5G技術在電力配網中的應用研究

劉丹妮，孫小芙，李生珠，張 松，王金宇，徐 晗，張 岑

（國網吉林電力有限公司信息通信公司，吉林 長春 130000）

0 引 言

2019年6 月，工信部向三大運營商與中國廣電發布了5G商用牌照。2020年3月4日，中共中央政治局常委會會議強調，加快5G網絡、數據中心等新型基礎設施建設進度。現階段，5G技術在電力配網中的應用范圍逐漸擴大，并且隨著5G技術、信息技術以及電力技術的綜合應用，創新了諸多新技術[1]。

1 5G技術概述

5G技術是第五代移動通信技術的簡稱，其應用主要集中在增強型移動寬帶（enhanced Mobile Broadband，eMBB）、超可靠和低延遲通信（ultra-reliable and Low Latency Communications，uRLLC）以及海量機器類通信（Massive Machine Type Communication，mMTC）方面，能夠提供低時延、大帶寬、高可靠以及大連接的通信服務，為能源的生產、傳輸、消費全環節提供廣泛連接與深度感知[2]。從目前國內外的研究成果看，5G技術的應用具有多元化特征，其中涉及到5種關鍵技術，包括網絡切片、邊緣計算、頻譜共享、干擾協調以及大規模MIMO技術[3-5]。現階段，5G技術在我國配網保護中的應用已經相對成熟，能夠滿足電力項目基礎建設、自動輸配電技術應用、配網自動化管理、配網搶修以及電力市場營銷等各個環節的應用需求。在整個電力行業發展過程中，可以借助5G技術實現泛在物聯網的構建，使電力網絡得到全面管理[6]。

2 5G技術在電力配網中的應用體現

5G技術在電力配網中的應用已經趨于多元化，但主要的應用方向仍然集中在對電網的保護方面，下面以、為例對其應用體現進行說明[7]。

2.1 國內應用體現

首先，通過5G技術與物聯網技術的聯合應用，構建泛在電力物聯網。從實踐經驗看，在電力系統無線傳感器網絡中運用物聯網技術可以實現對電力系統諸環節的數據化連接，并實現人機之間的交互[8]。現階段，泛在電力物聯網中的結構為感知層+網絡層+平臺層+應用層。在全天候工作模式下，基于5G技術的泛在電力物聯網中的配電自動化通信需求得到了有效滿足，而且還可以滿足智能分布式配電自動化、低壓用電信息采集、分布式電源以及電力巡檢機器人等業務場景。

其次，自5G元年以來，5G業務迅速增長，基站建設、差動保護功能測試迅速增加，圍繞5G通信承載保護技術的研究成果顯著增加[9]。與采用光纖通信的差動保護相比，其通道延時僅延長約7.8 ms，完全滿足分布式城市電網差動保護對快速通信的要求。此外，在深度定制的uRLLC場景中，5G技術中的網絡切片、差動保護通信延時以及整體動作時間等相關技術的可提升空間相對較大，應用前景相對較好。

2.2 國外應用體現

國外基于5G通信的配網保護研究中，雖然有愛立信公司、諾基亞公司、美國預先研究計劃局以及相關組織機構的大規模投資與深入研究，但是目前仍然停留在初級階段[10]。在研究內容方面，一是探討5G無線傳輸的可靠性、安全性、時延是否適合應用到電力系統繼電保護領域，二是探討5G在差動保護應用中的應用方式，三是探討5G無線通信如何在智能電網中充分發揮低延時、超高速的優點。

3 5G+配網差動保護

3.1 設計思路

首先，當前配電網電流差動保護中，基站建設是以4G基站、5G示范應用程序配套應用方案為主。本次研究中以無線網絡架構關鍵技術、基于5G通信的電網區域保護控制技術為準，前者包括了無線網強架構、基于TDOA的鋼絡定位技術、高精度網絡時間同步技術（PTP協議）以及無線網絡低時延高可靠關鍵技術，后者則涉及到主從式區域保護控制技術、分布式區域保護控制技術。在5G接入網絡架構設計中，總體設計思路是接入網設備集中化、協作化，大規模部署云無線接入網（Cloud Radio Access Network，C-RAN）。簡單講，就是利用5G公共無線網絡將配電網電流差動業務場景中的主站系統、通信終端以及業務終端關聯起來，使其在云端管理平臺上實現信息交互與數據管理等。

其次，在實踐方面，按照國網吉林信通公司協同國網長春供電公司配網保護專業，針對現有長春地區配網線路及通信技術進行充分交流，驗證其可操作性和可推廣性，并選取適合的配網線路作為本次測試用例。

3.2 實施方案

在配電網電流差動保護中，保護信號的設置要求滿足同步應用需求。一般情況下，要求做到采樣時間點在線路兩側的一致性，同時結合差動繼電器兩側同一時間點的采樣數據完成差動電流計算。差動保護對電流差值的判斷需基于同一時刻的電流值，要求相互關聯的兩個或多個差動保護終端必須保證時間同步，其時間同步精度＜10 μs，交互信息的傳輸時延最大不超過12 ms。對通信的需求中，重點強調時延、可用性以及可靠性。

在配網保護裝置中實現5G通信僅需在現有裝置中加裝5G通信模塊，各保護裝置能通過5G基站直接進行信息交互。由于uRLLC場景下5G通信延遲最多可降至0.5 ms（單向），而且傳輸速率大幅增加，因此可完全實現復雜拓撲下的大數據量、高性能、有新能源接入的配網保護。5G對一次網架結構變化的適應能力也較強，能夠輕松實現對多個新能源發電單元、保護裝置及其網絡節點的接入或移除。在基于傳統時間同步網模型架構的基礎上，運用MEC組網技術構建電力5G時間同步網絡基本架構，如圖1所示。

圖1 電力5G時間同步網絡基本架構

通過在電力5G網絡與基站間、電力5G網絡與終端間應用低開銷與高精度時頻同步技術，可以圍繞電力系統諸環節實現對電力5G網絡時頻同步無線應用的目標。電力5G網絡時頻同步無線應用場景見圖2。

圖2 電力5G網絡時頻同步無線應用場景

4 結 論

隨著基于5G技術的電力泛在物聯網的建設和配網保護關鍵技術的應用，我國將進一步實現電力輸配送的智能化，為后續的全球電力網絡建設奠定堅實的技術基礎。通過以上分析可以看出5G+配網差動已經建立內容相對完整的產業鏈條，同時在技術產品的研發設計、應用實踐等層面已經相對成熟。