基于5G通信的智能分布式馈线自动化

艾福洲，李 昇，蔡 超，孙 超，余福振

（1.国网湖北省电力有限公司，湖北 武汉 430000；2.山东省烟台市东方电子股份有限公司，山东 烟台 264010）

0 引 言

电力是推动现代社会正常运转的重要基础，关乎社会稳定和经济发展。随着我国国民经济的迅猛发展，社会和科技都得到了很大进步，工厂企业及居民用户均对我国电力系统的可靠性与供电质量提出了更高的需求[1]。

在现代电力网络中，电力系统是由发电厂、输电网、变电站、配电网以及终端用电等环节组成的完整闭环生产消费系统。其中，配电网由馈电线路、配电自动化终端、继保装置、断路器以及负荷开关等设备构成。作为承接电能输送和分配的中间环节，其自身网架的安全性越来越受到人们的重视。随着通信网络技术、微电子技术及计算机应用技术的发展，配电网内单个设备的状态信息、电网运行的实时信息、用户用电信息、网架结构参数与地理信息等众多信息进行整合集成，形成了一个兼顾自动化和运行管理的配电自动化系统[2-4]。

作为配电网技术的核心内容，馈线自动化是提高用户供电质量和可靠性最有效最直接的方式[5-7]。因此，在发展配电网自动化的过程中，应当将其作为首要发展对象。按故障处理模式的不同，可将FA分为多种类型，本文主要针对智能分布式FA进行详细介绍。

1 概念与分类

馈线自动化指变电站出线到用户用电设备之间的馈电线路自动化，是一个对配电网馈电线路上一、二次设备进行远方监测、协调以及控制的自动化系统。其主要内容可以分为两部分，一是正常情况下的数据采集与控制，实时监视当前馈线上的开关位置信息、保护状态以及电压、电流、功率等，即常规“遥测”“遥信”以及“遥控”；二是在故障情况下获取到当前故障记录，对馈线故障进行故障定位、隔离、转移以及非故障区恢复供电的处理功能。按照故障处理方式的不同，馈线自动化分为就地控制与集中控制两种类型。其中，又可将就地控制型分为智能分布式、就地重合式以及级差保护方式[8-10]。

按照不同的动作逻辑，可将分布式FA进一步分为速动型与缓动型，二者定义与特点如下。

1.1 速动型分布式FA

速动型分布式FA功能所属的开关属性为断路器，当配电网发生故障时，由分布式FA完成故障定位并由故障点相邻开关直接完成故障切除与隔离。

速动型分布式FA可快速定位、隔离故障，在变电站/开关站出口断路器保护动作前完成故障隔离，故障点电源侧的非故障区段无停电，故障影响范围最小，故障隔离的时间最短。此外，速动型分布式FA需全线间隔均配置断路器，且变电站/开关站出口断路器保护动作时限至少需0.2 s及以上的延时。

1.2 缓动型分布式FA

缓动型分布式FA功能所属的开关属性为负荷开关，当配电网发生故障时，由开关属性为断路器的上级开关完成故障切除后，故障点相邻开关的分布式FA完成故障隔离。

缓动型分布式FA必须等待变电站/开关站出口断路器保护动作后隔离故障。故障隔离时间比速动型分布式FA长，故障点电源侧的非故障区段会受到停电干扰。根据目前现场一次设备的匹配情况，一般采用缓动型故障处理模式。

速动型FA与缓动型FA对不同情况下的时间要求不同，具体指标如表1所示。

表1 不同情况的时间指标

2 网架结构及终端类型

2.1 网架结构

智能分布式FA适用的网架结构应满足下列要求。首先应是闭环设计、开环运行的线路（带联络开关）；其次应是纯架空线路、纯电缆线路或架空电缆混合线路；最后应是辐射状或多电源点的手拉手环网。其中手拉手环网结构如图1所示。

图1 拉手环网结构示意图

2.2 终端类型

配电终端是安装于中低压配电网现场各类远方监测和控制单元的总称。智能分布式FA适用的终端类型为三遥型FTU与三遥型DTU。

3 通信方式

适用的通信方式应满足下列要求，一是互操作性，二是分布式馈线自动化静态拓扑改变仅需修改相邻的终端配置，三是可以同时支持光纤和5G。

传统智能分布式馈线自动化保护是基于光纤通信实现的。光纤通信虽然具有一定优势，但同时存在部分缺陷，如需要单独铺设光缆、成本高昂、施工难度大。5G通信同样可满足配电网智能分布式馈线自动化通信要求，可作为光纤通信实现分布式FA的一种补充[11,12]。5G通信具有高带宽、高可靠、低时延以及广连接的特点，布点方便，不需光纤，可通过隧道技术支撑GOOSE通信，实现智能分布式FA。

4 实施方案简述

4.1 基于光纤

基于光纤的实习方案如下所述。首先选定线路，需为全电缆手拉手环网改造环网柜，加装来自同一厂家的三遥型集中式DTU。其次补齐光纤通道并调试，开通终端间互通，开通GOOSE组播转发，确认通信延时，确认FA模式为缓动型还是速动型，确认变电站出口是否延时，确认分支线开关是否参与。再次按照实际拓扑确定智能分布式FA方案及逻辑验证。最后进行智能分布式FA现场投运及测试，其中新建线路可在送电前全线带一次测试。

4.2 基于5G专网

首先选定线路，需为全电缆手拉手环网改造环网柜，加装来自同一厂家的三遥型集中式DTU，需加装5G模块。其次确认5G专网通道开通，固定IP、SIM卡支持点对点通信，测试通道延时，定制5G切片网络。确认FA模式为缓动型还是速动型，确认变电站出口是否延时，确认分支线开关是否参与。再次按照实际拓扑确定智能分布式FA方案及逻辑验证。最后进行智能分布式FA现场投运及测试，其中新建线路可在送电前全线带一次测试。

5 动作逻辑

纯电缆手拉手环网线路示意如图2所示。

图2 纯电缆手拉手环网线路示意图

其中，CB1和CB2为站内出口断路器。4个环网柜分布安装4台DTU，环进环出为负荷开关（K1～K8），,K5为联络开关（开环点），K1和K8为首开关。故障点位于K2和K3之间，投缓动式FA，变电站出口不参与分布式FA。

智能分布式动作逻辑如下。分布式FA执行时，DTU1只跟DTU2通信，DTU2需跟DTU1和DTU3通信，同理DTU3需跟DTU2和DTU4通信，DTU4只跟DTU3通信。K1～K8互相独立，K2与K3之间发生故障时，K2与K1和K3交互故障GOOSE信息。启动条件为自身检测到故障或收到相邻设备的故障信号。

K2和K3间发生故障后，同时K1和K2检测到故障电流，K3无故障电流，CB1保护跳闸，示意如图3所示。

图3 动作逻辑示意图一

K2与K1、K3交互故障信息，K3与K2、K4交互故障信息，因K1有故障信号、K3无故障信号，故K2判断自己处于故障上游，经失压失流延时后跳闸，切除故障。因K2有故障信号，K3自身没有故障信号，K4也无故障信号，因此K3判断自己处于故障下游，K3经失压失流延时后跳闸，故障隔离。K3隔离后，向两侧K2和K4发送隔离成功GOOSE信号，经转发后K5收到隔离成功信号且单侧失压，经延时后合闸成功恢复非故障区域供电。CB1由重合闸或调度遥控操作完成CB1至K1之间的供电，其示意如图4所示。

图4 动作逻辑示意图二

K2和K3之间发生故障时，K2跳开完成故障切除，K3隔离跳闸时出现开关拒动后向K2和K4发送开关拒动GOOSE信号，K4收到。若K2切除故障时发送拒动，则K2向K1发送开关拒动GOOSE信号，K1收到后判断处于故障点上游则跳开，以切除故障，示意如图5所示。

图5 动作逻辑示意图三

值得注意的是，若出现越级切除或越级隔离，仅限越一级。

6 结 论

本文提出了基于5G的智能分布式FA。针对我国配电网现阶段存在的问题，介绍了FA的概念与分类，分析了不同类型FA的特点与适用范围，继而介绍了适用的网架结构与终端类型，分析了光纤与5G两种通信方式的特点，指出了基于5G智能分布式FA具有高带宽、高可靠、低时延、广连接的特点，且布点方便，不需光纤。然后基于光纤与5G专网两种不同的通信方式分别给出了二者的工程实施方案，并分析了智能分布式FA的动作逻辑，从理论层面验证了该方法的可行性与有效性，为工程实际应用提供了理论基础。