1、doi:10.3969/j.issn.1008-0198.2023.01.010基于 5G 通信方式的变电站远方备自投原理及实现方法尹超勇1，李刚1，李辉1，徐彪1，刘伟良2，熊尚峰2(1 国网湖南省电力有限公司电力科学研究院，湖南 长沙 410208;2 湖南省湘电试验研究院有限公司，湖南 长沙 410004)摘要:为解决中低压电网光纤敷设成本高、远方备自投应用困难的问题，提出一种基于 5G 通信方式的变电站远方备自投原理及实现方法，通过在每个远方备自投中设置一台 5G 路由器，由路由器实现采用 GE TAP 模式完成远方备自投的点对点通信，从而实现变电站远方备自投的信息交互。在 TDS 中
2、搭建仿真模型验证基于 5G 通信技术的远方备自投方案的可行性，该方法无需改变原有远方备自投的软硬件，避免了现有技术方案易受到地域限制而需要增加光纤通道的问题，使远方备自投装置更加方便、可靠，且结构简单、抗干扰能力强，极大地增加了在中低压电网应用的可能性。关键词:远方备自投;5G 网络;GE 通信模式;中低压电网;供电可靠性中图分类号:TM762.1文献标志码:B文章编号:1008-0198(2023)01-0058-05收稿日期:2022-09-13修回日期:2022-10-13Principle and Implementation Method of emote StandbyAutoma
3、tion in Substation Based on 5G Communication ModeYIN Chaoyong1，LI Gang1，LI Hui1，XU Biao1，LIU Weiliang2，XIONG Shangfeng2(1 State Grid Hunan Electric Power Company Limited esearch Institute，Changsha 410208，China;2 Hunan Xiangdian Test esearch Institute Co，Ltd，Changsha 410004，China)Abstract:In order to
4、 solve the problems of high cost of optical fiber laying in medium and low voltage powergrid and difficult application of remote backup automatic switching，this paper provides a principle andimplementation method of remote backup automatic switching in substation based on 5G communication modeBy set
5、ting a 5G router in each remote backup automatic switching，the router realizes the pointtopointcommunication of remote backup automatic switching in GE TAP mode，so as to realize the informationexchange of remote backup automatic switching in substation The simulation model built in TDS proves thefea
6、sibility of the proposed remote backup automatic switching scheme based on 5G communication technologyThis method does not need to change the original hardware and software of the remote standby selfswitchingdevice，and avoids the need of adding optical fiber channel and so on，which makes the remote
7、standby selfswitching device more convenient and reliable The structure is simple，and antiinterference ability is strong，which greatly increases in the lowvoltage power network application possibilityKey words:remote standby automatic switching;5G network;GE communication mode;medium and lowvoltage
8、power grid;power supply reliability85第 43 卷第 1 期湖南电力HUNAN ELECTIC POWE2023 年 2 月0引言备用电源自动投入装置是变电站重要的二次设备12，当工作电源发生故障或其他原因被跳开时，能迅速将备用电源自动投入工作，最大程度恢复供电，这种备用电源自动投入装置(以下简称“备自投”)对于电网发生故障时的快速恢复供电起着关键性的作用。随着电网规模逐渐增大，电力系统的网络结构也日趋复杂。从供电可靠性的角度考虑，中低压配电变电站应按双电源进线设计，但受线路、资金和资源等限制，两个或多个配电变电站之间串联接线的方式在系统中经常出现3。对于电
9、网中逐渐出现并增多的链式结构串供的多个变电站，每个站的就地备自投装置仅能实现本站作为开环点、当主供失电时的备用电源自投功能，而处于非开环点的其他变电站，在失电时由于本站内无备用电源开关，而无法由本站就地备自投装置恢复供电。对于非开环站备自投，目前有两种技术措施。一种是采用远方备自投的方式47，通过敷设光缆实现两个或多个变电站备自投装置的配合，进而达到分合对侧开关，优点是传输速度快，传输容量大，且基本不受外界电磁干扰，缺点是拓扑结构受限，难以扩展。但电网结构扩展在现代电力系统中极为常见，随着变电站改、扩建，电缆或光缆改造，最终可能导致整体结构日趋复杂，维护成本高昂。另一种方式是利用 D5000
10、调度控制系统810，根据电网接线方式自动判别故障性质，再进行备自投逻辑判断，优点是建设成本低，基本无需再增加硬件设施，缺点是状态采样环节多，可靠性低。远方备自投在中低压电网中对于提升供电可靠性需求极大，但受限于复杂的地理情况，采用光缆的通信方式，建设投资成本高、周期长，而且存在光缆遭到破坏的情况，增加了运维成本，因此基于光纤通信的远方备自投的广泛使用也受到限制。随着移动数据业务的发展和第五代(5th generation，5G)通信技术的兴起，5G 网络因高带宽、低时延的优势在电力系统中逐渐广泛应用1115。基于此，本文提出一种变电站远方备自投 5G 通信原理及实现方法，能够实现多台备自投装置
11、 5G 通信互联，实现串供变电站之间的电压备用自投，可减少通信投资运维成本，能有效提升电网供电可靠性，具备广泛推广使用前景。15G 通信方式下的远方备自投工作原理1.1远方备自投简述如图 1 所示，2 个变电站采用手拉手的接线方式，由两路电源分别从两端供电。电网运行一般要求 110 kV 及以下不能形成电磁环网，调度根据负荷重要程度在某个变电站开环，当变电站开关 2DL断开，线路 1 失电时，站 1 可由线路 2 实现两路电源备自投。站 2 为非开环站，开关 2DL 在合位，备自投退出运行，当主供电源 2 失电时，存在全站失压的风险。对于非开环站备自投，可采用远方备自投的方式实现两个站的电源互
12、备功能。图 1串供电网远方备自投目前远方备自投主要通过接收对侧开关动作信号来实现串供电网备自投逻辑。以上述串供电网为例，在远方备自投充电完成且软压板投入的情况下，若两段母线电压均低于母线无压定值，进线 2无电流、进线 1 有电压(电源 1 电压投入时)启动，且在时间 T 内(T 为对侧信号等待时间与 1 s之和)接收到对端进线电源开关 1DL 或 3DL 跳闸及对端请求远方动作信号合 1DL 的信息，则跳母、母需要联切的开关投入，延时合电源 1。否则，未接收到对端进线电源开关 1DL 跳闸及对端请求远方动作信号合 1DL 或通信异常，经延时(T2)，跳开电源 2 开关(2DL)、母需要联切的开
13、关投入、母需要联切的开关投入，确认 2DL跳开后，延时合电源 1。由上述可知，远方备自投传输的只有对侧开关动作信息、请求合闸命令等，传输信息量并不大，但传输越可靠、越快，越有利于远方备自投功能的实现和供电的快速恢复。1.25G 网络概述5G 通信技术是利用高频段资源(36 GHz 和24 GHz 以上)进行通信的技术1623。按照香农定理，信号的频段与信号传输速率成正比，而 5G 通信同时支持中低频和高频频段，其中中低频满足覆95第 43 卷第 1 期尹超勇等:基于 5G 通信方式的变电站远方备自投原理及实现方法2023 年 2 月盖和容量需求，高频满足在热点区域提升容量的需求，同时 5G 通
14、信采用更短的帧结构，优化了数据的调度方式，以时隙为最小调度单位，可以缩短最小传输间隔，支持多种上下行时隙的配比。上行时采用预调度或者免授权调度的方式，减少基站分配资源和授权的时间，下行时采用抢占资源策略，高优先级业务可以抢占低优先级业务的传输资源，加快了数据的传输，因此信号传输速度更加快捷、传输兼容性更高、传输方式更加灵活。根据 ITU 发布的性能指标，5G 通信的传输峰值速率可以达到 10Gbps 以上，足以满足电网故障、装置信息等大数据无线传输要求。1.35G 通信方式下的远方备自投工作原理为了建立变电站远方备自投之间的数据交换，采用多种通信方式并存的通信模式，实现两个备自投装置虚拟的点到
15、点连接。在备自投装置光纤通信接口外接无线路由器，即可实现远方备自投装置的多通信方式并存通信。若两站之间存在光纤通信，则可通过光纤通信方式实现远方备自投 GOOSE 的点对点传输。若两站之间不存在光纤通信通道，则可采用无线路由器实现对远方备自投发出的GOOSE 报文数据进行 GE 封装，封装后的数据报文可在无线网络中传输，报文发送至目的端的无线路由器中，经过目的端的无线路由器对数据报文进行解封，再通过 GOOSE 光纤网络发至目的端的备自投中，实现数据交互。报文在无线网络中的传输路径称为 GE 隧道。基于无线通信方式的远方备自投数据传输方式如图 2 所示，封装前后数据报文的网络层协议可以相同，也
16、可以不同。图 2远方备自投 5G 通信示意图GE 隧道是一个虚拟的点到点连接，两端的设备分别对数据报文进行封装及解封装。通过GE 隧道通信的远方备自投报文帧格式如图 3 所示，包含 IP 地址、GE 封装、GOOSE 报文三部分，其中 GOOSE 报文与智能变电站报文一致，为心跳报文。站 2 通过解析图 3 所示的远方备自投帧报文，对端备自投装置可获得站 1 备自投的状态、动作命令等信息，从而实现远方备投功能。图 3远方备自投报文格式25G 通信方式下的远方备自投实现方法光纤通信方式下的远方备自投实现方式与常规无差别。本文主要介绍基于无线通信的远方备自投实现方式，主要工作流程包括远方备自投装置配置、GE 隧道配置、通信链路测试、逻辑验证方法，详细过程如图 4 所示。图 45G 通信方式下的远方备自投实现过程2.1远方备自投装置配置通过配置工具对远方备自投 IED 设备进行通信参数配置、虚端子配置等，并下装配置至远方备自投装置。配置后 Data 下的数据即为本端远方备自投向对侧备自投发出的 GOOSE 数据集数据，报文中数据集与装置的 GOOSE 文件中的数据集一致，并可根据需求设置传输
