亓彬 孙宁朋
烟台科大正信电气有限公司 山东省烟台市 264006
摘要：配电线路是毛细血管，也是电网连接千家万户的“最后一公里”，但是配电网具有距离长、分支多、空间分布复杂的特点，故障查找困难，并且受限于光纤或者无线通讯网络的影响，无法实时对整个配电网做到全面监控。北斗系统具备精确授时和精准定位的功能，5G通讯技术拥有高安全、大容量和低时延等优点，为智能分布式FA提供了新的解决思路。针对于北斗技术和5G通讯应用于智能分布式FA做了详细的说明：(1) 搭建实验环境，对5G通讯环境下的通讯时延、开关动作时间以及智能分布式FA逻辑做了验证（验证5G通讯延时在50 ms以内，故障隔离时间在200 ms以内和逻辑的准确性和稳定性）(2) 依托5G网络切片技术，结合北斗卫星系统，集授时、定位、同步等功能于一体，实现了智能故障判断、故障定位、故障隔离及非故障区域恢复供电等功能，复电时间由“分钟级”提升至“秒级”。基于5G通讯及北斗技术的智能分布式FA应用市场前景非常广阔。
关键词：配电线路，5G通讯，北斗技术，智能分布式，FA
0 引言
2021年是十四五规划的开局之年，也是国家全面部署碳达峰、碳中和目标和任务的关键期、窗口期，对配电线路供电可靠性提出了更高的要求。目前配电网线路故障频发，导致用户停电现象严重，而且故障处理时间久，尤其是对于多电源多联络的网架系统，常规的馈线自动化技术处理机制难以实现故障的快速、准确和就地隔离，与电网公司要求的供电可靠性指标相差较大。如何应用新技术缩短故障处理时间，提高故障准确、快速自愈处理能力是配电网发展的重点之重。
展望国内配电自动化系统建设发展趋势，配电网故障隔离和自愈的需求越来越突出。目前各大城市配电网新建改造过程中也逐步考虑智能分布式FA的配电网自动化方案，该系统具有“自我感知、自我诊断、自我决策、自我转供”的功能，将5G通信技术、北斗精准授时技术融合，能够实现智能快速隔离（200ms）及负荷转供（3s），处于国内领先技术水平。5G+北斗+智能分布式FA的建设促进新能源的利用，实现低碳环保的绿色发展模式，构建安全、可靠、绿色、高效的智能电网，有利于智慧城市发展。
1、电力5G通讯概述
第五代移动通信技术简称5G，也是新一代蜂窝移动通信技术，其主要特点有大带宽、超高速率、超低延时和超大网络容量。
在电力领域，电力能源生产包括发电、输电、变电、配电、用电五个环节，目前5G在电力领域的应用主要面向输电、变电、配电、用电四个环节开展，应用场景主要涵盖了采集监控类业务及实时控制类业务[1]，包括：输电线无人机巡检、变电站机器人巡检、电能质量监测、配电自动化、配电网差动保护、配电智能分布式FA、分布式能源控制、高级计量、精准负荷控制、电力充电桩等。当前，基于5G大带宽特性的移动巡检业务较为成熟，可实现应用复制推广，通过无人机巡检、机器人巡检等新型运维业务的应用，促进监控、作业、安防向智能化、可视化、高清化升级，大幅提升输电线路与变电站的巡检效率；配电网差动保护[2]、配电智能分布式FA[3]、配电自动化[4]等控制类业务现处于探索验证阶段，未来随着网络安全架构、终端模组等问题的逐渐成熟，控制类业务将会进入高速发展期，提升配电环节故障定位精准度和处理效率。
2、北斗技术概述
北斗技术是依托北斗卫星系统应用于电力系统应用的技术，北斗卫星系统[5]是我国自主建设、独立运行的卫星导航系统，是具有中国特色、国际领先的国家重要空间基础设施，是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要空间基础设施。北斗技术具备授时、定位和短报文通信三大功能：其中授时精度达到50 ns，定位精度达到5-10 m（北斗三代2-5 m），突破光纤拉远等关键技术，研制出一体化卫星授时，开展北斗双向授时应用，开展基于北斗的电力时间同步应用，为在电力事故分析、电力预警系统、保护系统等高精度时间应用创造了条件。
随着北斗技术的深入研究与推广应用，时空信息与多源信息融合，在空间维和时间维上挖掘时空数据，实现从数据到信息、从信息到知识、从知识到智能的转变，将支撑配电物联网的数字化、智能化发展，推动能源服务由二维拓展至三维，实现时空智能管理，最终构筑时空智能驱动能源互联的新格局，提升电网公司整体运营服务的智能化程度。
3、智能分布式FA概述
3.1智能分布式FA介绍
智能分布式FA是指分散安装在馈线线路上的智能电子设备，通过通信技术和自动控制技术实现智能电子设备间的互相配合而实现区域性的馈线保护模式。有效解决传统保护和主站集中智能模式的独自仲裁保护存在的问题，在故障处理时间上大大缩短，利用5G通信网络的高速率、低时延、大容量技术特点，和北斗的微秒级授时的准确性和稳定度，实现智能快速隔离及负荷转供。
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智能分布式FA架构如图1所示。智能分布式控制指多个控制实体之间通过对等交换测量与控制信息协同完成控制任务的控制方式。在智能配电网中，控制实体是安装在配电网节点处的智能终端。
3.2逻辑分析
智能分布式FA逻辑是采用协同控制作为自愈控制策略，即通过各个终端的分布式信息交换，获取馈线的实时拓扑结构与实时信息。联络开关处的终端与线路上各个分段开关的终端进行分布式的点对点通信，获取故障前电流及拓扑关系。发生故障时，如果线路一侧开关检测到故障电流，而另一侧开关未检测到故障电流流过，则将故障定位在该侧区段上，并确认有故障电流流过的开关属于故障区段上游边界开关，故障区段上游边界开关处的终端在检测出故障区段后，通过终端直接向该开关以及故障区段的所有边界开关发出跳闸命令，并在检测到故障区段所有的边界开关都断开后，发出“故障隔离”成功的信息。如果故障区段的边界开关分属不同的终端控制，则上下游边界开关处的终端互相通信，断开下游边界开关并上传开关位置信息。当故障区段的上游边界开关位于线路末端时，终端只需断开该开关即可实现故障区段隔离。电源开关处的终端在接收到故障隔离成功的信息后，控制电源开关合闸，恢复故障点上游非故障区段的供电。智能终端逻辑和主站逻辑如下所列：
智能终端逻辑
1)故障信息采集：当线路发生故障，智能配电终端通过对遥测的采集，达到设定定值，进行内部计算，判断故障信息和类型，并上传故障信息遥信；
2)故障定位：配电终端通过自身对定值和遥测计算判别，将自身信息通过5G模块，上传给基站，通过基站之间的相互连通，智能配电终端之间能够彼此收到信息，进行故障的定位，定位原则为：本开关检测到故障且下一级开关没有故障；或本开关未检测到故障且上一级开关检测到故障，此开关处于隔离点，则故障位于两个隔离点开关之间；
3)故障隔离：在FA启动状态下，故障位置确定后，处理过程中没有其它异常情况下，配电终端将故障点开关下达分闸指令，隔离点开关分开，隔离故障区域，隔离故障时间在200 ms内完成；
4)负荷转供：故障隔离完成，会向两边发送隔离成功的遥信，当联络开关收到隔离成功的遥信后，会对故障线路的非故障区域的负荷和非故障线路的变电站剩余负荷能力进行比对，如果非故障在线路的变电站剩余负荷能力能够满足故障线路非故障区域的负荷，则联络开关合闸，否则联络开关不动作，完成负荷转供。联络开关自动判定，以自适用运行方式改变，联络开关判定方法：①开关自身处于分位；②开关两侧分别可到电源点，且无分闸开关。
主站逻辑
1)整个逻辑过程，配电终端通过5G模块将整个过程的信息，上传给基站，通过基站上传给主站；主站会根据上传的信息来判断逻辑运行是否正确；
2)如果逻辑运行不正确，将会退出智能分布式FA，由主站执行故障隔离全局优化方案；如果逻辑运行正确，将继续判断是否符合经济运行条件，符合将完成整个判断定位隔离恢复过程；如果不符合经济运行条件，由主站执行故障隔离全局优化方案。
3)根据智能终端的上传北斗位置数据，展现智能终端的地理位置，形成拓扑关系图谱。
4、基于5G+北斗+智能分布式FA故障模拟测试
本文进行了基于5G+北斗+智能分布式FA故障模拟测试，参照国网速动型分布式FA动作规范，先于变电站出口动作，隔离故障，并恢复非故障区域；适用于线路中全断路器的线路且FA终端的故障判断时间与变电站保护的故障判断时间可预留300ms以上的时限。
4.1测试环境搭建：
为了验证5G延时和开关动作时间以及分布式FA逻辑的准确性和稳定性，搭建了实验室和现场测试环境如图5所示，以继电保护仪作为故障模拟输出，以模拟开关作为现场开关进行测试。
用三个模拟配电站搭建手拉手环网，模拟测试拓扑示意图如图6所示：
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（注：测试时间T为智能终端接到事故总信号到隔离开关隔离成功开关分位时间差,单位 ms）
根据上述测试结果，得到在5G通讯环境下，配电终端之间的通讯延时达到20 ms以内，在配电终端的信息搜集时间允许情况下，得到智能终端接到事故总信号到隔离开关分位时间差达到200 ms以内,将故障隔离时间压缩至毫秒级。
5、5G+北斗+智能分布式FA的应用前景分析
目前我国已建设的配电自动化工程主要以简易型和实用型配电自动化系统为主，简易型配电自动化系统可不需要通信系统和主站而独立工作，结构简单，成本低、易于实施（如故障指示器或者基于重合器、分段器模式），但只适用于农村单辐射配电线路和城市中无专门通信条件区域的配电线路，适应范围小，且无法进行故障的隔离及非故障区域恢复。
展望国内一二线城市的配电自动化系统，有更高级的配电自动化故障自愈系统在运用，如集中型FA和分布式FA系统，集中型FA系统是在实用型系统的基础上集成了自动化故障处理机制，整个故障处理过程包含子站收集终端数据、子站转发数据至主站，主站启动故障定位-故障隔离，进行过负荷校验，计算网损，确定最佳恢复供电方案，此种方式由于通信环节较多，所以用时较长。分布式FA系统虽然在技术层面上有很多学术研究，但应用很少，按照目前上海地区运用的FA系统线路故障时，分布式FA终端不依赖主站，依据所管辖区域的配电线路拓扑，就地完成故障线路的隔离，整个故障处理的时间大概在40 s之内，而且依赖于光纤通讯，造价高，施工难度大。5G通讯同样满足于分布式FA的通讯要求，而且比光纤成本低，更能够覆盖整个配电网，北斗的微秒级授时和精准定位为智能分布式FA提供了更加精准的故障判断。“5G+北斗+智能分布式”是国网供电公司落实新基建的开始，下一步将充分利用5G网络和北斗技术的特点，继续开发关于提升电网安全经济运行、降低运维成本、改善服务质量等方面的项目，不断提升供电服务能力和供电服务质量。
6、结论
本文将5G通信技术、北斗精准授时技术结合应用于配电网系统中。利用5G通信网络的高速率、低时延、大容量技术特点，和北斗技术的微秒级授时的准确性和稳定度，实现配电网智能化的精准运行，可以在200 ms内实现故障智能、快速隔离，完成非故障区域供电,将恢复时间由分钟级压缩至秒级甚至毫秒级，进一步提高供电可靠性。
[1] 袁枫. 5G移动通信在电力通信中的运用与关键技术探究[J]. 变压器, 2020, 57(595): 104-104.
[2] 吕玉祥, 杨阳, 董亚文, et al. 5G技术在配电网电流差动保护业务中的应用[C]// 生态互联 数字电力——2019电力行业信息化年会论文集. 2019.
[3] 孙杰, 刘顺桂, 朱正国,等. 智能配网中智能分布式FA的应用分析[J]. 电子设计工程, 2015, 000(012):163-165.
[4] 徐丙垠, 李天友, 薛永端. 智能配电网与配电自动化[J]. 电力系统自动化, 2009.
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