基于5G通信的配网拓扑模型生成方法研究

鲁 成

华北电力大学，河北 保定 071003

0 引言

配电网络拓扑分析是通过处理开关状态信息，获取网络节点连接关系，进而将现实网络抽象为拓扑图的功能，是网络分析应用与数字孪生技术的基础。配网拓扑识别功能是否强大，直接关系到后续工作的进行。传统方法一般是对所采集的故障信号进行集中处理，而智能分布式馈线自动化（FA）技术具有一定的逻辑能力，可以借助配电终端间的横向通信，互传已知的线路故障电流流向，通过较少的电气量信号就能获取准确的故障点区段，并通过控制自主投切开关，迅速隔离故障点。针对配电系统中台区智能终端以及端设备应用，终端在接入通信网络后，通过与配电主站信息交互，实现终端自动接入配电主站，并生成对应的数据采集点，以便及时掌握配电系统中台区智能终端以及端设备接入/退出与数据接入情况，简称即插即用。另外，针对配电系统中台区智能终端以及端设备拓扑关系的即时更新，实现各终端采集信息的正确归类，或在工程上称为配电系统台区拓扑信息的即时更新与交互，简称拓扑识别。韩国政等[1]应用IEC 61850的数据模型和逻辑节点实现FTU和TTU的信息建模，并分析给出了可用的IEC 61850信息交换模型。丛伟等[2]重点针对区域纵联保护和孤岛检测，基于IEC 61850对智能配电终端进行标准化建模，针对逻辑设备配置情况采用变电站配置描述语言来表达。朱正谊等[3]研究了IEC 61850的扩展模型与系统配置过程，并研究了智能分布式馈线自动化算法。闫卫国等[4]基于AMI量测信息提出一种低压配电网的拓扑校验方法。但是，上述方法均是基于传统光纤，不仅灵活度受限，而且建造成本较高，难以在配网进行推广。为此，文章提出一种基于5G通信的馈线自动化方案，利用通信独立于电网的特点实现全局拓扑识别，识别可用联络开关，为故障隔离最大范围恢复供电提供基础。

1 基于5G技术的配电网保护控制技术

1.1 配电自动化技术现状

智能配电终端利用自身设备信息以及相连终端的通信结果，以确定配电网故障的位置，进而开启故障点两侧直连的断路器，使故障点与非故障区段以及电源点进行隔离。然后，通过控制相应的隔离开关，使故障点下游的非故障区段进行供电恢复。

带有逻辑判断能力的分布式FA从原理上避免了线路开关多次动作，增加了原本开关动作对于其自身以及线路上其他设备的使用寿命减少量。同样，由于分布式FA设备被赋予的控制权利，使得线路维护或其他设备停运期间仍然具有一定的保护性，提高了线路继电保护的可靠性。

1.2 5G技术与电力系统的结合概述

5G技术的关键能力指标相较于4G技术有显著的提高，具备高速率、低延时、大连接等特点。通过与5G技术相结合，各行业在探索行业自身开拓寻求创新技术亮点。配网差动技术是最能发挥5G特点的垂直应用之一，也是3GPP中对于5G技术低延时、高精度授时要求的原型业务。不同场景不同业务对于5G技术的需求点也不尽相同，如配网差动技术、FA技术或调度等业务依靠的是其超高可靠、低延时的特点；用户数据采集、电气量信号检测等业务则需要其大连接这一特点。拓扑识别业务由于其分散布局的特点，适合利用无线通信与其进行配合。

1.3 拓扑建模抽象化

将复杂网络理论与电力系统相结合需要对电力系统进行网络拓扑建模。将发电厂、变电站抽象为节点，变压器线路与输电线抽象为边，可以把电力系统简化成一个无向无权的网络，其简化原则如下：

（1）不考虑发电厂、变电站的主接线，只考虑配网输电线。

（2）把网络中的节点分为两类，分别记为发电节点集合、负荷节点集合。

（3）输电线、变压器支路均简化为无向无权边（等效于各线路权重均为1），忽略输电线电压等级和各种特性参数的不同。

（4）为了防止网络中出现自环和多重边的现象，需合并同杆并架输电线且不计并联电容支路。

（5）线路上的联络开关为常开状态，而同一线路上另一开关可能为常闭，对于此情况认为不构成边，其抽象的矢量也不计入拓扑中。即当且仅当线路两端均闭合状态才记及该线路。

由此，使模型转化为一个含有n个节点和l条边的无向无权的稀疏联通网络。

2 拓扑实时自动识别

2.1 拓扑自动识别策略

拓扑自动识别的原理为，在5G移动通信方法的前提下，大带宽的优势使得每个智能终端不再仅需要识别并储存与之关联的局部拓扑信息，而是特定终端与主站直连，获取经由中心中继后的所有节点连接关系，生成全局拓扑关系并转发至各节点；在此基础上，终端通过被赋予的逻辑处理权即可完成相关隔离、恢复供电功能。

拓扑识别系统的构成与分布式FA系统类似，由智能终端、通信网络和区域主站组成。智能终端是拓扑识别系统的基础设备，可以对管控范围内的开关运行情况进行数据采集和监视控制，包括其连接情况、属性参数、电流大小等；同时还可以依靠数据互通，不依赖主站即可实现逻辑处理与控制。通信系统负责将区域内主站与分布式的智能终端进行连接，实现双向通信，既可以互传监控数据等，又可以下达信息或者进行数据中转。该方法基于运用5G技术的通信手段实现，主站负责采集汇总来自各智能终端的实时配网运行数据，执行储存、中继、逻辑处理、指令下达、时钟对时等任务。其具体步骤如下。

（1）当有以下几种情况发生时，发起拓扑识别动作：当有智能终端检测到分段开关由“合”变为“分”位或由“分”位变为“合”位；当有新的智能终端加入数据库表中。对于由智能终端动作/变更而产生的拓扑变动，需动作发出的智能终端向主站发送“开关状态变更”信号，在主站收到拓扑更新请求后，向所有管辖区域内的智能终端下达命令，令其按照特定格式上传自身连接信息及开关属性。

（2）当各智能终端收到来自主站的开关状态查询命令后，智能终端经由无线通信设备与配网通信主站进行一对一通信，按照前文所述的统一格式，对所在线路、所在节点负荷大小、节点负荷重要度和节点功能属性等静态和动态属性进行数据写入与传输。

（3）由发出动作请求的智能终端接收来自主站中继的各个节点的开关所发送的信息，进行数据合并与清洗，查询有无缺漏、重复、越界等行为，如有进行告警，进行节点归类，分别生成电源点集、负荷节点集。

（4）对于自身控制的开关状态为闭合状态的数据，负责的智能终端将其加入处理队列依逻辑进行整合处理，对于开关状态为断开状态的数据，则判断其是否为潜在联络开关。当且仅当该开关满足以下条件时，可将其认定为当前拓扑潜在的联络开关：该开关所在线路当前无故障/检修状态；该开关未受继电保护装置动作影响导致闭锁；该开关所在区段对端开关为闭合状态，且对端母线带电，电压正常。

（5）对于自身控制的开关状态为闭合状态的开关/断路器，读取流经开关的电流方向为流入或是流出，将该区段内一对开关的上下级关系进行确定并记录。虽然前文提到该方法所操作的拓扑图为无向图，因其边的方向不影响功能，而此处的电流方向仅用于后续重合闸等功能的判断辅助。

（6）主站读取步骤（3）生成的json文件，按照节点的抽象矢量描述方法，抽取位于相同线路上的节点，将对向的矢量关系变成进行边的生成，加入拓扑描述文件中，并生成参考图。同时，为所有开关进行标签的统一化处理，导出并向各终端下发通用拓扑文件，留待后续故障隔离与恢复时使用。

2.2 拓扑信息应用于故障隔离与重合闸

在局部拓扑信息整合的过程中，所有线路的上下游关系可以确定并下发到相应的智能终端中，因此这一上下游关系可以用于进行故障发生时处理的逻辑辅助：同一区段的一对开关已经获知自己相对于对方的负荷上下游关系。当某区段内发生故障，先确定故障为注入性电流而非穿越性电流，识别故障区段，该对开关需要将故障隔离，然后尝试重合闸操作：上游（近电源一侧）的开关首先进行重合闸尝试，若尝试成功，则证明其为瞬时性故障，可以恢复，进而上游开关通知对端进行合闸；否则，上游开关再次跳开且不再重合。

3 结束语

文章提出了一种基于5G通信模块的无线通信的配电网馈线自动化方案，解除了光纤通信对传统配电网拓扑识别技术的限制，实现了拓扑自动识别。同时，通过检测拓扑网中开关状态，识别联络开关的位置并调整控制策略。现有的基于5G通信的智能分布式配电保护技术已经通过试验测试，具有较好的可靠性，在此基础上使用该方法作为附加功能，成本较低，操作也相对简单，仅需对软件进行相应的适配与嵌入工作，值得推广应用。