基于5G 通信技術的電力自動化系統實時監控與控制研究

李曉鵬

（海陽龍鳳熱電有限公司，山東 煙臺 265100）

0 引 言

智能電網的核心是在電力系統的各個環節中集成先進的信息與通信技術，以提高電網的效率、可靠性和安全性。隨著可再生能源的日益普及和電力需求的不斷增長，對電力自動化系統的實時監控與控制提出了更高的要求。為實現智能電網的監測和控制，并適應受控設備和配電管理系統之間的大量實時數據流，有必要部署更加先進的通信網絡基礎設施。

5G 通信技術作為最新一代的通信技術，具有高速度、低延遲和高連接密度等特點，為智能電網提供了新的發展機遇[1-2]。不僅能夠支持更多設備的連接，而且可以實現更快的數據傳輸和更低的響應時間，這對于實時監控和快速故障響應至關重要。因此，文章探討并比較了5G 與現有長期演進（Long Term Evolution，LTE）技術在智能電網監控和控制中的應用，特別是在實時性能和故障管理方面的差異。同時，通過仿真實驗和案例分析，驗證5G 通信技術在電力自動化系統中的潛力，特別是在提高故障檢測和處理速度方面。

1 5G 與LTE 通信技術在智能電網中的應用對比

隨著智能電網的不斷發展，5G 與LTE 通信技術在監控和控制系統方面得到了廣泛應用，已成為現代電力系統不可或缺的一部分。傳統的電力系統依賴于集中式監控，在處理分布廣泛的電網資源時存在局限性。隨著新型分布式發電資源的出現，如太陽能和風能，對電網的實時監控和快速響應提出了新的挑戰[3]。而分布式控制系統不僅能提供更高效、靈活的電網管理方法，提高電網的可靠性，還能提升電力系統對可再生能源的適應能力。

5G 通信技術以其高速數據傳輸（可達1 ～10 Gb/s）、極低的延遲（通常小于1 ms）、大規模設備連接能力、網絡切片技術以及增強移動寬帶（enhanced Mobile Broadband，eMBB）等特點，成為支持高帶寬的理想選擇。而LTE 技術能夠提供穩定的數據傳輸速率（一般在10 ～50 Mb/s），覆蓋范圍廣泛，技術成熟，具有良好的向下兼容性，且能夠高效利用頻譜。然而，在面對更高速度和更低延遲的需求時，LTE 的性能受到限制。5G 通信技術在低延遲和高數據傳輸速度方面的優勢改善了智能電網的性能，特別是在故障檢測和響應方面[4]。通過改善網絡通信時延，可以顯著縮短數據傳輸和處理的時間，這對于確保電網的穩定運行和縮短故障恢復時間至關重要。

2 基于5G 通信技術的配電網實時監控與控制管理方法

在智能電網自動化系統中，整個電網的控制和監控需要依靠復雜的集中式、分布式或去中心化控制系統來實現。其中，集中式控制系統主要采用上一代的網絡通信技術LTE，而分層和去中心化控制系統主要利用5G 網絡進行構建，具有更高的信息流傳輸效率[5]。

文章主要對比2 種網絡管理方法，分別是基于LTE 的集中式網絡管理（Centralized Network Management，CNM）和基于5G 通信技術的分布式網絡管理（Distributed Network Management，DNM），具體結構如圖1 所示。

圖1 電網管理方式

圖1 中：CB 表示遙控斷路器；DES 表示分布式儲能；DG 表示分布式發電；DMS 表示配電管理系統。

2.1 基于LTE 的集中式網絡管理

CNM 由一個中央DMS/EMS 組成，用于檢查從測量單元（Measurement Unit，MU）發送的數據，并對安裝在發電機、斷路器、有源負載及存儲單元上的智能電子設備（Intelligent Electronic Device，IED）執行操作干預，以確保網絡處于最佳運行狀態。由于信息數據流是垂直的，因此MU 和IED 只與中心控制器交換數據。在該平臺中，MU 以固定的時間步長向DMS發送電壓和電流測量值，因此DMS 對網絡有全面的了解，能夠對故障情況進行定位和管理。在發生短路的情況下，DMS 會觸發具有最小阻抗的支路斷路器，以降低故障的影響。

2.2 基于5G 通信技術的分布式網絡管理

在DNM 方案中，每個IED 和MU 都與一個代理相關聯，代理可以與相鄰設備通信，以評估網絡狀態并執行操作動作。因此，其具有分布式DMS 功能，即保持最優條件和解決任何網絡突發事件。由于信息數據流是水平的，因此本地數據聚合器可以作為本地代理分配配電系統運營商（Distribution System Operator，DSO）之間的接口，以協調網絡運行。當代理被對應MU 測量的過電流觸發時，DNM 會將電流和相位測量值發送給相鄰代理，接著接收代理會將本地測量的電流和相位與接收的信息進行比較。通過相位比較實現故障定位，并打開斷路器進行故障干預。在日常工作中，需要在每個IED 上嵌入M2M 芯片組，以確保實現水平雙向數據流。

3 實驗設計與結果分析

為比較CNM 和DNM 這2 種智能電網管理方案的應用效果，在聯合仿真平臺上進行了分析。利用電力系統分析軟件和軟件工具DIgSILENT-PowerFactory對智能電網場景進行了仿真，并研究電網的穩定性和故障狀態下的暫態演化。仿真構建的智能配電網結構如圖2 所示。該智能配電網是一個城市中壓（Medium Voltage，MV）網絡，由2 個環形配置的高中壓（High Voltage/Medium Voltage，HV/MV）主變電站饋電系統組成。該網絡在電網全局范圍內延伸約1 km，提供了6 個中壓節點。這些節點聚集了混合城市負載，每個節點代表一個二次變電站，進出線饋線上設有斷開裝置（斷路器或分斷開關），如圖3 所示。二次變電站還安裝了一個MU和一個IED，用于電氣參數的測量、編程、與DMS 或鄰居通信。

圖2 智能配電網結構

圖3 智能配電網進出線饋線結構

本仿真實驗中，在連接節點6 和節點7 上的變電站的分支上發生了30 ms 短路事件。二次變電站的MU 檢測到了過流，同時IED 根據控制方案向服務器或相鄰代理發送報文。在這種情況下，信息都封裝在一個用戶數據報協議（User Datagram Protocol，UDP）中。本仿真實驗的目的是在考慮速度和選擇性的情況下，比較集中式和分布式故障監控方案的性能。實驗結果如表1 所示。

表1 集中式和分布式故障監測系統延遲對比結果 單位：ms

由表1 可知，2 種方案的最高節點間包傳輸延遲差為7 ms，案例分析顯示，分布式系統的故障監控總時延為17 ms，與集中式系統相比，節省了約33%的故障處理時間。因此，對于對時間要求嚴苛的干預操作（如故障中斷和電路恢復）的網絡管理而言，分布式方法是一種較為有效的解決方案。

4 結 論

文章介紹了利用5G 無線通信網絡的配電網監控與控制系統，并對比了基于LTE 技術的集中式網絡管理和基于5G 通信技術的分布式網絡管理的性能。由于5G 具有高速數據傳輸、極低的延遲和大規模設備連接等特點，能夠顯著降低電力網絡故障條件下關鍵操作的相關延遲，有效提高智能配電網絡的管理性能。盡管5G 在覆蓋范圍和成本方面面臨著挑戰，但其在智能電網實時監控與控制系統中的應用具備顯著優勢。