基于5G 的配电网自协商配电终端应用研究＊

赵东辉，师恩达，何永涛

（郑州电力高等专科学校，河南 郑州 450004）

2019 年年初，国家电网有限公司在两会报告中明确提出了电力物联网的概念，围绕电力系统的各环节，充分应用移动互联、人工智能等现代信息技术和先进通信技术，实现电力系统各环节万物互联、人机交互。而2015 年6 月国际电信联盟（ⅠTU）正式发布的第五代移动通信网络（5G）更多考虑了物与物之间的智能互联，开启了万物互联新时代，同时也将电力系统保护作为其垂直行业的典型应用之一，介绍了利用5G 通信实现电流差动保护的相关研究。

配电线路馈线自动化（FA）主要有集中式、就地型重合器式和智能分布式3 种方式。集中式由主站通过与配电终端信息交互完成故障处理，中间环节较多，主站集中处理数据多，对通信系统依赖程度高；就地型重合器式不依赖于通信系统，但故障处理时间长，且需要变电站出线开关跳闸配合，整个处理过程需要至少2 次重合，加大了对一次设备的短路冲击和损害；智能分布式无需主站干预，由终端之间相互通信完成故障处理，故障处理时间短，对通信依赖程度低，减轻主站运行压力，是配电自动化FA 技术研究的重点和热点，也是配电自动化提高供电可靠性的最优手段。

2020 年7 月，国网青岛供电公司、中国电信青岛分公司、华为公司三方共同完成青岛5G 智能电网项目，是目前国内规模最大的5G 智能电网，成功实现5G 智能分布式配电、变电站作业监护及电网态势感知、5G 基站削峰填谷供电等多个新应用，对于智能分布式的故障处理具体时间未明确说明。

由于5G 技术在国外发展及应用较国内缓慢，以美国为例，以智能电表为核心的智能电网，总拨款只有500 万美元，美国科技巨头中，只有比尔·盖茨投资800 万美元研究基于5G 的智能电网，故美国基于5G的智能电网基本处于停滞状态。此外，欧洲的网络基本还处于4G，电网相对国内电网较为落后，故相关研究较国内缓慢，基于5G 的配电网自协商配电终端在欧美国家并无实际应用。

1 应用技术与研究目标探究及理论依据

1.1 研究目标

本项目重点研究将5G 通信技术应用至配电系统的终端产品。利用5G 通信的低时延、大带宽、高速率等特点，不仅可以实现“毫秒级故障隔离，秒级供电恢复”，还可以实现“遥信、遥测、遥控”功能，同时将故障处理过程与结果进行加密传输，上报主站并实时传送至值班员计算机和手机，方便后续的故障维修；相较于光纤传输，减少了光纤铺设的成本，同时也便于安装实施。

1.2 主要研究开发内容

克服现有技术的不足，利用5G 网络具备低时延、高带宽的技术特点通过多种通信链路实现配电终端之间的通信以及主站的通信，能够在线路故障发生后实现无线通信交互，解决因通信信号不稳定、中断或通信模块出现故障区域实时配网自动化监测的难题，提高配电监测在线率、稳定性，有利于配电系统的管理维护。

基于5G 通信的分布式馈线装置，包括分布式FA终端和馈线开关，其特征为：分布式FA 终端和馈线开关均为至少2 个，分布式FA 终端安装于开闭所综合智能终端和架空线路中的配电终端，用于检测所述馈线开关的电信号以及分合状态信息，并把检测得到的信息通过通信链路与配网自动化主站连通。

1.3 项目研究内容的理论或者实践依据

5G 通信中智能算法就是解决多维度空间常用的一种方法。在处理信息方面，人工神经网络（Artificial Neural Network，ANN），一般称作神经网络，是一种模拟动物神经网络构成的数据处理模型。这种数据处理模型是与人类神经系统相似的一种信息处理技术，该网络通过系统中不同节点互相连接的特点，达到处理信息的要求，具有很强的自组织和自适应能力。

2 方案设计与实施

2.1 总体方案设计

方案整体分为2 方面业务：①基于5G 通信的智能分布式故障处理，实现配电线路故障就地处理，达到毫秒级故障隔离，秒级供电恢复；②基于5G 通信的配电自动化业务，实现与配自主站的“三遥”数据、故障处理过程及结果的加密传输。

自协商配电终端硬件系统设计及实现，系统采用客户端/服务器的工作模式；软件系统的实现，搭载ROS 操作系统，编写程序控制终端上设备；自协商配电终端能够将变电站信息进行可靠传输，试验成功后推广至其他110 kV 变电站进行试运行。

2.2 详细设计方案

设计标准：基于5G 的配电网自协商配电终端项目通过D200 终端之间5G 快速通信，相互传递故障检出信息、动作位置信息，不依赖主站控制，无需变电站出线开关跳闸，在变电站切除故障之前，就地实现多级联开闭所的联络线、母线、用户线的故障定位、隔离和供电恢复，并将处理过程及结果上报主站。符合国家电网D LT 7 2 1 标准配电自动化系统应用DL/T 634.5104—2009 标准。

产品设计方案：以双环网三级级联开闭所为例，具体方案结构如图1 所示。

图1 5G 智能分布式方案结构图

通过主站原有配置的安全接入区接入主站系统，采用内置加密芯片方式，达到国网要求的安全防护等级，实现“三遥”数据加密传输，完成智能分布式故障处理过程及结果上报。5G 通信拓扑方案如图2 所示。

图2 5G 智能分布式通信拓扑图

分布式FA 终端与无线基站相互通信形成第一通信链路，多个所述分布式FA 终端之间首尾相互通信形成第二通信链路，第二通信链路中的一个分布式FA 终端与相邻第二通信链路中的一个分布式FA 终端相互通信形成第三通信链路。

基于5G 通信的分布式馈线装置，包括分布式FA终端和馈线开关，分布式FA 终端和馈线开关均为至少2 个，且分布式FA 终端安装于开闭所综合智能终端和架空线路中的配电终端，用于检测馈线开关的电信号以及分合状态信息，并把检测得到的信息通过通信链路与配网自动化主站连通。利用5G 网络具备低时延、高带宽的技术特点通过多种通信链路实现配电终端之间的通信以及主站的通信，能够在线路故障发生后实现无线通信交互，解决因通信信号不稳定、中断或通信模块出现故障区域实时配网自动化监测的难题，提高配电监测在线率、稳定性，有利于对配电系统的管理维护。

通道组织：配自业务终端（D200）—5G 无线网络—中国移动基站—运营商网络—移动运营商MEC 边缘计算设备—运营商专线—郑州供电公司配电自动化主站，如图3 所示。

图3 配电自动化业务5G 通信拓扑图

3 样品试制方案与步骤

3.1 验证测试条件

检查D200 终端设备完整、工作正常，通信参数设置是否正确；检查5G 通信设备通信情况，网络拓扑是否正确，验证终端间通信延时；检查与配自主站通信情况，确认连接正常；检查确认一次线路和设备运行方式、运行情况；检查故障电流注入设备情况。

3.2 检查三遥、装置动作信息通信情况

检查开闭所接入主站“三遥”信息正常（选取开闭所中具有级联关系的联络进线开关、联络出线开关以及备用馈线开关，按点表顺序，逐个遥测、遥信、遥控检查及加密），检查对应开关逻辑动作是上传主站动作信息正常。在终端模拟故障定位切除、故障隔离、非故障区域供电恢复、通信中断或异常、开关拒动执行失败、FA 闭锁等动作SOE，验证通信及主站显示。

3.3 检查终端FA 参数设置是否正常

检查D200 终端设置、定值整定（联络进线、联络出线、用户馈线开关相关定值整定和功能投退），检查D200 终端及现场远方/就地、压板投入是否正常。

3.4 逐项开展测试

按表1 所示逐项开展测试，查看并记录动作前后开关状态、主站显示状态、变电站出线开关状态。记录故障启动时间、故障定位切除时间，隔离完成时间、非故障区域恢复时间，计算过程时间。

表1 测试方案及步骤

4 结束语

本文研究的是基于5G 的馈线自动化配电终端产品，而中国正在大力建设5G 网络，5G 通信技术具有海量连接、大带宽、低时延等特点，可以满足智能分布式应用需求，同时5G 网络切片技术可为电网不同分区业务提供不同层次的安全隔离能力和更好的安全保障。如果本文研究的项目能够在国内电网配电领域投入使用，配电线路的馈线自动化将由传统的有线（基于光纤等）逐步过渡为无线（基于5G），从而将大大减少因铺设光纤等工程带来的建设成本及环境污染。

同时，本文研究的项目如能够投入使用，将产生数万个产品生产加工、产品设计与研发、产品销售、技术服务与支持等岗位；5G 通信技术与配电智能终端的融合，充分发挥5G 通信的技术优势，将来建成更广泛的电力物联网，使居民和企业有更好的用电体验，为用电客户提供更优质的服务，具有重大而现实的意义。