面向配電網業務的5G 通信技術適配性研究

趙 航

（國網泰州市姜堰區供電公司，江蘇 泰州 225500）

0 引 言

在廣泛接入分布式電源后，配電網由單饋輻射電網轉變為多源多向電網。如何準確、快速地定位故障線路已成為研究有源配電網可靠性的一個重要問題。在故障定位方法方面，國內外研究人員已展開了研究，涉及的類型主要包括距離類法和定義段類法。目前自動化設備在配電網中的廣泛應用，如電源終端單元（Feeder Terminal Unit，FTU），因此基于FTU 的有源配電網段的定位成為一個新的研究課題。根據配電系統接地方法和故障類型，分段定位方法分為小電流分段定位方法和大電流分段定位方法；根據故障信號源和定位原理，可以分為基于序列數據的方法和基于FTU 遙測數據的方法。基于序列數據的方法包括根據永久無效狀態序列法、序列的相似性常用過渡狀態法;基于FTU 遙測數據的方法包括穩態零序電流方向法、瞬態零序電流方向法。大多數低電流段定位方法使用分布式定位結構，雖然結構簡單可靠，但是故障段識別只使用相鄰節點的故障數據。

1 5G 通信技術

1.1 通信架構

文章構建的同步保護方案采用集中式網絡結構，能夠利用整個網絡節點的信息，且容錯性強，更適合現代智能網絡的發展趨勢[1]。5G 通信應用的3 種場景，分別是超高可靠與低時延通信（Ultra-Reliable and Low Latency Communications，URLLC）、增強寬帶和機器移動通信。基于5G 有源通信配電網多點同步保護的通信網絡架構如圖1 所示。

圖1 5G 通信網絡架構

1.2 通信時延

從故障發生到分段開關或聯絡開關收到動作信號并隔離故障的過程中，基于5G 通信的保護過程包括故障檢測、遙信數據上傳、故障區段識別、遙控數據下行以及開關動作環節。整個保護過程的動作時序如圖2 所示。

圖2 保護動作時序

1.3 通信可靠性

在有源配電網故障定位中，根據故障方向的不同，FTU 采集的故障方向編碼狀態有0 和1 兩種狀態。根據這些狀態，可以得出通信過程的4 種情況。因此，與其他通信方式相比，5G 通信在配電網區段表現出更高的可靠性。這體現在FTU 采集故障方向信息的漏誤報概率更低，即漏報誤報數量更少。以一個4 饋線的有源配電網為例，分析單相故障下暫態零序電流方向的分布特點。在饋線3 的中部和饋線4 的末端接有分布式電源，主電源中性點經消弧線圈接地，分布式電源中性點不接地。在中性點不接地系統中，消弧線圈的補償電流Li為0，因此線路中所有暫態零序電流都成容性。在中性點經消弧線圈接地系統中，3 次諧波到第1 次串聯諧振之間的特征頻段，消弧線圈的過補償作用可以忽略，所有暫態零序電流也成容性。在饋線4 的區段3 設置單相接地故障時，該有源配電網的暫態零序電流方向的分布。

2 自愈系統構成

2.1 配電網保護與分布式饋線自動化融合方案的基本策略

在配電網網絡重構上，集中型配電自動化通過子站將其運行數據上送至主站，主站綜合分析研判后關閉線路首級開關或臨近故障點處電源側開關，以達到切除故障點的目的。之后，主站再向各配電終端站下送恢復供電方案，實現線路自愈。該方式需要主站與子站間的信息交互、確認和驗證，因此工作時間較長。雖然實現了故障點的隔離、電能的恢復、網絡的重構，但仍造成用戶陪停時間過長，并不滿足電力要求。通過分布式饋線自動化，利用5G 通信技術完成各環網柜的配電終端信息的信息交換、故障點判別與隔離，免去與主站信息傳遞的復雜流程，實現毫秒級完成任務。將故障點隔離之后，再重新構建配電網絡，使沒有發生故障而陪停的線路恢復供電。最后，將故障信息和保護動作信息通過前置裝置送至主站，以供調度控制人員查驗信息。配電網自愈保護通過分布式饋線自動化優先切除故障點并實現配電網絡的重新構建。變電站出口開關保護作為保護拒動的后備保護，防止越級跳閘[2]。當故障發生時，通過環網柜配電終端信息的交互、計算，判斷故障發生位置，同時跳開與故障點距離最近的開關，成功隔離故障點后上送故障點隔離成功信息，再進行配電網絡的重新構建，實現配電供電網絡自愈。

2.2 配電終端判斷邏輯與故障隔離策略

以配電網中典型的拉手線路接線方式為例，研究配電終端的邏輯判斷與故障隔離策略，接線方式如圖3 所示。電源1、電源2 作為主供電源為負荷供電，各環網柜內的進線開關、出線開關作為聯絡開關。在1 號環網柜中，進線、出線開關為D1-1、D1-2，饋線開關為D1-3、D1-4。饋線開關直接為用戶送電或接至用戶高壓配電箱。變電站的出口開關與環網柜首級開關相連，線路出口側開關確保故障發生時，不至于保護越級造成大面積停電，擴大事故范圍。環網柜內的出線開關、進線開關，可通過5G 通信網絡進行信息交互，以判別故障點位置。規定從變電站電源側出口開關向線路測為正方向，靠近電源側的開關稱為上游開關，負荷側開關稱為下游開關。當環網柜內母線板發生故障時，如K1點故障，故障電流流經D4-1、D4-2、D3-2 開關，由于D4 環網柜的進線開關和出線開關都有故障電流流經，因此判定故障點不在D4 環網柜內。同時，D4-2 開關判定其上游開關和下游開關都有故障電流流經，因此故障點在D3-2開關下游，D4-2 開關保護閉鎖。D3-2 開關的上游開關存在故障電流，但其下游開關沒有故障電流，因此D3 環網柜判定故障點在此環網柜母線上，跳開D3-2開關，切除故障電流。當環網柜外的線路發生故障時，如K2點故障，故障方向由電源2 指向故障點處，而D4 環網柜的進線開關、出現開關均有故障電流流經，判定故障點不在D4 環網柜內，在D4-2 開關下游，而D3-2 開關未有故障電流流經，因此判斷故障點在D4-2 與D3-2 間，將D4-2 開關跳開，切除故障點。

圖3 配電網典型拉手線路接線方式

2.3 自愈重構系統

相對于直接給用戶供電和連至用戶高壓配電室的饋線線路，變電站出口的主干線路發生的故障的占比較低。主干線路負荷大，所帶負載多。當其發生故障時，會造成負荷損失[3]。因此，在主干線路故障時，需要快速定位并隔離故障點，恢復送電。當故障點發生在K2點處，系統會先斷開D4-2 開關，切除故障點。同時，D2-1 開關檢測到D3、D2 環網柜失壓后，系統會快速合上D2-1 對失壓線路供電。環網柜D3-2開關收到環網柜D4-2 開關的故障判定和開關保護動作信息后，將D3-2 開關跳開，切除故障位置，同時將故障信息發送至聯絡開關。環網柜收到故障信息后，先跳開D3-1 開關，再迅速合上D2-1 開關，使失壓線路由電源1 供電。若在饋線中有電源接入，為防止負荷轉供時對電源同期造成影響，應先切除電源。

2.4 首級開關優化

因為變電站出口開關沒有安裝5G 通信裝置，當故障點發生在K3點時，變電站出口斷路器直接跳閘，從而受電源1供電的線路失壓。此時，為實現線路自愈，應先跳開D1-1 開關，再合上D2-1 開關由電源2 進行供電。因此，對于與變電站出口線路連接的環網柜首級開關，其動作邏輯需要判定環網柜失壓，但出線開關與母線故障，跳開首級開關。

2.5 5G 通信故障、開關失靈的異常處置

對于配電網5G 通信中斷、裝置異常和程序跑飛等故障，配電網分布型饋線自動化可以經短時限閉鎖保護重新啟動通信裝置。對于長時限的通信故障，系統在判定后將自動退出其保護判定功能，防止保護誤動。當故障發生時，保護動作開關失靈時，可以聯跳相鄰開關或跳開與故障點距離較近的進出線開關，最小化停電范圍。例如，故障發生時需要跳開某環網柜的出線開關，但出線開關失靈無法跳開。此時，系統將跳開該環網柜的進線開關和失靈開關的上游開關。

3 5G 技術的應用現狀和前景

3.1 網絡切片技術的應用

網絡切片技術是將物理網絡劃分為多個邏輯網絡的技術。根據使用場景的不同，可以采用不同的邏輯網絡，以實現網絡資源的優化配置。在電網業務應用中，不同的業務應用場景對物理網絡的安全性、可靠性、時延等要求不同。采用網絡切片技術，將物理網絡劃分為邏輯上相互隔離的虛擬網絡，分別應用于不同的場景，以合理配置電網業務數據，提高其安全性。網絡切片技術在電網業務場景中的應用主要有智能分布式配電自動化、毫秒級精準負荷控制、采集低壓用電信息以及采集分布式電源信息。

3.1.1 智能分布式配電自動化

智能分布式配電自動化系統主要通過繼電保護裝置檢測網絡狀態下的數據，以快速檢測這些受影響的區域，并采取多種手段保證其穩定運行。以往的配電網建設，保護系統沒有提供精確的控制，電網的穩定性和可靠性較低。而遠程控制系統是目前電力智能控制的主流，當數據處理能力下降時，該系統可以執行自動穩定措施，并將處理時間縮短至毫秒級，有效縮短響應時間。遠程控制系統對通信網絡的技術要求如下：同步精度為10%；可靠性為99.999%；分散控制節點；每秒連接總數超過1 000 萬數據包；網絡切片要求為端到端硬切片，獨享切片資源；對返回帶寬的需求通常是高支持和小流量中斷。網絡切片技術具有超低時延、高可靠性、高安全性以及高終端密度的特點，能夠使智能分布式配電自動化保護具有更好的選擇性、靈敏性和快速性。

3.1.2 毫秒級精準負荷控制

為應對能源需求，通常采用的措施是監控非生產負荷。由于過載，應先斷開不重要的負載，并降低缺陷的影響程度。精準負荷控制對通信網絡的技術要求如下：毫秒負載管理時延小于50 ms；可靠性為99.99%；分散控制節點；每秒連接總數超過1 000 萬；恢復帶寬為2 Mb/s；網絡切片為端到端硬切片，獨享切片資源；連接高頻通信。網絡切片技術從用戶體驗的角度出發，具有毫秒級超低時延，能夠有效降低電網對重要用戶的影響，可優先切除可中斷的非重要負荷。

3.1.3 分布式電源信息

在能源供應方面，對可靠供電的要求仍有待提高。高可靠性供電區域可實現連續供電，將事故隔離時間縮短至毫秒級，以實現區域不間斷供電。分布式生產有助于提高電網的可靠性，并在特定條件下實現能源共享。然而，隨著清潔能源技術的進步，各類分布式電源的分散生產對整個分銷網絡造成影響，使各類源儲信息的采集難度進一步提升。分布式電源對通信網絡的技術要求如下：采集數據鏈時延小于3 s；斷開數據鏈時延小于1 s；企業類別可信度為99%；控制數據的可靠性為99.999%；終端每秒訪問數據包量為100 萬或1 000 萬；帶寬設計為100 Mb/s。

3.2 軟件定義網絡的應用

軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）是一種新型的計算機網絡結構體系。SDN 的核心是簡化底層網絡的功能，屏蔽網絡內部實現細節，抽象出一個軟件操作系統，從而為上層網絡的應用提供統一的控制接口。其主要由SDN 交換機、控制器、控制信道3 部分組成。SDN 作為一種關鍵技術，具有簡單化、快速部署與維護、靈活擴展以及開放性的特點，且安全優勢明顯。SDN 對5G 網絡架構的影響非常大，可以滿足電力企業對電網業務靈活性和敏捷度的要求。電網企業系統訪問控制要求作為企業資源計劃（Enterprise Resource Planning，ERP）系統在中國大型企業聯網中的重要應用實例，具備完善的內部網絡服務平臺、調度應用系統、分析服務平臺、專用數據庫以及存儲系統[4]。國內大型企業的防火墻系統架構建立了一系列區域邊界。防火墻策略通常通過企業自行設計來實施。其主要目的是將企業內部網絡與外部網絡分隔開，防止未經授權的訪問者進入企業內部系統[5]。然而，目前防火墻策略的靈活性有待提高，其管理范圍僅限于網絡互聯協議和端口，且策略的分發也需要手動進行。這種限制使防火墻無法靈活地應對各種網絡攻擊方式，如流量入侵和安全入侵，從而導致網絡攻擊者有可能輕易地繞過防火墻的保護，破壞企業的無線通信系統。

4 結 論

智能電網是我國電力系統的重要發展戰略。在電力領域無線專網建設中，常用的5G 技術主要包括多天線陣列、新型多址接入技術和異構網絡融合技術等。5G 電力專網建設中，適合電力業務場景需求的典型電力業務場景包括5G 網絡切片專網方案、SDN在電網企業中的應用、配網差動保護等。未來電網建設中，電網公司可申請新的頻段，以達到頻譜專用的目的，避免與其他行業的通信干擾。同時，與已拿到5G 牌照的運營商合作，滿足特定地區電力業務通信需求，并與人工智能、大數據、云計算等先進技術進行融合，以提高電網業務數據處理速率。