基于5G 网络的智能分布式馈线自动化应用探讨

周可慧，唐海国，李红青，朱吉然，张帝，李秩期，许路

(1.国网湖南省电力有限公司电力科学研究院，湖南 长沙 410007；2.湖南省湘电试验研究院有限公司，湖南 长沙 410004；3.国网湖南省电力有限公司株洲供电分公司，湖南 株洲 412000)

0 引言

配电网作为电网的重要组成部分，直接面向电力用户，与广大群众的生产生活息息相关，是保障和改善民生的重要部分，是用户对电网服务感受和体验的最直观对象。配电自动化是提高配电网供电可靠性和管理水平的重要手段[1]，馈线自动化(Feeder Automation，FA) 是配电自动化的重要组成部分，是利用自动化装置或系统，监视配电网的运行状况，及时发现配电网故障，进行故障定位、隔离和恢复对非故障区域的供电[2－4]。

智能分布式FA 作为新一代配电自动化技术，通过终端之间的通信，快速处理故障，实现毫秒级故障自愈。然而，此种方式设备间需要对等通信，对通信要求很高，当前主要运用方式为光纤通信。但由于配电网网架分布广、设备种类多，外部运行条件复杂，光纤敷设存在城区施工难度大，建设成本高等不足，难以大规模建设与使用[5－6]。随着5G 网络的发展和其高速度、泛在网、低功耗以及低时延的技术优势，将5G 网络与智能分布式FA技术结合，构建基于5G 网络的智能分布式FA 技术，可大大减少敷设成本，降低投资，提高配网自动化的运行、维护和管理水平。

1 智能分布式FA 逻辑策略研究

FA 的主要方式包括集中型FA 和就地型FA[7－8]，集中型FA 通过配电自动化主站系统收集配电终端上送的故障信息，综合分析后定位故障区域，再采用自动或人工遥控方式进行故障定位、隔离和非故障区域恢复供电。就地型FA 则是不依赖主站，通过终端电压和时间关系或者其相互通信来实现，并将处理过程和结果上报主站。智能分布式FA 属于就地型FA 一种，通过终端之间的对等通信，在变电站出口断路器保护动作前，实现毫秒级定位及隔离故障，并恢复供电，大大提高设备的供电可靠性，图1 为智能分布式FA 原理示意图。

图1 智能分布式FA 原理示意图

1.1 故障定位、隔离逻辑

当线路发生故障时，经一定时间的故障电流确认时间后，若流经此开关的电流大于整定值，则判定本节点开关故障，并瞬时触发“节点故障” 信号，该信号随过流状态保持。当开关自身产生节点故障信号，且邻侧开关中有且只有一侧节点开关未发出“节点故障” 信号，则判断故障位于此开关下游，经延时后，该开关动作分闸，并产生故障切除成功信号，故障切除逻辑如图2 所示。

图2 故障切除逻辑

当线路发生故障时，若本开关未检测到故障且收到邻侧有且仅有一个节点开关的“节点故障”信号，判断故障位于该开关上游，则经过延时后，产生故障隔离成功信号，开关动作分闸，故障隔离逻辑如图3 所示。

图3 故障隔离逻辑

1.2 联络点转供逻辑

现有分布式FA 联络点的合闸逻辑一般为单侧失压且收到故障隔离成功信号后延时合闸。但此合闸逻辑并未考虑到线路负荷承载力，可能发生在联络点合闸后非故障线路过载情况，使本来正常运行的线路增加故障隐患。本文将联络点转供逻辑中考虑到负荷量，基于与故障线路有联络的非故障线路首开关信号确定联络点是否动作，如图4 所示，具体步骤包括:

图4 联络点转供逻辑

1) 当故障进行隔离后，故障下游开关的“故障隔离成功” 信号与分闸前的负荷量信息传递给邻侧开关，邻侧开关转发给下一级。

2) 当联络点开关收到隔离成功信号且处于单侧失压状态时，继续转发隔离成功信号与隔离点开关的负荷量给非故障线路的开关，若联络点未检测到单侧失压，隔离成功信号与隔离点负荷量停止转发。

3) 当非故障线路首开关收到故障隔离成功信号和隔离点开关动作前负荷量后，计算首开关的转供允许最大负荷量。比较转供允许最大负荷量与隔离点开关动作前的负荷量大小，若转供允许负荷量大于隔离点开关动作前负荷量，首开关发出允许联络点转供信号，转发给联络点开关，联络点允许转供信号转发至联络点后，停止转发。

4) 联络点开关收到允许联络点转供信号后，若开关仍处于单侧失压状态，则联络点合闸，完成联络点转供。

1.3 通信中断逻辑

当环网箱之间通信中断，则通信中断的开关检测到过流或失压条件时，开关将分闸，如图5所示。

图5 开关通信中断逻辑

为更好分析，本文以图6 为例，假设开关1L02 和2L01 之间线路发生故障，则1L01 和1L02之间会流经故障电流，此时1L02 开关将发出节点故障信号，且邻侧开关1L01 有节点故障信号，2L01 不产生节点故障信号，则此时判断故障点位于1L02 下游，1L02 开关动作跳闸，并产生故障切除成功信号；同时，2L01 不产生节点故障信号，且只收到1L02 节点故障信号，则判断故障点位于2L01 上游，2L01 开关动作跳闸，并产生故障隔离成功信号。2L01 将故障隔离成功信号和开关动作前负荷量发送给邻侧开关，再依次转发至非故障线路首开关5L02，比较5L02 的转供允许最大负荷量与2L01 开关动作前的负荷量大小，若后者小于前者，则发送转供允许信号给开关3L02，开关3L02收到转供允许信号且检测到单侧失压，经延时后3L02 合闸，恢复非故障区域供电。

图6 线路拓扑图

2 基于5G 网络的分布式FA 技术研究

2.1 5G 网络应用于分布式FA 的必要性研究

通信时延小是分布式FA 运行的基本条件，根据DL/T 1910—2018 «配电网分布式馈线自动化技术规范» 规定[9]:速动型的分布式馈线自动化系统，对等通信延时需小于20 ms，故障上游侧开关隔离完成时间不大于150 ms，遥信上送主站时间小于3s。目前配电终端的通信技术主要包含电力载波通信、光纤通信与4G 网络等。电力载波通信是利用电力电缆作为传输媒介，通过载波方式传输数据信号，其建设成本较低，但传输距离短，易受电网负载和结构影响，抗干扰能力差；光纤通信是利用光信号传输信息，传输速度高、容量大、可靠性和安全性高，但是有着建设成本高，城市敷设难度大，易受到外界环境破坏等缺点；4G 网络是通过无线通信传输数据，可实现配网站点的全面覆盖，但是4G 通信带宽无法满足配网区域保护的通信数据量，传输延时较大，信息安全无法得到保障。

随着配电网的迅猛发展，各类设备、终端的通信需求爆发式增长，寻找一种可替代光纤通信，可广泛覆盖整个配电网，可实现智能分布式FA 的无线通信技术是非常必要的。5G 网络大带宽、高可靠、低延时、多连接等特点正满足智能分布式FA的通信要求。

2.2 5G 网络应用于分布式FA 的可行性研究

5G 作为新型信息基础设施的核心引领技术，已成为推动产业转型升级及经济社会发展的新引擎。我国高度重视5G 发展，在电力行业中，5G在云边协同、状态检测，远程巡检，精确控制等方面都有着巨大的发挥空间。5G 网络定义了增强型移动宽带 (enhanced Mobile Broadband，eMBB)、高可靠低时延通信(ultra－Reliable and Low Latency Communications，uRLLC)、大规模机器类通信(massive Machine Type Communications，mMTC) 三种应用场景[10－12]。相比4G 网络而言，其时延是4G 网络的二十分之一，可低至1 ms，速率为4G网络的100 倍，最高可达10 Gbit/s，5G 网络精度可达到10 μs 的无线授时[13－14]，具体比较见表1。

表1 5G 和4G 网络性能比较

5G 网络的高可靠、低延时特性，SA 独立组网以及网络切片等技术，为5G 通信应用于配电网分布式FA 提供了技术支撑。受到网络安全要求限制，当前5G 公网无法做到点对点通信。网络切片是基于虚拟化技术，将一张5G 物联网络在逻辑上切割成多张虚拟的端到端网络，多个网络之间核心网、承载网和无线网是相互隔离，逻辑独立的[15]，因此可以通过网络切片技术将网络切割一部分专门用来P2P 通信，这样既可满足分布式FA 通信要求，也可保证配网通信的安全性。

3 5G 技术验证测试

3.1 测试方案

为验证5G 技术在智能分布式FA 中应用情况，基于模拟商用公网环境的SA，5G 测试专用实验室搭建电缆单环网拓扑结构，开展基于5G 网络的分布式FA 测试，如图6 所示。5 个5G 路由器通过网线分别与5 个交换机连接，交换机实现环网箱内部分散式DTU 间隔单元之间的通信，5G 路由器通过5G 网络实现不同环网箱之间的通信。

通过向线路拓扑系统注入电压、电流等信号，模拟配电线路在不同运行方式下的主线故障、母线故障、支线故障等场景，检验分布式FA 动作情况，包括故障下开关动作逻辑，通信中断开关动作逻辑、开关失灵动作逻辑、联络点转供逻辑等。为更好分析判断，分布式FA 故障电流定值设置为5 A，故障确认时间设置为50 ms，开关类型根据图6 拓扑图配置，联络开关采用GOOSE 报文判定对侧是否有压，额定相电压为57 V，有压定值配置为额定相电压的70%，无压定值设置为额定相电压的30%。

3.2 测试结果

以2L02－3L01 主线故障测试结果为例，分析说明在保护跳闸压板退出、通信中断等运行场景下开关动作情况及动作时间，主要分为以下四个案例。

1) 通信正常、压板全投入，联络点合闸延时定值为1 s。

状态1，1L01、1L02、2L01、2L02、3L01 均施加3 A 负荷电流，2L01、2L02、3L01、3L02 施加A 相电压57 V，4L01 施加C 相电压57 V，持续时间35 s，开关不动作。状态2，1L01、1L02、2L01、2L02 施加5.25 A 故障电流，3L01 施加0 A电流，2L01、2L02、3L01、3L02 施加A 相电压57 V，4L01 施加C 相电压57 V，2L02 和3L01 开关分闸，隔离故障。状态3，1L01、1L02 施加3 A负荷电流，2L01、2L02、3L01、3L02 施加A 相电压15 V，4L01 施加C 相电压57 V，联络点3L02 单侧失压，开关合闸。开关动作时间为2L02 跳闸:150.721 ms；3L01 跳闸:192.506 ms；3L02 合闸:1167.564 ms。

2) 2L02 通信中断、压板全投入。

状态1，1L01、1L02、2L01、2L02 分别施加3 A、3 A、2 A、2 A 负荷电流，2L01、2L02、3L01、3L02 施加A 相电压57 V，4L01 施加C 相电压57 V，持续时间20 s，开关不动作。状态2，1L01、1L02、2L01、2L02 施加5.25 A 故障电流，2L01、2L02、3L01、3L02 施 加A 相电压57 V，4L01 施加C 相电压57 V，由于环网箱2 和环网箱3通信中断，流经2L01、2L02 电流大小超过设定值，满足通信中断下过流跳闸逻辑，2L01、2L02 过流跳闸。状态3，1L01、1L02 分别施加3 A、3 A 负荷电流，2L01、2L02、3L01、3L02 施加A 相电压15 V，4L01 施加C 相电压57 V，环网箱2 和环网箱3 通信中断，3L01 施加电压低于无压定值设置，满足通信中断下，失压跳闸逻辑，3L01 跳闸；同时联络点3L02 单侧失压，合闸转供。开关动作时间为2L01 跳闸:103.244 ms；2L02 跳 闸:60.482 ms；3L01 跳 闸:64.873 ms；3L02 合闸:230.229 ms。

3) 通信正常、2L02 压板未投。

状态1，1L01、1L02、2L01、2L02 分别施加3 A、3 A、2 A、2 A 负荷电流，2L01、2L02、3L01、3L02 施加A 相电压57 V，4L01 施加C 相电压57 V，持续时间20 s，开关不动作。状态2，1L01、1L02、2L01、2L02 施加5.25 A 故障电流，2L01、2L02、3L01、3L02 施 加A 相电压57 V，4L01 施加C 相电压57 V，3L01 未检测到故障且收到2L02 开关的 “节点故障” 信号，3L01 跳闸；2L02 保护跳闸压板退出，发出开关拒动信号给上一级开关，2L01 跳闸。状态3，1L01、1L02 分别施加3 A、3 A负荷电流，2L01、2L02、3L01、3L02施加A 相电压15 V，4L01 施加C 相电压57 V，3L02 合闸转供。开关动作时间为3L01 跳闸:169.256 ms；2L01 跳闸:352.170 ms；3L02 合闸:100.971 ms。

4) 2L02 通信中断、2L02 压板未投。

状态1，1L01、1L02、2L01、2L02 分别施加3 A、3 A、2 A、2 A 负荷电流，2L01、2L02、3L01、3L02 施加A 相电压57 V，4L01 施加C 相电压57 V，持续时间20 s，开关不动作。状态2，1L01、1L02、2L01、2L02 施加5.25 A 故障电流；2L01、2L02、3L01、3L02 施加A 相电压57 V，4L01 施加C 相电压57 V，2L01 过流跳闸。状态3，1L01、1L02 分别施加3 A、3 A 负荷电流，2L01、2L02、3L01、3L02 施加A 相电压15 V，4L01 施加C 相电压57 V，3L01 失压跳闸、3L02 合闸转供。开关动作时间为2L01 跳闸:64.385 ms；2L02 跳闸:62.922 ms；3L01 跳闸:67.801 ms；3L02 合闸:231.367 ms。

总体而言，基于5G 的智能分布式FA 测试结果良好，在开关动作满足逻辑的要求下，开关动作时间基本都在规定时限内，可以实现在变电站出口开关动作前，对故障进行定位、隔离，同时在较快时间完成负荷转供。

4 基于5G 网络的分布式FA 技术的展望

随着智能配电网的建设与发展，对配电网的电力可靠供应提出了更高的要求。基于5G 网络的分布式FA 技术可以在避免变电站出口开关重合闸带来的电缆绝缘损坏的前提下，实现快速的故障定位、隔离和转供；其次，相比基于光纤通信实现的智能分布式FA 保护而言，5G 通信可以避免光纤通信的成本高、敷设难度大和环境制约等问题，设备只需安装5G 模组或者连接5G 路由器就可实现5G 的分布式FA 功能，可大大增加线路智能分布式FA 的覆盖率，如图7 所示。

图7 基于5G 网络的通信架构

虽然当前5G 发展迅速，5G 商用化也已有快两年时间，但是部分地区还是存在5G 信号未完全覆盖或信号不佳的情况；同时，5G 网络应用场景较为单一，运营成本较高，技术上还没有完全成熟等现状，也让5G 的商用化面临着较为严峻的挑战。因此，增强5G 网络应用的多元化，争取5G网络商用的政策支持，突破技术瓶颈等将是其今后需要聚焦的研究课题。

5 结论

配电网是能源互联网建设的关键，是电网发展转型的前沿，随着5G 通信技术的快速发展与应用，将5G 技术与智能分布式FA 结合成为研究热点。本文对智能分布式FA 逻辑策略、5G 网络应用于分布式FA 的必要性、可行性研究等方面进行研究，说明了“5G＋智能分布式FA” 的应用优势和良好前景，可有效提高核心区域城市形象，缩短故障停电时间，保障用户用电需求。