摘"要：隨著智能配電網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，保障配電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行與及時(shí)響應(yīng)已成為研究的重點(diǎn)。5G技術(shù)的引入，為解決快速保護(hù)與自愈問題提供了全新的解決方案。本研究聚焦于智能配電網(wǎng)中基于5G通信的快速保護(hù)與自愈優(yōu)化技術(shù)，提出了一種配電網(wǎng)快速保護(hù)與自愈技術(shù)方案，同時(shí)針對(duì)技術(shù)方案中存在通信流量消耗、差動(dòng)保護(hù)弱饋側(cè)啟動(dòng)慢以及負(fù)荷開關(guān)無法直接參與跳閘等問題提出優(yōu)化方案，通過數(shù)字動(dòng)模仿真的方法，驗(yàn)證了基于5G通信的配電網(wǎng)快速保護(hù)與自愈技術(shù)的可行性，為未來智能配電網(wǎng)的發(fā)展奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：5G通信；智能配電網(wǎng)；快速保護(hù)；故障自愈

一、概述

智能配電網(wǎng)的快速保護(hù)與自愈技術(shù)依賴于快速的故障檢測、精準(zhǔn)的故障定位和切除，以最大限度減少故障后停電的影響范圍，減少電網(wǎng)運(yùn)行中斷時(shí)間。5G通信技術(shù)因具備毫秒級(jí)時(shí)延、高數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性和廣泛覆蓋等特性，可支撐高密度終端設(shè)備即時(shí)通信，這使得分散部署的保護(hù)與自愈終端可以迅速共享各自的運(yùn)行狀態(tài)和故障信息，對(duì)于配電網(wǎng)的快速保護(hù)和自愈技術(shù)的實(shí)現(xiàn)意義重大［1］。5G技術(shù)的加入能夠確保必要的信息流通和控制指令的迅速傳遞，增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性及突發(fā)事件的應(yīng)對(duì)能力［2］。此外，5G技術(shù)還在宏觀層面提高了整個(gè)配電網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，為系統(tǒng)中的分布式能源提供了可靠的通信保障，支持了分布式能源接入所帶來的保護(hù)配置復(fù)雜性增加的問題［3］。近年來，隨著5G通信技術(shù)在配電網(wǎng)中的試點(diǎn)和推廣應(yīng)用，其存在的部分問題也逐漸顯現(xiàn)，本文針對(duì)5G通信技術(shù)在當(dāng)前配電網(wǎng)保護(hù)與自愈技術(shù)應(yīng)用中存在的幾個(gè)問題提出優(yōu)化建議，借助5G通信技術(shù)及其針對(duì)性優(yōu)化設(shè)計(jì)，配電網(wǎng)有望實(shí)現(xiàn)更為高效和穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)而更好地服務(wù)于智能配電網(wǎng)建設(shè)需求。

二、5G通信在配電網(wǎng)快速保護(hù)與自愈技術(shù)中的應(yīng)用

（一）5G通信技術(shù)在配電網(wǎng)特點(diǎn)中的應(yīng)用優(yōu)勢

在能源轉(zhuǎn)型與科技革新的雙重推動(dòng)下，全球范圍內(nèi)的配電網(wǎng)正在經(jīng)歷著深刻的變革。傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)由于建設(shè)年代久遠(yuǎn)、技術(shù)設(shè)施相對(duì)陳舊，難以適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)對(duì)于高效、穩(wěn)定、智能化電力供應(yīng)的需求。研究顯示，5G網(wǎng)絡(luò)所具備的高達(dá)10Gbit/s的峰值數(shù)據(jù)率以及1ms以下的端到端時(shí)延，不僅可以處理高頻率的數(shù)據(jù)傳輸，而且能確保信息的實(shí)時(shí)傳遞，為配電網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)時(shí)信息傳遞提供了強(qiáng)大支持［4］。借助5G網(wǎng)絡(luò)，保護(hù)設(shè)備能夠在發(fā)生故障的一瞬間即刻獲得信號(hào)，實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)的故障隔離與恢復(fù)供電，有效減少了電網(wǎng)故障引發(fā)的連鎖反應(yīng)與損失。

現(xiàn)代化的智能配電網(wǎng)不僅能提高能源利用效率，還具有良好的環(huán)境適應(yīng)性和靈活的互動(dòng)能力，允許與新興的清潔能源，如風(fēng)電、太陽能等無縫對(duì)接，促進(jìn)了綠色能源使用和智慧城市建設(shè)。配電網(wǎng)的發(fā)展趨勢顯然指向智能化、網(wǎng)狀化、分布式和互動(dòng)化四個(gè)方面，借助于5G技術(shù)突出的高速數(shù)據(jù)傳輸和廣覆蓋特性，配電網(wǎng)將逐步實(shí)現(xiàn)這些發(fā)展目標(biāo)，并逐漸成為能源互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)圈中不可或缺的重要組成部分。通過引入5G通信技術(shù)，將為智能配電網(wǎng)快速保護(hù)與自愈技術(shù)的實(shí)現(xiàn)提供有力的技術(shù)保障。

（二）基于5G通信的配電網(wǎng)快速保護(hù)與自愈技術(shù)方案

分布式電源大量接入配電網(wǎng)，配電網(wǎng)由無源電網(wǎng)向有源電網(wǎng)轉(zhuǎn)變，其故障特性發(fā)生了顯著改變，傳統(tǒng)依靠過流或者距離元件的故障定位、隔離方法受到了極大的挑戰(zhàn)。多級(jí)保護(hù)定值配合困難，保護(hù)可靠性、選擇性和速動(dòng)性不足；在運(yùn)行方式改變或分布式電源大量接入情況下，保護(hù)的適應(yīng)性差。在故障恢復(fù)方面，目前配電網(wǎng)故障復(fù)電主要依賴就地型饋線自動(dòng)化系統(tǒng)或集中式饋線自動(dòng)化系統(tǒng)，故障自愈時(shí)間在幾分鐘甚至幾十分鐘。為了解決目前配電網(wǎng)繼電保護(hù)在選擇性、速動(dòng)性以及故障自愈能力存在的不足，配合高可靠性配電網(wǎng)架建設(shè)目標(biāo)的要求，本文研究并提出配電網(wǎng)分布式保護(hù)自愈解決方案，如圖1所示。

基于5G通信的配電網(wǎng)快速保護(hù)與自愈技術(shù)方案，主要包括故障定位、故障隔離以及非故障區(qū)域快速恢復(fù)供電三個(gè)部分，相應(yīng)的功能配置如下。

（1）故障隔離功能包括線路差動(dòng)、母線差動(dòng)、線路過流等保護(hù)。

（2）故障定位功能包括故障定位跳閘、無壓跳閘、失靈及遠(yuǎn)跳等功能。

（3）故障自愈功能包括環(huán)線快速自愈、分段備自投、自愈過負(fù)荷等功能。

三、存在的問題及技術(shù)優(yōu)化

（一）基于長短周期報(bào)文發(fā)送的通信流量優(yōu)化技術(shù)

傳統(tǒng)的基于光纖通信的差動(dòng)保護(hù)由于通信延時(shí)短，且無流量限制，對(duì)于無線差動(dòng)保護(hù)尤其是基于公網(wǎng)信號(hào)通信的5G差動(dòng)保護(hù)而言，考慮到無線通道資源的公用性，實(shí)時(shí)傳輸采樣數(shù)據(jù)無疑會(huì)帶來巨大的數(shù)據(jù)流量問題，導(dǎo)致保護(hù)裝置的運(yùn)行資費(fèi)劇增，因此本文提出基于自適應(yīng)長短周期報(bào)文發(fā)送的通信流量優(yōu)化技術(shù)，數(shù)據(jù)發(fā)送機(jī)制如下。

保護(hù)正常運(yùn)行時(shí)，按照秒級(jí)采樣周期，整秒發(fā)送通道握手報(bào)文，用于建立通道鏈路、監(jiān)視通道的通信狀態(tài)以及差流狀態(tài)，維持裝置間正常的數(shù)據(jù)通信需求；本側(cè)保護(hù)啟動(dòng)后，發(fā)送周期縮短為2ms（10ms以內(nèi)可通過定值設(shè)定），同時(shí)將本側(cè)的啟動(dòng)標(biāo)志傳送給對(duì)側(cè)，對(duì)側(cè)收到本側(cè)的啟動(dòng)標(biāo)志后，也立即調(diào)整發(fā)送報(bào)文的周期。即任意一側(cè)啟動(dòng)均調(diào)整為短周期發(fā)送狀態(tài)。

采用基于長短周期報(bào)文發(fā)送的流量優(yōu)化技術(shù)，單一站點(diǎn)月均通信數(shù)據(jù)流量＜5G，與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸相比，通信流量降低了95%以上，有效提升了5G差動(dòng)保護(hù)的實(shí)用化水平。

（二）差動(dòng)保護(hù)弱饋側(cè)快速啟動(dòng)優(yōu)化技術(shù)

當(dāng)前配電網(wǎng)系統(tǒng)中，配電線路大都為弱饋線路，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，弱饋側(cè)無故障電流，保護(hù)裝置無法依靠過流元件快速啟動(dòng)并進(jìn)入短周期報(bào)文快速發(fā)送狀態(tài)，此時(shí)需要在接收到對(duì)側(cè)保護(hù)裝置的啟動(dòng)信號(hào)后才能進(jìn)入短周期報(bào)文快速發(fā)送狀態(tài)，這將導(dǎo)致5G差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間大大延長（相當(dāng)于增加了一次5G通信的傳輸延時(shí)時(shí)間，受通信穩(wěn)定性影響，該延時(shí)時(shí)間一般超過15ms），嚴(yán)重影響差動(dòng)保護(hù)的速動(dòng)性。為此，本文提出基于電壓突變的弱饋側(cè)快速啟動(dòng)優(yōu)化技術(shù)，如圖2所示。

通過增加弱饋快速啟動(dòng)元件，當(dāng)檢測到電壓突變時(shí)，直接進(jìn)入短周期報(bào)文快速發(fā)送和故障判別狀態(tài)，并向?qū)?cè)發(fā)送保護(hù)啟動(dòng)信號(hào)，確保差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間不受弱饋的影響。由圖2可知，應(yīng)用差動(dòng)保護(hù)弱饋側(cè)快速啟動(dòng)優(yōu)化技術(shù)可以將差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間縮短一次通道傳輸延時(shí)時(shí)間。

（三）多類型開關(guān)混用配電網(wǎng)故障隔離與自愈技術(shù)

配電網(wǎng)中存在大量斷路器與負(fù)荷開關(guān)混用的場景，如圖3所示，環(huán)網(wǎng)柜1環(huán)進(jìn)環(huán)出線間隔開關(guān)為負(fù)荷開關(guān)，其相鄰站點(diǎn)的開關(guān)為斷路器。

由于負(fù)荷開關(guān)無法切除故障電流，需在故障切除后才能斷開，圖3中的F2、F3或F5故障時(shí)，保護(hù)均不能直接跳開102或103開關(guān)。以F5故障為例，按照傳統(tǒng)處理方式，自愈動(dòng)作邏輯為：（1）線路差動(dòng)保護(hù)跳開104斷路器，上一級(jí)后備保護(hù)跳開101斷路器；（2）故障切除后，根據(jù)定位信息跳開負(fù)荷開關(guān)103，實(shí)現(xiàn)故障隔離；（3）開環(huán)點(diǎn)開關(guān)105自愈合閘，恢復(fù)環(huán)網(wǎng)柜2的供電，但環(huán)網(wǎng)柜1無法恢復(fù)供電，即對(duì)于上一級(jí)跳閘所產(chǎn)生的失電區(qū)域，傳統(tǒng)自愈方法無法恢復(fù)供電。

為了實(shí)現(xiàn)負(fù)荷開關(guān)與斷路器混用情景下的故障快速隔離與供電恢復(fù)功能，需要在保護(hù)自愈裝置中增加逐級(jí)聯(lián)跳邏輯，即在裝置側(cè)設(shè)定各個(gè)間隔對(duì)應(yīng)開關(guān)的類型（負(fù)荷開關(guān)或斷路器），若保護(hù)動(dòng)作并且對(duì)應(yīng)開關(guān)為斷路器時(shí)，則直接跳閘出口；若保護(hù)動(dòng)作并且對(duì)應(yīng)開關(guān)為負(fù)荷開關(guān)時(shí)，則向同一環(huán)線上的相鄰間隔開關(guān)逐級(jí)發(fā)送聯(lián)跳指令，直至收到聯(lián)跳指令的（斷路器）保護(hù)經(jīng)就地過流判據(jù)跳閘。當(dāng)開關(guān)經(jīng)聯(lián)跳邏輯跳開后，滿足開關(guān)一側(cè)有壓另一側(cè)無壓，則經(jīng)整定的短延時(shí)快速充電，充電完成后，若收到故障隔離完成信號(hào)，則快速合閘實(shí)現(xiàn)供電恢復(fù)。

基于負(fù)荷開關(guān)逐級(jí)傳輸聯(lián)跳信號(hào)的自愈邏輯，可以適應(yīng)斷路器與負(fù)荷開關(guān)混合配置的復(fù)雜場景，最大程度地恢復(fù)非故障區(qū)段的供電，降低負(fù)荷開關(guān)對(duì)自愈恢復(fù)的影響。

四、動(dòng)模仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文提出的基于5G通信的配電網(wǎng)快速保護(hù)與自愈技術(shù)方案的可行性及相關(guān)優(yōu)化技術(shù)的適用性，以圖3為例，開關(guān)105為開環(huán)點(diǎn)，通過RTDS實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)模擬F1至F12各處故障，記錄各種故障下裝置的動(dòng)作行為及動(dòng)作時(shí)間如下表所示。

由上表的數(shù)據(jù)可以得到以下內(nèi)容：（1）圖3所示的接線及運(yùn)行方式下（包含負(fù)荷開關(guān)和斷路器混用情形），各處發(fā)生短路故障，保護(hù)與自愈系統(tǒng)的動(dòng)作行為均正確；（2）受5G通信延時(shí)穩(wěn)定性的影響，差動(dòng)保護(hù)實(shí)現(xiàn)故障定位和故障隔離的時(shí)間小于100ms；（3）故障隔離完成后、故障不在開環(huán)兩側(cè)也不在分支線上時(shí)，200ms內(nèi)合開環(huán)點(diǎn)開關(guān)實(shí)現(xiàn)非故障區(qū)域恢復(fù)供電。

結(jié)語

本研究通過研究并引入5G通信技術(shù)，構(gòu)建基于5G通信的配電網(wǎng)快速保護(hù)與自愈技術(shù)方案，同時(shí)提出了多種優(yōu)化技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電網(wǎng)故障的準(zhǔn)確定位、快速隔離以及非故障區(qū)域快速恢復(fù)供電。通過理論分析及搭建RTDS動(dòng)模仿真驗(yàn)證平臺(tái)，測試驗(yàn)證了技術(shù)方案及相關(guān)優(yōu)化技術(shù)的正確性和可行性，提升了5G通信技術(shù)在配電網(wǎng)智能化建設(shè)應(yīng)用中的實(shí)用性，為進(jìn)一步研究5G通信技術(shù)在配電網(wǎng)中的深入應(yīng)用提供了重要借鑒。

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作者簡介：盛躍峰（1979—"），男，漢族，浙江德清人，本科，高級(jí)工程師，研究方向：電力系統(tǒng)。