5G通信架构下适应新能源接入配网的区段定位技术研究

李振兴,吴昊宇,程兆林,王秋杰

(三峡大学 电气与新能源学院, 湖北 宜昌443002)

0 引言

随着“双碳”战略目标加速落实,配网分布式电源(Distributed generation,DG)接入比例逐年增加,不仅改变了配网结构,而且使其运行方式也发生了很大的变化[1]。配网转变为多源网络,系统中潮流流向转变为多向流动[2],基于单点信息测量的传统配电网故障区段定位方法的准确率低[3]。因此,研究适合分布式电源接入的故障定位方法已成为亟待解决的问题。

文献[4]提出一种新型矩阵算法,在多电源供电和存在畸变丢失信息情况下可以准确定位。文献[5-6]基于故障辅助因子建模,采用线性整数规划方法构建了非逻辑运算的开关函数,但不具备多重故障辨识的强适应性。文献[7-8]采用的粒子群算法(Particle swarm optimization,PSO)具有搜索速度快、收敛性好的特点,并引入模拟退火算法,可在DG接入配电网下的多电源多重故障下进行准确定位。现代电力系统中,配电系统面临着没有统一的高效、可靠、低时延的通信标准来实现电力设备间信息互通互联等问题[9]。文献[10-11]对配电网区域故障快速处理终端进行分层,在基域内通过5G网络通道共享信息,实现故障定位。文献[12-13]提出采样点插值同步法,解决了多端线路保护数据同步问题。5G具有大带宽、广连接、低时延、高可靠的特性[14],结合配网分布广、站点多的特点,有助于提高配电网数据传输的效率,进而提高配电网故障定位效率,具有良好的应用前景。

基于此,本文以新能源接入配网下的故障信息传输与区段定位为切入点,探讨5G网络在智能电网区段定位中的应用,提出以配网断路器为边界进行区域划分,依据区域边界电源接入情况对区域进行分类。针对区域特性采用不同的通信架构,构建简单且适用于分区区段定位的开关函数和适应度函数,提出了利用二进制粒子群(Binary particle swarm optimizers,BPSO)[15]与遗传算法(Genetic algorithm,GA)[16]结合的二进制粒子群-遗传算法(BPSO-GA)进行区段定位。利用双种群进化和信息交换策略对含DG配网故障区段定位数学模型求解,提高了全局收敛性,改善了粒子群算法易陷入局部最优解的缺陷,从而提高了含DG配网区段定位的准确性和快速性、可靠性。

1 区段定位角度下的5G通信架构

1.1 新能源接入对配网区段定位的影响

传统的辐射型配网,在系统发生相间短路时,故障点上游各测量点均有较大的短路电流,故障点下游不含短路电流。基于此特征,系统根据各测量点FTU上传电流信息或者过流元件动作信息,很容易判别故障区段。在DG接入配网后,区段定位受其接入位置、容量、运行方式等因素的影响,传统定位的比电流大小或者仅仅判别有无电流的方法很难适应。需要分析新能源接入的配网特点,以便有针对性地提出故障定位原理。

1.1.1 接入位置的影响

对于配电网,DG很难集中接入配电始端(与传统配网电流一致),而是大多采用分布式接入方式。以DG接入线路中间位置为例,在接入位置上游故障时,上游所有测量点均可以感受到故障电流,即有无电流判据失效。在接入位置下游故障时,DG提供助增电流,传统电流保护整定困难,判据不可靠。

1.1.2 容量的影响

DG的单机容量一般不大,但随着渗透率增大,多DG提供的短路电流影响较大,非故障支路对故障点提供的短路电流足以启动非故障支路的保护判据,极易引起误判。

1.1.3 运行方式的影响

新能源发电受阳光、风力等影响,DG很难稳定输出,在不同时段运行方式存在较大波动性,而在此期间,配电线路电流流向并不固定,即使在线路同一位置发生相同类型故障,线路的电流发生反向也属正常现象,基于传统单端电流/电压信息的故障定位方法将失效。

综上,新能源接入配网后,线路的电流大小、方向均不是固定的,即使相同故障,各测量点反应也不同。配电线路根据DG接入情况,各FTU不仅需要测量电流大小,很大程度上还需要测量方向信息。

1.2 面向区段定位的配网分区与断路器分类

为了将故障限制在较小范围内,提升供电可靠性,配网断路器一般配置原则为:主干线路上,长度小于30 km的线路宜装设2台断路器实现三分段,长度大于30 km的线路宜装设3台断路器实现四分段;分支线路首端安装断路器,长度超过10 km时根据用户数量装设1台断路器实现两分段。

配网呈现多分支结构,某些区段故障不会对整个配网造成影响,将所有节点信息统一传输至集中处理中心易造成网络拥塞。为有效解决此问题,以断路器和联络开关为边界划分区域。

Ⅰ类区域:区域上游有系统电源,区域下游有等效电源,区域中部存在T型接入的DG,该类型区域需要获取节点短路电流方向信息才能确定故障区段。Ⅱ类区域:区域上游有系统电源,区域下游只有负荷,区域中部没有DG接入,该类型区域仅需获取节点过流信息就能确定故障区段。如图1所示,r1为Ⅰ类区域,r2、r3、r4、r5为Ⅱ类区域。

图1 断路器配置与分区示意图Fig. 1 Schematic diagram of circuit breaker configuration and partition

主断路器:连接系统电源的断路器称为主断路器,每个区域仅有一个主断路器。节点1与系统电源连接,则节点1处的断路器称为主断路器。

辅断路器:除主断路器外的所有断路器称为辅断路器,节点5、9、12处的断路器称为辅断路器。

1.3 5G网络与区段定位通信需求分析

5G网络由接入网、承载网和核心网等3部分组成。5G网络通信结构和时延分布如图2所示。

图2 5G通信结构与延时分布图Fig. 2 5G communication structure and delay distribution

由图2可知,5G端到端时延一般小于45 ms,满足区段定位的要求。区段定位的允许信号、闭锁信号或跳闸信号,都属于逻辑信号,信息量小。本文区段定位算法仅利用节点短路电流信息,量化后取2个字节[17]。

1.4 5G网络切片与边缘计算

5G网络切片技术就是对通信网络进行切片化处理,将一个整体切分为接入网子切片、承载网子切片和核心网子切片。有超高可靠性超低时延(Ultra-reliable low-latency communication,uRLLC)和海量机器通信(Massive machine type of communication,mMTC)。uRLLC切片具有低时延高可靠性特点,mMTC切片具有低功耗、高容量特点。切片技术能在一个平台上构建多个具有特定能力的网络,满足行业差异化需求,具备按需定制特性的逻辑网络[18]。

边缘计算是指在数据源一侧,采用网络和计算等核心能力的一体化开放平台,就近直接提供最近端服务。在网络边缘处理数据,无需核心网中转,满足业务实时性需求,减少核心网流量压力;核心网能力下放,构成的边缘计算系统,可有效避免单点受损导致业务中断的问题。

1.5 通信架构的构建

基于网络切片、边缘计算在通信中的特性和用途,结合配电终端距离特征、光纤接入、基站覆盖范围,提出了3种区段定位信息交互架构。

1.5.1 常规区段定位数据交互架构

如图3所示,保护装置数据流经过5G CPE进入接入网,再经过承载网到达核心网,根据核心网的解析,数据再经过承载网、接入网传输至对端保护装置。此方案中,区段定位数据流可能经过相同的承载网设备和接入网设备,造成端到端时延较大。

1.5.2 承载网部署边缘计算与核心网网元下放架构

如图4所示,该架构将核心网中与时延、可靠性密切相关的网元下放到承载网中,利用承载网计算、存储、网络资源构建边缘计算点,由保护装置发出的区段定位数据由接入网进入承载网后,再经接入网进入对端保护装置,与架构1相比,少了承载网至核心网传输步骤,有利于降低时延。

图4 承载网部署边缘计算与核心网网元下放架构Fig. 4 Bearer network deployment edge computing and core network element delegation architecture

1.5.3 接入网部署边缘计算与核心网网元下放架构

如图5所示,该架构将核心网中与时延、可靠性密切相关的网元进一步下放到接入网中,利用接入网计算、存储、网络资源构建边缘计算点,保护装置发出的区段定位数据由接入网中转后,直接进入对端保护装置。该架构减少了承载网和核心网的逐级传输,时延进一步降低。

图5 接入网部署边缘计算与核心网网元下放架构Fig. 5 Access network deployment edge computing and core network element delegation architecture

2 适应新能源接入配网的区段定位技术

2.1 区域故障判别原理

1.2节提出了区域分类方法,Ⅰ类区域采用主断路器过流保护启动—故障区域判定—区段定位的三步定位方法,Ⅱ类区域采用主断路器过流保护启动—区段定位的两步定位方法。

电流方向规定:以系统电源作为供电起点,负荷端、DG、联络开关作为供电终点,电流正方向为供电起点指向供电终点。

线路发生故障后,节点各相短路电流有3种可能情况,按式(1)对节点各相电流信息编码:

(1)

区域内部发生故障时,短路电流经主断路器节点流向区域内部,主断路器节点短路电流方向与规定的一致,即:

(2)

式中:Mi为主断路器节点i相短路电流编码。

辅断路器节点检测到反向故障电流或未检测到短路电流时,需将电流信息编码变换为1;辅断路器节点检测到正向故障电流,需将电流信息编码变换为0。辅断路器节点信息变换如下:

(3)

各相的区域故障判据如式(4)所示:

(4)

E=EA∪EB∪EC,

(5)

式中:符号“∩”、“∪”表示逻辑与、或运算;p表示区域辅断路器个数;E的值取决于公式(4)的计算结果,E=1表示区域内有故障,E=0表示区域内无故障。

2.2 区段故障定位原理

传统区段定位方法以整个配网作为研究对象,构建的开关函数较复杂,分区后可构建简单且适用于分区区段定位的开关函数,提升求解速度。

Ⅰ类区域需测量短路电流方向,Ⅱ类区域只需检测节点是否过流即可,节点编码如式(6)所示:

(6)

Ⅰ类区域和Ⅱ类区域,区段状态只有正常和故障两种形态,区段编码式(7)所示:

(7)

文献[19]以整个配网作为研究对象,节点j作为参考点,充分考虑节点j上下游电源数量与投切情况,构建了式(8)所示开关函数:

(8)

式中:X和Y分别表示节点j上游和下游电源数目;V和U分别表示节点j上游和下游区段数;Ku和Kd分别表示节点j上、下游电源投切情况,电源投入时取1,反之取0;Sj,su和Sj,sd分别表示节点j至上游电源Su的区段状态和下游电源Sd的区段状态;Sj,u和Sj,d表示节点j所有供电路径上游区段状态和节点j所有供电路径下游区段状态。

式(8)通过单一开关函数概括所有情况,函数较复杂,求解速度慢,可依据不同区域类型简化开关函数。

(1)Ⅰ类区域上游接系统电源,下游电源情况受DG投入影响,可将式(8)简化为:

(9)

(2)Ⅱ类区域上游接系统电源,下游无电源,可将式(8)简化为:

(10)

根据开关函数构造出适应度函数如式(11)所示:

f(n)=2P-

(11)

式中:f(n)表示第n个个体的适应度值;P为网络节点个数;η为权系数,常设为0.5;含有η的一项表示权系数与所有区段状态编码之和的乘积,可以避免出现一值多解的情况。

相间短路故障相由文献[20]所述,故障选相方法确定。利用所得到的开关状态编码,采用BPSO-GA算法将搜索出所有可能发生故障的区段线路个体解空间,并从中选取最优解。其中,适应度函数求解过程就是寻找使式(11)的值达到最大个体解的过程,个体解的对应线路就是故障区段线路。

2.3 BPSO-GA算法定位流程

BPSO算法则将粒子每一维的状态限制为0或1,来实现粒子群算法的二进制化处理,提高了初始种群质量,有较好的全局收敛性。BPSO算法的速度和位置迭代公式如式(12)和式(13)所示:

(12)

(13)

遗传算法(GA)基本操作包含适应度线性排序、选择、交叉、变异、重插入。线性排序采用式(14)将适应度值f控制在[0,2]之间,

(14)

式中:N为种群个体数;pos为个体根据目标值大小在种群中的排序位置;sp为最佳个体选中概率与平均选中概率的比值,该排序方法实现了比例适应度计算的均匀尺度变换。

综合BPSO和GA在自适应迭代参数上的特点,以BPSO算法为主体,在其中融入GA算法,对BPSO算法的全局和最优个体进行变异操作,再对变异前后的个体进行随机交叉得到新的种群。为了确保算法的全局收敛并尽可能多地遗传良好个体到下一代,BPSO-GA算法采用了最优解保存策略实现优胜劣汰,降低交叉、变异操作带来的随机性影响。两种算法优势互补,并通过信息交换策略使得进化过程中每一代的信息能在两个群体间传递共享,并利用最优信息同步进化。算法的粒子群最优粒子的位置作为算法的输出,即故障区段。

3 基于5G通信的区段定位实现方式

3.1 适用于Ⅰ类分区的通信实现方式

Ⅰ类区域采用三步定位方法,将主断路器节点设为信息处理中心。第一步主断路器过流保护启动信息属于就地信息,无需考虑信息传输问题。第二步区域故障判据需使用辅断路器信息,辅断路器信息越快上传至主断路器越好。第三步区段定位,区域判定会有一定的延时,且区域判定为故障区域才会执行区段定位算法确定故障区段,此步骤相关节点信息上传对实时性的要求不高。

1.4节分析了uRLLC切片具有低时延高可靠性的特性,符合辅断路器信息快速上传需求。mMTC切片具有低功耗大容量特性,满足负荷开关节点信息上传需求。核心网网元和边缘计算能力下放至承载网,可有效降低时延。基于上述分析,提出图6所示的Ⅰ类区域区段定位通信架构。

图6 Ⅰ类区域区段定位通信架构Fig. 6 Class I area segment positioning communication architecture

图6所示区域,节点1为主断路器,节点5、9、12为辅断路器,采用uRLLC切片传输信息,双向箭头表示故障信息上传与断路器合闸信息下传;节点2、3、4为负荷开关节点,对时延无特殊需求,采用mMTC切片传输信息,单向箭头表示上传故障信息。

3.2 适用于Ⅱ类分区的通信实现方式

相较于Ⅰ类区域,Ⅱ类区域无需进行区域故障判别。因此,Ⅱ类区域可采用mMTC切片传输负荷开关节点信息。基于此,提出图7所示的Ⅱ类区域区段定位通信架构。图7所示区域,节点1为主断路器,节点2、3、4、5为负荷开关节点,对时延无特殊需求,采用mMTC切片传输信息,单向箭头表示上传故障信息。

图7 Ⅱ类区域区段定位通信架构Fig. 7 Class Ⅱ area segment location communication architecture

3.3 区段定位技术实现方式

根据不同的区域特性,采用不同的区段定位方法,在保证准确性的前提下,最大程度减少停电时间与故障定位所需的时间。Ⅰ、Ⅱ类区域的区段定位流程图如图8所示。

图8 故障区段定位流程图Fig. 8 Flowchart of locating the fault section

4 算例分析

为了论证所提通信方式与区段定位方法的优势,结合1.1节,以改进的IEEE119节点配网图为基础,得到图9所示断路器配置与分区示意图。

图9 断路器配置与分区示意图Fig. 9 Schematic diagram of circuit breaker configuration and partition

DG全部投入运行时,各区域断路器节点及类型如表1所示。该配网共被分为15个区域,区域r1、r3、r8、r13属于Ⅰ类区域,区域r2、r4、r5、r6、r7、r9、r10、r11、r12、r14、r15属于Ⅱ类区域。

表1 各区域断路器节点及类型Tab. 1 Circuit breaker nodes and types in each area

4.1 不同通信方式的时延测试

1.3节分析了区段定位算法利用节点短路电流信息数据量,因此在此数据量所需的带宽下测试不同5G通信架构传输故障数据的时延,并与4G的传输时延作对比分析。表2统计了每种数据量测试1000次的时延情况。由统计结果知,5G独立组网模式下平均时延远小于4G通信模式,且相比于架构1,架构2和3拥有更低的通信时延。

表2 端到端时延统计Tab. 2 End-to-end latency statistics

4.2 两相短路算例分析

DG全部投入运行时,如图9所示,假设区域r8中节点70与节点71之间的区段S1发生AB相间短路故障,断路器节点短路电流信息编码如表3所示。

表3 AB相间短路断路器节点短路电流信息编码Tab. 3 Short circuit current information coding of AB phase short circuit breaker node

4.2.1 Ⅰ类区域区段定位分析

由表1、表3知,区域r1、r3、r8、r13对应主断路器节点[1 10 66 3]的A相和B相的短路电流信息编码均为[1 -1 1 -1]。区域r3、r13主断路器A相和B相的短路电流信息编码均为[-1 -1],主断路器电流保护未启动,不执行故障区域判据和区段定位算法。区域r1、r8的区段定位过程如下:

(1)区域r1区段定位过程:首先节点1的电流信息编码为1,主断路器过流保护启动;而后启动故障区域判据;

如图10所示,实线方框中,最左列表示主断路器节点与电流信息编码,其余列表示辅断路器节点与电流信息编码。

图10 AB相间短路下区域r1区域故障判据分析Fig. 10 Analysis of r1 fault criterion under AB phase short circuit

区域r1主断路器节点A相电流信息编码由式(2)变换后为1;辅断路器节点[3 10 66 92]的短路电流信息编码为[-1 -1 1 0],经式(3)变换后为[1 1 0 1]。断路器节点的短路电流编码信息变换后的结果如虚线框所示,代入式(4)计算得EA=0,B相分析与A相相同,有EB=0。区域r1主断路器节点C相电流信息编码为0,由式(2)变换后为0;辅断路器节点[3 10 66 92]的短路电流信息编码为[0 0 0 0],经式(3)变换后为[1 1 1 1]。代入式(4)计算得EC=0。

由式(5)得E=0,故障区域判据与主断路器启动信息不吻合,区域r1未发生故障,不执行区段定位算法。

(2)区域r8的区段定位过程:首先节点66的电流信息编码为1,主断路器过流保护启动;而后启动故障区域判据;

如图11所示,区域r8主断路器节点A相电流信息编码由式(2)变换后为1;辅断路器节点[80 54 61 81 89]的短路电流信息编码为[-1 0 0 0 0],经式(3)变换后为[1 1 1 1 1]。断路器节点的短路电流编码信息变换后的结果如虚线框所示,代入式(4)计算得EA=1。

图11 AB相间短路下区域r8故障判据分析Fig. 11 Analysis of r8 fault criterion under AB phase short circuit

区域r8主断路器节点B相电流信息编码为1,由式(2)变换后为1;辅断路器节点[80 54 61 81 89]的短路电流信息编码为[-1 0 1 0 0],经式(3)变换后为[1 1 0 1 1]。变换后的信息代入式(4)计算得EB=0。

区域r8主断路器节点C相电流信息编码为0,由式(2)变换后为0;辅断路器节点[80 54 61 81 89]的短路电流信息编码为[0 0 0 0 0],经式(3)变换后为[1 1 1 1 1],代入式(4)计算得EC=0。代入式(5),有E=EA∪EB∪EC=1,即区域r8发生故障,故障区域判据与主断路器启动信息吻合。

最后,执行BPSO-GA算法确定故障区段,算法读取节点[66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 78 79 80]的电流编码信息[1 1 1 1 1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1]进行故障区段定位,最小适应度函数值为1,区段状态为[0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0],可知节点70与节点71之间的区段S1发生故障,定位结果与假设一致。

4.2.2 Ⅱ类区域区段定位分析

区域r2、r4、r5、r6、r7、r9、r10、r11、r12、r14、r15属于Ⅱ类区域,对应区域的主断路器为[18 92 106 61 54 81 89 5 112 44 46],电流信息编码为[0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0]。主断路器过流保护均未启动,不执行区段定位算法。

4.3 三相短路算例分析

DG全部投入运行,假设区域r2中节点23与节点24之间的区段S2发生三相短路故障,断路器节点短路电流信息编码如表4所示。

表4 三相短路下断路器节点短路电流信息编码Tab. 4 Code of short-circuit current of a circuit breaker node in three-phase short-circuit mode

4.3.1 Ⅰ类区域区段定位分析

由表1、表4知,区域r1、r3、r8、r13的主断路器节点[1 10 66 3]的三相短路电流信息编码均为[1 1 -1 -1]。

对区域r1、r3进行区段定位分析,得到E=0,故障区域判据与主断路器启动信息不吻合,未发生故障。同样,区域r8、r13主断路器A相和B相的短路电流信息编码均为[-1 -1],主断路器电流保护未启动,不执行故障区域判据和区段定位算法。

4.3.2 Ⅱ类区域区段定位分析

Ⅱ类区域r2、r4、r5、r6、r7、r9、r10、r11、r12、r14和r15,对应区域的主断路器为[18 92 106 61 54 81 89 5 112 44 46],电流信息编码均为[1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0]。只有区域r2主断路器过流保护启动,执行BPSOGA算法确定故障区段,算法读取节点[18 19 20 21 22 23 24 25 26 27]的电流编码信息[1 1 1 1 1 1 0 0 0 0]进行故障区段定位,最小适应度函数值为1.5,区段状态为[0 0 0 0 0 1 0 0 0],可知节点23与节点24之间的区段S2发生故障,定位结果与假设一致。

4.4 不同故障工况下的容错性分析

为验证本文所提方法在不同故障工况下的容错性,列举了3种常见畸变类型:某一节点A与B相电流信息分别发生畸变、不同节点A、B相电流信息同时发生畸变。仿真结果表明,无论是单相还是多相信息畸变只会影响目标函数值,不会影响两相短路、三相短路时的区段定位准确性。

5 结论

(1)相比于4G通信,5G网络切片技术具有更大通信带宽,更低的通信时延和更高的稳定性,结合配网分布广、站点多的特点,有助于提高配电网数据传输的效率,进而提高配电网故障定位效率,具有良好的应用前景。

(2)相对于传统的区段定位寻优算法,本文所提BPSO-GA算法通过信息交换策略,使得进化过程中每一代的信息能在两个群体间传递共享,并利用最优信息同步进化,改善了智能算法易陷入局部最优解的缺陷,提高了区段定位的容错性。

后续会进一步开展对多类型DG接入配网和复故障情况下的区段定位方法研究。