“5G＋MEC”在配網差動保護中的應用

祁欣學 宋俊廷 范子濤 高建曄 娜菲莎·吾甫爾

【摘要】? ? 配電網差動保護是保證電網安全穩定運行的關鍵手段，隨著電網規模的不斷擴大，為了保證配電網系統故障的精準定位，有效控制故障影響范圍，差動保護對電力通信網的時延、帶寬、安全性提出了更高的要求。5G網絡切片與多接入邊緣計算 （Multi-access Edge Computing，MEC）的融合技術成功解決了配電網差動保護通信通道建設的難題，通過在特定線路上進行試驗，效果極佳。

【關鍵字】? ? 配電網差動保護? ? 5G技術? ? 多接入邊緣計算? ? 網絡切片

引言：

隨著能源互聯網的發展，以及新疆電網規模的不斷擴大，特別是在國家電網公司中國特色國際領先能源互聯網建設目標的驅動下，電網各類業務終端的信息采集與傳輸需求日漸增長，海量配電網保護信息的實時交互更是亟待解決的問題[1]。

傳統配電網差動保護通信通道采用光纖接入方式，建設成本高，難以大規模推廣應用[2]。而在信息傳遞效率方面，由于在光纖遠距離傳輸過程中，經常存在因各種原因導致的光纖斷纖問題，且人工修復過程耗時耗力，導致信息傳輸效率不高;采用4G無線公網方式在通道的傳輸帶寬、時延、安全性等方面也不能滿足需求。

此時，5G網絡因其在承載控制類業務、采集類業務的低時延、低成本、高安全性的特點[3]-[4]，能夠滿足電網各種各樣的關鍵通信需求，并且5G網絡是當前可見的唯一能滿足各類業務通信需求的先進無線技術。5G網絡的快速發展及其優良特性，為打造基于5G確定性網絡電力行業虛擬專網提供解決方案。

近年來，三大運營商都在不斷推進5G網絡架構從非獨立組網 （Non-Standalone，

NSA）向獨立組網 （Standalone， SA）架構演進[5]-[6]，且均有提供5G網絡切片和移動邊緣計算的能力。其中，中國移動堅持云網一體化發展;中國聯通已建成商用5G SA網絡，推進“云網邊端”業務高度協同;中國電信的5G SA網絡商用能力處于行業領先地位，通過5G+公有云+MEC融合發展，實現5G技術價值的最大化。5G技術的不斷成熟使得基于網絡切片和MEC構建電力虛擬專網逐步成為現實。

一、相關原理

（一） 配電網差動保護

配電網差動保護是線路差動保護原理在配電網中的應用。線路差動保護[7]是基于基爾霍夫電流定律原理，在線路兩側裝設有性能相同的電流互感器，通過電纜將電流互感器的二次電流接入線路保護裝置中。正常運行或外部故障時，流經線路兩側保護裝置的電流大小相等、相位相反，若不計電流互感器的誤差，流入兩側保護裝置的電流矢量和為0，如圖1所示，保護裝置不動作;當線路內部發生故障時，線路兩側分別向故障點提供短路電流[8]，流入兩側保護裝置的矢量和為總短路電流，如圖2所示，兩側線路保護裝置動作，最終實現全線路故障的快速隔離，縮小停電范圍，提升用戶用電質量。

實現線路差動保護的關鍵是線路保護裝置將本側線路電流大小、相位及相關運行信息通過通信設備快速、可靠地傳遞給對側線路保護裝置，同時接收對側線路保護裝置發送的信息，從而進行實時矢量差計算、故障的判別。

（二）5G網絡切片+MEC

1.低時延

5G無線通信技術本身就具有帶寬大、時延低、可靠性高的特點。同時，又將用戶面UPF由運營商機房下沉到網絡邊緣，即終端用戶側，為本地化、區域化應用場景提供邊緣計算、數據存儲等支持[9]。通過地址解析和分流規則匹配，使得業務流量本地卸載，減少了核心骨干節點的數據轉發，縮短了傳輸路徑，有效降低業務端到端時延[10]。

在 4G 以及之前的系統中，由于完整性保護算法會增加數據處理壓力，增大時延，所以一直沒有使用，僅僅對控制面數據做了完整性保護。5G對用戶面數據，可按需提供空口到核心網之間的用戶面數據加密和完整性保護。

2.獨立組網

5G端到端網絡切片是指將網絡相關資源進行靈活切分，按實際場景和需求組網，即定制化的專用網絡[11]，基于5G網絡切分出多個具有不同特點且互相隔離的邏輯子網，每個端到端網絡切片均由無線網、傳輸網、核心網子切片組合而成，并通過端到端切片管理系統進行統一的管理，這些子網能滿足不同場景的需求[12]-[13]。傳輸切片具有隔離性，普通業務流對電力業務流無影響，不同業務可以在相同切片中進入不同的虛擬專用網絡（Virtual Private Network， VPN）通道。

MEC設備的應用平臺化和交互層面開放化，實現了對傳統無線通信網絡架構的變革和對無線網絡業務支持潛能的挖掘和釋放[14]-[16]，因此，可按需在生產控制大區、管理信息大區、電力園區、變電站區域等位置靈活部署MEC，在安全性、高效性方面給電網生產業務提供了有效保障。

5G+MEC技術，即基于5G SA核心網采用用戶面功能（User Plane Function ，UPF）和控制面功能（Control-Plane Processing Function，CPF）分離服務化架構的特性，在5G網絡切片上，部署一套MEC服務器，分布式系統布置圖如圖3所示。

網絡切片與MEC的融合更是滿足了業務在差異化和確定性服務，高安全隔離和自管理自維護的要求。

3.盲區覆蓋

控制面CPE，即無線路由終端，其與用戶面UPF分離，故可根據應用需要靈活布置，由此，針對5G信號質量不好的區域，可通過CPE與5G網絡互聯，解決信號盲區覆蓋的問題。

二、5G+MEC在配電網差動保護中的應用

（一）應用方案

中國電信公司的5G SA商用能力處于行業領先地位，為成功構建電力區域性虛擬專網，某供電公司同電信公司在基于5G SA架構端到端的網絡切片的基礎上，在A，B變電站各部署了一臺CPE設備，將一臺邊緣計算MEC設備部署在公司機房，實現生產數據本地分流卸載。將數據大循環轉變為數據小循環，進一步降低了通道時延。其方案示意圖如圖4所示。

配網線路兩側差動保護通過CPE設備接入5G網絡建立通道，互相交互采樣數據。通過用戶面UPF將業務數據直接傳送到用戶的內網，建立電力虛擬專網。實現關鍵數據不出公司，同時，用5G傳輸切片代替了原本的光纖專網，不僅顯著減少建設成本，更解決了業務數據安全性的后顧之憂。

（二）試點試驗

此次項目的試點配網線路選取10kV某線，A站點CT為5A制，B站點CT為1A制。線路兩端使用縱差保護設備，并在線路兩端安裝雙模（同時支持北斗和GPS授時功能）的外部授時裝置。在配電室及變電站配置5G SA室分設備，5G通道采用基于SA組網的端到端切片模式。

1.試驗方案

A站點側保護采用雙套配置，原裝置正常運行，正常出口跳、合閘，5G線路縱差保護裝置掛網試運行。B站點側考慮其為負荷終端線路，只投保護功能不投出口跳閘。并且，為A、B站點CPE的電信5G卡分配靜態IP地址，試驗方案架構如圖5所示。

2. 通信保障

2020年9月16日中國電信新疆分公司完成新疆范圍內5G商用SA核心網絡的初步部署。2020年9月25日，中國電信新疆分公司完成5G業務調試。2021電信公司計劃再建設3600個基站，實現烏魯木齊城區和縣城區域5G網絡全覆蓋，良好的5G網絡覆蓋為大面積布設基于5G網絡切片的配網差動保護提供了堅實的基礎。同時，室分設備增強5G信號，有效解決信號盲區覆蓋問題。

3.安全隔離

安全接入隔離網關集成正反向隔離和縱向加密認證功能。安全接入平臺由接入網關組件、數據過濾系統（數據隔離組件）組成，為電力內網無線業務提供業務終端安全接入、實時監控、安全數據傳輸與交互的電力專用邊界安全防護設備。

4. 試驗效果

在配電室及變電站建設的5G SA室內站點開通后，測試區域信號情況如圖6所示。

經測試可知變電站區域為電信SA網絡，場強為-62.5dBm，信號質量SINR為33.25dB，站內信號覆蓋正常。

同時，對下行速率和上行速率進行測試，結果如圖7所示。

由圖可知，變電站內SA網絡下行速率可達到1Gbps，上行速率大于75Mbps，速率正常，滿足當前站點的大帶寬業務需求。

差動保護裝置對時延要求較高，通過測試SA站點時延完全滿足國網電力差動保護裝置要求，本次SA站點測試的平均時延為8.48ms，圖8為本次時延測試結果。

將各測試參數與業務需求指標作對比，結果如表1，網絡無丟包，抖動范圍1毫秒，信號質量優良。完全滿足國網電力差動保護裝置要求。

三、結束語

將配網差動保護業務接入5G網絡，且將MEC部署在網絡邊緣，實現業務前端的本地化數據計算，有效縮短了通信時延;其次，因減少了骨干核心節點的傳輸，不僅節省帶寬資源，降低了通信成本，更重要的是解決了電網數據安全的后顧之憂。

依托此次配網差動保護業務的驗證成果，國網烏魯木齊供電公司下一步將繼續開展“5G+業務”專項行動，在智能巡檢機器人、配網自動化、用電信息采集等多方面開展電力5G業務的試點工作。

參? 考? 文? 獻

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