配電網5G通信電流差動保護技術

陳曉川

（廣東電網汕頭供電局，廣東 汕頭 515041）

1 配電網5G差動保護原理和同步方式

在運行過程中，為了保證配電線網的穩定性，配電網差動保護裝置需要交換線路兩端的電氣量信息，以實現實時傳輸和同步操作，因此對傳輸通道在信息的傳輸速度（通道的傳輸速率大于或等于0.25 Mbit/s）、傳輸延時（延時小于或等于20 ms）和信息的可行性（通道誤碼率小于0.001‰）方面都有嚴格的要求，以往的載波、微波和光纖等傳輸通道均存在同步性差的問題[1-4]。與4G通信網絡相比，5G通信網絡具有“三高一低”的顯著特點（三高即高速率、高可靠和高容量，一低即低延時），可以適應高速率的增強型移動寬帶場景、超低延時業務應用場景以及海量機器類通信場景。5G通信網絡特有的網絡切片功能能夠提供配電網特定網絡能力和網絡特性的邏輯網絡，涵蓋切片構架、切片選擇以及切片漫游，實現端到端的隔離性，使網絡資源利用率最大化以及數據收發延時保持一致，因此5G通信網絡在配電網差動保護的數據同步上具有良好的適應性，能夠為配電網系統信息的傳輸提供穩定、安全且保密的無線通信環境[5-6]。

根據目前配電網多端多源的結構形式、故障電流特性以及差動保護的實用性，考慮采用全電流差動保護作為電流保護判斷依據，全電流差動保護的原理如公式（1）、公式（2）所示。

式中：Krel為差動保護裝置的振動系數；Im和In分別為配電網線路兩端各相的電流量；Iset1為不平衡故障電流閾值。

基于5G通信網絡的電流差動保護同步方式認為配電線路在發生電流故障后，電磁波在線路上的傳播速率接近光速，可以認為在線路兩端保護裝置采樣率一致的情況下，兩者測試得到的故障電流突變時間是同一時刻的電流，因此可以采用同步算法計算兩端保護裝置采集到的電流最大相位差，如公式（3）所示[7]。

式中：θi，max為兩端保護裝置采集到的電流最大相位差；θ1，max為自同步算法誤差；θ2，max為受配電網系統影響參數的兩端電流相位差；θCT，max為電流測量誤差；θp，max為電流計算誤差。

2 開發配電網5G通信電流差動保護終端

配電網5G差動保護終端的開發包括終端硬件設計、終端軟件開發和網路協議。如圖1所示，終端硬件設計包括4個模塊，分別是CPU模塊、AI模塊、DI/DO模塊和通信接口。CPU模塊選擇高性價比的BF-536處理芯片，能夠滿足實時采集海量電流、電壓數據的需求，對設計好的硬件進行封裝，并配備可觸屏的顯示屏，屏幕界面中有設備的運行狀態、電源狀態、故障特征和位置的提示功能，便于用戶操作。

圖1 配網5G通信電流差動保護硬件開發

在現有的5G通信網絡協議中，為了適應遠距離、跨路由的數據傳播，避免經過網絡路由轉發，增強數據傳輸的時效性，一般采用TCP或者UDP協議進行終端與控制中心的通信。在配電網系統中，在確保電流差點保護的同步通信方面，TCP協議和UDP協議之間存在各自的優、缺點，TCP協議在實時性通信前需要提前建立連接，可以進行可靠傳輸，通信機制為串行傳輸，能夠實現一對一數據傳輸，傳輸范圍支持跨路由傳輸，而UDP協議則不需要提前建立連接就可以實現實時通信，通信機制為并行傳輸，可以進行一對多傳輸，支持跨路由傳輸。綜合分析后可知，配電網5G通信電流差動保護通信協議采用TCP協議更合理[8]。

在故障電流的作用下，5G通信電流差動保護動作的軟件邏輯思路如圖2所示。

圖2 配網5G通信電流差動保護軟件設計

3 配電網5G通信電流差動保護仿真測試和現場試驗

為了驗證配電網5G通信電流差動保護的時效性和可靠性，基于物理平臺的RTDS實時數值軟件環境搭建配電網仿真模型，整體設計為雙側電源閉環結構，對配電網中的故障突變電流進行測試。在5G S2B專網切片中進行5G數據通信，針對3種配電網故障（單相接地、兩相短路和三相短路），測試當兩端的保護裝置單端啟動和雙端啟動時配電網5G通信電流差動保護的動作時間，結果如圖3所示。

由圖3可知，隨著采樣點的增加，當配電網5G通信電流差動保護裝置采用雙端啟動時，其動作時間出現不同程度的波動，動作時間的極大值為41.94 ms，極小值為37.05 ms，平均值為39.35 ms。當配電網5G通信電流差動保護裝置采用單端啟動時，其動作時間也出現不同程度的波動，但是總體上動作時間比雙端啟動時晚（延遲約10 ms），動作時間的極大值為53.93 ms，極小值為45.02 ms，平均值為49.38 ms。

圖3 不同啟動方式配電網5G通信電流差動保護的動作時間

為了進一步驗證配電網5G通信電流差動保護在戶外環境下的工作狀態，在廣東省汕頭市某配電區域進行現場數據采集，分別研究在單基站通信和跨基站（2個基站，基站間距為2.8 km）通信的5G通信電流保護裝置的數據傳輸來回延時，測試結果如圖4所示。由圖4可知，隨著采樣點增加，當配電網5G通信電流差動保護裝置采用單基站通信傳輸時，其來回延時出現不同程度的波動，來回延時的極大值為21.99 ms，極小值為17.28 ms，平均值為19.79 ms，來回延時抖動不超過5.00 ms。當配電網5G通信電流差動保護裝置采用跨基站通信傳輸時，其來回延時也出現不同程度的波動，但是總體的來回延時平均值比單基站通信傳輸時略大，來回延時的極大值為21.98 ms，極小值為17.28 ms，平均值為20.12 ms，來回延時抖動不超過5.00 ms。結果表明，采用跨基站的傳輸方式對配電網5G通信數據的傳輸速率的改善效果可以忽略不計。

圖4 不同傳輸方式通信來回延時曲線

在現場試驗中，配電網5G通信數據采用公網數據傳輸和采用切片內數據傳輸時的來回延時測試結果如圖5所示。由圖5可知，隨著采樣點的增加，當配電網5G通信電流差動保護裝置采用公網數據通信傳輸時，其來回延時出現不同程度的波動，來回延時的極大值為49.96 ms，極小值為39.26ms，平均值為43.66 ms。當配電網5G通信電流差動保護裝置采用切片內數據通信傳輸時，其來回延時也出現不同程度的波動，但是總體的來回延時平均值比采用公網數據傳輸延時的平均值小，來回延時的極大值為20.96 ms，極小值為16.07 ms，平均值為18.93 ms。結果表明，與采用公網數據的傳輸方式相比，采用切片內數傳輸方式為配電網5G通信數據提供專用的傳輸通道。

圖5 公網數據傳輸延時和切片內數據傳輸延時對比

4 結語

該文以廣東省汕頭市某城鄉結合部為研究對象，在分析配電網5G通信差動保護原理和同步方式的基礎上，對差動保護終端進行開發，采用仿真模擬和現場實測的手段對啟動方式、傳輸基站數量和傳輸方式進行研究，得到以下3個結論：1） 隨著采樣點的增加，配電網5G通信電流差動保護裝置采用雙端啟動和單端啟動，其動作時間均出現不同程度的波動，與雙端啟動相比，單端啟動動作時間延遲約10 ms。2） 隨著采樣點的增加，配電網5G通信電流差動保護裝置采用單基站和跨基站通信傳輸，其來回延時均出現不同程度的波動，單基站來回延時的平均值為19.79 ms，跨基站來回延時的平均值為20.12 ms，來回延時抖動不超過5.00 ms。結果表明，采用跨基站的傳輸方式對配電網5G通信數據的傳輸速率的改善效果可以忽略不計。3） 與采用公網數據的傳輸方式相比，采用切片內數的傳輸方式為配電網5G通信數據提供了專用的傳輸通道。