實現電流差動保護的相關研究。

配電線路饋線自動化（FA）主要有集中式、就地型重合器式和智能分布式3 種方式。集中式由主站通過與配電終端信息交互完成故障處理，中間環節較多，主站集中處理數據多，對通信系統依賴程度高；就地型重合器式不依賴于通信系統，但故障處理時間長，且需要變電站出線開關跳閘配合，整個處理過程需要至少2 次重合，加大了對一次設備的短路沖擊和損害；智能分布式無需主站干預，由終端之間相互通信完成故障處理，故障處理時間短，對通信依賴程度低，減輕主站運行壓力，是配電自動化FA 技術研究的重點和熱點，也是配電自動化提高供電可靠性的最優手段。

2020 年7 月，國網青島供電公司、中國電信青島分公司、華為公司三方共同完成青島5G 智能電網項目，是目前國內規模最大的5G 智能電網，成功實現5G 智能分布式配電、變電站作業監護及電網態勢感知、5G 基站削峰填谷供電等多個新應用，對于智能分布式的故障處理具體時間未明確說明。

由于5G 技術在國外發展及應用較國內緩慢，以美國為例，以智能電表為核心的智能電網，總撥款只有500 萬美元，美國科技巨頭中，只有比爾·蓋茨投資800 萬美元研究基于5G 的智能電網，故美國基于5G的智能電網基本處于停滯狀態。此外，歐洲的網絡基本還處于4G，電網相對國內電網較為落后，故相關研究較國內緩慢，基于5G 的配電網自協商配電終端在歐美國家并無實際應用。

1 應用技術與研究目標探究及理論依據

1.1 研究目標

本項目重點研究將5G 通信技術應用至配電系統的終端產品。利用5G 通信的低時延、大帶寬、高速率等特點，不僅可以實現“毫秒級故障隔離，秒級供電恢復”，還可以實現“遙信、遙測、遙控”功能，同時將故障處理過程與結果進行加密傳輸，上報主站并實時傳送至值班員計算機和手機，方便后續的故障維修；相較于光纖傳輸，減少了光纖鋪設的成本，同時也便于安裝實施。

1.2 主要研究開發內容

克服現有技術的不足，利用5G 網絡具備低時延、高帶寬的技術特點通過多種通信鏈路實現配電終端之間的通信以及主站的通信，能夠在線路故障發生后實現無線通信交互，解決因通信信號不穩定、中斷或通信模塊出現故障區域實時配網自動化監測的難題，提高配電監測在線率、穩定性，有利于配電系統的管理維護。

基于5G 通信的分布式饋線裝置，包括分布式FA終端和饋線開關，其特征為：分布式FA 終端和饋線開關均為至少2 個，分布式FA 終端安裝于開閉所綜合智能終端和架空線路中的配電終端，用于檢測所述饋線開關的電信號以及分合狀態信息，并把檢測得到的信息通過通信鏈路與配網自動化主站連通。

1.3 項目研究內容的理論或者實踐依據

5G 通信中智能算法就是解決多維度空間常用的一種方法。在處理信息方面，人工神經網絡（Artificial Neural Network，ANN），一般稱作神經網絡，是一種模擬動物神經網絡構成的數據處理模型。這種數據處理模型是與人類神經系統相似的一種信息處理技術，該網絡通過系統中不同節點互相連接的特點，達到處理信息的要求，具有很強的自組織和自適應能力。

2 方案設計與實施

2.1 總體方案設計

方案整體分為2 方面業務：①基于5G 通信的智能分布式故障處理，實現配電線路故障就地處理，達到毫秒級故障隔離，秒級供電恢復；②基于5G 通信的配電自動化業務，實現與配自主站的“三遙”數據、故障處理過程及結果的加密傳輸。

自協商配電終端硬件系統設計及實現，系統采用客戶端/服務器的工作模式；軟件系統的實現，搭載ROS 操作系統，編寫程序控制終端上設備；自協商配電終端能夠將變電站信息進行可靠傳輸，試驗成功后推廣至其他110 kV 變電站進行試運行。

2.2 詳細設計方案

設計標準：基于5G 的配電網自協商配電終端項目通過D200 終端之間5G 快速通信，相互傳遞故障檢出信息、動作位置信息，不依賴主站控制，無需變電站出線開關跳閘，在變電站切除故障之前，就地實現多級聯開閉所的聯絡線、母線、用戶線的故障定位、隔離和供電恢復，并將處理過程及結果上報主站。符合國家電網D LT 7 2 1 標準配電自動化系統應用DL/T 634.5104—2009 標準。

產品設計方案：以雙環網三級級聯開閉所為例，具體方案結構如圖1 所示。

圖1 5G 智能分布式方案結構圖

通過主站原有配置的安全接入區接入主站系統，采用內置加密芯片方式，達到國網要求的安全防護等級，實現“三遙”數據加密傳輸，完成智能分布式故障處理過程及結果上報。5G 通信拓撲方案如圖2 所示。

圖2 5G 智能分布式通信拓撲圖

分布式FA 終端與無線基站相互通信形成第一通信鏈路，多個所述分布式FA 終端之間首尾相互通信形成第二通信鏈路，第二通信鏈路中的一個分布式FA 終端與相鄰第二通信鏈路中的一個分布式FA 終端相互通信形成第三通信鏈路。

基于5G 通信的分布式饋線裝置，包括分布式FA終端和饋線開關，分布式FA 終端和饋線開關均為至少2 個，且分布式FA 終端安裝于開閉所綜合智能終端和架空線路中的配電終端，用于檢測饋線開關的電信號以及分合狀態信息，并把檢測得到的信息通過通信鏈路與配網自動化主站連通。利用5G 網絡具備低時延、高帶寬的技術特點通過多種通信鏈路實現配電終端之間的通信以及主站的通信，能夠在線路故障發生后實現無線通信交互，解決因通信信號不穩定、中斷或通信模塊出現故障區域實時配網自動化監測的難題，提高配電監測在線率、穩定性，有利于對配電系統的管理維護。

通道組織：配自業務終端（D200）—5G 無線網絡—中國移動基站—運營商網絡—移動運營商MEC 邊緣計算設備—運營商專線—鄭州供電公司配電自動化主站，如圖3 所示。

圖3 配電自動化業務5G 通信拓撲圖

3 樣品試制方案與步驟

3.1 驗證測試條件

檢查D200 終端設備完整、工作正常，通信參數設置是否正確；檢查5G 通信設備通信情況，網絡拓撲是否正確，驗證終端間通信延時；檢查與配自主站通信情況，確認連接正常；檢查確認一次線路和設備運行方式、運行情況；檢查故障電流注入設備情況。

3.2 檢查三遙、裝置動作信息通信情況

檢查開閉所接入主站“三遙”信息正常（選取開閉所中具有級聯關系的聯絡進線開關、聯絡出線開關以及備用饋線開關，按點表順序，逐個遙測、遙信、遙控檢查及加密），檢查對應開關邏輯動作是上傳主站動作信息正常。在終端模擬故障定位切除、故障隔離、非故障區域供電恢復、通信中斷或異常、開關拒動執行失敗、FA 閉鎖等動作SOE，驗證通信及主站顯示。

3.3 檢查終端FA 參數設置是否正常

檢查D200 終端設置、定值整定（聯絡進線、聯絡出線、用戶饋線開關相關定值整定和功能投退），檢查D200 終端及現場遠方/就地、壓板投入是否正常。

3.4 逐項開展測試

按表1 所示逐項開展測試，查看并記錄動作前后開關狀態、主站顯示狀態、變電站出線開關狀態。記錄故障啟動時間、故障定位切除時間，隔離完成時間、非故障區域恢復時間，計算過程時間。

表1 測試方案及步驟

4 結束語

本文研究的是基于5G 的饋線自動化配電終端產品，而中國正在大力建設5G 網絡，5G 通信技術具有海量連接、大帶寬、低時延等特點，可以滿足智能分布式應用需求，同時5G 網絡切片技術可為電網不同分區業務提供不同層次的安全隔離能力和更好的安全保障。如果本文研究的項目能夠在國內電網配電領域投入使用，配電線路的饋線自動化將由傳統的有線（基于光纖等）逐步過渡為無線（基于5G），從而將大大減少因鋪設光纖等工程帶來的建設成本及環境污染。

同時，本文研究的項目如能夠投入使用，將產生數萬個產品生產加工、產品設計與研發、產品銷售、技術服務與支持等崗位；5G 通信技術與配電智能終端的融合，充分發揮5G 通信的技術優勢，將來建成更廣泛的電力物聯網，使居民和企業有更好的用電體驗，為用電客戶提供更優質的服務，具有重大而現實的意義。