基于5G通信技术的配电网自协商配电终端应用

何 权

（广东众源投资有限公司，广东 茂名 525000）

0 引 言

配电线路接线方式复杂多样，传统的就地式馈线自动化技术难以实现对故障的高效定位及处理。集中馈线自动化技术存在对配置主站要求较高的问题，容易因主站故障造成较大影响。智能分布式配电保护技术在故障诊断隔离方面的处理效率相对较高。智能分布式配电保护技术应用过程中，配电网各配电终端能够相互通信，实现线路电流、电压等数据参数的动态共享，从而根据电压、电流等参数的变化情况实现对故障点的快速定位，并针对故障情况实现对相应断路器的智能化分闸处理，避免出现大面积停电事故[1]。相对而言，数据通信是有效发挥智能分布式配电保护功能的重要条件。在通信网络建设期间，智能分布式配电系统依靠光纤通信模式虽然能够保证通信可行性和快速性，但存在铺设困难的问题。现阶段发展迅速的5G技术能够起到良好的替代作用，需要相关单位进行深入研究，基于5G通信实现配网自协商配电终端的应用。

1 智能分布式配电保护的通信要求

1.1 通用要求

为高效发挥智能分布式配电保护的自愈功能，电力企业需要有效应用通信技术，按通信要求保护装置[2]。在实际应用过程中，对等通信信息传输需要将时间控制在20 ms内。当配电线路应用的有线通信或通用分组无线服务技术（General Packet Radio Service，GPRS）无线通信存在较长延时时，则需要将智能分布式配电保护功能退出。当投入分布式配电保护时，需要将电压、电流配电保护或电压时间型配电保护退出，然后将常规过流保护退出，与分布式配电保护存在关联的面向通用对象的变电站事件（Generic Object Oriented Substation Event，GOOSE）接收或发送端均无线设置相应的软压板。

针对联络或分段开关，该节点未投入分布式配电保护功能时，应将相关GOOSE报文的发送过程终止。当该节点GOOSE通信异常中断时，无须发出报警信号。分布式配电保护需要投入全部的开关设备（负荷馈线开关除外），负荷馈线开关需要对GOOSE报文进行持续发送，即负荷开关检测到故障电流后需要发出相应的GOOSE信号，但无须对GOOSE报文进行操作，GOOSE应具备单独投入或退出功能。当前节点投入分布式配电保护功能时，针对GOOSE通信异常中断问题，应具备相应的保护功能。在GOOSE通信功能无法正常发挥时，应该用过流保护、失压跳闸逻辑等功能进行故障切除、隔离。常见的GOOSE通信问题主要包括数据异常、中断以及检修不一致等[3]。

对等通信的分布式配电保护功能需要配置转化开关和软硬压板。对等通信网络通常需要具备一定的独立性，避免影响通信效率。通信传输主要利用以太网和光纤进行通信。在进行故障切除隔离处理过程中，智能分布式配电保护通常需要在故障发生后的10 ms内启动相应的保护功能。对等通信网络需要满足5 ms内的数据交换速度要求，配电网架内配置具有就地各类故障能力的断路器，将动作时间控制在50 ms内，故障切除时间通常控制在120 ms内，特殊情况下不会超出200 ms。

1.2 故障隔离逻辑要求

配电线路发生故障后，系统检测到某节点零序电流和相电流高于整定数值时，确定相应节点存在故障情况，需立即通过GOOSE发出相应的节点故障信号。过流状态消失前，该信号始终保持。为确保可靠性，故障信号触发后需要持续300 ms以上[4]。在GOOSE通信无异常、故障隔离充电完成的情况下，配电线路故障后，如果本节点非末开关且零序或相电流超出整定数值，M、N两侧节点无GOOSE发出的节点故障信号，则整定故障切除延时后将本节点开关断开。如果本节点为末开关且零序或相电流超出整定数值，M、N任意侧节点有GOOSE发出的节点故障信号，整定延时将本节点开关断开。当节点开关拒动时，输出GOOSE开关拒跳信号。如果分布式配电保护正常运行，GOOSE通信正常，本节点为首开关，线路有压3 s、开关合位时，首开关失压保护自动投入，确保能够快速隔离首开关与电源间的故障。失压保护投入后，如果首开关节点无电流且两侧无电压，则整定延时后断开该节点开关，并判断开关跳闸失灵情况。如果分布式配电保护正常运行但GOOSE通信存在异常，需要开启GOOSE通信异常过流保护，以满足故障切除隔离需求，用于切除GOOSE通信异常节点下级故障。在GOOSE通信异常的情况下，如果某节点出现零序或相电流高于整定值的情况，在整定延时后将节点开关断开。如果出现开关拒动问题，则发出GOOSE开关拒跳信号[5]。

1.3 供电恢复逻辑要求

智能分布式配电保护系统隔离故障点位后，各节点将依次转发GOOSE隔离成功相关报文信号。当本节点负荷侧、电源侧单侧失压且供电恢复充电后，在接收到GOOSE隔离成功报文的情况下，整定延时并闭合开关，完成供电恢复处理。网架联络点较多时，各联络开关的优先级需要根据整定供电恢复时限的结果来确定，应优先闭合提高恢复供电效率的开关。对等通信模式下，各节点接收的GOOSE报文只能来自相邻节点。在转发故障隔离成功报文信号时，需要注意以下几点：本节点触发的GOOSE隔离成功报文信号，在信号输出后需要转发300 ms后返回，15 s内收到相邻节点的报文后不进行转发操作；本节点为开环点或触发故障切除、故障隔离相应信号，接收到相邻节点故障隔离报文时不进行转发操作；其余节点接收相邻节点故障隔离报文时，将报文与本节点GOOSE报文合并转发给相邻节点，持续转发300 ms后返回，15 s内不重复转发；末开关不触发、不转发GOOSE隔离成功报文[6]。

2 基于5G通信的配网自协商配电终端应用

2.1 方案设计

为实现5G通信配网自协商配电终端应用，一方面需要确保配电网应用智能分布式配电保护并利用5G技术进行通信传输，就地处理配电线路故障，将故障隔离时间控制在毫秒级别，将供电恢复时间控制在秒级别；另一方面需要建立配电主站与配电终端的联系，实现对三遥数据、故障处理与供电恢复相关数据的传输。在硬件系统设计方面，自协商配电终端的工作模式为客户端/服务器模式。在软件系统方面，自协商配电终端需要使用机器人操作系统（Robot Operating System，ROS），通过编程控制终端设备。自协商配电终端能够可靠传输变电站的各类数据信息，具备110 kV变电站的推广运行条件。

设计过程中，该配网自协商配电终端的5G通信建立在D200终端之间，能够对开关动作位置和故障检出信息进行交换传输，无须经过配电主站即可进行故障切除、隔离，也无须对出线开关进行跳闸处理。故障切除前，通过配电终端的信息交互，可实现对用户、母线以及联络线等各线路故障点位的快速定位与隔离处理，在恢复供电后将相关数据信息传输至配电主站。自协商配电终端利用主站安全接入区接入主站，内置加密芯片满足数据加密传输需求，实现对相关故障处理数据的上报传输。

智能分布式配电保护系统的配电终端与无线基站相互联系，构建第1通信链路。各分布式配电终端通信相互连接构建第2通信链路。相连分布式配电终端之间的数据通信为第3通信链路。智能分布式配电保护系统应用5G通信技术的过程中，主要涉及的设备包括馈线开关与配电终端和分布式配电终端。对于馈线开关与配电终端，开关与终端的数量均不低于2个。分布式配电终端主要为架空线路配电终端和开闭所综合智能终端，用于对开关分合状态、电信号进行智能化检测，并利用系统通信链路将检测数据传输给配电主站。相对而言，5G通信网络具有高带宽和低时延等性能优势，能够借助构建的3条通信链路建立配电主站、配电终端各设备间的通信联系。在任意通信链路故障的情况下，可以借助其他链路实现数据通信，有效解决通信模块故障、通信中断等影响智能分布式配电保护功能可靠发挥的问题，增强配电保护监测功能的稳定性和在线率[7,8]。

在通道组织方面，配电网自协商D200配电终端是数据通信的起点，通过5G网络、移动基站、运营商网络、运营商边缘计算设备、运营商专线以及电力企业配电主站实现设备之间的数据通信传输。

2.2 方案测试

2.2.1 方案测试条件

为有效检测自协商配电终端功能，测试前需要检查确认配电终端的工作情况、通信参数以及设备完整性等，核实确认5G通信设备的通信状况，检查网络拓扑是否按要求配置，确认配电终端通信延时是否符合要求，检查配电终端与配电主站的通信连接状况、一次线路及相关设备运行情况，确认故障电流注入设备是否可靠。

2.2.2 检查三遥、装置动作信息通信情况

测试过程中，工作人员需要核实确认终端与配电主站连接后的遥控、遥测、遥信信息，根据点表顺序依次检查联络进出线开关、馈线开关等，并确认信息加密状态是否达标，同时确认主站接收的开关逻辑动作信息与现场终端设备是否一致。利用配电终端模拟通信异常、馈线自动化（Feeden Automation，FA）闭锁、区域供电恢复以及故障隔离切除等动作，并在主站对显示信息进行核算对比，确认有无信息传输错误或通信延时超限的问题。

2.2.3 检查终端FA参数设置是否正常

检查配电终端定值相关参数设置是否正确，包括联络进出线、馈线开关投退或整定参数、确认压板投入情况、远方/就地配置情况以及终端状态等是否正常。

2.2.4 测试结果

为验证配电网自协商配电终端功能，主要对运行方式、开关异常、通信异常以及正常状态几种情况发生后的动作时间等进行测试，相关项目和结果要求如表1所示。测试结果表明，系统功能满足使用需求，具备推广应用价值。

表1 测试方案及步骤

3 结 论

本文提出的配电网自协商配电终端应用建立了配电终端与配电主站、配电终端、相邻配电终端进行首尾连接的3条通信传输链路，充分发挥了5G通信的传输优化功能，解决了数据传输过程中存在的传输异常难题，有效提升了配电网故障诊断、切除、隔离与供电恢复的效率，具有推广应用价值。