基于5G 通信網絡的配電網電流差動保護協議研究

王曙寧

（國網江蘇省電力有限公司常州供電分公司，江蘇常州 213000）

5G 是最新一代的蜂窩移動通信技術，與以往的通信技術手段相比，5G 通信的數據傳輸速率更高，在低網絡延遲情況下，數據信息能夠得到快速傳輸，且能夠在提供數據連接服務的同時，擴張區域性網絡的實際覆蓋范圍[1-2]。一般情況下，5G 通信網絡的空中接口時延水平始終維持在1 ms 左右，隨著待傳輸數據總量的增大，用戶客戶端的信息體驗率也會出現不斷升高的變化趨勢，據現有研究資料顯示，最大值可達100 Mbit/s。

在配電網應用環境中，因電子差量化流動的行為日趨明顯，網絡內部電壓負載會出現明顯的不均衡分布狀態。為解決此問題，傳統SDN/NFV 型電網保護策略在編排體系結構的支持下，建立信息傳輸所需的數據包結構體，再根據饋線電流保護原理，確定電網元件所能承載的最大電子應用量。但與此方法匹配的電壓負載值水平較低，很難實現對電子差量化流動周期數值的有效控制。為避免上述情況的發生，引入5G 通信網絡，在信息存儲數據庫、連接配置模塊等多個硬件設備執行元件的支持下，設計一種新型的配電網電流差動保護協議，并通過對比實驗的方式，突出該新型應用算法的實際應用價值。

1 基于5G通信網絡的配電網環境搭建

基于5G 通信網絡的配電網環境由網絡編排器、網絡連接配置模塊、信息存儲數據庫3 個硬件執行設備共同組成，具體搭建方法如下。

1.1 網絡編排器

網絡編排器由電網服務管理、配電模型管理兩類模塊實施結構共同組成，前者隸屬于5G 通信連接配置環節的編排層組織之中，可在調節SND、NFV、VNF 三類通信編碼原則的同時，對差量流動型電流的傳輸行為進行定向規劃；后者隸屬于配電網管理模塊的基礎設施層，能夠較好地適應SNDI管理組織與NFVI 管理組織的傳輸連接狀態，從而做出一定的配套更改行為[3-4]。隨著配電網輸入電流總量的增加，網絡編排器的實際工作量也在不斷增大，當5G 通信環境中的電流差動值不再發生改變時，該模塊對于配電協議的傳輸促進行為也會逐漸趨于穩定。網絡編排器結構如圖1 所示。

圖1 網絡編排器結構圖

1.2 網絡連接配置模塊

網絡連接配置模塊隸屬于網絡編排器結構，可在電子配置器與通信網絡連接協議的同步作用下，實現對差動性電流的下發與轉載處理[5-6]。配電網接入子模塊作為網絡連接配置模塊的頂層執行結構，可與網絡編排器直接相連，在向差動電流下發子模塊傳輸執行指令的同時，獲取電子配置器內的傳輸電量信息，再根據既定應用標準，確定5G 通信網絡連接協議的實際執行需求[7-8]。5G 通信控制器負載于網絡連接配置模塊最下端，可整合通信網絡中運行的所有數據應用信息，并將其規劃成全新的傳輸連接形式。網絡連接配置模塊結構如圖2 所示。

圖2 網絡連接配置模塊結構圖

1.3 信息存儲數據庫

信息存儲數據庫存在于5G 通信網絡環境中，能夠感知配電網組織的實際變化行為，并以此為基準對差動性電流進行適度的調節處理。從功能性角度來看，信息存儲數據庫包含通信促傳、電量轉載兩類基本應用型節點組織。其中，通信促傳節點能夠直接調取5G 通信網絡中的電子傳輸信息，并按照反時限電流保護需求，建立必要的電量存儲機制[9-10]。電量轉載節點直接作用于配電網電流保護組織，能夠在適應電流差動保護行為的同時，對待傳輸電量進行適當的調度與分配處理。信息數據庫存儲應用原理如表1 所示。

表1 信息數據庫存儲應用原理

2 配電網電流差動保護協議

在配電網連接環境的基礎上，按照反時限電流保護、電流差動保護、重合閘時間整定的處理環節，完成基于5G 通信網絡的配電網電流差動保護協議的設計。

2.1 反時限電流保護

改進熔斷器反時限特性曲線是實現反時限電流保護的重要實踐環節，可為后續電流保護處理提供準確的操作應用方向。反時限電流保護的實踐原理與熔斷器熔斷特性極為相似，單位時間內通過5G 通信網絡編排器元件的應用電流量越大，電流設備結構的熔斷速度也就越快；反之，通過的應用電流量越小，電流設備結構的熔斷速度也就越慢。一般情況下，配電網反時限電流保護的使用流程相對簡單，且能夠在確定電路元件承載極值的同時，為5G 通信網絡提供強有力的應用能力支持[11-12]。設Ie代表既定5G 通信節點處的配電網電流傳輸系數，e代表5G 通信節點的位置信息，W代表與差動性電流相關的電子保護參量，聯立上述所有物理系數值指標，可將配電網反時限電流保護行為定義為：

其中，q′代表熔斷器反時限特性曲線的既定曲率條件，r代表冪次項系數指標，u代表節點化電流促傳系數。

2.2 電流差動保護

電流差動保護原理的實施必須建立在基爾霍夫電流定律之上，在5G 通信網絡環境中，配電網電流只能作用于內故障區域，因此外故障區域的差動影響行為可以忽略不計。電流差動保護元件只能負載于配電網的高壓輸電線路之上，在電子傳輸量滿足跳閘條件的情況下，兩端5G 通信網絡信道會直接跳轉至待清除的故障區域之中，從而為差動性電流保護協議的實施提供一個相對可靠的應用環境[13-14]。設t0代表差動性電流保護協議的最短實施周期，tn代表差動性電流保護協議的最長實施周期。在上述物理量的支持下，聯立式（1），可將電流差動保護行為定義為：

式中，l1、s1分別代表第一個輸入的電子傳輸量與5G 信號通信量，ln、sn分別代表第n個輸入的電子傳輸量與5G 信號通信量，lˉ代表電子傳輸量均值，β代表配電網耗電強度值。

2.3 重合閘時間整定

大量光伏電源接入5G 通信網絡環境后，配電網實際配置故障會造成電量孤島問題的不斷加重，從而造成電網應用穩定性的不斷下降，導致重合閘行為的失敗[15-19]。因此，在只考慮相應區段電網差動現象的情況下，需要對5G 通信網絡的重合閘時間進行整定處理，在多次重合閘操作中，選擇最為合適的時間限定參數。設h代表最小的配電網重合閘系數權限指標，h′代表最大的配電網重合閘系數權限指標，聯立式（2），可將5G 通信網絡的重合閘時間整定結果表示為：

其中，f代表配電網電流的差動性傳輸系數，jˉ代表5G 通信網絡中的電流傳輸均值，ΔG代表單位時間內的電子傳輸數量差。

在配電網差動保護中，可接入GPS 對時裝置的秒脈沖信號，采用故障信號同步法實現GPS 長期異常情況下的差動同步。保護的動作判據為：

其中，I?表示線路故障電流穩態幅值，Izd表示故障信號同步法適用的啟動門檻值，Δθ表示計算得到的線路兩端相位之差。

線路發生故障后，線路兩端保護裝置各自檢測到故障，并將檢測到故障的時刻近似作為故障發生時刻。線路兩端分別計算各自的電流相位，并傳輸到對端進行比較，判斷故障發生位置。

至此，完成各項系數應用指標的計算與處理，在5G 通信網絡的作用下，實現配電網電流差動保護協議的順利應用。

3 實驗結果分析

為驗證基于5G 通信網絡的配電網電流差動保護協議的實際應用價值，設計如下對比實驗。在5G通信網絡中，設置環網柜、DTU、配電箱等多個電網應用設備，分別將搭載新型差動保護協議與傳統SDN/NFV 型電網保護策略的電路主機接入通信網絡環境中，其中前者作為實驗組、后者作為對照組。

圖3 實驗應用原理

已知配電網電壓負載值、電子差量化流動周期均能反映電網運行環境的實際調節與維護能力，一般情況下，電壓負載值越大、差量化流動周期值越小，電網環境的調節與維護能力也就越強，反之則越弱。實驗詳情如表2、表3 所示。

表2 配電網電壓負載值對比表

表3 電子差量化流動周期對比表

分析表2 可知，隨著實驗時間的延長，實驗組配電網電壓負載數值呈現出先上升、再穩定的變化趨勢，在指標穩定區間內，配電網電壓負載數值雖出現小幅波動狀態，但對整體變化趨勢并無明顯影響，全局最大值達到387 V。對照組配電網電壓負載值則保持兩端上升、中間穩定的變化趨勢，全局最大值僅達到292 V，與實驗組極值相比，下降了95 V。綜上可知，應用基于5G 通信網絡的配電網電流差動保護協議后，配電網電壓的實際負載值卻是出現了明顯上升的變化趨勢，可促進電網運行環境調節與維護能力的適度增強。

分析表3 可知，隨著傳輸電子總量的增大，電子差量化流動周期雖一直呈現不斷上升的變化趨勢，但平均上升幅度相對較小，且后期上升量明顯低于前期，全局最大值僅達到1.48 ms。對照組電子差量化流動周期在小幅度穩定狀態后，開始不斷上升，且平均上升量明顯高于實驗組，全局最大值為3.30 ms，與實驗組極值相比，上升了1.82 ms。綜上可知，應用基于5G 通信網絡的配電網電流差動保護協議后，電子差量化流動周期的實際表現數值得到明顯抑制，符合提升電網運行環境調節與維護能力的應用執行需求。

4 結束語

與傳統SDN/NFV 型電網保護策略相比，新型配電網電流差動保護協議在5G 通信網絡的作用下，利用網絡編排器對網絡連接配置模塊進行定向化調度，再聯合信息存儲數據庫，實現對反時限電流與電流差動行為的保護。從實用性角度來看，配電網電壓負載值的下降，能夠促進電子差量化流動周期的持續縮短，可在解決因電子差量化流動而造成的配電網電壓負載不均問題的同時，實現對電網運行環境的調節與維護。