李振興,吳昊宇,程兆林,王秋杰

(三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院, 湖北 宜昌443002)

0 引言

隨著“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)加速落實(shí),配網(wǎng)分布式電源(Distributed generation,DG)接入比例逐年增加,不僅改變了配網(wǎng)結(jié)構(gòu),而且使其運(yùn)行方式也發(fā)生了很大的變化[1]。配網(wǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘣淳W(wǎng)絡(luò),系統(tǒng)中潮流流向轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘞蛄鲃?dòng)[2],基于單點(diǎn)信息測(cè)量的傳統(tǒng)配電網(wǎng)故障區(qū)段定位方法的準(zhǔn)確率低[3]。因此,研究適合分布式電源接入的故障定位方法已成為亟待解決的問(wèn)題。

文獻(xiàn)[4]提出一種新型矩陣算法,在多電源供電和存在畸變丟失信息情況下可以準(zhǔn)確定位。文獻(xiàn)[5-6]基于故障輔助因子建模,采用線性整數(shù)規(guī)劃方法構(gòu)建了非邏輯運(yùn)算的開(kāi)關(guān)函數(shù),但不具備多重故障辨識(shí)的強(qiáng)適應(yīng)性。文獻(xiàn)[7-8]采用的粒子群算法(Particle swarm optimization,PSO)具有搜索速度快、收斂性好的特點(diǎn),并引入模擬退火算法,可在DG接入配電網(wǎng)下的多電源多重故障下進(jìn)行準(zhǔn)確定位。現(xiàn)代電力系統(tǒng)中,配電系統(tǒng)面臨著沒(méi)有統(tǒng)一的高效、可靠、低時(shí)延的通信標(biāo)準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備間信息互通互聯(lián)等問(wèn)題[9]。文獻(xiàn)[10-11]對(duì)配電網(wǎng)區(qū)域故障快速處理終端進(jìn)行分層,在基域內(nèi)通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)通道共享信息,實(shí)現(xiàn)故障定位。文獻(xiàn)[12-13]提出采樣點(diǎn)插值同步法,解決了多端線路保護(hù)數(shù)據(jù)同步問(wèn)題。5G具有大帶寬、廣連接、低時(shí)延、高可靠的特性[14],結(jié)合配網(wǎng)分布廣、站點(diǎn)多的特點(diǎn),有助于提高配電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?進(jìn)而提高配電網(wǎng)故障定位效率,具有良好的應(yīng)用前景。

基于此,本文以新能源接入配網(wǎng)下的故障信息傳輸與區(qū)段定位為切入點(diǎn),探討5G網(wǎng)絡(luò)在智能電網(wǎng)區(qū)段定位中的應(yīng)用,提出以配網(wǎng)斷路器為邊界進(jìn)行區(qū)域劃分,依據(jù)區(qū)域邊界電源接入情況對(duì)區(qū)域進(jìn)行分類(lèi)。針對(duì)區(qū)域特性采用不同的通信架構(gòu),構(gòu)建簡(jiǎn)單且適用于分區(qū)區(qū)段定位的開(kāi)關(guān)函數(shù)和適應(yīng)度函數(shù),提出了利用二進(jìn)制粒子群(Binary particle swarm optimizers,BPSO)[15]與遺傳算法(Genetic algorithm,GA)[16]結(jié)合的二進(jìn)制粒子群-遺傳算法(BPSO-GA)進(jìn)行區(qū)段定位。利用雙種群進(jìn)化和信息交換策略對(duì)含DG配網(wǎng)故障區(qū)段定位數(shù)學(xué)模型求解,提高了全局收斂性,改善了粒子群算法易陷入局部最優(yōu)解的缺陷,從而提高了含DG配網(wǎng)區(qū)段定位的準(zhǔn)確性和快速性、可靠性。

1 區(qū)段定位角度下的5G通信架構(gòu)

1.1 新能源接入對(duì)配網(wǎng)區(qū)段定位的影響

傳統(tǒng)的輻射型配網(wǎng),在系統(tǒng)發(fā)生相間短路時(shí),故障點(diǎn)上游各測(cè)量點(diǎn)均有較大的短路電流,故障點(diǎn)下游不含短路電流。基于此特征,系統(tǒng)根據(jù)各測(cè)量點(diǎn)FTU上傳電流信息或者過(guò)流元件動(dòng)作信息,很容易判別故障區(qū)段。在DG接入配網(wǎng)后,區(qū)段定位受其接入位置、容量、運(yùn)行方式等因素的影響,傳統(tǒng)定位的比電流大小或者僅僅判別有無(wú)電流的方法很難適應(yīng)。需要分析新能源接入的配網(wǎng)特點(diǎn),以便有針對(duì)性地提出故障定位原理。

1.1.1 接入位置的影響

對(duì)于配電網(wǎng),DG很難集中接入配電始端(與傳統(tǒng)配網(wǎng)電流一致),而是大多采用分布式接入方式。以DG接入線路中間位置為例,在接入位置上游故障時(shí),上游所有測(cè)量點(diǎn)均可以感受到故障電流,即有無(wú)電流判據(jù)失效。在接入位置下游故障時(shí),DG提供助增電流,傳統(tǒng)電流保護(hù)整定困難,判據(jù)不可靠。

1.1.2 容量的影響

DG的單機(jī)容量一般不大,但隨著滲透率增大,多DG提供的短路電流影響較大,非故障支路對(duì)故障點(diǎn)提供的短路電流足以啟動(dòng)非故障支路的保護(hù)判據(jù),極易引起誤判。

1.1.3 運(yùn)行方式的影響

新能源發(fā)電受陽(yáng)光、風(fēng)力等影響,DG很難穩(wěn)定輸出,在不同時(shí)段運(yùn)行方式存在較大波動(dòng)性,而在此期間,配電線路電流流向并不固定,即使在線路同一位置發(fā)生相同類(lèi)型故障,線路的電流發(fā)生反向也屬正?，F(xiàn)象,基于傳統(tǒng)單端電流/電壓信息的故障定位方法將失效。

綜上,新能源接入配網(wǎng)后,線路的電流大小、方向均不是固定的,即使相同故障,各測(cè)量點(diǎn)反應(yīng)也不同。配電線路根據(jù)DG接入情況,各FTU不僅需要測(cè)量電流大小,很大程度上還需要測(cè)量方向信息。

1.2 面向區(qū)段定位的配網(wǎng)分區(qū)與斷路器分類(lèi)

為了將故障限制在較小范圍內(nèi),提升供電可靠性,配網(wǎng)斷路器一般配置原則為:主干線路上,長(zhǎng)度小于30 km的線路宜裝設(shè)2臺(tái)斷路器實(shí)現(xiàn)三分段,長(zhǎng)度大于30 km的線路宜裝設(shè)3臺(tái)斷路器實(shí)現(xiàn)四分段;分支線路首端安裝斷路器,長(zhǎng)度超過(guò)10 km時(shí)根據(jù)用戶(hù)數(shù)量裝設(shè)1臺(tái)斷路器實(shí)現(xiàn)兩分段。

配網(wǎng)呈現(xiàn)多分支結(jié)構(gòu),某些區(qū)段故障不會(huì)對(duì)整個(gè)配網(wǎng)造成影響,將所有節(jié)點(diǎn)信息統(tǒng)一傳輸至集中處理中心易造成網(wǎng)絡(luò)擁塞。為有效解決此問(wèn)題,以斷路器和聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)為邊界劃分區(qū)域。

Ⅰ類(lèi)區(qū)域:區(qū)域上游有系統(tǒng)電源,區(qū)域下游有等效電源,區(qū)域中部存在T型接入的DG,該類(lèi)型區(qū)域需要獲取節(jié)點(diǎn)短路電流方向信息才能確定故障區(qū)段。Ⅱ類(lèi)區(qū)域:區(qū)域上游有系統(tǒng)電源,區(qū)域下游只有負(fù)荷,區(qū)域中部沒(méi)有DG接入,該類(lèi)型區(qū)域僅需獲取節(jié)點(diǎn)過(guò)流信息就能確定故障區(qū)段。如圖1所示,r1為Ⅰ類(lèi)區(qū)域,r2、r3、r4、r5為Ⅱ類(lèi)區(qū)域。

圖1 斷路器配置與分區(qū)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of circuit breaker configuration and partition

主斷路器:連接系統(tǒng)電源的斷路器稱(chēng)為主斷路器,每個(gè)區(qū)域僅有一個(gè)主斷路器。節(jié)點(diǎn)1與系統(tǒng)電源連接,則節(jié)點(diǎn)1處的斷路器稱(chēng)為主斷路器。

輔斷路器:除主斷路器外的所有斷路器稱(chēng)為輔斷路器,節(jié)點(diǎn)5、9、12處的斷路器稱(chēng)為輔斷路器。

1.3 5G網(wǎng)絡(luò)與區(qū)段定位通信需求分析

5G網(wǎng)絡(luò)由接入網(wǎng)、承載網(wǎng)和核心網(wǎng)等3部分組成。5G網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)和時(shí)延分布如圖2所示。

圖2 5G通信結(jié)構(gòu)與延時(shí)分布圖Fig. 2 5G communication structure and delay distribution

由圖2可知,5G端到端時(shí)延一般小于45 ms,滿(mǎn)足區(qū)段定位的要求。區(qū)段定位的允許信號(hào)、閉鎖信號(hào)或跳閘信號(hào),都屬于邏輯信號(hào),信息量小。本文區(qū)段定位算法僅利用節(jié)點(diǎn)短路電流信息,量化后取2個(gè)字節(jié)[17]。

1.4 5G網(wǎng)絡(luò)切片與邊緣計(jì)算

5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)就是對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行切片化處理,將一個(gè)整體切分為接入網(wǎng)子切片、承載網(wǎng)子切片和核心網(wǎng)子切片。有超高可靠性超低時(shí)延(Ultra-reliable low-latency communication,uRLLC)和海量機(jī)器通信(Massive machine type of communication,mMTC)。uRLLC切片具有低時(shí)延高可靠性特點(diǎn),mMTC切片具有低功耗、高容量特點(diǎn)。切片技術(shù)能在一個(gè)平臺(tái)上構(gòu)建多個(gè)具有特定能力的網(wǎng)絡(luò),滿(mǎn)足行業(yè)差異化需求,具備按需定制特性的邏輯網(wǎng)絡(luò)[18]。

邊緣計(jì)算是指在數(shù)據(jù)源一側(cè),采用網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算等核心能力的一體化開(kāi)放平臺(tái),就近直接提供最近端服務(wù)。在網(wǎng)絡(luò)邊緣處理數(shù)據(jù),無(wú)需核心網(wǎng)中轉(zhuǎn),滿(mǎn)足業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)性需求,減少核心網(wǎng)流量壓力;核心網(wǎng)能力下放,構(gòu)成的邊緣計(jì)算系統(tǒng),可有效避免單點(diǎn)受損導(dǎo)致業(yè)務(wù)中斷的問(wèn)題。

1.5 通信架構(gòu)的構(gòu)建

基于網(wǎng)絡(luò)切片、邊緣計(jì)算在通信中的特性和用途,結(jié)合配電終端距離特征、光纖接入、基站覆蓋范圍,提出了3種區(qū)段定位信息交互架構(gòu)。

1.5.1 常規(guī)區(qū)段定位數(shù)據(jù)交互架構(gòu)

如圖3所示,保護(hù)裝置數(shù)據(jù)流經(jīng)過(guò)5G CPE進(jìn)入接入網(wǎng),再經(jīng)過(guò)承載網(wǎng)到達(dá)核心網(wǎng),根據(jù)核心網(wǎng)的解析,數(shù)據(jù)再經(jīng)過(guò)承載網(wǎng)、接入網(wǎng)傳輸至對(duì)端保護(hù)裝置。此方案中,區(qū)段定位數(shù)據(jù)流可能經(jīng)過(guò)相同的承載網(wǎng)設(shè)備和接入網(wǎng)設(shè)備,造成端到端時(shí)延較大。

1.5.2 承載網(wǎng)部署邊緣計(jì)算與核心網(wǎng)網(wǎng)元下放架構(gòu)

如圖4所示,該架構(gòu)將核心網(wǎng)中與時(shí)延、可靠性密切相關(guān)的網(wǎng)元下放到承載網(wǎng)中,利用承載網(wǎng)計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)資源構(gòu)建邊緣計(jì)算點(diǎn),由保護(hù)裝置發(fā)出的區(qū)段定位數(shù)據(jù)由接入網(wǎng)進(jìn)入承載網(wǎng)后,再經(jīng)接入網(wǎng)進(jìn)入對(duì)端保護(hù)裝置,與架構(gòu)1相比,少了承載網(wǎng)至核心網(wǎng)傳輸步驟,有利于降低時(shí)延。

圖4 承載網(wǎng)部署邊緣計(jì)算與核心網(wǎng)網(wǎng)元下放架構(gòu)Fig. 4 Bearer network deployment edge computing and core network element delegation architecture

1.5.3 接入網(wǎng)部署邊緣計(jì)算與核心網(wǎng)網(wǎng)元下放架構(gòu)

如圖5所示,該架構(gòu)將核心網(wǎng)中與時(shí)延、可靠性密切相關(guān)的網(wǎng)元進(jìn)一步下放到接入網(wǎng)中,利用接入網(wǎng)計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)資源構(gòu)建邊緣計(jì)算點(diǎn),保護(hù)裝置發(fā)出的區(qū)段定位數(shù)據(jù)由接入網(wǎng)中轉(zhuǎn)后,直接進(jìn)入對(duì)端保護(hù)裝置。該架構(gòu)減少了承載網(wǎng)和核心網(wǎng)的逐級(jí)傳輸,時(shí)延進(jìn)一步降低。

圖5 接入網(wǎng)部署邊緣計(jì)算與核心網(wǎng)網(wǎng)元下放架構(gòu)Fig. 5 Access network deployment edge computing and core network element delegation architecture

2 適應(yīng)新能源接入配網(wǎng)的區(qū)段定位技術(shù)

2.1 區(qū)域故障判別原理

1.2節(jié)提出了區(qū)域分類(lèi)方法,Ⅰ類(lèi)區(qū)域采用主斷路器過(guò)流保護(hù)啟動(dòng)—故障區(qū)域判定—區(qū)段定位的三步定位方法,Ⅱ類(lèi)區(qū)域采用主斷路器過(guò)流保護(hù)啟動(dòng)—區(qū)段定位的兩步定位方法。

電流方向規(guī)定:以系統(tǒng)電源作為供電起點(diǎn),負(fù)荷端、DG、聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)作為供電終點(diǎn),電流正方向?yàn)楣╇娖瘘c(diǎn)指向供電終點(diǎn)。

線路發(fā)生故障后,節(jié)點(diǎn)各相短路電流有3種可能情況,按式(1)對(duì)節(jié)點(diǎn)各相電流信息編碼:

(1)

區(qū)域內(nèi)部發(fā)生故障時(shí),短路電流經(jīng)主斷路器節(jié)點(diǎn)流向區(qū)域內(nèi)部,主斷路器節(jié)點(diǎn)短路電流方向與規(guī)定的一致,即:

(2)

式中:Mi為主斷路器節(jié)點(diǎn)i相短路電流編碼。

輔斷路器節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到反向故障電流或未檢測(cè)到短路電流時(shí),需將電流信息編碼變換為1;輔斷路器節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到正向故障電流,需將電流信息編碼變換為0。輔斷路器節(jié)點(diǎn)信息變換如下:

(3)

各相的區(qū)域故障判據(jù)如式(4)所示:

(4)

E=EA∪EB∪EC,

(5)

式中:符號(hào)“∩”、“∪”表示邏輯與、或運(yùn)算;p表示區(qū)域輔斷路器個(gè)數(shù);E的值取決于公式(4)的計(jì)算結(jié)果,E=1表示區(qū)域內(nèi)有故障,E=0表示區(qū)域內(nèi)無(wú)故障。

2.2 區(qū)段故障定位原理

傳統(tǒng)區(qū)段定位方法以整個(gè)配網(wǎng)作為研究對(duì)象,構(gòu)建的開(kāi)關(guān)函數(shù)較復(fù)雜,分區(qū)后可構(gòu)建簡(jiǎn)單且適用于分區(qū)區(qū)段定位的開(kāi)關(guān)函數(shù),提升求解速度。

Ⅰ類(lèi)區(qū)域需測(cè)量短路電流方向,Ⅱ類(lèi)區(qū)域只需檢測(cè)節(jié)點(diǎn)是否過(guò)流即可,節(jié)點(diǎn)編碼如式(6)所示:

(6)

Ⅰ類(lèi)區(qū)域和Ⅱ類(lèi)區(qū)域,區(qū)段狀態(tài)只有正常和故障兩種形態(tài),區(qū)段編碼式(7)所示:

(7)

文獻(xiàn)[19]以整個(gè)配網(wǎng)作為研究對(duì)象,節(jié)點(diǎn)j作為參考點(diǎn),充分考慮節(jié)點(diǎn)j上下游電源數(shù)量與投切情況,構(gòu)建了式(8)所示開(kāi)關(guān)函數(shù):

(8)

式中:X和Y分別表示節(jié)點(diǎn)j上游和下游電源數(shù)目;V和U分別表示節(jié)點(diǎn)j上游和下游區(qū)段數(shù);Ku和Kd分別表示節(jié)點(diǎn)j上、下游電源投切情況,電源投入時(shí)取1,反之取0;Sj,su和Sj,sd分別表示節(jié)點(diǎn)j至上游電源Su的區(qū)段狀態(tài)和下游電源Sd的區(qū)段狀態(tài);Sj,u和Sj,d表示節(jié)點(diǎn)j所有供電路徑上游區(qū)段狀態(tài)和節(jié)點(diǎn)j所有供電路徑下游區(qū)段狀態(tài)。

式(8)通過(guò)單一開(kāi)關(guān)函數(shù)概括所有情況,函數(shù)較復(fù)雜,求解速度慢,可依據(jù)不同區(qū)域類(lèi)型簡(jiǎn)化開(kāi)關(guān)函數(shù)。

(1)Ⅰ類(lèi)區(qū)域上游接系統(tǒng)電源,下游電源情況受DG投入影響,可將式(8)簡(jiǎn)化為:

(9)

(2)Ⅱ類(lèi)區(qū)域上游接系統(tǒng)電源,下游無(wú)電源,可將式(8)簡(jiǎn)化為:

(10)

根據(jù)開(kāi)關(guān)函數(shù)構(gòu)造出適應(yīng)度函數(shù)如式(11)所示:

f(n)=2P-

(11)

式中:f(n)表示第n個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度值;P為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù);η為權(quán)系數(shù),常設(shè)為0.5;含有η的一項(xiàng)表示權(quán)系數(shù)與所有區(qū)段狀態(tài)編碼之和的乘積,可以避免出現(xiàn)一值多解的情況。

相間短路故障相由文獻(xiàn)[20]所述,故障選相方法確定。利用所得到的開(kāi)關(guān)狀態(tài)編碼,采用BPSO-GA算法將搜索出所有可能發(fā)生故障的區(qū)段線路個(gè)體解空間,并從中選取最優(yōu)解。其中,適應(yīng)度函數(shù)求解過(guò)程就是尋找使式(11)的值達(dá)到最大個(gè)體解的過(guò)程,個(gè)體解的對(duì)應(yīng)線路就是故障區(qū)段線路。

2.3 BPSO-GA算法定位流程

BPSO算法則將粒子每一維的狀態(tài)限制為0或1,來(lái)實(shí)現(xiàn)粒子群算法的二進(jìn)制化處理,提高了初始種群質(zhì)量,有較好的全局收斂性。BPSO算法的速度和位置迭代公式如式(12)和式(13)所示:

(12)

(13)

遺傳算法(GA)基本操作包含適應(yīng)度線性排序、選擇、交叉、變異、重插入。線性排序采用式(14)將適應(yīng)度值f控制在[0,2]之間,

(14)

式中:N為種群個(gè)體數(shù);pos為個(gè)體根據(jù)目標(biāo)值大小在種群中的排序位置;sp為最佳個(gè)體選中概率與平均選中概率的比值,該排序方法實(shí)現(xiàn)了比例適應(yīng)度計(jì)算的均勻尺度變換。

綜合BPSO和GA在自適應(yīng)迭代參數(shù)上的特點(diǎn),以BPSO算法為主體,在其中融入GA算法,對(duì)BPSO算法的全局和最優(yōu)個(gè)體進(jìn)行變異操作,再對(duì)變異前后的個(gè)體進(jìn)行隨機(jī)交叉得到新的種群。為了確保算法的全局收斂并盡可能多地遺傳良好個(gè)體到下一代,BPSO-GA算法采用了最優(yōu)解保存策略實(shí)現(xiàn)優(yōu)勝劣汰,降低交叉、變異操作帶來(lái)的隨機(jī)性影響。兩種算法優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),并通過(guò)信息交換策略使得進(jìn)化過(guò)程中每一代的信息能在兩個(gè)群體間傳遞共享,并利用最優(yōu)信息同步進(jìn)化。算法的粒子群最優(yōu)粒子的位置作為算法的輸出,即故障區(qū)段。

3 基于5G通信的區(qū)段定位實(shí)現(xiàn)方式

3.1 適用于Ⅰ類(lèi)分區(qū)的通信實(shí)現(xiàn)方式

Ⅰ類(lèi)區(qū)域采用三步定位方法,將主斷路器節(jié)點(diǎn)設(shè)為信息處理中心。第一步主斷路器過(guò)流保護(hù)啟動(dòng)信息屬于就地信息,無(wú)需考慮信息傳輸問(wèn)題。第二步區(qū)域故障判據(jù)需使用輔斷路器信息,輔斷路器信息越快上傳至主斷路器越好。第三步區(qū)段定位,區(qū)域判定會(huì)有一定的延時(shí),且區(qū)域判定為故障區(qū)域才會(huì)執(zhí)行區(qū)段定位算法確定故障區(qū)段,此步驟相關(guān)節(jié)點(diǎn)信息上傳對(duì)實(shí)時(shí)性的要求不高。

1.4節(jié)分析了uRLLC切片具有低時(shí)延高可靠性的特性,符合輔斷路器信息快速上傳需求。mMTC切片具有低功耗大容量特性,滿(mǎn)足負(fù)荷開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)信息上傳需求。核心網(wǎng)網(wǎng)元和邊緣計(jì)算能力下放至承載網(wǎng),可有效降低時(shí)延?；谏鲜龇治?提出圖6所示的Ⅰ類(lèi)區(qū)域區(qū)段定位通信架構(gòu)。

圖6 Ⅰ類(lèi)區(qū)域區(qū)段定位通信架構(gòu)Fig. 6 Class I area segment positioning communication architecture

圖6所示區(qū)域,節(jié)點(diǎn)1為主斷路器,節(jié)點(diǎn)5、9、12為輔斷路器,采用uRLLC切片傳輸信息,雙向箭頭表示故障信息上傳與斷路器合閘信息下傳;節(jié)點(diǎn)2、3、4為負(fù)荷開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn),對(duì)時(shí)延無(wú)特殊需求,采用mMTC切片傳輸信息,單向箭頭表示上傳故障信息。

3.2 適用于Ⅱ類(lèi)分區(qū)的通信實(shí)現(xiàn)方式

相較于Ⅰ類(lèi)區(qū)域,Ⅱ類(lèi)區(qū)域無(wú)需進(jìn)行區(qū)域故障判別。因此,Ⅱ類(lèi)區(qū)域可采用mMTC切片傳輸負(fù)荷開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)信息?；诖?提出圖7所示的Ⅱ類(lèi)區(qū)域區(qū)段定位通信架構(gòu)。圖7所示區(qū)域,節(jié)點(diǎn)1為主斷路器,節(jié)點(diǎn)2、3、4、5為負(fù)荷開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn),對(duì)時(shí)延無(wú)特殊需求,采用mMTC切片傳輸信息,單向箭頭表示上傳故障信息。

圖7 Ⅱ類(lèi)區(qū)域區(qū)段定位通信架構(gòu)Fig. 7 Class Ⅱ area segment location communication architecture

3.3 區(qū)段定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式

根據(jù)不同的區(qū)域特性,采用不同的區(qū)段定位方法,在保證準(zhǔn)確性的前提下,最大程度減少停電時(shí)間與故障定位所需的時(shí)間。Ⅰ、Ⅱ類(lèi)區(qū)域的區(qū)段定位流程圖如圖8所示。

圖8 故障區(qū)段定位流程圖Fig. 8 Flowchart of locating the fault section

4 算例分析

為了論證所提通信方式與區(qū)段定位方法的優(yōu)勢(shì),結(jié)合1.1節(jié),以改進(jìn)的IEEE119節(jié)點(diǎn)配網(wǎng)圖為基礎(chǔ),得到圖9所示斷路器配置與分區(qū)示意圖。

圖9 斷路器配置與分區(qū)示意圖Fig. 9 Schematic diagram of circuit breaker configuration and partition

DG全部投入運(yùn)行時(shí),各區(qū)域斷路器節(jié)點(diǎn)及類(lèi)型如表1所示。該配網(wǎng)共被分為15個(gè)區(qū)域,區(qū)域r1、r3、r8、r13屬于Ⅰ類(lèi)區(qū)域,區(qū)域r2、r4、r5、r6、r7、r9、r10、r11、r12、r14、r15屬于Ⅱ類(lèi)區(qū)域。

表1 各區(qū)域斷路器節(jié)點(diǎn)及類(lèi)型Tab. 1 Circuit breaker nodes and types in each area

4.1 不同通信方式的時(shí)延測(cè)試

1.3節(jié)分析了區(qū)段定位算法利用節(jié)點(diǎn)短路電流信息數(shù)據(jù)量,因此在此數(shù)據(jù)量所需的帶寬下測(cè)試不同5G通信架構(gòu)傳輸故障數(shù)據(jù)的時(shí)延,并與4G的傳輸時(shí)延作對(duì)比分析。表2統(tǒng)計(jì)了每種數(shù)據(jù)量測(cè)試1000次的時(shí)延情況。由統(tǒng)計(jì)結(jié)果知,5G獨(dú)立組網(wǎng)模式下平均時(shí)延遠(yuǎn)小于4G通信模式,且相比于架構(gòu)1,架構(gòu)2和3擁有更低的通信時(shí)延。

表2 端到端時(shí)延統(tǒng)計(jì)Tab. 2 End-to-end latency statistics

4.2 兩相短路算例分析

DG全部投入運(yùn)行時(shí),如圖9所示,假設(shè)區(qū)域r8中節(jié)點(diǎn)70與節(jié)點(diǎn)71之間的區(qū)段S1發(fā)生AB相間短路故障,斷路器節(jié)點(diǎn)短路電流信息編碼如表3所示。

表3 AB相間短路斷路器節(jié)點(diǎn)短路電流信息編碼Tab. 3 Short circuit current information coding of AB phase short circuit breaker node

4.2.1 Ⅰ類(lèi)區(qū)域區(qū)段定位分析

由表1、表3知,區(qū)域r1、r3、r8、r13對(duì)應(yīng)主斷路器節(jié)點(diǎn)[1 10 66 3]的A相和B相的短路電流信息編碼均為[1 -1 1 -1]。區(qū)域r3、r13主斷路器A相和B相的短路電流信息編碼均為[-1 -1],主斷路器電流保護(hù)未啟動(dòng),不執(zhí)行故障區(qū)域判據(jù)和區(qū)段定位算法。區(qū)域r1、r8的區(qū)段定位過(guò)程如下:

(1)區(qū)域r1區(qū)段定位過(guò)程:首先節(jié)點(diǎn)1的電流信息編碼為1,主斷路器過(guò)流保護(hù)啟動(dòng);而后啟動(dòng)故障區(qū)域判據(jù);

如圖10所示,實(shí)線方框中,最左列表示主斷路器節(jié)點(diǎn)與電流信息編碼,其余列表示輔斷路器節(jié)點(diǎn)與電流信息編碼。

圖10 AB相間短路下區(qū)域r1區(qū)域故障判據(jù)分析Fig. 10 Analysis of r1 fault criterion under AB phase short circuit

區(qū)域r1主斷路器節(jié)點(diǎn)A相電流信息編碼由式(2)變換后為1;輔斷路器節(jié)點(diǎn)[3 10 66 92]的短路電流信息編碼為[-1 -1 1 0],經(jīng)式(3)變換后為[1 1 0 1]。斷路器節(jié)點(diǎn)的短路電流編碼信息變換后的結(jié)果如虛線框所示,代入式(4)計(jì)算得EA=0,B相分析與A相相同,有EB=0。區(qū)域r1主斷路器節(jié)點(diǎn)C相電流信息編碼為0,由式(2)變換后為0;輔斷路器節(jié)點(diǎn)[3 10 66 92]的短路電流信息編碼為[0 0 0 0],經(jīng)式(3)變換后為[1 1 1 1]。代入式(4)計(jì)算得EC=0。

由式(5)得E=0,故障區(qū)域判據(jù)與主斷路器啟動(dòng)信息不吻合,區(qū)域r1未發(fā)生故障,不執(zhí)行區(qū)段定位算法。

(2)區(qū)域r8的區(qū)段定位過(guò)程:首先節(jié)點(diǎn)66的電流信息編碼為1,主斷路器過(guò)流保護(hù)啟動(dòng);而后啟動(dòng)故障區(qū)域判據(jù);

如圖11所示,區(qū)域r8主斷路器節(jié)點(diǎn)A相電流信息編碼由式(2)變換后為1;輔斷路器節(jié)點(diǎn)[80 54 61 81 89]的短路電流信息編碼為[-1 0 0 0 0],經(jīng)式(3)變換后為[1 1 1 1 1]。斷路器節(jié)點(diǎn)的短路電流編碼信息變換后的結(jié)果如虛線框所示,代入式(4)計(jì)算得EA=1。

圖11 AB相間短路下區(qū)域r8故障判據(jù)分析Fig. 11 Analysis of r8 fault criterion under AB phase short circuit

區(qū)域r8主斷路器節(jié)點(diǎn)B相電流信息編碼為1,由式(2)變換后為1;輔斷路器節(jié)點(diǎn)[80 54 61 81 89]的短路電流信息編碼為[-1 0 1 0 0],經(jīng)式(3)變換后為[1 1 0 1 1]。變換后的信息代入式(4)計(jì)算得EB=0。

區(qū)域r8主斷路器節(jié)點(diǎn)C相電流信息編碼為0,由式(2)變換后為0;輔斷路器節(jié)點(diǎn)[80 54 61 81 89]的短路電流信息編碼為[0 0 0 0 0],經(jīng)式(3)變換后為[1 1 1 1 1],代入式(4)計(jì)算得EC=0。代入式(5),有E=EA∪EB∪EC=1,即區(qū)域r8發(fā)生故障,故障區(qū)域判據(jù)與主斷路器啟動(dòng)信息吻合。

最后,執(zhí)行BPSO-GA算法確定故障區(qū)段,算法讀取節(jié)點(diǎn)[66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 78 79 80]的電流編碼信息[1 1 1 1 1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1]進(jìn)行故障區(qū)段定位,最小適應(yīng)度函數(shù)值為1,區(qū)段狀態(tài)為[0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0],可知節(jié)點(diǎn)70與節(jié)點(diǎn)71之間的區(qū)段S1發(fā)生故障,定位結(jié)果與假設(shè)一致。

4.2.2 Ⅱ類(lèi)區(qū)域區(qū)段定位分析

區(qū)域r2、r4、r5、r6、r7、r9、r10、r11、r12、r14、r15屬于Ⅱ類(lèi)區(qū)域,對(duì)應(yīng)區(qū)域的主斷路器為[18 92 106 61 54 81 89 5 112 44 46],電流信息編碼為[0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0]。主斷路器過(guò)流保護(hù)均未啟動(dòng),不執(zhí)行區(qū)段定位算法。

4.3 三相短路算例分析

DG全部投入運(yùn)行,假設(shè)區(qū)域r2中節(jié)點(diǎn)23與節(jié)點(diǎn)24之間的區(qū)段S2發(fā)生三相短路故障,斷路器節(jié)點(diǎn)短路電流信息編碼如表4所示。

表4 三相短路下斷路器節(jié)點(diǎn)短路電流信息編碼Tab. 4 Code of short-circuit current of a circuit breaker node in three-phase short-circuit mode

4.3.1 Ⅰ類(lèi)區(qū)域區(qū)段定位分析

由表1、表4知,區(qū)域r1、r3、r8、r13的主斷路器節(jié)點(diǎn)[1 10 66 3]的三相短路電流信息編碼均為[1 1 -1 -1]。

對(duì)區(qū)域r1、r3進(jìn)行區(qū)段定位分析,得到E=0,故障區(qū)域判據(jù)與主斷路器啟動(dòng)信息不吻合,未發(fā)生故障。同樣,區(qū)域r8、r13主斷路器A相和B相的短路電流信息編碼均為[-1 -1],主斷路器電流保護(hù)未啟動(dòng),不執(zhí)行故障區(qū)域判據(jù)和區(qū)段定位算法。

4.3.2 Ⅱ類(lèi)區(qū)域區(qū)段定位分析

Ⅱ類(lèi)區(qū)域r2、r4、r5、r6、r7、r9、r10、r11、r12、r14和r15,對(duì)應(yīng)區(qū)域的主斷路器為[18 92 106 61 54 81 89 5 112 44 46],電流信息編碼均為[1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0]。只有區(qū)域r2主斷路器過(guò)流保護(hù)啟動(dòng),執(zhí)行BPSOGA算法確定故障區(qū)段,算法讀取節(jié)點(diǎn)[18 19 20 21 22 23 24 25 26 27]的電流編碼信息[1 1 1 1 1 1 0 0 0 0]進(jìn)行故障區(qū)段定位,最小適應(yīng)度函數(shù)值為1.5,區(qū)段狀態(tài)為[0 0 0 0 0 1 0 0 0],可知節(jié)點(diǎn)23與節(jié)點(diǎn)24之間的區(qū)段S2發(fā)生故障,定位結(jié)果與假設(shè)一致。

4.4 不同故障工況下的容錯(cuò)性分析

為驗(yàn)證本文所提方法在不同故障工況下的容錯(cuò)性,列舉了3種常見(jiàn)畸變類(lèi)型:某一節(jié)點(diǎn)A與B相電流信息分別發(fā)生畸變、不同節(jié)點(diǎn)A、B相電流信息同時(shí)發(fā)生畸變。仿真結(jié)果表明,無(wú)論是單相還是多相信息畸變只會(huì)影響目標(biāo)函數(shù)值,不會(huì)影響兩相短路、三相短路時(shí)的區(qū)段定位準(zhǔn)確性。

5 結(jié)論

(1)相比于4G通信,5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)具有更大通信帶寬,更低的通信時(shí)延和更高的穩(wěn)定性,結(jié)合配網(wǎng)分布廣、站點(diǎn)多的特點(diǎn),有助于提高配電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?進(jìn)而提高配電網(wǎng)故障定位效率,具有良好的應(yīng)用前景。

(2)相對(duì)于傳統(tǒng)的區(qū)段定位尋優(yōu)算法,本文所提BPSO-GA算法通過(guò)信息交換策略,使得進(jìn)化過(guò)程中每一代的信息能在兩個(gè)群體間傳遞共享,并利用最優(yōu)信息同步進(jìn)化,改善了智能算法易陷入局部最優(yōu)解的缺陷,提高了區(qū)段定位的容錯(cuò)性。

后續(xù)會(huì)進(jìn)一步開(kāi)展對(duì)多類(lèi)型DG接入配網(wǎng)和復(fù)故障情況下的區(qū)段定位方法研究。