基于5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的多模式聯(lián)合饋線自動(dòng)化控制方法

劉禾, 陳剛, 李哲, 劉明臻, 李紅妮, 張恒

(1.國網(wǎng)陜西省電力公司安康供電公司, 陜西, 安康 725000;2.國網(wǎng)陜西省電力有限公司, 陜西, 西安 710061;3.西安興匯電力科技有限公司, 陜西, 西安 710000)

0 引言

在配電網(wǎng)的運(yùn)行中,難免發(fā)生短路、斷線等故障[1],造成供電異常,無法維持正常工作需要,需要快速、準(zhǔn)確地判定故障位置,對其進(jìn)行隔離,然后恢復(fù)正常供電,保障工作正常進(jìn)行[2-3]。鄭晨玲等[4]提出了關(guān)于逆變型分布式電源實(shí)施電壓時(shí)間型饋線自動(dòng)化的研究,黃鳴宇等[5]對配電網(wǎng)的運(yùn)行研究了集分聯(lián)合饋線自動(dòng)化控制方法,然而光纖安裝和維護(hù)成本較高,無法保證5G無線通信過程不掉鏈或丟包,也無法確保正確隔離故障關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。繼電保護(hù)在配網(wǎng)運(yùn)行很多年,深得運(yùn)維人員的信賴,其能在第一時(shí)間內(nèi)切斷故障,甚至在有級(jí)差配合的時(shí)候[6]精準(zhǔn)隔離故障,但是一般情況下,配網(wǎng)線路上的保護(hù)級(jí)差配合不起來,甚至頂跳變電站出線開關(guān),降低了供電可靠性。

鑒于以上情況,本文提出基于5G網(wǎng)絡(luò)切片uRLLC技術(shù)的多模式聯(lián)合饋線自動(dòng)化控制方法。

基于5G網(wǎng)絡(luò)的uRLLC(高可靠和低延遲通信)應(yīng)用場景以用戶為中心,將RRU和饋線、天線組成新結(jié)構(gòu)AAU,合并處理射頻信號(hào)。同時(shí),參數(shù)和幀的結(jié)構(gòu)更加靈活,上下行資源分配可以根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整。uRLLC技術(shù)在調(diào)度過程中綜合考慮時(shí)延和傳輸速率參數(shù),通過調(diào)節(jié)優(yōu)先級(jí)因子優(yōu)先調(diào)度規(guī)定時(shí)延小的用戶,對信道條件較差的超可靠低時(shí)延通信用戶分配額外帶寬。

本文設(shè)計(jì)的多模式聯(lián)合饋線自動(dòng)化控制方法應(yīng)用了uRLLC技術(shù)的資源靈活調(diào)度方案,將智能分布式、電壓-時(shí)間型和主站集中型與繼電保護(hù)相結(jié)合,設(shè)計(jì)多模式聯(lián)合饋線自動(dòng)化控制總體構(gòu)架。以“智能分布式+繼電保護(hù)”為主保護(hù)、“電壓-時(shí)間型+繼電保護(hù)”為后備保護(hù)、“主站集中型+繼電保護(hù)”為遠(yuǎn)后備保護(hù),比較輸電線兩端的電氣量,并判斷故障范圍,保證第一時(shí)間將故障隔離,消滅故障大電流,且能精確地隔離故障區(qū)段,恢復(fù)非故障區(qū)域供電,同時(shí)利用uRLLC減少饋線控制的時(shí)延。

1 多模式聯(lián)合饋線自動(dòng)化控制總體構(gòu)架

配網(wǎng)閉環(huán)與開環(huán)運(yùn)行保護(hù)裝置定值存在差異,若改變運(yùn)行方式,則保護(hù)定值應(yīng)給予相應(yīng)的調(diào)整。根據(jù)uRLLC技術(shù)資源調(diào)度方案,可以使運(yùn)行方式不受限制,靈活控制配電網(wǎng)電流運(yùn)行路線,通過運(yùn)行開關(guān)檢驗(yàn)故障饋線,體現(xiàn)多模式聯(lián)合饋線自動(dòng)化的實(shí)用價(jià)值。

當(dāng)發(fā)生故障時(shí),故障電流會(huì)通過故障饋線開關(guān),由于單相接地故障出現(xiàn)時(shí),饋線運(yùn)行會(huì)有約2 h的缺項(xiàng),不能反映故障電流情況,此處作為例外情況,不考慮。當(dāng)配電網(wǎng)開環(huán)運(yùn)行時(shí),故障電流僅通過故障點(diǎn)上級(jí)開關(guān);當(dāng)配電網(wǎng)閉環(huán)運(yùn)行時(shí),故障電流能通過故障點(diǎn)上下開關(guān)。

根據(jù)是否有有功潮流方向進(jìn)行故障判定。配備自動(dòng)開關(guān),開關(guān)組可以與兩旁的開關(guān)組進(jìn)行交流,此時(shí)自動(dòng)設(shè)備應(yīng)有A、B端口,以及與之相對的1號(hào)、2號(hào)開關(guān)組。當(dāng)有功潮流的流向是從B到A時(shí),表示為負(fù),反之為正。假設(shè)在某個(gè)開關(guān)有有功潮流經(jīng)過,若為正時(shí),則表示潮流從這個(gè)開關(guān)的1號(hào)開關(guān)組流向2號(hào)開關(guān)組;若為負(fù),則表示從2號(hào)開關(guān)組流至1號(hào)開關(guān)組。

假設(shè)故障潮流經(jīng)過某開關(guān)[7],其出、入度值是0、1,產(chǎn)生故障時(shí)開關(guān)z的狀態(tài)為

(1)

式中,Az表示開關(guān)z的邏輯值,Az等于0時(shí)表示無動(dòng)作,等于1時(shí)表示動(dòng)作分閘,VNzj(j=1,2,…,n)表示開關(guān)z的第j個(gè)相鄰開關(guān)組的邏輯值,&&表示如果2個(gè)操作數(shù)都不是0,則條件為真。

利用有功潮流的傳遞方向判斷開關(guān)是否開啟或關(guān)閉。相同開關(guān)的開啟或關(guān)閉在鄰近的2個(gè)開關(guān)組中呈現(xiàn)相反狀態(tài),VNz表示途經(jīng)開關(guān)z的故障電壓邏輯值[8],其表達(dá)式為

(2)

式中,P、I、I′分別表示經(jīng)過開關(guān)的有功功率、電流值、電流整定值。

正常電流途經(jīng)開關(guān)的邏輯值可以通過相鄰開關(guān)的電流值進(jìn)行確定,確定方法見式(3):

(3)

式中,INzj(j=1,2,…,n)表示與開關(guān)z相鄰的開關(guān)途經(jīng)故障電流的邏輯值,0表示最末節(jié)點(diǎn)的電流,且開關(guān)沒有故障電流通過。若任何一個(gè)開關(guān)邏輯值判斷是0,則Vgroup組值為0,表示該開關(guān)的最小配電區(qū)運(yùn)行正常;若出現(xiàn)邏輯值都是1,則Vgroup組值為1,那么開關(guān)的狀態(tài)邏輯值A(chǔ)是1,開關(guān)應(yīng)動(dòng)作分閘,并可以判定故障存在此配電區(qū)中。

1.1 電壓-時(shí)間型故障判定與隔離

若判定時(shí)間超過1 s后仍沒有判斷出故障位置,則選擇多模式聯(lián)合饋線中的電壓-時(shí)間型饋線自動(dòng)化控制方法進(jìn)行故障判定。采用分段開關(guān)的延時(shí)合閘時(shí)間、聯(lián)絡(luò)點(diǎn)開關(guān)的延時(shí)合閘時(shí)間、合閘確認(rèn)時(shí)間進(jìn)行故障判定。當(dāng)配電網(wǎng)分段開關(guān)和聯(lián)絡(luò)開關(guān)整定為最佳數(shù)值時(shí),供電呈現(xiàn)最可靠狀態(tài),用W代表可靠性。

1.1.1 分段開關(guān)整定

由于電壓-時(shí)間型故障饋線的分段開關(guān)合閘確認(rèn)時(shí)間是5 s,為出廠設(shè)置,不可變動(dòng),只能通過改變延時(shí)合閘時(shí)間整定分段開關(guān),選擇整定數(shù)值為7 s、14 s、28 s,其可靠性W表示為式(4):

(4)

式中,每年有8760 h,NG表示配電用戶總數(shù),∑UiNi表示故障受影響的用戶。

根據(jù)式(4)可知,配電用戶總數(shù)恒定,受故障影響的用戶分段開關(guān)延時(shí)合閘時(shí)間越小,供電可靠性越大,此時(shí)分段開關(guān)延時(shí)合閘時(shí)間需進(jìn)行最小整定,即為式(5):

f(X)=min{f(s)|X1,X2,X3}

(5)

在圖1所示的配電線路中,開關(guān)1、2、3的延時(shí)合閘時(shí)間設(shè)置為X1、X2、X3,假設(shè)出現(xiàn)故障的是G點(diǎn),為了使故障周圍的最小配電區(qū)能夠隔離,只能關(guān)閉開關(guān)3對故障進(jìn)行隔離,使開關(guān)1、2繼續(xù)運(yùn)行,呈現(xiàn)出X1≠X2≠X3。當(dāng)故障發(fā)生較多時(shí)以此類推,可得出以下結(jié)論:配電線路分段供電時(shí),不存在2個(gè)分段開關(guān)一起關(guān)閉,可得式(6):

圖1 多分支配電線路圖

Xh1≠Xh2≠Xh3≠…≠Xhn

(6)

式中,Xhn表示分段開關(guān)n到斷路器合閘的關(guān)合時(shí)間。

綜上所述,分段開關(guān)的整定需符合式(5)、式(6)。

1.1.2 聯(lián)絡(luò)開關(guān)整定

同分段開關(guān)整定一樣,聯(lián)絡(luò)點(diǎn)開關(guān)的合閘確認(rèn)時(shí)間也是規(guī)定好的,通常為5 s,不可變動(dòng),將聯(lián)絡(luò)點(diǎn)開關(guān)的延時(shí)合閘時(shí)間整定設(shè)置為45 s、60 s、75 s。通過調(diào)整延遲閉合時(shí)間,設(shè)置觸點(diǎn)開關(guān),供電可能性W越高,觸點(diǎn)開關(guān)的延遲閉合時(shí)間越小[9],表示為

f(L)=min{f(s)|45,60,75}

(7)

為達(dá)到聯(lián)絡(luò)點(diǎn)開關(guān)自動(dòng)關(guān)閉并完成轉(zhuǎn)移供電的目的,需要將故障區(qū)隔離后滿足式(8):

XL>T變電站1+∑X

(8)

式中,∑X表示配電網(wǎng)中聯(lián)絡(luò)點(diǎn)開關(guān)的延時(shí)合閘總時(shí)間,T變電站1表示變電站出線開關(guān)首次重合時(shí)間。依據(jù)式(7)、式(8)整定聯(lián)絡(luò)點(diǎn)開關(guān)。

1.2 主站集中型饋線自動(dòng)化控制方法

如果在60 s后故障沒有得到相應(yīng)的處理,供電還是沒恢復(fù)。此時(shí),選擇主站集中型饋線自動(dòng)化控制對故障進(jìn)行處理,利用uRLLC技術(shù)判斷故障范圍,精確隔離故障區(qū)段,恢復(fù)非故障區(qū)域供電,實(shí)施繼電保護(hù)。主站集中型饋線自動(dòng)化處理故障邏輯見圖2所示。

圖2 主站集中型饋線控制邏輯圖

圖2中,一共有9個(gè)配電終端FTU,依次連接D1、K1、K2、K3、主站、聯(lián)絡(luò)開關(guān)、K4、K5、K6、D2,終端之間可互相通信且與主站相連,主站與聯(lián)絡(luò)開關(guān)借助終端FTU5相互連接。

假設(shè)圖2為閉環(huán)運(yùn)行,故障出現(xiàn)在K2和K3之間,開關(guān)D1、D2跳閘。根據(jù)判斷,電流經(jīng)過K2和K3時(shí)方向不同,與K2、K3相連的終端使其跳閘,以此完成故障隔離任務(wù)。設(shè)第j個(gè)FTU發(fā)出邏輯信號(hào)Mj、Nj,測量第j個(gè)FTU上的電流:當(dāng)Mj=0時(shí),說明電流呈反向;當(dāng)Mj=1時(shí),說明電流為正向,聯(lián)絡(luò)開關(guān)分閘,開關(guān)D1、D2重合閘,繼續(xù)正常配電網(wǎng)的供電。

假設(shè)圖2為開環(huán)運(yùn)行,故障仍在上述位置,那么故障電流會(huì)經(jīng)過D1、K1、K2,變電站1出線,開關(guān)D1跳閘,通過FTU3、FTU4的指令使K2、K3跳閘,達(dá)到故障隔離的目的。在開環(huán)運(yùn)行時(shí),測量第j個(gè)FTU上的電流:當(dāng)Nj=0時(shí),說明電流正常;當(dāng)Nj=1時(shí),說明電流異常。此時(shí)主站集中型饋線自動(dòng)化控制聯(lián)絡(luò)開關(guān)的方法表示為

(9)

根據(jù)式(9)判斷聯(lián)絡(luò)開關(guān)分閘,開關(guān)D1、D2重合閘,對無故障區(qū)繼續(xù)供電。

2 實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)隨機(jī)選取某個(gè)地區(qū)日常生活供電的配電網(wǎng),利用本文方法分別對其發(fā)生的故障進(jìn)行判定、隔離,并且將非故障區(qū)進(jìn)行恢復(fù)供電處理。將本文方法應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)供電的配電網(wǎng)和購物娛樂場所供電的配電網(wǎng)的故障處理中,將本文方法應(yīng)用到3種不同環(huán)境中進(jìn)行分析,驗(yàn)證本文方法的適應(yīng)性。

2.1 故障處理效果

實(shí)驗(yàn)節(jié)選日常生活中配電網(wǎng)的一部分進(jìn)行研究,利用式(1)～式(10)對故障位置進(jìn)行判定。

節(jié)選的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 某一配電網(wǎng)

圖3中,Ⅰ、Ⅱ?yàn)槟妇€,K1～K4為出線開關(guān),a～o為分段開關(guān),i為聯(lián)絡(luò)開關(guān)。擁有相同變電站的母線饋線運(yùn)行方式為閉環(huán),反之為開環(huán)。根據(jù)本文方法處理故障區(qū)域判斷開關(guān)狀態(tài)邏輯值如表1所示。

表1 本文方法判斷開關(guān)狀態(tài)邏輯值表

從表1可知,本文方法不僅能準(zhǔn)確地找到故障區(qū)域,還能對故障區(qū)域進(jìn)行隔離,還能控制聯(lián)絡(luò)開關(guān)使其合閘,不影響其余正常配電網(wǎng)線路的供電。

2.2 3種環(huán)境下比較實(shí)驗(yàn)

利用本文方法對某地區(qū)3種不同環(huán)境的應(yīng)用配電網(wǎng)進(jìn)行控制,并對故障進(jìn)行檢測、隔離,對非故障區(qū)恢復(fù)供電的效果進(jìn)行比較,驗(yàn)證本文方法的故障處理應(yīng)用范圍。故障處理比較結(jié)果如圖4所示。

圖4 3種環(huán)境下用時(shí)比較

從圖4可知,本文方法能夠快速、準(zhǔn)確地對故障信息進(jìn)行傳遞,在故障處理方面用時(shí)較短,并且能夠快速恢復(fù)正常電網(wǎng)區(qū)域的供電,3種環(huán)境下均能有效處理故障,恢復(fù)供電,用時(shí)均低于1 h。因此,本文控制方法應(yīng)用范圍廣,實(shí)用性強(qiáng)。

2.3 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)比較

驗(yàn)證uRLLC、增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶(eMBB)和海量機(jī)器類通信(mMTC)等3種5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)優(yōu)勢,衡量本文方法控制性能。3種5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)指標(biāo)的數(shù)值比較如表2所示。

表2 3種5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)指標(biāo)數(shù)值對比表

從表2可知,3種切片技術(shù)中,本文方法應(yīng)用的uRLLC切片技術(shù)可在滿足通信可靠性的同時(shí)使控制時(shí)延最短。

3 總結(jié)

變電站出線開關(guān)跳閘和線路短時(shí)停電,不但給系統(tǒng)帶來了大電流沖擊,而且還給客戶帶來了不好的用戶體驗(yàn)。因此,本文基于5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的多模式聯(lián)合饋線自動(dòng)化控制方法,將繼電保護(hù)與智能分布式、電壓-時(shí)間型和主站集中型等3種模式的故障隔離和非故障區(qū)域供電的功能結(jié)合起來,快速減小了故障電流帶來的影響,提升了配電網(wǎng)故障處理的能力。