基于5G 通信技術(shù)的電力自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控與控制研究

李曉鵬

（海陽(yáng)龍鳳熱電有限公司，山東 煙臺(tái) 265100）

0 引 言

智能電網(wǎng)的核心是在電力系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)中集成先進(jìn)的信息與通信技術(shù)，以提高電網(wǎng)的效率、可靠性和安全性。隨著可再生能源的日益普及和電力需求的不斷增長(zhǎng)，對(duì)電力自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與控制提出了更高的要求。為實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的監(jiān)測(cè)和控制，并適應(yīng)受控設(shè)備和配電管理系統(tǒng)之間的大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流，有必要部署更加先進(jìn)的通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。

5G 通信技術(shù)作為最新一代的通信技術(shù)，具有高速度、低延遲和高連接密度等特點(diǎn)，為智能電網(wǎng)提供了新的發(fā)展機(jī)遇[1-2]。不僅能夠支持更多設(shè)備的連接，而且可以實(shí)現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)傳輸和更低的響應(yīng)時(shí)間，這對(duì)于實(shí)時(shí)監(jiān)控和快速故障響應(yīng)至關(guān)重要。因此，文章探討并比較了5G 與現(xiàn)有長(zhǎng)期演進(jìn)（Long Term Evolution，LTE）技術(shù)在智能電網(wǎng)監(jiān)控和控制中的應(yīng)用，特別是在實(shí)時(shí)性能和故障管理方面的差異。同時(shí)，通過仿真實(shí)驗(yàn)和案例分析，驗(yàn)證5G 通信技術(shù)在電力自動(dòng)化系統(tǒng)中的潛力，特別是在提高故障檢測(cè)和處理速度方面。

1 5G 與LTE 通信技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用對(duì)比

隨著智能電網(wǎng)的不斷發(fā)展，5G 與LTE 通信技術(shù)在監(jiān)控和控制系統(tǒng)方面得到了廣泛應(yīng)用，已成為現(xiàn)代電力系統(tǒng)不可或缺的一部分。傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)依賴于集中式監(jiān)控，在處理分布廣泛的電網(wǎng)資源時(shí)存在局限性。隨著新型分布式發(fā)電資源的出現(xiàn)，如太陽(yáng)能和風(fēng)能，對(duì)電網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和快速響應(yīng)提出了新的挑戰(zhàn)[3]。而分布式控制系統(tǒng)不僅能提供更高效、靈活的電網(wǎng)管理方法，提高電網(wǎng)的可靠性，還能提升電力系統(tǒng)對(duì)可再生能源的適應(yīng)能力。

5G 通信技術(shù)以其高速數(shù)據(jù)傳輸（可達(dá)1 ～10 Gb/s）、極低的延遲（通常小于1 ms）、大規(guī)模設(shè)備連接能力、網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)以及增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（enhanced Mobile Broadband，eMBB）等特點(diǎn)，成為支持高帶寬的理想選擇。而LTE 技術(shù)能夠提供穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸速率（一般在10 ～50 Mb/s），覆蓋范圍廣泛，技術(shù)成熟，具有良好的向下兼容性，且能夠高效利用頻譜。然而，在面對(duì)更高速度和更低延遲的需求時(shí)，LTE 的性能受到限制。5G 通信技術(shù)在低延遲和高數(shù)據(jù)傳輸速度方面的優(yōu)勢(shì)改善了智能電網(wǎng)的性能，特別是在故障檢測(cè)和響應(yīng)方面[4]。通過改善網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)延，可以顯著縮短數(shù)據(jù)傳輸和處理的時(shí)間，這對(duì)于確保電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行和縮短故障恢復(fù)時(shí)間至關(guān)重要。

2 基于5G 通信技術(shù)的配電網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控與控制管理方法

在智能電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)中，整個(gè)電網(wǎng)的控制和監(jiān)控需要依靠復(fù)雜的集中式、分布式或去中心化控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。其中，集中式控制系統(tǒng)主要采用上一代的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)LTE，而分層和去中心化控制系統(tǒng)主要利用5G 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行構(gòu)建，具有更高的信息流傳輸效率[5]。

文章主要對(duì)比2 種網(wǎng)絡(luò)管理方法，分別是基于LTE 的集中式網(wǎng)絡(luò)管理（Centralized Network Management，CNM）和基于5G 通信技術(shù)的分布式網(wǎng)絡(luò)管理（Distributed Network Management，DNM），具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 電網(wǎng)管理方式

圖1 中：CB 表示遙控?cái)嗦菲鳎籇ES 表示分布式儲(chǔ)能；DG 表示分布式發(fā)電；DMS 表示配電管理系統(tǒng)。

2.1 基于LTE 的集中式網(wǎng)絡(luò)管理

CNM 由一個(gè)中央DMS/EMS 組成，用于檢查從測(cè)量單元（Measurement Unit，MU）發(fā)送的數(shù)據(jù)，并對(duì)安裝在發(fā)電機(jī)、斷路器、有源負(fù)載及存儲(chǔ)單元上的智能電子設(shè)備（Intelligent Electronic Device，IED）執(zhí)行操作干預(yù)，以確保網(wǎng)絡(luò)處于最佳運(yùn)行狀態(tài)。由于信息數(shù)據(jù)流是垂直的，因此MU 和IED 只與中心控制器交換數(shù)據(jù)。在該平臺(tái)中，MU 以固定的時(shí)間步長(zhǎng)向DMS發(fā)送電壓和電流測(cè)量值，因此DMS 對(duì)網(wǎng)絡(luò)有全面的了解，能夠?qū)收锨闆r進(jìn)行定位和管理。在發(fā)生短路的情況下，DMS 會(huì)觸發(fā)具有最小阻抗的支路斷路器，以降低故障的影響。

2.2 基于5G 通信技術(shù)的分布式網(wǎng)絡(luò)管理

在DNM 方案中，每個(gè)IED 和MU 都與一個(gè)代理相關(guān)聯(lián)，代理可以與相鄰設(shè)備通信，以評(píng)估網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)并執(zhí)行操作動(dòng)作。因此，其具有分布式DMS 功能，即保持最優(yōu)條件和解決任何網(wǎng)絡(luò)突發(fā)事件。由于信息數(shù)據(jù)流是水平的，因此本地?cái)?shù)據(jù)聚合器可以作為本地代理分配配電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商（Distribution System Operator，DSO）之間的接口，以協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行。當(dāng)代理被對(duì)應(yīng)MU 測(cè)量的過電流觸發(fā)時(shí)，DNM 會(huì)將電流和相位測(cè)量值發(fā)送給相鄰代理，接著接收代理會(huì)將本地測(cè)量的電流和相位與接收的信息進(jìn)行比較。通過相位比較實(shí)現(xiàn)故障定位，并打開斷路器進(jìn)行故障干預(yù)。在日常工作中，需要在每個(gè)IED 上嵌入M2M 芯片組，以確保實(shí)現(xiàn)水平雙向數(shù)據(jù)流。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

為比較CNM 和DNM 這2 種智能電網(wǎng)管理方案的應(yīng)用效果，在聯(lián)合仿真平臺(tái)上進(jìn)行了分析。利用電力系統(tǒng)分析軟件和軟件工具DIgSILENT-PowerFactory對(duì)智能電網(wǎng)場(chǎng)景進(jìn)行了仿真，并研究電網(wǎng)的穩(wěn)定性和故障狀態(tài)下的暫態(tài)演化。仿真構(gòu)建的智能配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。該智能配電網(wǎng)是一個(gè)城市中壓（Medium Voltage，MV）網(wǎng)絡(luò)，由2 個(gè)環(huán)形配置的高中壓（High Voltage/Medium Voltage，HV/MV）主變電站饋電系統(tǒng)組成。該網(wǎng)絡(luò)在電網(wǎng)全局范圍內(nèi)延伸約1 km，提供了6 個(gè)中壓節(jié)點(diǎn)。這些節(jié)點(diǎn)聚集了混合城市負(fù)載，每個(gè)節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)二次變電站，進(jìn)出線饋線上設(shè)有斷開裝置（斷路器或分?jǐn)嚅_關(guān)），如圖3 所示。二次變電站還安裝了一個(gè)MU和一個(gè)IED，用于電氣參數(shù)的測(cè)量、編程、與DMS 或鄰居通信。

圖2 智能配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

圖3 智能配電網(wǎng)進(jìn)出線饋線結(jié)構(gòu)

本仿真實(shí)驗(yàn)中，在連接節(jié)點(diǎn)6 和節(jié)點(diǎn)7 上的變電站的分支上發(fā)生了30 ms 短路事件。二次變電站的MU 檢測(cè)到了過流，同時(shí)IED 根據(jù)控制方案向服務(wù)器或相鄰代理發(fā)送報(bào)文。在這種情況下，信息都封裝在一個(gè)用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（User Datagram Protocol，UDP）中。本仿真實(shí)驗(yàn)的目的是在考慮速度和選擇性的情況下，比較集中式和分布式故障監(jiān)控方案的性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

表1 集中式和分布式故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)延遲對(duì)比結(jié)果 單位：ms

由表1 可知，2 種方案的最高節(jié)點(diǎn)間包傳輸延遲差為7 ms，案例分析顯示，分布式系統(tǒng)的故障監(jiān)控總時(shí)延為17 ms，與集中式系統(tǒng)相比，節(jié)省了約33%的故障處理時(shí)間。因此，對(duì)于對(duì)時(shí)間要求嚴(yán)苛的干預(yù)操作（如故障中斷和電路恢復(fù)）的網(wǎng)絡(luò)管理而言，分布式方法是一種較為有效的解決方案。

4 結(jié) 論

文章介紹了利用5G 無線通信網(wǎng)絡(luò)的配電網(wǎng)監(jiān)控與控制系統(tǒng)，并對(duì)比了基于LTE 技術(shù)的集中式網(wǎng)絡(luò)管理和基于5G 通信技術(shù)的分布式網(wǎng)絡(luò)管理的性能。由于5G 具有高速數(shù)據(jù)傳輸、極低的延遲和大規(guī)模設(shè)備連接等特點(diǎn)，能夠顯著降低電力網(wǎng)絡(luò)故障條件下關(guān)鍵操作的相關(guān)延遲，有效提高智能配電網(wǎng)絡(luò)的管理性能。盡管5G 在覆蓋范圍和成本方面面臨著挑戰(zhàn)，但其在智能電網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控與控制系統(tǒng)中的應(yīng)用具備顯著優(yōu)勢(shì)。