配網差動保護及5G應用

蔡 超，艾福洲，余福振，孟慶智

（1.國網湖北省電力有限公司，湖北 武漢 430000；2.山東省煙臺市東方電子股份有限公司，山東 煙臺 264010）

0 引 言

近年來，新能源發電技術快速發展，分布式電源在配網中高度滲透，因此引用了差動保護[1,2]。光纖通道具有安全可靠、運行穩定以及抗干擾能力強等很明顯優勢，而光纖差動保護具有判據簡單和可迅速動作的優點，能夠很大程度上提高主保護的可靠性。然而，在差動保護的運行過程中，光纖通道仍會因為各種原因給電力系統的穩定運行造成不良影響[3,4]。因此，考慮將5G技術運用到配網中，給配網的推廣應用提供新的解決方案[5]。

5G是第五代移動網絡通信技術，相對于4G具有更高的速度、更大的容量以及更低的時延等典型優點[6-8]。隨著5G通信技術的逐漸成熟以及逐步商業化，其在垂直業務領域的應用也越來越深入，智能配電網的分布式保護與控制是5G最有前途的應用領域之一[9,10]。5G通信技術的發展是解決配電網光纜不足和通信條件差等制約因素的重要方法，這給配網保護的縱聯化應用帶來了新的希望。

1 差動保護原理及優缺點

1.1 原 理

差動保護示意如圖1所示，1#環網柜和2#環網柜均為二進二出，開關全部為斷路器。1#環網柜的JX2和2#環網柜的JX1加裝光纖差動保護裝置，利用配網現有光纖通道，當兩個環網柜之間發生故障時，兩個光差保護裝置根據電流差值，通過通信交換信息進而確定故障點位置并跳開故障點兩端開關。基于差動保護的故障處理模式，故障切除可達毫秒級。

目前，光纖差動保護主要應用于柜間線路的故障快速處理。因母線處于密閉空間，故障率極低，所以暫不考慮母線故障的處理。

差動保護快速切除故障依賴高速光纖通信，而現實情況是配網終端絕大部分都是無線公網通信，目前網絡主要是無線4G。無線4G網絡延時較長、無法實現點對點通信，因此無法滿足差動保護和智能分布式對時間的要求。

1.2 優缺點

1.2.1 優 點

光纖縱差保護僅保護環網柜之間的線路靠的是專用光纖，串行傳輸。相對于分布式不需要設備都在交換網絡內，不用開通ONU、OLT的組播轉發功能，網絡安全風險低。可直接傳輸模擬量，相對依賴于其他終端給出處理結果的判據，理論上更加可靠。而且不經過交換網絡，切除故障速度更快，同時能適應多電源點的閉環網絡。此外，僅與對側通信，功能簡單，工程配置簡單，不易出錯。

1.2.2 缺 點

要處理的數據量大，對設備的處理能力要求高、設備成本高、沒有模型約束、沒有規范且難解決互操作的問題。因為設備之間無通信網絡，所以不能處理拒動問題，而且網絡備自投的故障恢復功能目前要么依賴于通信，要么通過光纖逐級轉發。此外解決母線故障時需要單獨購置設備，價格昂貴。

1.3 技術前景

隨著未來更多分布式電源的引入，針對各種復雜的閉環供電網絡，光纖差動可能是解決故障隔離問題的一種比較簡單的解決方案，未來有著較大的應用前景。

2 配網差動保護及5G應用

2.1 5G的基本概念與特點

5G通信的最大特點是高帶寬、高可靠、低時延以及廣連接。其布點方便，不需要光纖通道進行連接，在配網通信、智能分布式FA、精準負荷控制、邊緣計算、分布式能源接入、海量低壓數據接入、微秒級高精度授時等方面都會發揮積極的作用，其中配網高速通信和智能分布式FA最容易實現。

5G作為一種新的通信技術，相比較于以前的通信技術主要有3點優勢，一是面對的業務場景更多，二是網絡承載能力更強，三是行業專網服務更加安全開放。用5G模塊替代現有的2G、3G、4G模塊，可以實現與配電主站的高速業務通信，保證數據實時性的同時能夠快速完成遠程程序升級、錄波文件召喚以及歷史文件讀取等操作。

2.2 5G在智能分布式FA中應用

智能分布式FA全稱智能分布式饋線自動化，是快速的一種故障處理方案。通過各保護終端之間的信息交換實現了故障區域的快速故障隔離和非故障區電源的快速恢復，并將故障處理結果上報配電主站。借助通信網絡，實現保護終端間的點對點通信，完成故障判斷的選擇性和快速性，同時可以完成故障識別、故障隔離以及電源恢復。

智能分布式FA對通信速度和處理速度的要求較高，目前的智能分布式FA只能基于光纖以太網通信來實現。但光纖鋪設的人力成本和材料成本較高，且人為外力破壞光纜的情況也時有發生。

隨著5G技術的發展和網絡覆蓋，5G網絡可以提供10 ms的網絡延時和千兆吞吐量，此外還可以用于進行身份驗證和保障網絡信息安全。通過網絡切片，在保證數據安全的同時，可以滿足智能分布式的要求。隨著分布式能源在配電網中的應用，基于5G的智能分布式FA未來會得到廣泛應用，能夠很好地提升含有分布式能源的配網故障處理水平，具有較好的推廣前景。圖2為基于5G的智能分布式FA設備組網示意圖。

2.3 5G結合配網保護改造方案

對于基于光纖通信實現的傳統智能分布式FA來說，雖然有著時延低、帶寬高以及信號傳輸穩定等優點，但也有許多缺點，如需單獨來鋪設光纖、施工難度大、成本比較高，且有部分地區沒有鋪設光纖的條件。5G通信在同樣可滿足智能分布式FA通信要求的條件下，也可以作為實現智能分布式FA的一種補充。

5G通信核心網段和傳輸網段的分片特性可以同時滿足網格通信信息的物理和邏輯隔離，滿足安全要求。配電網設備分布廣泛，數量龐大，基于無線通信技術的實現不僅可以覆蓋整個配網，而且只需安裝5G通信終端即可對現有設備和新設備進行改造，實現5G智能分布式FA功能。

基于5G通信技術的智能分布式FA技術不改變原本具有的保護裝置模式，只在外部安裝一臺無線通信終端裝置。保護裝置通過以太網端口和無線通信終端連接，保護裝置之間通過無線信號傳輸實現點對點通信，完成分布式保護的動作邏輯。配電網分布式保護裝置可安裝在開關站、環網柜以及柱上開關等處，通過電力電纜和間隔電流互感器CT的連接來完成電流采樣，通過控制電纜連接斷路器控制回路，實現保護動作出口跳閘。

智能分布式配網保護是配電線路的主要保護，裝置設有階段式過流保護來作為其后備保護。在正常的運行模式下，按配網整定級差原則來設置階段式過流保護，并閉鎖分布式配網保護。當通信中斷或主保護功能未激活時，閉鎖將取消，階段式過流后備保護將自動激活，以確保區域內的保護仍具有選擇性。

3 結 論

本文先給出差動保護的原理，將傳統光纖差動保護的優缺點進行論述，提出了將5G通信應用于配網上的觀點，對5G在配網上的應用進行了初步闡述，并給出基于5G智能分布式FA的設備組網及其配網改造方案。5G通信在速率、時延、可靠性以及安全性等方面完全可以滿足配網差動保護的要求，可替代光纖作為配網差動保護的新通信通道。