基于5G技術的配電網差動保護技術研究

鮑 薇 燕躍豪 蘇 藝 陳啟龍 王文利

（國網河南省電力公司鄭州供電公司）

0 引言

配電網是連接輸電線路和用戶的紐帶，在電網的生產中起到承上啟下的作用。隨著我國工業化的不斷進步，配電網的結構也越趨復雜，與此同時其對保護動作的時間和保護動作的精度也越來越高。在配電網差動保護中使用過的通信方式有基于光纖通道的通信方式和基于4G網絡的通信方式［1－2］等等。基于光纖通道的電流差動保護面臨鋪設光纖難度大、工期長、成本較高、后期運維比較困難等問題，而且我國地理環境復雜，很多地方都不具備鋪設光纖的條件，所以在配電網中的應用沒有被大面積推廣。上一代的移動通信4G其時延過高，網絡可靠性也較差，無法滿足差動保護的要求，并且4G網絡耦合性太強，無法將不同的業務實現邏輯上的分離。而5G通信技術具有高速率、高容量、高可靠性、低延時與低能耗的特點，它的迅速發展為配電網解決差動保護時延高、可靠性低提供了新的途徑。

1 配電網差動保護原理

配網差動保護和主網差動保護原理相同，基于基爾霍夫定律，如圖1所示，首先需要測量被保護線路兩端電氣量，然后通過通信通道傳送所測信息量并對其進行比較來判斷其運行狀態。在線路處于正常運行時，所測到的兩端電氣量應該是幅值相等，大小相反，矢量和為零，而在故障情況下，線路兩端電氣量的矢量和不再為零，此時保護裝置接收到動作信號，執行動作命令。

圖1 線路差動保護的結構圖

現階段在配電網的差動保護中常使用的通信通道有電力載波通道、微波通道、導引線通道、光纖通道［3］。在國內的配電網中使用最為廣泛的是基于光纖通道的通信方式。電力載波通道由于使用輸電線進行信號傳輸，大大節約了建設成本，所以仍在一些線路中使用，微波通道和導引線通道已經很少使用。通道的選擇至關重要，直接決定了保護快速性和可靠性，而5G通信技術是當下最先進的大規模應用的無線技術，對于差動保護來說具有極大應用前景。

2 5G關鍵技術的研究

2.1 網絡切片

網絡切片技術就是對5G網絡進行切片化處理，將一個整體切分為幾個小的個體，如圖2所示，分為無線子切片、承載子切片和核心網子切片。它能在一個平臺上構建多個相互獨立的邏輯網絡，滿足不同客戶群體的不同使用需求。網絡切片將5G網絡的客戶需求和業務環境適應性提升到了最大限度。提高網絡資源的利用效率，優化運營商的網絡建設投資，構建靈活敏捷的5G網絡。

圖2 網絡切片示意圖

網絡切片的應用場景主要分為三大類：增強型移動寬帶（eMBB）、超可靠低延遲通信（uRLLC）和海量機器通信（mMTC），而對于差動保護來說需要滿足低延時的通信要求，因此可以在uRLLC場景中實現。

2.2 邊緣計算

邊緣計算的概念是指在數據源一側，采用網絡和計算等核心能力的一體化開放平臺，就近直接提供最近端服務。通過5G切片通信技術，將不同用戶之間的邊緣數據與邊緣網絡安全隔離，使現場數據無需傳輸到云，即可獲得附近的計算、存儲、網絡和安全能力。邊緣計算還可以實時獲取準確的移動網絡信息和位置信息，為使用者提供更精準的位置服務。

2.3 大規模M IMO和波束成型

基于4G MIMO最多支持8根天線，但5G基站可以支持16／32／64／128根天線，甚至更大規模。這些天線通過大規模MIMO技術形成大規模的天線陣，可以同時向更多的用戶發送和接收信號，從而使移動網絡的容量增加幾十倍甚至更多。大規模MIMO基站采用大量天線并進行同步處理，可同時實現數十倍的頻譜效率和能量效率增益。

波束成型的使用極大地提高了5G的容量，同時也使其所能承載的天線數量顯著提高。通過一些特殊的手段控制這些天線可以使其發射出的電磁波形成窄波束，然后將這些電磁波能量朝著指定的方向發射給終端，不僅使信號傳播的距離變長，而且抗干擾性也顯著提高。波束成型技術允許同時使用多條天線傳輸海量數據，極大地提高了頻譜利用率。

3 5G在電力系統中的應用

隨著5G技術的不斷普及，國家電網也在電力系統的各個方面都使用了5G通信技術。其主要的使用范圍有高效計算、精準控制、萬物互聯、海量量測和寬帶通信幾個方面。

智能配電網。要實現電網的全面智能化，配電網的智能化也是必不可少的。數據傳播速率直接決定了配電網智能化水平的高低，而5G技術具有的高速率、高容量可以極大提高配電網的智能化水平。5G技術的引入可以實現精準的負荷切除、線路監測、負荷轉供。可極大程度地提高電力系統的供電可靠性和供電質量。

線路巡檢。我國地域遼闊，山川眾多，因此有很多輸電線路鋪設在偏遠山區。在人工巡檢時，如果仍然使用望遠鏡觀察，不能全面檢查線路是否存在故障，耗時較長。如果使用5G通信的無人機進行線路巡檢，可以采集巡檢線路圖片和視頻，大大提高巡檢的效率和可靠性。另外，還能及時將采集到的數據傳輸到終端，以便維護人員可以根據監測結果修復和消除缺陷，從而提高線路檢測的準確性和效率。

用電信息采集。隨著社會的快速發展和科技的進步，傳統電表已經被新型的智能電表所取代。智能電表不僅采集精度高，且其具有通信擴展性，可實現遠程抄表。而5G通信技術具有大帶寬的特性，智能電表的采集頻率可以實現較大的提升，為電費稽查等電力業務提供較大的技術支撐。

4 采用5G通信的差動保護技術

采用5G通信的配電網差動保護具有無死區的工作特點，且能快速準確地定位并切除故障線路，使故障線路對配電網的影響降到最低。但是基于5G通信的差動保護需要依賴無線網絡進行信號傳輸，受保護線路兩側時間誤差影響較大。

如圖3所示為差動保護架構圖。差動保護需要使用電流互感器對被保護線路進行電信號采集，通過網口與無線路由終端連接，通過報文封裝設備實現通訊。對時信息可以由CPE設備提供的B碼對時信號，或由獨立的對時裝置提供對時信息。接收到保護信號時斷開故障線路兩端的斷路器，完成故障隔離。

圖3 配網差動保護架構

配電網保護通過CPE設備接入5G通信網絡進行數據交互。數據在傳輸的過程中存在丟幀、誤碼、失步和數據幀順序錯亂等情況，因此需要實時監測網絡通信質量，及時對數據傳輸時產生的異常反應作出閉鎖保護，防止保護誤動作。當存在故障時，保護裝置通過差流和制動電流的比例關系，判斷保護線路兩端保護裝置是否動作。無線通信技術在進行遠距離信息傳輸時存在數據同步、通訊協議以及數據傳輸安全性等問題，每種問題都影響到了保護動作的精度和速度。

4.1 數據同步方案

為了保證保護動作的準確性，故障判斷時所使用的電信號必須采集于相同時刻，因此數據同步問題是差動保護必須考慮的問題之一。解決這一問題常采用的方法主要有基于數據通道的同步方法和基于GPS／北斗的數據同步方法。

基于數據通道的同步方法包括采樣時間調整方法、采樣數據校正方法和時鐘校正方法。三種調整方法都是通過計算主從站的時鐘誤差，再使用不同的調整方法來達到同步的目的。時間調整方法調整從站的采樣時間；采樣數據校正方法在一端旋轉采樣電流相量；時鐘校正方法調整從站時鐘。基于數據通道的同步方法一般只能在有線通信的情況下使用。

基于GPS／北斗的數據同步，該方法則是使用衛星的時間同步功能，需要在被保護線路的兩端安裝衛星時間接收裝置，接收來自于衛星的時間信息。通過時間接收裝置可以得到1PPS秒的脈沖信號。用第二個脈沖對兩端的采樣脈沖進行同步，使兩端的采樣脈沖誤差不超過2μs。這種同步方法不依賴于數據傳輸通道。該數據同步方法可用于5G通信的差動保護。

4.2 通信協議

差動保護裝置采用5G通信實現差動數據的端對端通信，5G通信需要IP處理業務數據，即通過TCP協議傳輸業務數據［4］。在數據報文轉換過程中，應盡量縮短數據處理時間。因此，更有效的措施是盡可能簡化數據幀格式的轉換。不對HDLC報文的內容做任何處理，直接將其封裝到IP報文中，IP消息可由無線通信模塊發送到從側，根據報文規則，從側可以順利解析所發送過來到的信息。

4.3 通信加密

差動保護在使用5G通信進行傳輸的過程中需要將采集到的數據發送到無線通信模塊，無線通信模塊在對數據進行處理，進而轉發到通信基站，由于保護裝置一般都是不可隨意移動的設施，所以被采集到的數據很容易發生泄漏。因此，需要采用加密芯片，對傳輸的數據進行加密處理。每個加密芯片的網絡接入都需要進行注冊和認證。

4.4 5G通信的通道延時和抖動分析

要保證保護動作的速動性網絡時延和抖動的要求都很高，特別是在通信過程中發生的隨機抖動直接決定差動保護的精度和有效性。保護裝置的控制信息通過通信通道進行傳輸，所以通信通道得到時延直接決定了保護裝置的動作速度，并且通道時延對裝置動作速度的影響是累加的。國標規定線路保護裝置的單向通信延時需小于12ms。因為被保護線路兩端通信裝置進行通信的過程存在固有的時間誤差，所以需要對采樣點數據進行同步，因此需要給保護裝置預留一定的緩沖區來儲存采樣數據，然后通過數據同步技術就能得到同步之后的數據。通道的抖動同樣會影響保護裝置的動作速度，當抖動很大時，甚至會影響數據的同步。

5 結束語

差動保護通信方式的選擇直接影響到了保護動作的可靠性，而5G通信所具備的特點為差動保護在配電網大規模應用創造了條件。現階段基于5G通信的配網差動保護雖然仍然處于起步階段，但是在不久的將來必將成為配電網保護的重要組成部分。本文介紹了差動保護的基本原理和5G通信技術在電力系統中的應用，分析了5G通信技術應用的關鍵技術和差動保護采用5G通信時的技術難點。