基于5G通信的配電網快速保護與自愈技術優化

摘"要：隨著智能配電網技術的快速發展，保障配電網的穩定運行與及時響應已成為研究的重點。5G技術的引入，為解決快速保護與自愈問題提供了全新的解決方案。本研究聚焦于智能配電網中基于5G通信的快速保護與自愈優化技術，提出了一種配電網快速保護與自愈技術方案，同時針對技術方案中存在通信流量消耗、差動保護弱饋側啟動慢以及負荷開關無法直接參與跳閘等問題提出優化方案，通過數字動模仿真的方法，驗證了基于5G通信的配電網快速保護與自愈技術的可行性，為未來智能配電網的發展奠定技術基礎。

關鍵詞：5G通信；智能配電網；快速保護；故障自愈

一、概述

智能配電網的快速保護與自愈技術依賴于快速的故障檢測、精準的故障定位和切除，以最大限度減少故障后停電的影響范圍，減少電網運行中斷時間。5G通信技術因具備毫秒級時延、高數據傳輸穩定性和廣泛覆蓋等特性，可支撐高密度終端設備即時通信，這使得分散部署的保護與自愈終端可以迅速共享各自的運行狀態和故障信息，對于配電網的快速保護和自愈技術的實現意義重大［1］。5G技術的加入能夠確保必要的信息流通和控制指令的迅速傳遞，增強系統對復雜環境的適應性及突發事件的應對能力［2］。此外，5G技術還在宏觀層面提高了整個配電網絡的穩定性，為系統中的分布式能源提供了可靠的通信保障，支持了分布式能源接入所帶來的保護配置復雜性增加的問題［3］。近年來，隨著5G通信技術在配電網中的試點和推廣應用，其存在的部分問題也逐漸顯現，本文針對5G通信技術在當前配電網保護與自愈技術應用中存在的幾個問題提出優化建議，借助5G通信技術及其針對性優化設計，配電網有望實現更為高效和穩定運行，進而更好地服務于智能配電網建設需求。

二、5G通信在配電網快速保護與自愈技術中的應用

（一）5G通信技術在配電網特點中的應用優勢

在能源轉型與科技革新的雙重推動下，全球范圍內的配電網正在經歷著深刻的變革。傳統的電力系統由于建設年代久遠、技術設施相對陳舊，難以適應現代社會對于高效、穩定、智能化電力供應的需求。研究顯示，5G網絡所具備的高達10Gbit/s的峰值數據率以及1ms以下的端到端時延，不僅可以處理高頻率的數據傳輸，而且能確保信息的實時傳遞，為配電網絡中的實時信息傳遞提供了強大支持［4］。借助5G網絡，保護設備能夠在發生故障的一瞬間即刻獲得信號，實現毫秒級的故障隔離與恢復供電，有效減少了電網故障引發的連鎖反應與損失。

現代化的智能配電網不僅能提高能源利用效率，還具有良好的環境適應性和靈活的互動能力，允許與新興的清潔能源，如風電、太陽能等無縫對接，促進了綠色能源使用和智慧城市建設。配電網的發展趨勢顯然指向智能化、網狀化、分布式和互動化四個方面，借助于5G技術突出的高速數據傳輸和廣覆蓋特性，配電網將逐步實現這些發展目標，并逐漸成為能源互聯網生態圈中不可或缺的重要組成部分。通過引入5G通信技術，將為智能配電網快速保護與自愈技術的實現提供有力的技術保障。

（二）基于5G通信的配電網快速保護與自愈技術方案

分布式電源大量接入配電網，配電網由無源電網向有源電網轉變，其故障特性發生了顯著改變，傳統依靠過流或者距離元件的故障定位、隔離方法受到了極大的挑戰。多級保護定值配合困難，保護可靠性、選擇性和速動性不足；在運行方式改變或分布式電源大量接入情況下，保護的適應性差。在故障恢復方面，目前配電網故障復電主要依賴就地型饋線自動化系統或集中式饋線自動化系統，故障自愈時間在幾分鐘甚至幾十分鐘。為了解決目前配電網繼電保護在選擇性、速動性以及故障自愈能力存在的不足，配合高可靠性配電網架建設目標的要求，本文研究并提出配電網分布式保護自愈解決方案，如圖1所示。

基于5G通信的配電網快速保護與自愈技術方案，主要包括故障定位、故障隔離以及非故障區域快速恢復供電三個部分，相應的功能配置如下。

（1）故障隔離功能包括線路差動、母線差動、線路過流等保護。

（2）故障定位功能包括故障定位跳閘、無壓跳閘、失靈及遠跳等功能。

（3）故障自愈功能包括環線快速自愈、分段備自投、自愈過負荷等功能。

三、存在的問題及技術優化

（一）基于長短周期報文發送的通信流量優化技術

傳統的基于光纖通信的差動保護由于通信延時短，且無流量限制，對于無線差動保護尤其是基于公網信號通信的5G差動保護而言，考慮到無線通道資源的公用性，實時傳輸采樣數據無疑會帶來巨大的數據流量問題，導致保護裝置的運行資費劇增，因此本文提出基于自適應長短周期報文發送的通信流量優化技術，數據發送機制如下。

保護正常運行時，按照秒級采樣周期，整秒發送通道握手報文，用于建立通道鏈路、監視通道的通信狀態以及差流狀態，維持裝置間正常的數據通信需求；本側保護啟動后，發送周期縮短為2ms（10ms以內可通過定值設定），同時將本側的啟動標志傳送給對側，對側收到本側的啟動標志后，也立即調整發送報文的周期。即任意一側啟動均調整為短周期發送狀態。

采用基于長短周期報文發送的流量優化技術，單一站點月均通信數據流量＜5G，與實時數據傳輸相比，通信流量降低了95%以上，有效提升了5G差動保護的實用化水平。

（二）差動保護弱饋側快速啟動優化技術

當前配電網系統中，配電線路大都為弱饋線路，當發生故障時，弱饋側無故障電流，保護裝置無法依靠過流元件快速啟動并進入短周期報文快速發送狀態，此時需要在接收到對側保護裝置的啟動信號后才能進入短周期報文快速發送狀態，這將導致5G差動保護動作時間大大延長（相當于增加了一次5G通信的傳輸延時時間，受通信穩定性影響，該延時時間一般超過15ms），嚴重影響差動保護的速動性。為此，本文提出基于電壓突變的弱饋側快速啟動優化技術，如圖2所示。

通過增加弱饋快速啟動元件，當檢測到電壓突變時，直接進入短周期報文快速發送和故障判別狀態，并向對側發送保護啟動信號，確保差動保護動作時間不受弱饋的影響。由圖2可知，應用差動保護弱饋側快速啟動優化技術可以將差動保護動作時間縮短一次通道傳輸延時時間。

（三）多類型開關混用配電網故障隔離與自愈技術

配電網中存在大量斷路器與負荷開關混用的場景，如圖3所示，環網柜1環進環出線間隔開關為負荷開關，其相鄰站點的開關為斷路器。

由于負荷開關無法切除故障電流，需在故障切除后才能斷開，圖3中的F2、F3或F5故障時，保護均不能直接跳開102或103開關。以F5故障為例，按照傳統處理方式，自愈動作邏輯為：（1）線路差動保護跳開104斷路器，上一級后備保護跳開101斷路器；（2）故障切除后，根據定位信息跳開負荷開關103，實現故障隔離；（3）開環點開關105自愈合閘，恢復環網柜2的供電，但環網柜1無法恢復供電，即對于上一級跳閘所產生的失電區域，傳統自愈方法無法恢復供電。

為了實現負荷開關與斷路器混用情景下的故障快速隔離與供電恢復功能，需要在保護自愈裝置中增加逐級聯跳邏輯，即在裝置側設定各個間隔對應開關的類型（負荷開關或斷路器），若保護動作并且對應開關為斷路器時，則直接跳閘出口；若保護動作并且對應開關為負荷開關時，則向同一環線上的相鄰間隔開關逐級發送聯跳指令，直至收到聯跳指令的（斷路器）保護經就地過流判據跳閘。當開關經聯跳邏輯跳開后，滿足開關一側有壓另一側無壓，則經整定的短延時快速充電，充電完成后，若收到故障隔離完成信號，則快速合閘實現供電恢復。

基于負荷開關逐級傳輸聯跳信號的自愈邏輯，可以適應斷路器與負荷開關混合配置的復雜場景，最大程度地恢復非故障區段的供電，降低負荷開關對自愈恢復的影響。

四、動模仿真驗證

為驗證本文提出的基于5G通信的配電網快速保護與自愈技術方案的可行性及相關優化技術的適用性，以圖3為例，開關105為開環點，通過RTDS實時數字仿真系統模擬F1至F12各處故障，記錄各種故障下裝置的動作行為及動作時間如下表所示。

由上表的數據可以得到以下內容：（1）圖3所示的接線及運行方式下（包含負荷開關和斷路器混用情形），各處發生短路故障，保護與自愈系統的動作行為均正確；（2）受5G通信延時穩定性的影響，差動保護實現故障定位和故障隔離的時間小于100ms；（3）故障隔離完成后、故障不在開環兩側也不在分支線上時，200ms內合開環點開關實現非故障區域恢復供電。

結語

本研究通過研究并引入5G通信技術，構建基于5G通信的配電網快速保護與自愈技術方案，同時提出了多種優化技術方案，實現了對電網故障的準確定位、快速隔離以及非故障區域快速恢復供電。通過理論分析及搭建RTDS動模仿真驗證平臺，測試驗證了技術方案及相關優化技術的正確性和可行性，提升了5G通信技術在配電網智能化建設應用中的實用性，為進一步研究5G通信技術在配電網中的深入應用提供了重要借鑒。

參考文獻：

［1］張運馳.有源配電網5G通信分布式故障自愈技術［D］.濟南：山東大學，2023.

［2］［1］王彥國，趙希才.智能分布式配電保護及自愈控制系統［J］.供用電，2019，36（09）：28.

［3］楊云萍，張春輝，張弓帥，等.基于5G通信的智能分布式故障自愈技術研究［J］.中國新技術新產品，2021（22）：1820.

［4］鮑薇，燕躍豪，蘇藝，等.基于5G技術的配電網差動保護技術研究［J］.電氣技術與經濟，2022（03）：6365+79.

作者簡介：盛躍峰（1979—"），男，漢族，浙江德清人，本科，高級工程師，研究方向：電力系統。