基于5G通信的繼電保護(hù)技術(shù)研究

馬進(jìn) 趙登海 張奎峰

摘 要：目前，我國的基礎(chǔ)建設(shè)迅速，長期以來，配電網(wǎng)繼電保護(hù)主要依靠本地信息進(jìn)行故障判別，上下游通過定值整定和時間級差進(jìn)行配合，故障切除時間長，且不適應(yīng)存在分布式電源的情形。借助完善的通信手段，上下游保護(hù)能夠交換更多的信息，構(gòu)成縱聯(lián)保護(hù)甚至區(qū)域保護(hù)，可以大幅提高繼電保護(hù)性能，縮短故障切除時間。在光纖通信基礎(chǔ)設(shè)施覆蓋率低的地區(qū)，5G通信以其高速率、大容量、低時延的特性，引起了繼電保護(hù)工作者的高度關(guān)注。然而無線通信的不確定性，需要繼電保護(hù)本身做一些適應(yīng)性的改變，通信接口的標(biāo)準(zhǔn)化也亟待解決。

關(guān)鍵詞：5G通信;繼電保護(hù);技術(shù)研究

引言

5G技術(shù)以其大帶寬、低時延、廣連接技術(shù)優(yōu)勢，可以廣泛地應(yīng)用于電網(wǎng)行業(yè)全流程的生產(chǎn)和運營管理中。通過對5G切片、邊緣計算等技術(shù)在差動保護(hù)等典型應(yīng)用場景的實踐和應(yīng)用，驗證了5G端到端的網(wǎng)絡(luò)切片對電網(wǎng)業(yè)務(wù)隔離和保護(hù)的有效性，滿足差動保護(hù)、配電網(wǎng)三遙對5G授時精度、端到端時延的指標(biāo)要求。因此，5G網(wǎng)絡(luò)可為配電網(wǎng)提供高可靠的無線通信服務(wù)，具有廣闊的商業(yè)前景。

15G技術(shù)能力

1.15G基礎(chǔ)能力

5G典型業(yè)務(wù)場景包括增強型移動寬帶、大連接物聯(lián)網(wǎng)和低時延、高可靠通信。數(shù)據(jù)傳輸速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于以前的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，支持0.1～1Gbit/s的用戶體驗速率，最高可達(dá)10Gbit/s，比4GLTE蜂窩網(wǎng)絡(luò)快100倍。同時，毫秒級的端到端時延，將大大改善實時應(yīng)用。5G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)真正的“萬物互聯(lián)”，締造出規(guī)模空間的新興產(chǎn)業(yè)，為無線通信帶來無限生機，滿足更多垂直產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用需求。增強型移動寬帶可以將蜂窩覆蓋擴展到范圍更廣的建筑物中，如辦公樓、工業(yè)園區(qū)等，為用戶提供極高的數(shù)據(jù)傳輸速率，滿足網(wǎng)絡(luò)極高的流量密度要求。大連接物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)場景主要面向智慧城市、智慧農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、森林防火等以傳感器和數(shù)據(jù)采集為目標(biāo)的應(yīng)用場景，其數(shù)據(jù)包小、功耗低、終端連接數(shù)極大，具有高密度連接指標(biāo)要求，且需保證超低的功耗和成本。低時延、高可靠通信技術(shù)場景主要面向工業(yè)控制、車聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用，這些應(yīng)用具有極高的時延和可靠性指標(biāo)要求，端到端時延要求達(dá)到毫秒級，業(yè)務(wù)可靠性要求接近100%。

1.25G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)概述

5G網(wǎng)絡(luò)切片是5G服務(wù)垂直行業(yè)的關(guān)鍵切入點。在SA架構(gòu)下，切片可將網(wǎng)絡(luò)虛擬為多個端到端的、不同特性的邏輯子網(wǎng)，如大帶寬切片、低時延切片等，可滿足不同垂直行業(yè)、應(yīng)用場景的差異化需求。傳統(tǒng)4G網(wǎng)絡(luò)提供單一的服務(wù)類型，而不同業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)速率、時延等要求有所區(qū)別，因此4G無法很好地應(yīng)用于多種多樣的移動終端之間的連接。5G網(wǎng)絡(luò)切片可以在基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中劃分出多個邏輯隔離的端到端虛擬網(wǎng)絡(luò)，形成一種新型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，滿足差異化、多樣化的應(yīng)用需求。5G網(wǎng)絡(luò)切片相比傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)具有明顯的優(yōu)勢：各個切片的帶寬、時延等指標(biāo)需求可以定制，空口資源、傳輸資源、核心網(wǎng)資源能得到有效保證，切片之間隔離度高，切片之間的故障、網(wǎng)絡(luò)擁塞等問題不會互相影響，借助統(tǒng)一建設(shè)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可實現(xiàn)快速切片開通、快速業(yè)務(wù)部署。

2優(yōu)化策略

2.1省流量模式

2.1.1省流量策略原理

不論是HDLC協(xié)議還是R-SV協(xié)議，在制定之初均未考慮無線傳輸?shù)男枨螅纯紤]過對流量的計費問題，保護(hù)算法均是基于數(shù)據(jù)不間斷交互的前提下設(shè)計，同時由于光纖傳輸時延一般為微秒級，保護(hù)裝置不必開辟額外的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，在5G網(wǎng)絡(luò)條件下，由于網(wǎng)絡(luò)時延較長，且存在較大的抖動，需開辟時間窗口超過最大網(wǎng)絡(luò)時延的緩沖區(qū)。考慮電網(wǎng)在運行過程中發(fā)生擾動乃至故障的時間占比極小，同時參考GOOSE報文的機制，常態(tài)僅發(fā)送心跳報文，當(dāng)有事件產(chǎn)生時高速且連續(xù)地發(fā)送突變報文。差動保護(hù)裝置之間的R-SV數(shù)據(jù)交互可采取類似的策略：正常運行時，停止R-SV報文發(fā)送，裝置整組啟動后開啟。

2.1.2動作時間影響分析

省流量策略將在一定程度上影響保護(hù)的動作時間，下面將對增加的時間進(jìn)行定量分析。其中T0為故障發(fā)生到裝置整組啟動的時間;T1為根據(jù)差動電流計算至滿足差動條件的時間，當(dāng)一側(cè)的計算結(jié)果滿足差動條件時，即會發(fā)送允許信號至對側(cè);T2為收到允許信號到保護(hù)動作的確認(rèn)時間;Tdly為5G網(wǎng)絡(luò)平均時延。以M側(cè)為例，故障發(fā)生后經(jīng)過Tdly，開始收到N側(cè)發(fā)送的自故障時刻起的采樣數(shù)據(jù)，并與自身緩存的自故障時刻起的數(shù)據(jù)做差動電流計算，再經(jīng)過T1后，計算結(jié)果滿足差動條件，發(fā)送允許信號至N側(cè)。若兩側(cè)條件完全相同，且上下行時延也相等的話，此時N側(cè)也會向M側(cè)發(fā)送允許信號，經(jīng)過Tdly后，兩側(cè)均會收到對側(cè)的允許信號，再經(jīng)過T2保護(hù)動作。在該場景下的動作總時間為Tfree=T1+T2+2Tdly。

2.2冗余發(fā)送機制

2.2.15G網(wǎng)絡(luò)可靠性分析

根據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，差動保護(hù)裝置若出現(xiàn)通信誤碼或丟包，需發(fā)出告警并閉鎖差動保護(hù)。對于專用光纖通道，由于其較高的可靠性，在正常運行時，極少出現(xiàn)誤碼或丟包等情況，根據(jù)電網(wǎng)公司企標(biāo)，要求誤碼率不高于10–8，實際使用過程中一般在10–9左右。而根據(jù)目前3GPP的標(biāo)準(zhǔn)，以及在實驗室測試的數(shù)據(jù)來看，5G通道的誤碼或丟包率約在10–5左右，較之光纖通道提高了10000倍，針對這種情況，有必要做出相應(yīng)的優(yōu)化。5G核心網(wǎng)同樣也是光纖傳輸，誤碼和丟包率不高，誤碼或丟包主要發(fā)生在空口，即CPE與基站之間，由于是無線環(huán)境，更容易收到各種各樣的干擾。通信設(shè)備制造商均在空口側(cè)增加了報文重傳的功能，當(dāng)報文在CPE和基站之間傳輸時，若發(fā)生誤碼會丟包，發(fā)送端將重發(fā)報文，重發(fā)最大次數(shù)可設(shè)定，一般為3次左右。需要說明的一點是，此處的報文重傳，并非是保護(hù)裝置間的報文重傳，因為R-SV協(xié)議實際上遵循的是UDP協(xié)議，與TCP協(xié)議不同，UDP協(xié)議本身不是面向連接的協(xié)議，并不具有重傳的機制，此處的重傳是僅存在于空口側(cè)的傳輸層重傳。

2.2.2實驗室測試

在某通信設(shè)備制造商提供的實驗室，對差動保護(hù)在5G網(wǎng)絡(luò)下的通信質(zhì)量進(jìn)行了相關(guān)測試，組網(wǎng)圖基本與圖2相同，唯一的區(qū)別是2臺差動保護(hù)裝置通過各自的CPE接入了同一個基站，測試網(wǎng)絡(luò)為SA組網(wǎng)。另外，測試基站僅連接待測試的設(shè)備，并把基站的天線和待測試設(shè)備置于同一屏蔽室內(nèi)，避免空間中其他通道的干擾，可認(rèn)為是理想狀態(tài)下的5GSA網(wǎng)絡(luò)通道。在測試過程中，由于空口側(cè)的重傳機制，并沒有出現(xiàn)真正意義上的丟包，但對于差動保護(hù)而言，時延超過一定范圍，實際效果與數(shù)據(jù)丟失相同。根據(jù)DL/T584―2017《3kV～110kV電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置運行整定規(guī)程》里的規(guī)定，微機保護(hù)的時間級差不應(yīng)小于0.2s，而目前變電站10kV線路的時延速斷保護(hù)一般整定為0.3s，故留給5G差動保護(hù)的動作時間還剩下100ms。5G差動保護(hù)的動作時間在非省流量模式下的動作時間Tfree=T1+T2+2Tdly，10kV光纖差動保護(hù)的固有動作時間約為40ms，則Tdly時間不應(yīng)大于30ms。保護(hù)裝置會開辟數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，以克服網(wǎng)絡(luò)時延及抖動問題，但緩沖區(qū)顯然不可能無限大，基于對Tdly時間的分析，考慮將緩沖區(qū)的時間窗口設(shè)置為40ms。

結(jié)語

通信基礎(chǔ)設(shè)施可以和電力基礎(chǔ)設(shè)施深度融合，形成共生生態(tài)：供電部門為5G基站提供站址資源、供電設(shè)施;電信部門為供電部門提供私有網(wǎng)絡(luò)切片和移動/多接入邊緣計算資源（mobile/multi-accessed gecomputing，MEC），用戶面功能（userplanefunction，UPF）下沉，同時帶一定儲能資源和分布式發(fā)電設(shè)施的5G基站作為可調(diào)度負(fù)荷。

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