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        基于無線通信的智能分布式饋線自動化技術(shù)

        2021-06-17 07:05:24錢肖溫彥軍張文杰沃建棟黃亮亮
        電力工程技術(shù) 2021年3期
        關(guān)鍵詞:中斷報文配電

        錢肖,溫彥軍,張文杰,沃建棟,黃亮亮

        (1. 國網(wǎng)浙江省電力有限公司金華供電分公司,浙江 金華 321000;2. 上海金智晟東電力科技有限公司,上海 200233)

        0 引言

        當(dāng)前,配電網(wǎng)建設(shè)的一個重要目標(biāo)是提高供電可靠性[1],而饋線自動化 (feeder automation,FA)是提高配電網(wǎng)供電可靠性的重要技術(shù)手段。當(dāng)線路發(fā)生故障時,配電終端可自動判別、隔離故障區(qū)域,完成非故障區(qū)域供電恢復(fù)[2—5]。目前,配電終端主要采用電壓時間型、主站集中式和智能分布式3種FA模式[6—10]。隨著配電自動化建設(shè)的推進,智能分布式FA[11—14]以其配電終端間對等通信的獨特優(yōu)勢在配電網(wǎng)應(yīng)用中受到青睞。由于智能分布式FA的對等式通信對通信介質(zhì)要求高,目前主要采用基于以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)(ethernet passive optical net-work,EPON)或工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的光纖通信方式。該方式需鋪設(shè)專門的光纜通道且費用昂貴,對于老城區(qū)或舊線路改造的項目實施困難。

        目前,飛速發(fā)展的4G/5G無線通信技術(shù)具備組網(wǎng)方式簡單靈活、通信速率高、傳輸距離遠、安全可靠性高、無需鋪設(shè)專用的通信通道等優(yōu)勢,可為各類保護用電氣量、開關(guān)量以及保護信號提供一條快速、可靠的傳輸通道和授時通道[15—17]。但4G/5G無線通信技術(shù)在配電網(wǎng)現(xiàn)場應(yīng)用中存在可靠性較低、通信時延較長等缺點,因此在配電網(wǎng)保護時鮮少得到應(yīng)用。

        文中通過研究智能分布式FA故障處理過程和4G/5G無線通信情況下智能分布式FA的自適應(yīng)性,提出基于4G/5G無線通信的智能分布式FA技術(shù),實現(xiàn)故障場景下的分布式故障處理和非故障區(qū)域供電恢復(fù),為無線通信技術(shù)應(yīng)用于配電網(wǎng)保護奠定基礎(chǔ),推動配電自動化的建設(shè)進程。

        1 智能分布式FA技術(shù)原理

        智能分布式FA是一種區(qū)域自治型饋線自動化技術(shù)。當(dāng)配電線路發(fā)生故障時,相關(guān)配電終端以對等式通信進行信息交互,定位故障點、隔離故障區(qū)域、完成非故障區(qū)域的供電恢復(fù)。在智能分布式FA中,每個終端內(nèi)初始配置了相鄰節(jié)點配電終端的相關(guān)信息,構(gòu)成了配電線路的局部拓撲信息模型。當(dāng)終端上電或拓撲發(fā)生變化時,交換各自的相關(guān)信息,建立網(wǎng)絡(luò)拓撲。當(dāng)線路發(fā)生故障時,產(chǎn)生過流的開關(guān)與相鄰開關(guān)交換故障信息并各自獨立作出判斷,判定故障點位置后跳閘完成故障區(qū)域隔離,隔離成功后選擇聯(lián)絡(luò)開關(guān)恢復(fù)非故障區(qū)域的供電。

        1.1 故障處理算法

        文中建立網(wǎng)絡(luò)拓撲反映線路上的配電終端相互連接情況。當(dāng)任一節(jié)點發(fā)生故障時,線路網(wǎng)絡(luò)自動建立拓撲而無需人工操作,且增加或刪除線路中的某一終端不改變整個網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu),網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)Fig.1 Network topology

        CK1和CK2為2個變電站的出口開關(guān);KG1、KG2、KG3、KG5為線路開關(guān);KG4為聯(lián)絡(luò)開關(guān)。在線路S3段發(fā)生永久故障情況下,智能分布式FA的處理過程如下:

        (1) CK1、KG1、KG2檢測到過流信息;

        (2) CK1跳閘;

        (3) CK1一次重合閘,此時故障仍然存在,CK1再次跳閘;

        (4) KG1、KG2均檢測到線路二次過流失壓,通過相鄰開關(guān)間的故障交換,KG2發(fā)現(xiàn)KG3未檢測到故障電流,KG1檢測到故障電流,因此判定故障位置在線路S3段;KG3發(fā)現(xiàn)KG2檢測到故障電流,自身未檢測故障電流,由此判定故障位置在S3位置;

        (5) KG2、KG3跳閘;

        (6) KG3跳閘成功后請求KG4合閘恢復(fù)供電;

        (7) CK1二次重合閘,恢復(fù)故障上游供電。

        1.2 智能分布式FA局部拓撲算法

        以圖1的網(wǎng)絡(luò)拓撲為例,智能分布式FA的網(wǎng)絡(luò)拓撲建立流程如下:

        (1) 在線路中所有終端初始化完成后,根據(jù)局部拓撲模型獲取相鄰終端參數(shù)信息,包括通信地址、開關(guān)ID等。

        (2) 電源點首端開關(guān)KG1、KG5(以KG1拓撲建立方向為例進行說明)主動發(fā)送一條鏈路拓撲報文到相鄰開關(guān)。鏈路拓撲報文每間隔10 s發(fā)送,拓撲報文中包含電源點開關(guān)ID號、是否帶電、開關(guān)狀態(tài)、電源點電流冗余量和故障信息等。

        (3) KG2收到KG1拓撲報文后將首端信息更新至自身拓撲信息表中,并將自身拓撲信息表填充至拓撲報文中,發(fā)至KG3。

        (4) KG3及其他開關(guān)繼續(xù)以同樣的方式向下一級開關(guān)傳遞包含電源點信息的鏈路拓撲報文至分位開關(guān)結(jié)束。

        (5) KG4開關(guān)為分位,并具有兩側(cè)的電源點信息拓撲信息表,因此KG4為聯(lián)絡(luò)開關(guān)。KG4添加自身的聯(lián)絡(luò)信息至鏈路拓撲報文向另一側(cè)電源點傳遞,聯(lián)絡(luò)信息包含聯(lián)絡(luò)開關(guān)ID號、對側(cè)電源點ID、帶電狀態(tài)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)ID等聯(lián)絡(luò)拓撲報文依次傳遞直至末端開關(guān),最終完成整個網(wǎng)絡(luò)的拓撲。

        (6) 終端每間隔2 s檢查是否收到拓撲確認幀,若沒收到則再次重發(fā),收到拓撲報文確認后等待下一次拓撲更新。

        2 基于4G/5G無線通信的智能分布式FA

        4G/5G無線通信組網(wǎng)方式較靈活,具有部署快速、成本低、易升級和擴容的優(yōu)點,彌補了光纖通信部署難度大、維護成本高等問題。目前,4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展成熟,并已成功應(yīng)用于智能分布式FA中。5G依托于4G,同時利用高頻資源和天線陣列,大幅提升無線通信的速率。5G還通過降低信令開銷使終端更加省電,使用非正交多址技術(shù)以支持更多的終端接入。此外,5G通過對幀結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計,在時域上縮短每個子幀從而在物理層上進行時延的優(yōu)化,使時延降到更低,為對時延要求高的應(yīng)用提供基礎(chǔ)。因此,5G可以被用來在配電自動化領(lǐng)域替代光纖通信等需要大量接線的通信方式,為配電自動化的大規(guī)模應(yīng)用打下堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

        配電網(wǎng)中智能分布式FA保護控制要求響應(yīng)速度小于100 ms,其中快速報文要求控制在10 ms以內(nèi)。在4G無線通信網(wǎng)絡(luò)場景下,報文傳輸時間達不到光纖網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準,因此對快速性不做具體的要求,不大于1 s即可。未來5G網(wǎng)絡(luò)可以達到實時數(shù)據(jù)的要求,即能達到光纖網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)水平,同樣可以滿足智能分布式FA對通信網(wǎng)絡(luò)時間的要求。

        與光纖通信的有線網(wǎng)絡(luò)相比,4G/5G無線通信通道穩(wěn)定性較差。通信質(zhì)量與通信環(huán)境密切相關(guān),在配電終端間進行通信時可能會出現(xiàn)通信中斷、延時、丟包或多包等異常情況。文中針對上述問題設(shè)計了新的智能分布式FA算法,以解決配電終端間通信過程中出現(xiàn)的通信異常問題,使之能夠自適應(yīng)不同的通信信號模式或自動匹配不同的通信質(zhì)量,從而滿足基于4G/5G無線通信的配電自動化故障處理需求。

        2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

        智能分布式FA終端裝置采集處理當(dāng)?shù)卣军c及其他相關(guān)站點的測量和控制信息,完成保護控制決策及動作。裝置內(nèi)嵌4G/5G無線通信模塊與加密芯片,采用虛擬專網(wǎng)(virtual private network,VPN)技術(shù),實現(xiàn)終端之間及終端與主站之間的無線通信互聯(lián)。加密芯片內(nèi)部采用非對陣加密處理技術(shù),以確保信息的傳輸安全。在配電網(wǎng)中,每個開關(guān)或環(huán)網(wǎng)柜對應(yīng)1臺智能分布式FA終端裝置。終端通過4G/5G進行通信交互開關(guān)位置和故障狀態(tài)等信息,實現(xiàn)故障點快速準確定位。基于4G/5G無線通信的智能分布式FA系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

        圖2 基于4G/5G無線通信的智能分布式FA系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Intelligent distributed FA system architecture based on 4G/5G wireless communication

        在無線4G/5G網(wǎng)絡(luò)中,智能分布式FA終端通過工業(yè)級無線路由器進入無線網(wǎng)絡(luò)。采用VPN專網(wǎng)技術(shù)保證保護數(shù)據(jù)的安全傳輸,VPN專網(wǎng)通過虛擬的安全通道和用戶內(nèi)部的用戶網(wǎng)絡(luò)進行連接,使公共網(wǎng)絡(luò)上的用戶無法訪問用戶網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的資源。VPN專網(wǎng)內(nèi)所有終端獲取的IP地址均唯一,在VPN網(wǎng)絡(luò)里面所有終端可互相訪問。由于VPN在物理上仍然屬于公網(wǎng),因此為保證網(wǎng)絡(luò)拓撲保護中的數(shù)據(jù)安全可靠傳輸,智能控制終端在應(yīng)用層加入非対稱加密算法進行密文傳輸。

        為保證FA動作過程的安全性,各個開關(guān)的動作之間有嚴格的時序和邏輯要求,這就要求各終端間通信時間指標(biāo)與動作信號傳遞時間指標(biāo)之間必須嚴密配合。對于4G/5G無線通信可能出現(xiàn)的通信中斷、通信延時與丟包、通信多包等異常情況,文中采用應(yīng)用層協(xié)議控制與故障處理流程相結(jié)合的方法,通過應(yīng)用層的超時重發(fā)、幀排序、瀏覽控制等協(xié)議控制手段與智能分布式FA故障處理流程相結(jié)合,實現(xiàn)終端之間通信的時間指標(biāo)嚴密配合,保證智能分布式FA動作過程的安全性。

        2.2 通信中斷處理

        在已知線路拓撲條件下,當(dāng)線路開關(guān)有1臺發(fā)生通信中斷時,相鄰終端越過此開關(guān),通過拓撲模型獲取下一級開關(guān)參數(shù)。根據(jù)開關(guān)參數(shù)中IP地址與下一級進行通信,更新自身的拓撲信息,并主動向下一級開關(guān)發(fā)送最新的拓撲鏈接報文。當(dāng)下一級開關(guān)收到最新拓撲報文后,回復(fù)確認,更新自身的拓撲結(jié)構(gòu)以及相鄰開關(guān)的信息。更新完成后通過拓撲模型獲取下一級開關(guān)參數(shù),根據(jù)開關(guān)參數(shù)中IP地址與下一級進行通信,直至末端整個拓撲信息完成更新。

        基于無線通信的智能分布式FA線路開關(guān)發(fā)生通信中斷后處理流程如圖3所示。

        圖3 主開關(guān)發(fā)生通信中斷處理流程Fig.3 Flow chart of communication interruption processing of main switch

        以圖1為例,如KG3發(fā)生通信中斷,則處理流程為:

        (1) KG2發(fā)現(xiàn)與KG3通信中斷后越過KG3,KG2通過自描述模型獲取KG4參數(shù),根據(jù)KG4參數(shù)中IP地址與KG4進行通信,并更新自身的拓撲信息。

        (2) KG2主動向KG4發(fā)送最新拓撲連接報文,當(dāng)KG4收到最新拓撲報文后,回復(fù)確認,并更新自身的拓撲結(jié)構(gòu)及相鄰開關(guān)的信息。

        (3) KG4更新完成后通過自描述模型獲取KG5參數(shù),根據(jù)KG5參數(shù)中IP地址即可與KG5進行通信,直至末端整個拓撲信息完成更新。

        線路發(fā)生故障時通信中斷,如圖4所示。

        圖4 線路通信中斷示例Fig.4 Example of line communication interruption

        故障處理流程為:

        (1) 在通信中斷處理過程中,KG2、KG4之間直接建立連接,KG3從網(wǎng)絡(luò)拓撲中刪除。

        (2)S3、S4線路合并為1條線路,當(dāng)故障發(fā)生在S3、S4段,則擴大隔離區(qū)域,KG2跳閘,KG4為聯(lián)絡(luò)無需跳閘。

        2.3 通信延時與丟包處理

        網(wǎng)絡(luò)延時是影響無線網(wǎng)絡(luò)通信性能的主要原因之一。網(wǎng)絡(luò)延時嚴重及丟包率高和通信中斷之間既有相同也有不同之處。相同點是終端與終端之間無法有效地進行數(shù)據(jù)交互;不同點是網(wǎng)絡(luò)延時與丟包具有時間段的特性,即特定時間段出現(xiàn)通信質(zhì)量下降,這種通信異常是可恢復(fù)的,而通信中斷是不可恢復(fù)的。針對網(wǎng)絡(luò)延時與丟包等通信異常情況,文中采用基于應(yīng)用層協(xié)議控制與故障處理流程相結(jié)合的方法進行處理。

        線路正常運行時,每個開關(guān)通過給相鄰開關(guān)發(fā)送拓撲報文和接收應(yīng)答報文的時隙評價各個相鄰開關(guān)的通信質(zhì)量Q,計算公式為:

        Q=R/S

        (1)

        式中:R為最近拓撲報文在時間T內(nèi)收到應(yīng)答的次數(shù);S為用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)對通信質(zhì)量的敏感程度的參數(shù),通常S=20。

        當(dāng)Q小于最小值Qmin或大于最大值Qmax時,動態(tài)更新時間T。如果Q>Qmax,T縮小10%,如果Q

        圖5 狀態(tài)轉(zhuǎn)移Fig.5 State transition

        當(dāng)線路發(fā)生故障時,報文發(fā)送裝置根據(jù)時間T設(shè)定詢問報文等待最大時限,大于時間T未接收到應(yīng)答報文則重發(fā)詢問報文。

        2.4 通信多包處理

        針對無線通信中收到重復(fù)報文的問題,系統(tǒng)采用“重名丟棄”的處理方法。具體處理辦法:羅列系統(tǒng)中的所有報文,給每條報文獨立的“ID號”。當(dāng)裝置收到第1條報文后在裝置中記錄其“ID號”,如果在一段時間內(nèi)收到相同的報文則選擇丟棄且不發(fā)送應(yīng)答報文,多包處理流程如圖6所示。

        圖6 多包處理流程Fig.6 Multi-packet processing

        3 測試與驗證

        3.1 模擬多場景測試

        選擇3種不同的場地搭建測試場景,部署5臺智能分布式FA終端,所有終端都已實現(xiàn)基于無線通信的智能分布式FA技術(shù),FA終端之間通過4G通信,每臺FA終端連接1臺測試儀,如圖7所示。

        圖7 測試配電網(wǎng)絡(luò)Fig.7 The distribution network for testing

        首先,采用測試儀模擬正常三遙數(shù)據(jù),分別通過后臺監(jiān)控軟件查看終端自身數(shù)據(jù)以及其他終端交互信息,測試無線通信速率和通信穩(wěn)定性;其次,采用終端測試儀模擬S1段故障情況,將生成的故障通過測試儀注入到各臺FA終端中進行驗證,線路設(shè)置為首開關(guān)KG2一次重合閘失敗后啟動FA,記錄故障處理結(jié)果和故障隔離時間。為了更有效地衡量通信對故障處理過程的影響,故障隔離時間不計入首開關(guān)跳閘和重合閘的時間,選擇從首開關(guān)KG1重合閘失敗(第二次跳閘后)到故障區(qū)段隔離完成的時間。3種不同的測試場景為:

        (1) 空曠場景。選擇一塊空曠的場地依次放置5臺FA終端,相鄰終端之間距離大約為1~2 km,用來模擬信號正常情況;

        (2) 帶建筑物場景。選擇有建筑物的場地放置5臺FA終端,終端的位置與空曠場景大致相同,用來模擬信號有遮擋情況;

        (3) 含地下室場景。在空曠場景的基礎(chǔ)上,將FA終端2和測試儀2放置于地下室內(nèi),用來模擬信號差情況。

        測試結(jié)果如表1所示。根據(jù)表1的測試結(jié)果可知,在空曠場景、帶建筑物場景、含地下室場景中,4G無線通信速率和通信穩(wěn)定性依次降低,表明環(huán)境對4G無線通信的影響較大。含地下室場景的通信質(zhì)量最差,出現(xiàn)通信延時等異常情況。在3種場景中,故障處理時間依次增加,證明4G通信環(huán)境逐次惡劣,而故障均能成功被處理則表明文中算法能適應(yīng)不同的4G通信條件。

        表1 多場景測試結(jié)果Table 1 Test results for three types of scenarios

        3.2 現(xiàn)場應(yīng)用

        在國內(nèi)某條配電線路安裝承載文中算法的FA終端,并已完成現(xiàn)場測試,投入運行。現(xiàn)場目前采用4G通信方式,后期隨著5G的發(fā)展可替換為5G通信,現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)情況如表2所示。

        表2 現(xiàn)場運行情況Table 2 On-site operation

        現(xiàn)場運行結(jié)果表明,發(fā)生故障時FA終端均能正確定位故障,故障隔離時間均小于1 s,并能準確完成非故障區(qū)域的恢復(fù)供電,驗證了文中基于4G/5G無線通信的智能分布式FA技術(shù)的有效性。

        4 結(jié)論

        文中提出了基于4G/5G無線通信的智能分布式FA技術(shù),分別針對通信中斷、通信延時與丟包、通信多包3種通信異常情況進行算法設(shè)計,采用應(yīng)用層協(xié)議控制與故障處理流程相結(jié)合的方法,實現(xiàn)故障快速準確隔離與非故障區(qū)域恢復(fù)。文中選取多種不同場景測試4G/5G無線通信效果和智能分布式FA故障處理效果,并進行了測試與試運行,驗證了文中方法的有效性。

        本文得到國網(wǎng)浙江省電力有限公司金華供電分公司科技項目“基于4G/5G無線通信的智能分布式FA研究與應(yīng)用”資助,謹此致謝!

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