5G在配電網繼電保護中的應用

王丹

摘 要：隨著時代的不斷發展與進步，技術的不斷提高，人們物質生活越來越好，然而5G也被廣泛的應用。因此，基于繼電保護通信性能要求，從報文格式、帶寬需求、傳輸延時、通信架構、安全性和數據同步技術等方面探討了5G通信在繼電保護中應用的可行性。進一步地，明確基于5G通信的縱聯保護在配電系統中應用的優越性和在中高壓電力系統中應用時基于網絡結構和轉發協議的優化方向。最后，針對誤碼、丟幀、通信中斷、延時異常、授時異常等異常情況，提出了基于5G通信的縱聯保護的保護策略，為5G通信技術在電力系統繼電保護領域的工程應用提供參考。

關鍵詞：5G;配電網;繼電保護;應用

引言

全球通信正處于4G向5G的迭代過程中，相比4G及以前的通信系統，5G業務擴展至三大場景，即增強型移動寬帶（eMBB）、大連接物聯網（mMTC）和低時延、高可靠通信（uRLLC），業務需求發生重大變化，更快的速率、更低的時延及海量連接，不僅對個人生活產生深遠的影響，同時給社會發展帶來了變革，驅動新的應用場景及新的業務形態，正在創造“萬物互聯”的新時代。在配電網繼電保護發展進程中，傳統通信方式難以滿足配電網繼電保護發展需求，迫切需要構建安全可信、接入靈活、雙向實時互動的“泛在化、全覆蓋”電力通信網絡，并采用先進、可靠、穩定、高效的新興通信技術及系統予以支撐，從簡單的業務需求被動滿足逐步向業務需求主動引領而轉變，實現配電網繼電保護業務接入、承載、安全及端到端的自主管控。5G作為目前先進的通信技術手段，以其大帶寬、低時延、高可靠、廣連接、泛在網等諸多優勢，可以在許多場景逐步替代有線網絡的部署，尤其是5G的切片技術，可以為電網提供虛擬的專網服務，大大降低信息傳輸過程中出現的延遲和丟包，滿足電網生產中實時監測、實時控制等業務需求。5G配電網繼電保護的應用推廣，以高安全、高可靠的無線網替代傳統電力通信網，可以大大降低電力行業光纜建設成本，實現降本增效。

1 5G在繼電保護中的應用前景

從電力信息通信技術現狀可以看出，電力系統有線通信信道存在敷設困難、故障定位困難以及長距離通信可靠性不足的缺點，而現有無線通信信道雖然沒有有線信道的缺點，但是存在信道延時較高、帶寬不足和可靠性低等缺點。與現有4G無線專網相比，5G無線通信技術使用一系列先進技術，如大規模多天線通信技術、空-時-頻3維信道建模技術、低密度奇偶校驗碼和極化碼技術、同時同頻全雙工技術、新型多址技術以及基于云的無線接入網架結構技術等，保證了高帶寬、低延時、低功耗、高密度連接和高可靠性等業務目標的實現，其與現有的4G無線專網通信性能。5G網絡各方面性能明顯優于4G無線專網，因而在電力信息通信方面具有更廣闊的應用前景。光纖通信網絡在建設時，存在建設成本高、長距離通信需設中繼站等缺點，但建成后，其通信特性優良。因此在存量光纖網絡范圍內，無需采用5G網絡進行替換，而在光纖骨干網絡未覆蓋到的范圍，可考慮采用5G通信方式，提高通信網絡建設的經濟性。繼電保護信息通信在電力信息通信安全中屬于生產控制I區，其可靠性要求為99.999%，延時要求為實時控制（毫秒級），授時精度要求為10μs。5G通信的性能指標已達到繼電保護領域的通信要求，可應用于繼電保護通信技術領域，降低通信通道的建設成本，提升通信可靠性。

2 5G網絡切片技術概述

5G網絡切片是5G服務垂直行業的關鍵切入點。在SA架構下，切片可將網絡虛擬為多個端到端的、不同特性的邏輯子網，如大帶寬切片、低時延切片等，可滿足不同垂直行業、應用場景的差異化需求。傳統4G網絡提供單一的服務類型，而不同業務對網絡速率、時延等要求有所區別，因此4G無法很好地應用于多種多樣的移動終端之間的連接。5G網絡切片可以在基礎網絡設備中劃分出多個邏輯隔離的端到端虛擬網絡，形成一種新型網絡構架，滿足差異化、多樣化的應用需求。5G網絡切片相比傳統網絡具有明顯的優勢：各個切片的帶寬、時延等指標需求可以定制，空口資源、傳輸資源、核心網資源能得到有效保證，切片之間隔離度高，切片之間的故障、網絡擁塞等問題不會互相影響，借助統一建設的基礎網絡設備可實現快速切片開通、快速業務部署。

3 5G在配電網繼電保護中的應用

長期以來，配電網繼電保護主要依靠本地信息進行故障判別，上下游通過定值整定和時間級差進行配合，故障切除時間長，且不適應存在分布式電源的情形。借助完善的通信手段，上下游保護能夠交換更多的信息，構成縱聯保護甚至區域保護，可以大幅提高繼電保護性能，縮短故障切除時間。在光纖通信基礎設施覆蓋率低的地區，5G通信以其高速率、大容量、低時延的特性，引起了繼電保護工作者的高度關注。然而無線通信的不確定性，需要繼電保護本身做一些適應性的改變，通信接口的標準化也亟待解決。本期專題“5G在配電網繼電保護中的應用”共錄用了5篇文章。《5G技術在配電網繼電保護中的實踐和驗證》描繪了5G增強型移動寬帶（eMBB）、大連接物聯網（mMTC）和低時延、高可靠通信（uRLLC）三大應用場景，重點介紹了網絡切片、邊緣計算等關鍵技術，部署了適應智能配電網需求的5G專網，對差動保護、無人機線路巡檢、三遙、視頻監控等應用場景進行了測試，驗證了5G技術用于智能配電網核心應用的可行性。《基于5G通信的城市配電網分布式縱聯保護策略研究》總結了城市電網單電源、含分布式電源、閉環運行3種典型場景的故障特性，建議分別采用適配于不同場景的閉鎖式、幅值比較式、電流差動等縱聯保護方案，并給出了各方案對通信協議、通信速率、通信時延以及數據同步方面的具體要求。《5G通信條件下的線路差動保護優化策略研究》在保護裝置內部設置了適當長度的采樣數據緩存區，僅在裝置啟動后發送數據報文以節省流量;設置重傳機制以應對誤碼或丟包;對亂序報文重新排序。實驗室數據分析以及現場工程實際應用驗證了優化策略的可行性及有效性。《基于5G的配電網差動保護與CPE接口技術研究》建議配電網終端（distributionterminalunit，DTU）差動業務端口與三遙業務端口相互獨立;DTU將差動保護采樣值報文（samplevalue，SV）的應用協議數據單元（applicationprotocoldataunit，APDU）進行封裝，由UDP/IP協議提供可路由功能，DTU不經外部協議轉換裝置直接與客戶終端設備（customerpremiseequipment，CPE）通信，DTU接入CPE專用IRIG-B對時端口以實現帶時標同步差動保護方案。試運行結果驗證了該技術方案的先進性，達到了預期效果。《配電網保護通信時延需求約束的5G通信切片接入優化研究》建立了5G通信接入時延的數學模型，以時延最小化為優化目標函數，采用拉格朗日乘數法和分支定界法求解最大化利用通信信道資源的5G切片選擇。仿真結果表明，應用本優化算法之后，通信時延縮短同時抖動減少，基于動態時間規整算法（dynamictimewarping，DTW）的保護動作時延縮短了約200ms。

結語

5G技術憑借大帶寬、低時延、高可靠等特性，完美適配電網繼電保護的需求，有廣闊的推廣空間。目前，5G將滲透到電網日常工作中，在發電、輸電、變電、配電、用電等環節中解決實際生產的痛點;預計到2022年，全國范圍內將會有千萬個以上的5G電力終端投入使用，電力行業升級投資規模將達到百億元以上。5G技術助力電力網絡調度更高效、巡檢工作更便捷、故障恢復更快速，將大大改善企業和居民用電體驗，5G配電網繼電保護將帶來極大的社會效益和經濟效益。

參考文獻

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