基于R-GOOSE协议+5G通信的智能分布式配电保护技术

李宇晨，梁健军，张浩民

（广东电网有限责任公司江门江海供电局，广东 江门 529000）

1 配电自动化技术分析

配电自动化技术主要为馈线自动化，即在配电线路中出现故障情况时，系统能够在无人工干预或部分人工干预的情况下准确实现故障区段的自动定位与隔离，确保非故障区域能够及时恢复供电[1]。馈线自动化技术的深入研究应用对提高配网运行可靠性、降低线路故障率、缩小配网故障停电范围具有积极意义，能够为用户尤其是关键负荷用户提供更优质的用电体验。在实际应用过程中，配电自动化主要具有3种类型，分别为就地馈线自动化、集中馈线自动化以及本文所研究的智能分布式馈线自动化。

2 智能分布式配电保护技术中应用5G通信存在的问题与必要性分析

《配电网分布式馈线自动化技术规范》中对分布式馈线自动化系统的通信延时进行了规定：要求速动型系统配电主站与智能终端、智能终端与智能终端具有低于20 ms的通信延时，需要在150 ms之内完成故障上游开关的隔离，3 s内将信息传回配电主站；要求缓动型系统配电主站与智能终端、智能终端与智能终端具有低于1 s的通信延时，在10 s之内完成故障上游开关的隔离，3 s内将信息传回配电主站。现阶段应用的5G通信技术能够将智能终端间或智能终端与主站间的通信延时控制在1 ms内（理论数据），具有低延时、高速率等传输优势，然而在实际应用过程中往往会因为各类干扰导致5G通信质量受到影响。

2.1 存在问题分析

5G通信频率与国内应用的部分无线通信卫星频率存在一定的相似性，卫星通信应用过程中将会对5G通信造成干扰，国家针对干扰问题特别要求，当5G通信与卫星通信相互干扰时，前者需要通过调整进行回避，这一问题随着无线通信卫星数量的增加愈发严重。因此，电力企业在应用5G通信建设智能分布式配电自动化系统的同时，需要研究解决通信干扰问题的技术方法，常规的方式主要为将5G通信频率调整至 3 000 Hz内或 4 200 Hz以上，或者借助抗干扰过滤器提升通信传输稳定性，但2种方法的应用将会对5G通信的低延时、高速率性能造成影响，不利于满足配电自动化系统的运行需求[2,3]。此外，各类短距离5G信号屏蔽器的应用也成为影响配网5G通信的重要因素，如高考、国考期间，各地应用的屏蔽器不可避免地会对周边配网5G通信造成干扰，但此类干扰的影响时长相对较短，通常不会对配电系统可靠运行造成较大影响。

2.2 必要性分析

我国地域辽阔，为实现对智能分布式配电自动化系统的推广应用，需要建设大量的通信传输通道，如果依靠光纤网络建立通信通道，那么会导致配电自动化系统建设、运营成本大幅度增加，难以满足大规模推广需求。相对而言，5G通信技术能够有效降低通信通道的建设成本，在无法避免5G通信受到干扰的情况下，可以通过研发相应的冗余逻辑判断机制解决5G通信异常情况下的配电保护工作需求。

3 基于R-GOOSE协议+5G通信的智能分布式配电保护技术

3.1 智能分布式配电保护

配电网线路种类相对输电线路更加复杂，一次网架具有双环、单环、辐射、N供1备、花瓣等多种接线类型。随着接线种类有所不同，各类配电网线路均存在大量的开关级联，架空配电线路还大量存在T接现象[4]。针对这一复杂接线情况，单纯依靠普通的继电保护技术难以实现配电网故障问题的快速定位与诊断处理，集中馈线自动化、就地馈线自动化在故障隔离效率方面也存在一定不足，难以解决合环运行线路的配电保护工作需求。相对而言，智能分布式配电保护技术能够更好地解决配电网面临的故障诊断隔离与供电恢复难题，本文重点从故障隔离、配电保护方面进行论述。

在实际运行过程中，分布式配电保护线路能够借助智能终端之间的通信联系实现对线路故障电流参数的相互共享，基于故障电流流向参数判断故障点位，从而高效完成故障点位相关开关的分闸操作，实现故障区段的隔离处理，避免对非故障区域正常供电造成影响。分布式配电保护技术的逻辑判断具有带方向与不带方向2类，带方向逻辑通常适用于具有分布式电压接入或多电压合环运行的配电线路，不带方向逻辑则适用于无分布式电源接入且开环运行的配电线路。现有的智能分布式配电自动化系统通常选用光纤通信，需要耗费较多资金用于光缆的规划、敷设工作，难以在郊区、农村等区域大面积推广，导致相关区域的配电、供电可靠性难以快速提升，而5G技术则能够有效替代传统光纤通信模式，推动智能分布式配电自动化系统的快速部署应用[5]。

3.2 R-GOOSE协议与分布式配电保护系统架构

面向通用对象的变电站事件（Generic Object Oriented Substation Event，GOOSE）协议适用于光纤通信模式下的分布式配电自动化系统，能满足智能终端之间的通信传输属性，实现开关量信号的采集与传输，满足开关的分合闸状态采集与控制需求。由于实时传输的数据量相对较少，能够实现对数据的实时传输。GOOSE报文在IEC61850中规定的通信延时范围为4 ms内。在不经过路由的情况下，GOOSE报文的传输将不受影响，因此GOOSE适用于光纤通信模式下的配电自动化系统。然而，5G通信构建的分布式配电自动化系统需要应用路由设备满足无线通信需求，这导致GOOSE报文的传输受到限制。IEC/TR 61850-90-5标准改造了传统的GOOSE协议与采样信息的通信服务（Sampled Value，SV）协议，针对无法路由的情况应用了用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）多播技术，同时借助标识网际互连协议（Internet Protocol，IP）优先级的方式进一步增强通信传输的可靠性与实时性。在IP网络的作用下，GOOSE报文的传输更加灵活，也能够经过路由器实现通信数据的自由传输，此时的GOOSE协议又被定义为可路由通用面向对象变电站事件（Routing-Generic Object Oriented Substation Event，R-GOOSE）协议，SV 协议则为可路由采样信息的通信服务（Routing-Sampled Value，R-SV）协议。

在IEC/TR 61850-90-5标准的影响下，R-GOOSE信息与R-SV信息可路由，将只能完成站内通信传输的GOOSE转化为能够站间通信传输的R-GOOSE，满足了各类智能电子设备（Intelligent Electronic Device，IED）设备的站间互操作需求，在站间通信异常的情况下也可以借助相关调试工作捕获网络报文，实现通信异常原因的定位与处置。同步向量测量技术能够为区域差的保护同步问题提供解决措施，传统线路差动保护模式通常需要借助计算通道延时的方式对各侧电气量进行同步，点对点建立测量点通信连接的过程中通常会增加区域通信网络的复杂性，而IEC/TR 1850-90-5标准则能够将各侧时钟源统一，满足电气量的同步测量需求，实现了配电网通信网络架构的简化处理，更好地同步区域差动保护。

为满足农村、郊区等偏远区域智能分布式配电保护系统的推广应用需求，电力企业需要积极应用5G通信技术，将传统的光纤通信网络替换为建设运营成本更低的5G通信网络，分布式配电自动化系统架构如图1所示。建设过程中需要将5G客户前置设备与智能终端连接，利用5G孔口与5G基站连接，并借助基站连接5G无线传输网络，满足智能终端之间乃至智能终端与配电主站之间的通信需求。

图1 基于5G的智能分布式配电自动化系统的网络架构

3.3 通信带宽控制技术

GOOSE报文控制报文发送的传输时间的方式如图2所示，图2中的T0为心跳时间，即装置每次发送当前状态的间隔时间；当发生突发事件时，如电流方向变化、过流元件动作状态异常等数值的变化将导致装置立即发生数据，按照T1、T1、T2、T3的间隔依次将第2、第3、第4、第5帧数据发送，再恢复初始状态，报文发生传输时间回归为心跳时间。

图2 GOOSE报文发送过程

IEC 61850标准为明确规定上述T0～T3的时间间隔要求，当前常规设置模式通常为4个间隔时间翻倍为 5 s、2 ms、4 ms、8 ms，即正常状态下间隔5 s发送1次报文，突发事件后发送全部数据，并按照 2 ms、2 ms、4 ms、8 ms的间隔依次发送 4 帧数据，如期间无突发事件发送，则再次按照5 s间隔发送心跳报文。本文研究的智能分布式配电保护系统以R-GOOSE报文的形式在智能终端之间传输报文信息，此类报文通常具有200 Byte的长度，配电线路无故障发生的情况下，报文按照5 s的心跳间隔发送，在发生故障的情况下，报文按照 2 ms、2 ms、4 ms、8 ms的间隔发送4帧数据。

通信传输时的带宽计算公式为

式中：BW为带宽，b/s；ΔT为报文间隔，ms；N为相邻智能终端数量；L为报文长度，Byte。

在极限状态下，智能终端与周边4个智能终端建立通信联系，上/下行带宽最大数值计算为

为实现对通信带宽的有效控制，电力企业可以对T1、T1、T2、T3的时间间隔进行修改，如果在原有间隔基础上增加1倍，则带宽将缩小为原来的1/2，但保护延时增加2 ms；如果在原有间隔基础上增加3倍，则带宽将缩小为原来的1/4，但保护延时增加6 ms，此时配电自动化系统的保护快速性依然不会受到较大影响。在实际应用过程中，电力企业可以结合自身对带宽流量、保护快速性等多方面的需求合理控制传输时间间隔。

4 结 论

本文对配电保护技术中的就地、集中、分布式3类技术进行了详细论述，明确了分布式配电保护技术的应用优势，针对该技术推广应用过程中存在的光纤通信网络成本较高问题，提出了基于5G通信传输数据的技术方法，同时针对传统GOOSE协议无法经过路由传输的缺陷，提出了适用于5G通信网络的R-GOOSE协议，建立了能够满足智能分布式配电保护系统可靠运行需求的系统架构，为配电保护相关难题的解决提供了新思路。