5G技術在配電網電流差動保護業務中的應用

孫小芙，劉丹妮，李生珠，張 松，王金宇，徐 晗，張 岑

（國網吉林省電力有限公司信息通信公司，吉林 長春130000）

0 引 言

當前，電力融合5G互聯網技術步入了全新自動化管理的重要時期，但在此期間會伴隨著用電故障。為了解決用電故障，需在配電網電流差動保護業務中引進5G技術，這樣不僅能大大優化改進故障的判斷和處理方法，及時確定故障原因，而且還能避免耗費大量的人力和物力。

1 智能電網5G技術的應用

5G技術是4G技術的進一步演化，它能利用新型多天線、超高頻段以及密集網絡等構建更可靠的通信網絡，具有網絡超高帶寬與超低時延的特性[1]。相較于4G技術，5G技術在關鍵性能指標方面的提升效果非常顯著。在空中接口時延方面，4G通常為10～50 ms，5G可降低至l ms；在單用戶峰值吞吐率方面，4G通常為100～1 024 Mb/s，5G可達到10 Gb/s之上。與此同時，5G技術還對3個核心應用場景進行了定義。首先，增強型移動寬帶能增強既有的移動數據通信業務，全面提升系統運行速度；其次，海量物聯網通信可通過相關的大數據連接業務，充分滿足物聯網對“萬物互聯”的實現要求；最后，超高可靠及低時延通信側重于控制領域，能提供高可靠性與低時延的服務。

2 在配電網電流差動保護業務中應用5G技術時遇見的問題

2.1 電流差動保護業務在實際工作中存在的缺陷和問題

2.1.1 在問題的發現和處理上具有很大缺陷

在傳統的電流差動保護業務中，很難對故障信息進行準確定位，同時也很難準確分析其細節。尤其在電力供應相對落后的地區，故障處理信息不明確，加之工作人員也存在一定的技術水平有限等問題，導致電力維護緩慢，從而影響到了電力的正常供應[2]。在電力數據的傳輸中，基于4G技術的信息傳輸具有一定的延遲，而5G技術能夠有效避免數據延遲問題發生。除此之外，5G技術還能夠極快地實現數據實時傳輸，降低故障狀況造成的影響。就目前實際情況來看，在傳統的電流差動保護業務中應用5G技術是非常有必要的。

2.1.2 難以全面連接整條線路的電壓信息

對于電網建設來說，由于每個節點都配置PT目前還很難達到，因此無法及時發現欠壓等線路電壓情況，管理人員無法及時掌握全面的電力信息，這也就意味著部分地區的電壓難以得到有效的保障。除此之外，有源配電網在電壓信息的處理方面具有一定的局限性和缺陷，會因信息獲取不及時而導致電壓供應問題，很難確保用戶的高效用電。

2.2 傳統光纖電流差動保護問題

若想保障電流差動保護的選擇性，就必須以基爾霍夫電流定律為基礎，即流向一個節點的電流之和等于零。在光纖通道的電流差動保護基礎上，促使兩端或多端線路實現差動保護[3]。例如兩端線路，在非故障前提下從兩側母線流入線路的電流之和等于零，那么位于線路兩側的保護裝置只需將各自通過電流互感器采集的電流數據傳輸給對側裝置，經過數據同步處理后就能進行差動保護計算。其數據同步方法的重點是使用乒乓法原理將光纖通道延遲測出來，同時將兩端采樣時刻的偏差計算出來，再由同步端保護裝置對采樣中斷時刻進行調整，從而實現裝置采樣時刻同步。

2.3 5G無線電流差動保護問題

作為鏈路層傳輸協議，HDLC協議并沒有上層的網絡層、應用層以及傳輸層協議，不能通過5G網絡設備傳輸。作為采樣值傳輸的另一個標準，IEC61850-9-2標準被廣泛應用于智能變電站中。根據該標準，裝置之間可對SV報文進行收發，并對采樣值信息進行實時交互。在理論層面，基于該標準，裝置也可實現線路差動保護。在鏈路方面，SV報文使用ISO/IEC8802.3協議僅對應OSI模型中的數據鏈路層及物理層，而在網絡層、傳輸層及會話層均為空。雖然簡化了協議棧、減少了協議棧處理時間、提升了數據的實時性，但是同樣不能在5G網絡里傳輸[4]。

2.4 其他問題

傳輸通道替代專用光纖后，5G通信網絡平均傳輸時延、丟包率以及時延抖動等指標都有明顯的下降趨勢，必然會影響到差動保護的保護動作時間和穩定性。此外，如果差動保護之間的數據交互使用R-SV協議，雖然使用非標協議降低了每秒幀數，但也很明顯地減少了流量，這些都阻礙了進一步推廣5G差動保護。

3 在配電網電流差動保護業務中應用5G技術時所產生問題的解決措施

3.1 利用5G技術實時傳輸電路故障信息

在信息技術快速發展的時代，利用相應的云端服務器可以實時完成配電網的監控工作。對于云端計算設備來說，其處理問題的速度遠超人類。隨著科技的快速發展，借助網絡手段便能將電網管理的傳輸設備直接連接到管理人員的移動終端。通過這樣的形式建立起一套完善的互聯網管理體系，經由云端算法給出處理建議，再由專業人士審核后選擇合適的處理方法，能夠快捷有效地完成維護任務。

3.2 充分利用信息存儲能力控制配電

在目前強大的網絡系統中，任何一戶用電家庭都可以成為一個節點，以此建立一個固定的管理系統，利用互聯網技術實時監控電量剩余量，并對戶主進行必要的電量提醒。該系統能夠實時反饋各節點用戶的用電效果，避免出現電壓不足和突發斷電等問題。利用智能化5G技術完成一些簡單的維護和調度工作，通過核心網絡系統統一進行電流差動保護，借助更加廣闊的數據儲備空間將用戶信息和電力監控信息統一錄入到云端管理中心，盡可能地實現區域化管理。利用5G信息處理技術可以加快故障信息處理效率，不僅能夠精確定位故障位置，而且還能夠迅速判斷故障類型，及時給出故障處理方法[5]。

3.3 省流量模式

HDLC協議和R-SV協議都沒有考慮無線傳輸的需求，更不用說流量的收費。保護算法是基于不間斷數據交互進行設計的，而光纖傳輸延遲通常為微秒級，保護裝置不需要打開額外的數據緩沖區。省流量策略將會對保護的動作時間造成一定影響，以下是對增加的時間的定量分析。對于非流量節省模式下的保護動作，依據差動電流計算時間，直到滿足差動條件為止。當一側的計算結果滿足微分條件時，向另一側發送允許信號。

3.4 冗余發送機制

3.4.1 5G網絡可靠性

裝置依據既有標準，如果產生通信誤碼或丟包，需發出警報并阻斷差動保護。專用光纖通道可靠性高，在正常運行期間很少發生誤碼或數據包丟失等情況。根據電網公司的企業標準，誤碼率要求大于10-8，實際使用中誤碼率通常為10-9左右[6]。根據目前的3GPP標準和實驗室測試數據，5G信道的誤碼率或丟包率是光纖信道的10 000倍，約為10-5?；诖耍M行相應的優化是非常有必要的。

3.4.2 實驗室測試

在設備制造商提供的實驗室中，測試5G網絡下差動保護的通信質量。兩個差動保護裝置通過各自的CPE連接到同一個基站，SA組網為測試網絡。此外，測試基站只連接待測設備。將基站天線與待測設備放在同一屏蔽室內，避免空間內其他信道的干擾，可以將其視為理想狀態下的5G SA網絡通道。在測試中，基于空中接口側的重傳機制，沒有真正的丟包，但對于差動保護的延時大于規定范圍，實際效果等同于數據丟失。根據相關規定，微機保護的時差不應小于0.2 s。而由于現階段變電站10 kV線路延時速斷保護通常設置為0.3 s，因此5G差動保護動作時間仍為100 ms。

4 在電流差動保護業務中5G技術的具體應用實例與展望

4.1 應用實例

電流差動保護的信號同步要求包括兩方面，一是線路兩側的采樣時刻務必嚴格同步，二是差動繼電器采用兩側相同時刻的采樣數據對差動電流進行計算。目前常見的信號同步方式有兩種，即基于GPS同步時鐘的同步方法和基于數據通道的同步方法。其中，基于數據通道的同步方法包括采樣時刻調整法、時鐘校正法以及采樣數據修正法。

以中國自主研發的北斗衛星導航系統為核心，使用北斗授時同步方法在線路兩端的保護裝置中部署采樣時鐘。該時鐘由高可靠性的晶振體構成，每過1 s被秒脈沖信號同步1次，確保晶振體出現的脈沖前沿和國際標準時鐘具有1 μs同步精度，促使兩端采樣嚴格同步[7,8]。

依據現場部署情況，配電網業務終端與配電主站系統之間使用以太網方式或5G通信系統、光纖、4G無線專網傳輸數據。其中，配電網電流差動保護裝置能夠減少停電時長、提升搶修效率，傳遞跳閘信號以及采樣值。

電力電子器件是分布式電源中的主要器件，耐受過電流與過電壓的能力較弱，故障時提供的故障電流水平相對較低，會逐漸惡化配電網原有繼電保護方案（如三段式電流保護）性能，保護原理不能被使用。對于保護裝置而言，隨著網絡架構拓撲的變化而得不到有效配備。對原有的配電網而言，隨著分布式電源的接入從單端放射式網絡轉變為多電源網絡。

既有的無線通信技術和保護通信通道建設的特征，對配電網快速保護的發展產生了阻礙。將配電網與5G通信網絡融合，對配電網電流差動保護信號同步關鍵技術進行應用，有序串聯配電主站、差動保護裝置、配電自動化終端等，如圖1所示。

圖1 配電主站、差動保護裝置等有序串聯

對電流差動保護、測控裝置以及5G CPE通信模組進行配置，每個智能配電終端分別采集兩側CT的各相電流和零序電流，對被保護線路的制動電流與差動電流進行計算。與此同時，利用5G基站和核心網電力uRLLC切片，當出現區內故障時，兩個智能配電終端的差動保護邏輯各自動作，對動作出口進行保護，促使配電網電流差動保護應用得到全面實現[9]。

4.2 應用展望

在電網管理中，往往需要更加高效直接的方法將電網信息快速傳遞給電網管理人員。隨著互聯網的普及，越來越多的用戶開始注重電力的供應水平。而5G技術的出現帶來了高效的信息處理手段，通過5G技術能夠建立一個可采集所有用戶信息的平臺，統計用戶用電質量要求，并及時對用戶的用電量進行相關統計計算，掌握全部用戶的電力信息，這也是電路保護的重要前提。該平臺不僅能夠直接有效地調查用戶以往的用電特點，還能夠針對性地實時檢測電網，準確有效地顯示相應的故障信號[10]。除此之外，利用5G基站來進行信號的傳輸與接收，有效節省了電網建設的預算。5G技術在未來電網管理相關方面具有的極大的發展空間，對于電流差動保護業務來說，結合5G技術也將是主流的發展趨勢。

5 結 論

在新時期發展背景下，5G技術在監測業務、工業控制等領域中得到了非常廣泛的應用。文章詳細討論了5G技術在配電網電流差動保護中的實際應用，通過在配電網中應用5G技術，能夠在很大程度上全面提升智能電網業務運行的可靠性和安全性。