基于5G网络切片技术的多模式联合馈线自动化控制方法

刘禾, 陈刚, 李哲, 刘明臻, 李红妮, 张恒

(1.国网陕西省电力公司安康供电公司, 陕西, 安康 725000;2.国网陕西省电力有限公司, 陕西, 西安 710061;3.西安兴汇电力科技有限公司, 陕西, 西安 710000)

0 引言

在配电网的运行中,难免发生短路、断线等故障[1],造成供电异常,无法维持正常工作需要,需要快速、准确地判定故障位置,对其进行隔离,然后恢复正常供电,保障工作正常进行[2-3]。郑晨玲等[4]提出了关于逆变型分布式电源实施电压时间型馈线自动化的研究,黄鸣宇等[5]对配电网的运行研究了集分联合馈线自动化控制方法,然而光纤安装和维护成本较高,无法保证5G无线通信过程不掉链或丢包,也无法确保正确隔离故障关键节点。继电保护在配网运行很多年,深得运维人员的信赖,其能在第一时间内切断故障,甚至在有级差配合的时候[6]精准隔离故障,但是一般情况下,配网线路上的保护级差配合不起来,甚至顶跳变电站出线开关,降低了供电可靠性。

鉴于以上情况,本文提出基于5G网络切片uRLLC技术的多模式联合馈线自动化控制方法。

基于5G网络的uRLLC(高可靠和低延迟通信)应用场景以用户为中心,将RRU和馈线、天线组成新结构AAU,合并处理射频信号。同时,参数和帧的结构更加灵活,上下行资源分配可以根据实际需求调整。uRLLC技术在调度过程中综合考虑时延和传输速率参数,通过调节优先级因子优先调度规定时延小的用户,对信道条件较差的超可靠低时延通信用户分配额外带宽。

本文设计的多模式联合馈线自动化控制方法应用了uRLLC技术的资源灵活调度方案,将智能分布式、电压-时间型和主站集中型与继电保护相结合,设计多模式联合馈线自动化控制总体构架。以“智能分布式+继电保护”为主保护、“电压-时间型+继电保护”为后备保护、“主站集中型+继电保护”为远后备保护,比较输电线两端的电气量,并判断故障范围,保证第一时间将故障隔离,消灭故障大电流,且能精确地隔离故障区段,恢复非故障区域供电,同时利用uRLLC减少馈线控制的时延。

1 多模式联合馈线自动化控制总体构架

配网闭环与开环运行保护装置定值存在差异,若改变运行方式,则保护定值应给予相应的调整。根据uRLLC技术资源调度方案,可以使运行方式不受限制,灵活控制配电网电流运行路线,通过运行开关检验故障馈线,体现多模式联合馈线自动化的实用价值。

当发生故障时,故障电流会通过故障馈线开关,由于单相接地故障出现时,馈线运行会有约2 h的缺项,不能反映故障电流情况,此处作为例外情况,不考虑。当配电网开环运行时,故障电流仅通过故障点上级开关;当配电网闭环运行时,故障电流能通过故障点上下开关。

根据是否有有功潮流方向进行故障判定。配备自动开关,开关组可以与两旁的开关组进行交流,此时自动设备应有A、B端口,以及与之相对的1号、2号开关组。当有功潮流的流向是从B到A时,表示为负,反之为正。假设在某个开关有有功潮流经过,若为正时,则表示潮流从这个开关的1号开关组流向2号开关组;若为负,则表示从2号开关组流至1号开关组。

假设故障潮流经过某开关[7],其出、入度值是0、1,产生故障时开关z的状态为

(1)

式中,Az表示开关z的逻辑值,Az等于0时表示无动作,等于1时表示动作分闸,VNzj(j=1,2,…,n)表示开关z的第j个相邻开关组的逻辑值,&&表示如果2个操作数都不是0,则条件为真。

利用有功潮流的传递方向判断开关是否开启或关闭。相同开关的开启或关闭在邻近的2个开关组中呈现相反状态,VNz表示途经开关z的故障电压逻辑值[8],其表达式为

(2)

式中,P、I、I′分别表示经过开关的有功功率、电流值、电流整定值。

正常电流途经开关的逻辑值可以通过相邻开关的电流值进行确定,确定方法见式(3):

(3)

式中,INzj(j=1,2,…,n)表示与开关z相邻的开关途经故障电流的逻辑值,0表示最末节点的电流,且开关没有故障电流通过。若任何一个开关逻辑值判断是0,则Vgroup组值为0,表示该开关的最小配电区运行正常;若出现逻辑值都是1,则Vgroup组值为1,那么开关的状态逻辑值A是1,开关应动作分闸,并可以判定故障存在此配电区中。

1.1 电压-时间型故障判定与隔离

若判定时间超过1 s后仍没有判断出故障位置,则选择多模式联合馈线中的电压-时间型馈线自动化控制方法进行故障判定。采用分段开关的延时合闸时间、联络点开关的延时合闸时间、合闸确认时间进行故障判定。当配电网分段开关和联络开关整定为最佳数值时,供电呈现最可靠状态,用W代表可靠性。

1.1.1 分段开关整定

由于电压-时间型故障馈线的分段开关合闸确认时间是5 s,为出厂设置,不可变动,只能通过改变延时合闸时间整定分段开关,选择整定数值为7 s、14 s、28 s,其可靠性W表示为式(4):

(4)

式中,每年有8760 h,NG表示配电用户总数,∑UiNi表示故障受影响的用户。

根据式(4)可知,配电用户总数恒定,受故障影响的用户分段开关延时合闸时间越小,供电可靠性越大,此时分段开关延时合闸时间需进行最小整定,即为式(5):

f(X)=min{f(s)|X1,X2,X3}

(5)

在图1所示的配电线路中,开关1、2、3的延时合闸时间设置为X1、X2、X3,假设出现故障的是G点,为了使故障周围的最小配电区能够隔离,只能关闭开关3对故障进行隔离,使开关1、2继续运行,呈现出X1≠X2≠X3。当故障发生较多时以此类推,可得出以下结论:配电线路分段供电时,不存在2个分段开关一起关闭,可得式(6):

图1 多分支配电线路图

Xh1≠Xh2≠Xh3≠…≠Xhn

(6)

式中,Xhn表示分段开关n到断路器合闸的关合时间。

综上所述,分段开关的整定需符合式(5)、式(6)。

1.1.2 联络开关整定

同分段开关整定一样,联络点开关的合闸确认时间也是规定好的,通常为5 s,不可变动,将联络点开关的延时合闸时间整定设置为45 s、60 s、75 s。通过调整延迟闭合时间,设置触点开关,供电可能性W越高,触点开关的延迟闭合时间越小[9],表示为

f(L)=min{f(s)|45,60,75}

(7)

为达到联络点开关自动关闭并完成转移供电的目的,需要将故障区隔离后满足式(8):

XL>T变电站1+∑X

(8)

式中,∑X表示配电网中联络点开关的延时合闸总时间,T变电站1表示变电站出线开关首次重合时间。依据式(7)、式(8)整定联络点开关。

1.2 主站集中型馈线自动化控制方法

如果在60 s后故障没有得到相应的处理,供电还是没恢复。此时,选择主站集中型馈线自动化控制对故障进行处理,利用uRLLC技术判断故障范围,精确隔离故障区段,恢复非故障区域供电,实施继电保护。主站集中型馈线自动化处理故障逻辑见图2所示。

图2 主站集中型馈线控制逻辑图

图2中,一共有9个配电终端FTU,依次连接D1、K1、K2、K3、主站、联络开关、K4、K5、K6、D2,终端之间可互相通信且与主站相连,主站与联络开关借助终端FTU5相互连接。

假设图2为闭环运行,故障出现在K2和K3之间,开关D1、D2跳闸。根据判断,电流经过K2和K3时方向不同,与K2、K3相连的终端使其跳闸,以此完成故障隔离任务。设第j个FTU发出逻辑信号Mj、Nj,测量第j个FTU上的电流:当Mj=0时,说明电流呈反向;当Mj=1时,说明电流为正向,联络开关分闸,开关D1、D2重合闸,继续正常配电网的供电。

假设图2为开环运行,故障仍在上述位置,那么故障电流会经过D1、K1、K2,变电站1出线,开关D1跳闸,通过FTU3、FTU4的指令使K2、K3跳闸,达到故障隔离的目的。在开环运行时,测量第j个FTU上的电流:当Nj=0时,说明电流正常;当Nj=1时,说明电流异常。此时主站集中型馈线自动化控制联络开关的方法表示为

(9)

根据式(9)判断联络开关分闸,开关D1、D2重合闸,对无故障区继续供电。

2 实验分析

实验随机选取某个地区日常生活供电的配电网,利用本文方法分别对其发生的故障进行判定、隔离,并且将非故障区进行恢复供电处理。将本文方法应用到工业生产供电的配电网和购物娱乐场所供电的配电网的故障处理中,将本文方法应用到3种不同环境中进行分析,验证本文方法的适应性。

2.1 故障处理效果

实验节选日常生活中配电网的一部分进行研究,利用式(1)～式(10)对故障位置进行判定。

节选的配电网结构如图3所示。

图3 某一配电网

图3中,Ⅰ、Ⅱ为母线,K1～K4为出线开关,a～o为分段开关,i为联络开关。拥有相同变电站的母线馈线运行方式为闭环,反之为开环。根据本文方法处理故障区域判断开关状态逻辑值如表1所示。

表1 本文方法判断开关状态逻辑值表

从表1可知,本文方法不仅能准确地找到故障区域,还能对故障区域进行隔离,还能控制联络开关使其合闸,不影响其余正常配电网线路的供电。

2.2 3种环境下比较实验

利用本文方法对某地区3种不同环境的应用配电网进行控制,并对故障进行检测、隔离,对非故障区恢复供电的效果进行比较,验证本文方法的故障处理应用范围。故障处理比较结果如图4所示。

图4 3种环境下用时比较

从图4可知,本文方法能够快速、准确地对故障信息进行传递,在故障处理方面用时较短,并且能够快速恢复正常电网区域的供电,3种环境下均能有效处理故障,恢复供电,用时均低于1 h。因此,本文控制方法应用范围广,实用性强。

2.3 网络切片技术比较

验证uRLLC、增强型移动宽带(eMBB)和海量机器类通信(mMTC)等3种5G网络切片技术优势,衡量本文方法控制性能。3种5G网络切片技术指标的数值比较如表2所示。

表2 3种5G网络切片技术指标数值对比表

从表2可知,3种切片技术中,本文方法应用的uRLLC切片技术可在满足通信可靠性的同时使控制时延最短。

3 总结

变电站出线开关跳闸和线路短时停电,不但给系统带来了大电流冲击,而且还给客户带来了不好的用户体验。因此,本文基于5G网络切片技术的多模式联合馈线自动化控制方法,将继电保护与智能分布式、电压-时间型和主站集中型等3种模式的故障隔离和非故障区域供电的功能结合起来,快速减小了故障电流带来的影响,提升了配电网故障处理的能力。