基于5G網絡切片技術的多模式聯合饋線自動化控制方法

劉禾, 陳剛, 李哲, 劉明臻, 李紅妮, 張恒

(1.國網陜西省電力公司安康供電公司, 陜西, 安康 725000;2.國網陜西省電力有限公司, 陜西, 西安 710061;3.西安興匯電力科技有限公司, 陜西, 西安 710000)

0 引言

在配電網的運行中,難免發生短路、斷線等故障[1],造成供電異常,無法維持正常工作需要,需要快速、準確地判定故障位置,對其進行隔離,然后恢復正常供電,保障工作正常進行[2-3]。鄭晨玲等[4]提出了關于逆變型分布式電源實施電壓時間型饋線自動化的研究,黃鳴宇等[5]對配電網的運行研究了集分聯合饋線自動化控制方法,然而光纖安裝和維護成本較高,無法保證5G無線通信過程不掉鏈或丟包,也無法確保正確隔離故障關鍵節點。繼電保護在配網運行很多年,深得運維人員的信賴,其能在第一時間內切斷故障,甚至在有級差配合的時候[6]精準隔離故障,但是一般情況下,配網線路上的保護級差配合不起來,甚至頂跳變電站出線開關,降低了供電可靠性。

鑒于以上情況,本文提出基于5G網絡切片uRLLC技術的多模式聯合饋線自動化控制方法。

基于5G網絡的uRLLC(高可靠和低延遲通信)應用場景以用戶為中心,將RRU和饋線、天線組成新結構AAU,合并處理射頻信號。同時,參數和幀的結構更加靈活,上下行資源分配可以根據實際需求調整。uRLLC技術在調度過程中綜合考慮時延和傳輸速率參數,通過調節優先級因子優先調度規定時延小的用戶,對信道條件較差的超可靠低時延通信用戶分配額外帶寬。

本文設計的多模式聯合饋線自動化控制方法應用了uRLLC技術的資源靈活調度方案,將智能分布式、電壓-時間型和主站集中型與繼電保護相結合,設計多模式聯合饋線自動化控制總體構架。以“智能分布式+繼電保護”為主保護、“電壓-時間型+繼電保護”為后備保護、“主站集中型+繼電保護”為遠后備保護,比較輸電線兩端的電氣量,并判斷故障范圍,保證第一時間將故障隔離,消滅故障大電流,且能精確地隔離故障區段,恢復非故障區域供電,同時利用uRLLC減少饋線控制的時延。

1 多模式聯合饋線自動化控制總體構架

配網閉環與開環運行保護裝置定值存在差異,若改變運行方式,則保護定值應給予相應的調整。根據uRLLC技術資源調度方案,可以使運行方式不受限制,靈活控制配電網電流運行路線,通過運行開關檢驗故障饋線,體現多模式聯合饋線自動化的實用價值。

當發生故障時,故障電流會通過故障饋線開關,由于單相接地故障出現時,饋線運行會有約2 h的缺項,不能反映故障電流情況,此處作為例外情況,不考慮。當配電網開環運行時,故障電流僅通過故障點上級開關;當配電網閉環運行時,故障電流能通過故障點上下開關。

根據是否有有功潮流方向進行故障判定。配備自動開關,開關組可以與兩旁的開關組進行交流,此時自動設備應有A、B端口,以及與之相對的1號、2號開關組。當有功潮流的流向是從B到A時,表示為負,反之為正。假設在某個開關有有功潮流經過,若為正時,則表示潮流從這個開關的1號開關組流向2號開關組;若為負,則表示從2號開關組流至1號開關組。

假設故障潮流經過某開關[7],其出、入度值是0、1,產生故障時開關z的狀態為

(1)

式中,Az表示開關z的邏輯值,Az等于0時表示無動作,等于1時表示動作分閘,VNzj(j=1,2,…,n)表示開關z的第j個相鄰開關組的邏輯值,&&表示如果2個操作數都不是0,則條件為真。

利用有功潮流的傳遞方向判斷開關是否開啟或關閉。相同開關的開啟或關閉在鄰近的2個開關組中呈現相反狀態,VNz表示途經開關z的故障電壓邏輯值[8],其表達式為

(2)

式中,P、I、I′分別表示經過開關的有功功率、電流值、電流整定值。

正常電流途經開關的邏輯值可以通過相鄰開關的電流值進行確定,確定方法見式(3):

(3)

式中,INzj(j=1,2,…,n)表示與開關z相鄰的開關途經故障電流的邏輯值,0表示最末節點的電流,且開關沒有故障電流通過。若任何一個開關邏輯值判斷是0,則Vgroup組值為0,表示該開關的最小配電區運行正常;若出現邏輯值都是1,則Vgroup組值為1,那么開關的狀態邏輯值A是1,開關應動作分閘,并可以判定故障存在此配電區中。

1.1 電壓-時間型故障判定與隔離

若判定時間超過1 s后仍沒有判斷出故障位置,則選擇多模式聯合饋線中的電壓-時間型饋線自動化控制方法進行故障判定。采用分段開關的延時合閘時間、聯絡點開關的延時合閘時間、合閘確認時間進行故障判定。當配電網分段開關和聯絡開關整定為最佳數值時,供電呈現最可靠狀態,用W代表可靠性。

1.1.1 分段開關整定

由于電壓-時間型故障饋線的分段開關合閘確認時間是5 s,為出廠設置,不可變動,只能通過改變延時合閘時間整定分段開關,選擇整定數值為7 s、14 s、28 s,其可靠性W表示為式(4):

(4)

式中,每年有8760 h,NG表示配電用戶總數,∑UiNi表示故障受影響的用戶。

根據式(4)可知,配電用戶總數恒定,受故障影響的用戶分段開關延時合閘時間越小,供電可靠性越大,此時分段開關延時合閘時間需進行最小整定,即為式(5):

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

(5)

在圖1所示的配電線路中,開關1、2、3的延時合閘時間設置為X1、X2、X3,假設出現故障的是G點,為了使故障周圍的最小配電區能夠隔離,只能關閉開關3對故障進行隔離,使開關1、2繼續運行,呈現出X1≠X2≠X3。當故障發生較多時以此類推,可得出以下結論:配電線路分段供電時,不存在2個分段開關一起關閉,可得式(6):

圖1 多分支配電線路圖

Xh1≠Xh2≠Xh3≠…≠Xhn

(6)

式中,Xhn表示分段開關n到斷路器合閘的關合時間。

綜上所述,分段開關的整定需符合式(5)、式(6)。

1.1.2 聯絡開關整定

同分段開關整定一樣,聯絡點開關的合閘確認時間也是規定好的,通常為5 s,不可變動,將聯絡點開關的延時合閘時間整定設置為45 s、60 s、75 s。通過調整延遲閉合時間,設置觸點開關,供電可能性W越高,觸點開關的延遲閉合時間越小[9],表示為

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

(7)

為達到聯絡點開關自動關閉并完成轉移供電的目的,需要將故障區隔離后滿足式(8):

XL>T變電站1+∑X

(8)

式中,∑X表示配電網中聯絡點開關的延時合閘總時間,T變電站1表示變電站出線開關首次重合時間。依據式(7)、式(8)整定聯絡點開關。

1.2 主站集中型饋線自動化控制方法

如果在60 s后故障沒有得到相應的處理,供電還是沒恢復。此時,選擇主站集中型饋線自動化控制對故障進行處理,利用uRLLC技術判斷故障范圍,精確隔離故障區段,恢復非故障區域供電,實施繼電保護。主站集中型饋線自動化處理故障邏輯見圖2所示。

圖2 主站集中型饋線控制邏輯圖

圖2中,一共有9個配電終端FTU,依次連接D1、K1、K2、K3、主站、聯絡開關、K4、K5、K6、D2,終端之間可互相通信且與主站相連,主站與聯絡開關借助終端FTU5相互連接。

假設圖2為閉環運行,故障出現在K2和K3之間,開關D1、D2跳閘。根據判斷,電流經過K2和K3時方向不同,與K2、K3相連的終端使其跳閘,以此完成故障隔離任務。設第j個FTU發出邏輯信號Mj、Nj,測量第j個FTU上的電流:當Mj=0時,說明電流呈反向;當Mj=1時,說明電流為正向,聯絡開關分閘,開關D1、D2重合閘,繼續正常配電網的供電。

假設圖2為開環運行,故障仍在上述位置,那么故障電流會經過D1、K1、K2,變電站1出線,開關D1跳閘,通過FTU3、FTU4的指令使K2、K3跳閘,達到故障隔離的目的。在開環運行時,測量第j個FTU上的電流:當Nj=0時,說明電流正常;當Nj=1時,說明電流異常。此時主站集中型饋線自動化控制聯絡開關的方法表示為

(9)

根據式(9)判斷聯絡開關分閘,開關D1、D2重合閘,對無故障區繼續供電。

2 實驗分析

實驗隨機選取某個地區日常生活供電的配電網,利用本文方法分別對其發生的故障進行判定、隔離,并且將非故障區進行恢復供電處理。將本文方法應用到工業生產供電的配電網和購物娛樂場所供電的配電網的故障處理中,將本文方法應用到3種不同環境中進行分析,驗證本文方法的適應性。

2.1 故障處理效果

實驗節選日常生活中配電網的一部分進行研究,利用式(1)～式(10)對故障位置進行判定。

節選的配電網結構如圖3所示。

圖3 某一配電網

圖3中,Ⅰ、Ⅱ為母線,K1～K4為出線開關,a～o為分段開關,i為聯絡開關。擁有相同變電站的母線饋線運行方式為閉環,反之為開環。根據本文方法處理故障區域判斷開關狀態邏輯值如表1所示。

表1 本文方法判斷開關狀態邏輯值表

從表1可知,本文方法不僅能準確地找到故障區域,還能對故障區域進行隔離,還能控制聯絡開關使其合閘,不影響其余正常配電網線路的供電。

2.2 3種環境下比較實驗

利用本文方法對某地區3種不同環境的應用配電網進行控制,并對故障進行檢測、隔離,對非故障區恢復供電的效果進行比較,驗證本文方法的故障處理應用范圍。故障處理比較結果如圖4所示。

圖4 3種環境下用時比較

從圖4可知,本文方法能夠快速、準確地對故障信息進行傳遞,在故障處理方面用時較短,并且能夠快速恢復正常電網區域的供電,3種環境下均能有效處理故障,恢復供電,用時均低于1 h。因此,本文控制方法應用范圍廣,實用性強。

2.3 網絡切片技術比較

驗證uRLLC、增強型移動寬帶(eMBB)和海量機器類通信(mMTC)等3種5G網絡切片技術優勢,衡量本文方法控制性能。3種5G網絡切片技術指標的數值比較如表2所示。

表2 3種5G網絡切片技術指標數值對比表

從表2可知,3種切片技術中,本文方法應用的uRLLC切片技術可在滿足通信可靠性的同時使控制時延最短。

3 總結

變電站出線開關跳閘和線路短時停電,不但給系統帶來了大電流沖擊,而且還給客戶帶來了不好的用戶體驗。因此,本文基于5G網絡切片技術的多模式聯合饋線自動化控制方法,將繼電保護與智能分布式、電壓-時間型和主站集中型等3種模式的故障隔離和非故障區域供電的功能結合起來,快速減小了故障電流帶來的影響,提升了配電網故障處理的能力。