適用于5G 通道的輸電線路差動保護方法

韓學軍 韓 俊 陸金鳳 李 奔 徐曉春 談 浩

（1、國家電網有限公司華東分部，上海 200000 2、南京南瑞繼保工程技術有限公司，江蘇 南京 210000）

輸電線路差動保護理論上具有輸電線路內部短路時動作的絕對選擇性，被廣泛用于輸電線路的主保護。

5G (5th generation mobile networks)- 第五代移動通信技術是最新一代蜂窩移動通信技術定義的超高可靠與低時延通信(ultra-reliable and low latency communications，URLLC)應用場景，具有高速率、低時延、高可靠性、高授時精度等特點[1-4]，契合了線路差動保護的要求[5-8]。

本文研究并提出了適用于5G 通道的線路差動保護方法，提高了差動保護通道的選擇性。

1 5G 差動保護技術

1.1 幀結構

國內主流的光纖差動保護使用同步數字體系網絡傳輸保護數據[9]，為提高通道利用率，本文提出了一種基于可路由采樣值[10]機制傳輸5G 差動數據的方法。在傳統的SV 報文的結構上，增加傳輸層和網絡層信息，使報文能夠通過5G 網絡傳輸；實現差動保護數據傳輸。報文格式如圖1 所示。

圖1 5G 差動保護報文結構

1.2 網絡安全

為提高數據傳輸安全性，本文提出了一系列數據安全處理測量，包括：（1）數據白名單機制，僅當接收數據的源ⅠP 地址在裝置的白名單內，才認為是有效數據。（2）流量控制機制，當數據流量大于2Mbps 時，短時關閉接收端口，待流量穩定小于2Mbps 后，重新開放端口。（3）數據校驗機制，在報文中設置私有的標志位和校驗位，當接收報文中標志位和校驗位正確時，才認為是有效數據。

1.3 采樣同步

電流差動保護在算法上要求參與運算的各側電氣量的采樣時刻必須同步，這是實現差動保護的關鍵所在。基于數據通道的同步方法不依賴于外部時鐘源，可靠性很高。因此，5G 通道的兩側同步不能采用基于數據通道的同步方法。本文提出了一種基于外部時鐘的同步方法。線路保護裝置的采樣時鐘實時跟外部時鐘同步，保證晶振體產生的脈沖前沿與外部時鐘具有1μs 的同步精度。當給線路兩側保護裝置授時的外部時鐘同步時，兩側裝置采樣脈沖之間具有2μs 的同步精度。基于外部時鐘的同步方法不受收發通道時延不一致的影響。

1.4 差動保護通信接口

綜合網絡安全、客戶前置設備功能迭代、通信技術發展、裝置功耗、電磁兼容等因素考慮，5G 差動保護不集成5G 通信功能，而是通過光口與外置CPE 連接。另外，為提高差動保護通道的選擇性，仍保留光纖通信接口。差動保護通信網絡聯系圖如圖2 所示。

圖2 5G 通道差動保護裝置通信示意圖

2 通道同步監視方法

2.1 基于光纖通道的采樣同步狀態監測

圖3 基于光纖通道的采樣同步狀態監測方法

5G 通道和光纖通道的數據是同源的，因此，M 側的5G通道在tm2時刻接收到N 側裝置采樣時標tnj的報文時，通過在緩存數據中找采樣時標t=tnj+Δt時刻的采樣數據tmj，即可找到對應的同步點。

需要注意的是，采用機械育秧播種時，要提前準備好一定數量的硬塑盤作為托盤周轉。播種前要反復調試，確認好播種機的狀態，將托盤內的底土厚度穩定在2.0-2.5 cm；精確調整好育秧播種的種子數量，使其維持在合適的范圍內；上層的覆蓋用土的厚度一般維持在0.3-0.5 cm，實際情況中，以看不見芽谷為宜等。

5G 通道采用基于外部時鐘的同步方法，因此，M側裝置收到N 側裝置采樣時標tni的報文時，通過采樣時標，可以在緩存數據中找相同采樣時標時刻tni的采樣數據t'mj。

當采樣數據tmj和采樣數據t'mj一致時，說明5G 通道采樣同步正常；否則，說明5G 通道采樣同步異常。

2.2 基于電氣量的采樣同步狀態監測

圖4 輸電線路等值模型

線路內部無故障且5G 差動通道同步時，滿足：

式(1)中，

因此基于電氣量的采樣同步狀態監測方法如下：

判據①，當差動電流異常偏大時，可認為5G 差動通道不同步；

2.3 自適應切換的通道同步監視方法

圖5 中，當光纖通道正常時，裝置采用基于光纖通道的采樣同步狀態監測；當光纖通道異常時，裝置采用基于電氣量的采樣同步狀態監測。

圖5 自適應切換的通道同步監視方法

3 仿真分析

3.1 測試系統

測試系統由2 臺適用于5G 通道的輸電線路差動保護裝置、2 個CPE 和時鐘源構成，如圖6 所示。

圖6 測試系統

測試系統中500kV 線路的具體參數如表1 所示。

表1 測試系統線路參數

3.2 光纖通道、對時源正常

由于對時源正常，5G 通道同步情況良好，基于光纖通道的采樣同步狀態監測正常，5G 差動保護功能投入，如表2 所示。

表2 光纖通道、對時源正常時的5G 通道信息

3.3 光纖通道正常，對時源異常（不補償PPS 差值）

由于對時源異常，且未對外部時鐘源偏差進行補償，5G差動同步異常，基于光纖通道的采樣同步狀態監測異常，5G差動保護功能退出。如表3 所示。

表3 光纖通道正常，對時源異常時（不補償PPS 差值）的5G 通道信息

3.4 光纖通道正常，對時源異常（補償PPS 差值）

雖然對時源異常，但對外部時鐘源偏差進行了補償，5G差動同步正常，基于光纖通道的采樣同步狀態監測正常，5G差動保護功能投入。如表4 所示。

表4 光纖通道異常，對時源異常時（補償PPS 差值）的5G 通道信息

3.5 光纖通道異常，對時源正常

由于對時源正常，5G 通道同步情況良好，保護裝置基于電氣量的采樣同步狀態監測正常，5G 差動保護功能投入，如表5 所示。

表5 光纖通道異常，對時源正常時的5G 通道信息

表5 中，5G 通道兩側差動電流為0，電壓判據值為3.39V，僅為額定電壓的5.9%，5G 差動同步正常，5G 差動保護功能投入。

3.6 光纖通道、對時源異常

由于對時源異常，5G 差動同步異常，保護裝置基于電氣量的采樣同步狀態監測異常，5G 差動保護功能退出，如表6所示。

表6 光纖通道、對時源異常時的5G 通道信息

表6 中，5G 通道兩側差動電流高達0.35A,電壓判據值為85.52V，為額定電壓的1.48 倍，5G 通道同步異常，5G 差動保護功能退出。

4 結論

本文從幀結構、網絡安全、采樣同步等方面研究了適用于5G 通信技術的輸電線路差動保護解決方案，并提出了一種自適應切換的通道同步監視方法。本文提出的自適應切換的通道同步監視方法，能實時檢測5G 差動同步狀態。能計算出兩側外部時鐘同步偏差并進行軟件補償，提高了5G 差動保護的可靠性。