基于5G 通信网络的精准负荷控制系统

林晓亮，白申义，史俊潇，段玉帅，魏艳伟

（1.国网浙江省电力有限公司信息通信分公司，杭州 310016；2.许继集团有限公司，河南 许昌 461000）

0 引言

精准负荷控制系统是特高压交直流电网系统保护的重要组成部分。在特高压直流故障初期，频率快速下降，受端电网需要有效控制大量负荷，在低周减载动作前，调控中心需要通过负荷管理系统进行负荷调控，快速切除可中断负荷，以阻止频率继续跌落，避免大量拉限线路、变电站等造成较大的社会影响[1-6]。精准负荷控制技术具有点多面广、选择性强、响应时间更快、对用户用电影响小的优势，通过与传统负荷控制系统协同作用，可满足多直流换相失败和闭锁故障对大量切负荷的客观要求，是保障过渡期电网安全的最有效手段之一[7-9]。为避免频率下降给电网运行带来巨大风险，国家电网公司统一部署，在各直流落点分区（省区）建设精准负荷控制系统工程。

可中断负荷主要包括有较大日常负荷量的普通工业用户、大型商业用户、电动汽车集中充电站、大型储能电站（充电时）、燃煤电厂可中断辅机负荷等，这些可中断的大用户负荷具有用户数多、分布分散且地理范围广的特点。鉴于5G 通信技术超高速率、超低时延、超大连接等优势，基于5G 无线通信技术可为精控终端的接入提供广覆盖、大连接、高可靠、低延时、高安全的解决方案。相比于文献[1]中提到的无线4G 专网通信模式，5G 通信网络更有技术优势。5G 网络能够接入更多的可中断负荷，解决不具备光纤通信条件或光纤铺设成本高、难度大的应用场景；5G低时延可在无线通信通道条件下，提供更快的通信速度，相比无线4G 专网通信模式，能够减小系统整体动作时间；同时5G 网络具备切片服务能力，能够解决电网通信网络的安全隔离问题。因此，无线5G 通信是精准负荷控制业务接入的理想解决方案，能够为可中断负荷响应实时性和数据安全性提供更好的支持，应用前景广阔。

1 精准负荷分层控制系统架构

精准负荷控制系统围绕“精确、快速、可靠切除可中断负荷”的核心目标，从逻辑层面一般采用4 层体系架构。文献[1]中提到了子站到终端侧的架构，基于5G 通信网络的系统架构则对文献[1]中的系统整体架构进行了更加完整的描述，并对各装置的动作指标进行了测试和描述。系统包含协控总站、主站、子站、通信扩展装置、路由器设备、5G 核心网设备、5G CPE（用户驻地设备）终端及用户侧精控终端等，如图1 所示。

图1 基于5G 通信网络精准负荷分层控制系统架构

为满足电网安全稳定要求，毫秒级精准负荷控制系统从直流故障时刻起，经协控主站、精准负荷控制主站、精准负荷控制子站直至精控终端出口，系统整体动作时间要小于120 ms。协控总站一般部署在区域协调控制核心站点，协调直流调制、抽蓄切泵、快速切除可中断负荷等多项控制功能[10-12]，装置动作时间小于25 ms；主站、子站一般部署在各地市枢纽变电站，主站接收子站上送的可切负荷信息，进行负荷分配，按策略下发切负荷命令；子站汇集本分区可切负荷量上送主站，执行主站下发的切负荷命令，主、子站装置动作时间小于25 ms；精控终端针对具备专有变电站或配电室的大型电力用户，负责采集多条支路的运行负荷信息，接收远方控制命令，完成负荷切除和负荷恢复操作，快速出口控制回路动作时间小于20 ms。

无线5G 通信精准负荷控制系统在子站和用户侧精控终端之间建立无线通信网络，实现对可中断负荷的实时精准控制。子站通过100M 以太网将报文传输至5G 核心网，核心网通过无线基站与5G CPE 之间的无线通道，实现子站与精控终端的无线信息传输。从各个装置的动作时间进行分析，系统要满足整体120 ms 的动作时间要求，精准负荷控制系统对5G 网络的通道时延要小于25 ms。

2 系统硬件设计

2.1 主、子站硬件设计

精准负荷控制系统主、子站硬件采用模块化设计，主要包括主CPU 插件、通信接口插件、通信扩展插件。该硬件结构不仅适用于精准负荷控制系统主站，也适用于精准负荷控制系统子站。硬件设计架构如图2 所示。对比文献[1]中的描述，对硬件架构及软件进行了改进和升级，增加了通信扩展CPU1，用于支持精准负荷控制系统的有线控制接入，将有线通信和无线通信功能分别由不同的通信板卡实现，板卡功能区分更加明确。同时对通信扩展CPU 的工程接入能力进行了描述。

主CPU 插件实现硬开入信号的采集、应用逻辑处理及核心控制策略执行，集成设计4 个2M 光口，用来与上一级控制站点通信，接收上级控制站点切负荷命令，同时将可切负荷量信息、通道信息、压板信息等上送给上级控制站点。

通信接口插件通过装置背板以太网接口与主CPU 通信，具备快速数据传输机制，实现智能液晶接口、61850 通信、稳控104 通信、对时及打印功能，改进了文献[1]中的普通液晶人机交互，同时支持61850 通信、稳控104 通信，升级了文献[1]中只支持稳控104 通信功能，使通信接入方式更加灵活，更能满足实际工程需求。

通信扩展CPU 插件与主CPU 插件之间采用高速以太网口通信，通信扩展插件支持8 个2M光纤口和8 个100M 以太网口2 种设计规格。当主站所接入子站小于8 个时，直接通过装置2M通信扩展插件即可满足要求；当接入子站规模大于8 个时，可通过100M 通信扩展插件接入通信扩展装置扩充接入30 个子站的能力。同时100M通信插件支持接入5G 核心网，再通过无线基站接入无线精控终端。

2.2 精控终端硬件设计

精控终端装置采用高性能的32 位基于PowerPC 的硬件平台，硬件设计架构如图3 所示。对比文献[1]中硬件架构只能够支持8 个支路的接入，对接入支路数进行了硬件升级，现有硬件能够支持12 个支路的接入，节省了因用户侧支路多而需多配置一台精控终端的投资。同时对策略CPU进行优化升级，原有CPU 只支持无线接入，现有CPU 能够同时支持无线和有线的接入，方便用户有线和无线的切换接入。策略CPU 插件支持2M有线通信和无线5G 通信，主要完成应用逻辑运算、数据收发、出口逻辑和开关量输入等功能，用于和扩展插件的通信。当选择有线通信模式时，通过2M 光口与子站装置通信；当选择无线通信模式时，以太网接口可连接CPE 无线终端接入设备对无线信息进行转发，从而通过无线网络与子站进行通信。同时该插件可完成人机接口管理，包括信息输入设置、界面显示、信息打印管理功能。通信管理包括RS232，RS485，以太网以及时钟管理等。

3 无线通信体系架构及控制策略

3.1 通信体系架构

子站通过通信扩展插件100M 以太网口将报文传输至核心网，核心网通过无线基站与CPE之间的无线通道，实现子站与精控终端的无线信息传输。子站支持同时接入有线2M 终端和无线终端。子站至精控终端之间的通信数据流如图4所示。

图2 系统硬件设计架构

图3 精控终端硬件设计架构

图4 子站至精控终端数据流

精控终端作为客户端，子站装置作为服务端，子站与精控终端的发送间隔默认均为100 ms，并且发送时间间隔可配置，通信协议采用UDP/IP（用户数据报协议/互联网协议）[13]，将精准负荷控制有线传输的7e 报文帧直接进行封装，报文格式如表1 所示。通过UDP/IP 传输，当子站或者精控终端收到报文后，只需要将报文中的应用数据解帧，并按照有线2M 通信数据处理方式进行处理。

3.2 子站无线设计方案

子站无线5G 接入方案如图5 所示，对图中的通信扩展插件进行升级，用于支持无线5G 通信。文献[1]中的应用场合为无线专网，子站、精控终端的IP 都是分配好的固定IP，而5G 运行在公网上，无线终端CPE 的WAN（广域网）口IP 不固定，每次重启上电IP 都有可能变化，通过升级通信扩展插件平台，支持5G 动态IP 应用模式，同时兼容无线专网的接入。子站根据各精控终端动态分配IP 地址，再根据各个精控终端的IP 地址信息分别建立连接，并进行UDP 数据包的发送和接收[14-15]；子站向终端发送的55（普通报文帧的特征码）正常报文，按照固定间隔发送，发送时间间隔默认初值为100 ms；子站向终端发送的99（命令报文帧的特征码）命令报文，采用突变方式发送，发送间隔不大于10 ms，持续发送时间为50 ms。同时采用三帧确认机制，只有收到三帧有效命令时才执行切负荷或提醒负荷恢复命令。

表1 7e 报文帧格式

图5 子站有线/无线通信示意图

3.3 精准负荷控制策略

精准负荷控制系统切负荷控制主站接收协控总站下发的切负荷容量指令，根据子站每层级可中断负荷容量，按层级分配子站需要切除的负荷，计算确定应该切除的负荷层级和负荷量。

若剩余需切量小于下一层级总可切量，则按照该层级各子站可中断负荷总量的比例分配各子站切负荷量，即：本子站切负荷量=（该层需切量/该层总可切量）×本子站该层可切量。双套装置独立运行，但是可切量需要相互交互。

该策略改进了文献[1]中提到的按子站优先级切除负荷造成各子站切负荷不均的弊端，各切负荷子站根据切负荷控制主站下发的切负荷指令（层级、容量）以及本站负荷终端排序向负荷终端下发切除指令。

4 关键技术创新

4.1 装置动作快速性及可靠性

基于多CPU 间数据和信息交互，装置的通信插件CPU 及策略CPU 均设计了1.667 ms 的定间隔中断任务处理机制（如图6 所示），用于处理通信数据接收及发送，装置启动判别任务及切负荷控制策略执行任务。基于该中断任务的处理机制，保证了精准负荷控制主站及子站装置从接收到第一帧有效控制命令，经连续三帧有效确认触发装置启动，执行切负荷控制策略，到控制命令下发的处理时间不超过10 ms。

“一键式”负荷恢复控制功能，在系统频率恢复正常后，主站“一键式”下发负荷恢复命令，子站按照实际切除情况并结合就地判据下发合闸命令。对于用户侧负控终端，在收到恢复命令后，发出允许合闸的提示信号（灯光），用户手动合闸。

同时采用基于区域均衡控制原则的多层级划分策略，实现面向终端用户定点切除负荷的功能，切除负荷精确到一个终端用户的一类负荷，采用电流互感器二次回路断线实时判别技术，提高了装置保护动作的可靠性。

图6 基于定时中断任务的通信数据处理机制

4.2 集成化设计及多重防误策略

系统设备采用集成化设计和多重防误策略，可有效提高系统可靠性。子站和终端采用集约化设计，子站设备集成光通信口设计，终端侧也采用光口设计，减少两侧的光电转换设备配置，减少了系统通信传输2 个层级，节省了设备的投资，减少了时间传输时延；各层设备均采用“远方命令+就地判剧”的防误方案（如图7 所示），以保证动作的可靠性。

装置硬件采用并行总线自检技术，避免了由并行总线故障导致的系统数据错误；软件采用“数据分层多重校验+业务应用逻辑防误”的级联校验技术，确保通信报文正确性；主站与协控总站、主站与子站均采用双通道冗余机制，保证了通信的可靠性。

图7 “远方命令+就地判据”的防误方案

4.3 系统安全性及时效性

顶层设备功能解耦，末端设备逻辑互锁，有效提升了系统安全性。主站、子站A/B 套设备和通道相互独立；切负荷终端双通道接入，依据通道状态动态切换“通道二取二”和“通道二取一”出口模式，如图8 所示。

采用多通道并行处理技术，可保证整个系统数据接收及发送的同步性，也提高了通信数据的处理效率。对通信插件接收的通信数据采取并行接收，校验打包后通过装置内部的高速串口或以太网口传给对应CPU 插件，有效提高了通信数据处理的时效性。

4.4 有线、无线通信方式兼容设计

支持多种混合通信方式，包括用户侧无线、2M E1、大用户接入装置的接入，实现了终端用户有线模式和无线模式的灵活接入；具备现场“一键式”模拟策略测试和全景故障过程可视化功能，有效提升了系统易维护性。各层设备内嵌独立的模拟策略测试模块，一键式测试，自动生成报告文件。

5 无线通信测试验证

为开展基于5G 通信网络的精准负荷控制系统的切负荷动作、负荷恢复及动作时间测试[16-20]，搭建测试环境如图9 所示。

5.1 切负荷动作试验

对切负荷动作逻辑进行验证，测试结果如表2 所示。当频率施加值小于整定值时，装置可靠动作；当频率施加值大于整定值时，装置可靠不动作，满足可靠性要求。

5.2 负荷恢复试验验证

对负荷恢复动作逻辑进行验证，测试结果如表3 所示。当频率施加值大于整定值时，装置可靠恢复；当频率施加值小于整定值时，装置可靠不恢复，满足可靠性要求。

图9 基于5G 精准负荷控制测试环境

表2 切负荷动作试验测试记录

表3 负荷恢复试验测试记录

5.3 动作时间测试

在5G 测试环境下，对子站到终端的系统动作时间进行验证，测试结果如表4 所示。

表4 系统动作时间

由表4 可以看出，从子站装置下发切负荷命令开始到精控终端动作继电器出口，5G 通信环境下精准负荷控制系统整组动作时间不超过40 ms，减去装置本身的动作时间，5G 通信网络完全满足毫秒级切负荷的应用要求，且优于无线4G 通信网络的动作时间指标。

经验证，精准负荷控制系统能够通过无线5G网络准确上传可切负荷量和用户侧终端状态信息，实现可切负荷量的计算，并依据核心控制策略，实现控制命令的下发和执行。

6 结语

本文提出基于5G 先进通信技术的精准负荷控制业务系统架构，并充分利用5G 组网方案的技术优势，实现对多通道控制目标的控制。满足电网紧急情况下的应急处置需求，可切负荷为用户的可中断负荷，将经济损失、社会影响降至最低。完成了基于5G 通信网络的精准负荷控制通信体系研究，充分利用了无线通信无需建设通道、网络部署快、系统扩展能力强等技术优势，通过5G 无线通信网可以为业务传输提供可靠性、安全性保障。能有效解决精控业务部分应用场景的光纤通信受施工难度大、建设周期长、难以覆盖等制约因素，具有较好的技术经济性。精准负荷控制系统通过汇聚公司内及社会上各层级的海量调节资源，为构建大规模源网荷储友好互动体系，以及源网荷储各类资源的可观、可测、可控、可调提供基础支撑，是建设多元融合高弹性电网的有效支撑。