基于5G的智能分布饋線自動化技術的應用實踐

［摘 要］文章以張家口電網為例，針對如何利用5G 通信彌補光纖敷設困難、組網不夠靈活、維護成本高的問題，提出5G+ 智能分布饋線自動化是電網的通用需求，并分別從5G 網絡選擇、網絡切片、低時延策略等關鍵技術進行綜述，剖析了通信網絡調試過程中出現的問題及解決方案。實踐證明，將5G 應用于配電網智能分布饋線自動化中，可完成故障的毫秒級診斷、隔離和非故障區域的供電恢復。為5G 通信融合智能配電網多種業務應用需求，進行差異化、分布式功能定制提供了借鑒。

［關鍵詞］饋線自動化；數據承載；智能預調度

［中圖分類號］TM76 ；TN929.5 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）01–0115–03

張家口從2013 年開始嘗試以光纖通信方式在配電線路上投入就地智能分布式饋線自動化功能，通過安裝在現場的智能終端之間的互相通信，實現配電網故障的毫秒級診斷、隔離和非故障區域的恢復供電。但是受制于光纖通道缺乏、路徑協調困難、組網費用高昂、不同光纖通信設備之間不兼容、光纖覆蓋率低等原因，限制了智能分布式饋線自動化的廣泛應用。2021 年，在服務冬奧、助力冬奧的建設中，張家口實現了全國首個5G+ 智能分布饋線自動化落地，17 條冬奧保障線路投入運行，實現了配電線路故障的秒級復電，用戶高可靠持續穩定用電效果得到質的提升。

1 無線通信網絡的瓶頸

智能分布式饋線自動化等電力生產控制類業務需要遵照電力系統安全防護方案的要求，電力數據由企業專網接入，與公網數據之間必須安全隔離。數據網中的實時業務與非實時業務要分區隔離和分業務隔離，現有4G和Wi-Fi 承載方式無法滿足業務隔離要求，存在不穩定、不可靠等問題。智能分布式饋線自動化、差動保護、配網PMU等電力業務需在設備之間、設備與服務器之間實現穩定、可靠的毫秒級實時快速通信，現有4G 和Wi-Fi無線網絡端到端通信方式時延較大。

2 5G網絡的選擇

分布式終端間采用網絡通信，不同站所間應以對等通信方式進行分布式饋線自動化信息交互，對等通信的故障信息及控制信息交互時間應不大于30 ms，分布式饋線自動化信息交互應優先選擇GOOSE協議。

目前移動已開通5G 宏站430 個，基本覆蓋張家口市區人口密集的高流量區域。移動700 MHz 頻段下的5G，頻率低且波長長，一個基站的覆蓋范圍能達到3～5 km，彌補了偏遠地區地廣、人稀、業務需求少、建高頻段的5G 網絡不現實的問題。而配網設備覆蓋范圍廣、分布散、設備多，單臺設備信息業務量低，信息的安全級別高，單站的覆蓋范圍廣，為5G+智能分布饋線自動化技術在架空線路中的應用奠定了基礎，可大幅降低5G 應用的投入。

3 5G網絡技術方案

（1）低時延方案。利用5G 專網、切片、5QI（5種智能，包括質量智能、安全智能、認知智能、可靠性智能、可操作性智能）等技術滿足配電網故障的毫秒級時延的要求。①通過5QI 技術保證數據的優先級最高，數據可以優先傳送或插隊傳送；②利用上行智能預調度，使打了電力切片標簽的自動化數據不用認證就可直接分配通道；③使用小SR 周期降低時延，實現檢測數據傳輸啟動周期最短，降低業務時延。（SR 周期是基站請求終端回應的時間周期，SR 越小，基站調度終端就越密集）。對于流量特別大的地方做PRB 資源預留，在到基站的路上專門劃分一片區域用于數據傳輸，來保證低時延。

（2）生產控制類切片方案。按照電力安全分區、網絡專用要求，利用5G 切片實現電力通信網絡的專用。由于終端和基站之間是點對點的，用戶僅通過基站無法直接攻擊電力終端。基站本身無法直接交換、轉發應用層數據包，終端和終端之間的數據傳輸的物理路由是DTU（數據傳輸單元）1 →基站→ UPF →基站→ DTU2。從基站到UPF 這條路上為電力業務做了切片，劃分出了專門通道，這條通道只能由電力業務數據經過，避免其他數據對配電數據發起阻斷式攻擊。做電力專用的TOB-UPF，不僅將電網業務在用戶面與公網業務方面進行物理隔離，而且對于生產控制區內，可以通過網絡切片實現1 區和2 區的邏輯隔離，切片的硬隔離是在數據前打上NSSAI 的標簽，不同標簽的數據通過不同的路徑傳輸。終端 CPE/5G模組預置使用的電力行業切片標識數據（S-NSSAI）和 DNN，在發起注冊和會話時攜帶切片標識完成網絡切片選擇。

3.1 5G網絡實施方案

智能分布饋線自動化通過物理隔離切片承載，實現電網安全分區要求，涵蓋5G 新空口、網絡切片及MEC 等多個新特性。利用5G 公共網絡和電力通信專網融合組網方案，適應電網通信的現狀和未來需求。5G 采用專用無線室分基站，通過SPN 傳輸上聯到張家口移動5G ToB 核心網網絡，最終通過專線方式連接到配電自動化主站系統。

3.2 5G授時方案

終端高精度時間信息來源于 5G 無線基站，基站通過 GPS/ 北斗衛星獲得時間，精度為100 ns。5G 無線基站通過無線空口對5G 終端授時，在SIB9中攜帶時間戳下發給終端，實現終端與基站的時間同步。外場空口測試場景下，通信終端間同步精度小于400 ns，測試結果滿足配網 PMU 時標信息精度小于1 μs 的要求。智能分布饋線自動化通過北斗衛星的授時信號作為保護動作的同步信號，確保所有終端同一時刻收到現場的采樣信號。

4 現場典型問題分析及調整策略

4.1 電力終端之間PING時延過大問題

現場測試發現，電力終端與主服務器PING 的時延穩定在20 ms 以內，但終端與終端之間PING 的時延波動較大，有時能到100 多ms。正常情況下，DTU 一般是搜索信號最強的基站進行連接，當連接不上最強基站時會連接次強基站，核心網在基站掉了后會將業務遷移到其他基站，但由于基站側沒有配置UPF 數據和APN 數據，業務雖切過去了，但通信包仍異常，數據不能交互，設備出現假在線的現象。

調整所有涉及基站的參數，并做相應的APN 和電力ID 切片業務。①核心網側細化數據的配置，對網絡質量做了進一步優化。②將業務點周邊的基站均配置電力專屬切片低時延智能預調度參數，以保證CPE 不論切換到哪個小區都能保證業務不中斷和低時延的特征。③在基站設備升級管理上增加對饋線自動化業務升級前驗證的強制操作要求。調整后，電力終端之間的時延能穩定在30 ms 以內，丟包率為0。

4.2 TOB防火墻需要配置訪問策略問題

5G 通信調試過程中，TOB 邊緣UPF 配套防火墻應按照網絡通信安全規定，對智能分布饋線自動化正常運行的業務IP 信息配置訪問控制策略，放通UPF側GI 及GN 業務地址互訪需求的端口、數據包地址，做GN 和GI 的數據訪問授權，同時進行GRE 隧道業務的策略放通，具體如圖1 所示。

4.3 電力終端PING不通對端及服務器問題

智能分布饋線自動化故障處理需要通過終端之間的相互通信完成，故障處理結果應經過通信上傳至配電自動化主站。終端設備上安裝的5G 通信模塊曾經能PING 通的卡，后期測試網絡不通了，出現以下3種情況：①卡A 既能PING 通主站，又能PING 通卡B；②卡A PING 不通主站，但能PING 通卡B ；③卡A既PING 不通主站，也PING 不通其他卡。

由于終端及現場CPE 終端均未配置APN，導致鏈路不通。5G 通信模塊主要包括模組和為業務編寫的外圍程序，模組及外圍程序也是引起經常性離線和時延大的主要因素。不同的通信模塊安裝在配電設備上做相同的參數配置，時延及功耗指標相差很大，對于5G 通信模塊選擇時不僅要采用全模全頻段、全設備兼容的基帶芯片的通信模塊，還要根據電力實際業務，選用電力專用的通信模塊。

5 5G+智能分布饋線自動化實施成效

隨著5G 的不斷發展和商用，國網冀北張家口供電公司提出的基于5G 的智能分布式配電自動化構想成為可能。文章將5G+ 智能分布式配電自動化技術應用于配電網故障的毫秒級診斷、隔離和非故障區域的恢復供電。

智能分布饋線自動化是利用自動化裝置或系統，監視配電網的運行狀況，及時發現配電網故障，進行故障定位、隔離，恢復對非故障區域的供電。智能分布式饋線自動化通過安裝在現場的智能終端（DTU）之間的互相通信，實現配電網故障的毫秒級診斷、隔離和非故障區域的恢復供電，依賴于穩定可靠快速的通信技術，能夠極大地提高供電可靠性，保障用戶持續用電能力。

智能分布式饋線自動化主要通過檢測故障區段兩側短路電流、接地故障的特征差異，從而定位故障。靠DTU/FTU 對電流、電壓進行檢測，并進行故障分析。當線路發生故障后，故障點前的所有開關都能檢測到故障電流，每個設備都會向其他設備發通知，匯報是否檢測到了故障電流。若兩個相鄰開關均在合位且都檢測到故障電流，則判斷故障點在兩個相鄰開關之后，為區外故障。若兩個相鄰開關均在合位，且僅有一個檢測到故障電流，則判斷故障點在兩個相鄰開關之間，為區內故障。故障定位完成后，在變電站饋線保護動作之前隔離相應故障區段，隨后判斷聯絡電源轉供條件滿足與否，若滿足，合上聯絡開關完成非故障停電區域的供電恢復。

通過基于5G 專網的QOS 加速、DNN 切片、邊緣計算，智能分布式配電自動化技術實現配電網故障的毫秒級診斷、隔離和非故障區域的恢復供電，不再需要敷設光纜，只需在5G 工業無線數據終端安裝5G物聯網卡，即可在無線公網通信覆蓋良好的地區，實現配電網基于5G 無線公網的智能分布式配電自動化功能。

目前張家口市區采用5G+ 智能分布式饋線自動化技術的配電線路共計26 條，線路占比35%，其中涉奧線路17 條，環網柜107 臺。單條線路年均停電時間縮短75% ，故障定位時間縮短85%，查找故障的人員減少90%，可為電力用戶提供更可靠、更安全的電力供應。

張家口564 王家寨線于2021 年6 月通過5G 通信方式將遙測、遙信數據上傳至配電自動化主站系統，在無線方式上由遠方的主站進行現場開關的遙控操作，并投入了智能分布饋線自動化功能。2021 年7 月25 日，王家寨所帶用戶發生永久性故障，智能分布饋線自動化檢測到故障點后，在57 ms 完成故障檢測，144 ms 內將564 號2 環T2 開關跳閘以隔離故障，564線路非故障區域無停電閃動，正常供電。整體故障處理由原來的10 人100 min 減少為2 人30 min，停電范圍縮小82%，累計減少停電時戶數500 h。

6 結束語

目前，我國5G 已步入商用階段，5G 通信技術的高可靠性、安全性及低時延等特點，也為5G+ 智能分布饋線自動化技術的應用奠定了堅實基礎。國網張家口供電公司將逐步構建融合5G 的配網可靠性管理模式，全面提升張家口市配電網的智能化水平，使停電區域面積更小、居民停電次數更少、來電等待時間更短、客戶用電滿意度更高。

參考文獻

[1] 楊繼亮. 城市核心區智能配電網饋線自動化檢測方法[J].流體測量與控制，2023，4（3）：43-48.

[2] 袁志偉. 配網饋線自動化系統設計及應用實踐分析[J]. 裝備制造技術，2023（5）：244-246.

[3] 王雨楊，楊利君，孟迪. 配電網饋線自動化主站端的應用[J]. 集成電路應用，2023，40（2）：108-109.