无线通信技术在分布式配网保护中的应用研究

2024-05-09孔心怡

通信电源技术 2024年5期

徐鼎，孔心怡

（国网上海浦东供电公司，上海 200122）

0 引言

随着全球能源结构的转型和分布式能源的快速增长，传统电力系统正面临着前所未有的挑战和变革[1-4]。在此背景下，建设一张拥有较强韧性的多源互联配电网具有里程碑式的意义，将完全重新定义新型电力系统中的新型配电网。因此，分布式配网保护将取代原有集中式继电保护，成为确保电力系统稳定运行和提高供电可靠性的关键技术。然而，分布式配网保护系统在实际应用中常常遭遇时延和数据不同步问题，不仅影响系统的实时响应能力造成选择性错误，还可能导致保护装置闭锁，增加系统运行风险。传统光纤通信技术在解决这些问题时易受到物理限制和成本的双重约束，而无线通信技术则因其灵活性、高效性以及成本效益，被视为一种有前景的解决方案。

1 分布式配网保护技术概述

分布式配网保护是利用配网保护装置间的横向通信，与同一环网内相邻终端设备进行信息交互。通过比对相邻点保护装置启动、故障方向判断结果等信息，相互传递过流标记、过流方向标记等信号，构成配网纵联保护，从而准确定位故障点，实现区内、区外故障快速定位与隔离，无须考虑配网多级开关的级差配合[5]。

2 无线通信技术概述

随着技术的进步，无线通信已经发展出多种标准和形式，主要形式如图1 所示。这些技术各有特点，如蜂窝网络和卫星通信提供了广泛的覆盖范围和较高的数据传输速率，适用于远距离通信；而Wi-Fi 和蓝牙则在提供较高传输速度的同时，更适合短距离通信。通过利用无线技术，可以实现保护系统各部件之间的实时、同步通信，有效解决时延和不同步问题，从而提升配网保护的性能和响应速度[6]。

图1 无线通信技术得主要形式

3 无线通信在分布式配网保护中的应用

3.1 在就地型分布式配网保护中的应用

就地型配网保护通常指在电网的特定节点，如配电变压器、配电线路的关键接入点等地方直接部署保护装置，以实现对该节点或线路段的直接监控和保护。这种配置的特点对保护响应时间和系统可靠性有极高的要求，因为任何时延都可能导致故障扩散，造成更广泛的影响。针对该问题，无线通信技术可以利用高速的无线通信网络，实现故障信息的即时传输，保证保护指令的快速下达和执行、故障信息的上传和处置。这种即时性是通过无线通信技术的低时延特性实现的，可以保证即使在分布式能源密集接入的复杂电网环境中，保护系统也能迅速逐个响应，有效隔离故障，防止其扩散。除此之外，就地型配网保护的一个关键挑战是需要在物理空间受限的环境中部署设备。无线通信技术通过消除对有线基础设施的依赖，大大提高了保护装置的部署灵活性和经济效益。这使得无线通信技术成为就地型配网保护系统中不可或缺的组成部分，不仅提高了系统的操作效率和可靠性，还降低了系统的总体建设和维护成本。

3.2 在远传型分布式配网保护中的应用

在远传型分布式配网保护中，无线通信技术的应用展现出其独有的价值和功能，尤其是在处理跨越广泛地理区域的数据传输和通信需求时。远传型配网保护依赖于能够从远端监测点收集数据，并将这些数据传输回中心或局部控制中心进行分析和处理，以实现对广泛电网区域的监控与保护。这种类型的配网保护对通信技术的覆盖范围和可靠性提出了更高的要求，因为任何通信中断或延迟都可能妨碍及时的故障检测和响应，进而影响到电网的稳定性和安全性。而5G 网络、卫星通信能够支持大规模的设备连接，同时保证高速数据的实时传输，对于远距离监控和控制尤为关键。通过利用5G、卫星通信等无线技术，远传型配网保护系统可以实现从远端监测点到控制中心的高效数据传输，确保故障检测、分析以及响应的实时性和准确性。此外，无线通信技术在远传型配网保护中的应用还带来了系统设计和维护的灵活性。与传统的有线通信相比，无线技术的部署更为简便和经济，特别是在难以布线或成本过高的偏远地区。这种灵活性不仅降低了配网保护系统的建设和运维成本，也加快了系统的部署速度，提高了电网对新兴挑战的适应能力。

3.3 在站域型分布式配网保护中的应用

站域型配网保护侧重于电站或变电站内部的监测和控制。数据的实时交换和处理需要依靠高速、可靠的通信技术，以确保系统的快速反应和高度自动化。无线通信技术为站域型保护提供了一种灵活且高效的通信方式。此技术的应用允许系统内设备和传感器的数据交换无须物理连接即可进行，特别适合于复杂的站内环境。传统的有线通信布线可能受到物理空间限制，或增加成本和额外的维护工作，而无线通信技术（如Wi-Fi、ZigBee 或专用的无线通信网络）可以帮助站域型配网保护系统实现更高速的数据传输和更少的延时，以保障电网状态的实时监控和快速响应能力。无线通信技术的引入进一步增加了系统的可靠性和灵活性。在电站或变电站遭受外部影响（如自然灾害、人为破坏等）时，无线通信网络相比有线网络能降低物理损害的风险，为系统的稳定运行提供更强保障。同时，无线网络的可扩展性使得系统的升级无须通过大规模的基础设施改造实现，根据需求轻松添加或重新配置传感器和设备即可。

3.4 在区域型分布式配网保护中的应用

区域型配网保护涉及多个配电区域的综合监测和不同的保护策略，为保证故障发生时能够实施有效的保护和控制措施，其对数据整合能力和跨区域的通信效率要求较高。基于多技术（5G、Wi-Fi、ZigBee 等）融合的无线通信技术，为区域型配网保护提供了一种高效的解决方案。这些无线技术支持远距离低时延和短距离高速率的数据传输，能够覆盖更为广泛的地理区域，从而实现对多个配电区域内设备和传感器的实时数据采集与通信。除此之外，基于远距离无线蜂窝通信技术的高速率特性，可以引入相应的智能算法对通信和处理的延迟进行预测，提前对保护系统的动作做针对性调整，以减少不同步问题带来的不利影响，提高系统的稳定性和可靠性。下面以区域型分布式配网为例，提出一种常用的基于LightGBM 算法的延迟预测流程。

首先，利用无线通信技术对区域型分布式配网的数据进行收集和预处理，基于数据的可视化分析揭示了数据变化的规律性，明确了用于训练模型的关键特征量，包括年份、月份、日期、星期、小时、周末及节假日等。其次，对数据进行彻底的清洗和预处理，以排除缺失或错误信息；通过对零值数据的处理，防止其干扰后续预测误差的计算。再次，特征工程环节旨在区分数值型和类别型数据。LightGBM 算法以其高速的处理能力和低内存占用而著称，特别适用于处理细粒度采样的回归问题，如延迟预测等场景。同时，其也是一种基于决策树模型的衍生算法，通过利用信息增益率或基尼指数等指标，在特征空间中进行分裂以寻找最优分裂点。由于此过程是基于阶跃式的不可导操作，且任何不影响排序结果的单调变换都不会对模型的决策过程造成干扰，因而可省略数据归一化处理过程。再者，LightGBM 算法已完成对类别特征的优化，因而无须进行One-Hot 编码。最后，利用基于Python 的datetime 库，对周一至周日相应分配0 ～6的值，同时将周末和节假日标记为1，工作日标记为0，以完成对特征的预处理。通过预处理后的特征称为特征数据，用于模型的训练和学习。区域型分布式配网的馈线自动化区域主站负责执行机器学习任务，每日向区域内的终端下发次日预测的延迟数值。终端设备则根据接收到的预测值和实际测量的延迟，通过加权调整确定自身下一时间段的故障搜索等待时间。通过这种方式，可以更精确地预测和调整系统的响应时间，进而提高电网的运行效率和可靠性，具体流程如图2 所示。