基于5G的配網保護技術研究及應用

趙 剛，程 鵬，范榮琴，左 奎

（1.國網巢湖市供電公司，安徽 巢湖 238000；2.天地電研（北京）科技有限公司，北京 102206）

0 引 言

5G通信技術有大帶寬、低時延、高可靠、實時、可控、靈活以及經濟等特性，5G網絡可為差動保護等業務提供10 ms以內的超低時延傳輸、小于1 μs的精確授時功能。隨著5G切片和時間敏感網絡（Time Sensitive Networking，TSN）等技術的成熟，通過5G切片網絡，可實現端到端的安全通信。基于5G的配網保護業務能夠實現配電網故障快速隔離，是未來有效提升配電網運行水平、精準控制的技術手段。

1 現狀分析

配網保護種類分為過流保護、零序保護、電壓保護、差動保護以及網絡拓撲保護等，其中涉及到信息交互的只有差動保護和網絡拓撲保護。

1.1 差動保護

配網差動保護使用電纜與間隔電流互感器連接完成電流采樣，通過網線與客戶前置設備（Customer Premise Equipment，CPE）以網口連接，采用用戶數據報協議（User Datagram Protocol，UDP）/互聯網協議（Internet Protocol，IP）報文協議。同時需接入B碼對時信號，可以由CPE設備提供，或由獨立的對時裝置提供，對時接口可采用485電口或光纖口。發生故障后通過控制電纜作用間隔斷路器進行保護跳閘，保護動作信息通過控制電纜以硬接點遙信方式傳至二次終端，二次終端通過網線連接光網絡單元（Optical Network Unit，ONU），最終ONU通過光纖以IEC104規約報文傳送至配電自動化主站。

1.2 網絡拓撲保護

網絡拓撲保護是利用配網保護裝置間的橫向通信，相互傳遞過流標記、過流方向標記等信號，從而準確定位故障點，且無需考慮配網多級開關的級差配合。

2 建設原則與方案

2.1 建設原則

對于電纜線路的故障處理，應采用集中型饋線自動化與開關站/環網室/環網單元（以下簡稱開關站）出線電流保護配合方式。

對于供電可靠性有特殊要求的電纜線路的故障處理，可采用智能分布式饋線自動化或光纖差動保護方式。

對于架空線路的故障處理，推薦采用合閘速斷式饋線自動化與分支線電流保護配合方式。

對于架空線路的故障處理，也可采用繼電保護級差配合方式

2.2 典型線路案例

2.2.1 總體改造原則

本次改造采用原數據傳輸單元(Data Transfer Unit，DTU)屏內改造方式進行，不停電作業。改造前應充分勘查現場原DTU內各間隔的位置，以及各間隔的二次回路，做好二次回路隔離的詳細措施。5G保護采用保護繞組電流互感器（Current Transformer，CT）,原就地保護裝置改接至測量繞組CT并將跳閘改投信號，由5G保護對故障線路進行跳閘。檢測5G保護出口+機構的整體動作時間，要求控制在100 ms以內，改造完成后相應的變電站線路均投入0.2 s延時。5G保護各間隔二次回路檢查，出口跳閘回路檢查至跳閘節點。5G保護的縱聯保護功能調試，5G保護與主站聯調。

2.2.2 改造方案

本次初步選定4個開閉所，線路網架連接如圖1所示，圖1中并未將開閉所內所有的出線間隔盡數繪出，僅為示意。4個開閉所均為單母分段接線，#2總所和#3總所均有3條進線，圖1中均假定Ⅱ母有2條進線。

圖1 網架結構示意圖

#1～#4總開閉所的間隔數（不含分段）分別為26，19，17和17，而南瑞繼保公司的智能分布式配電終端PCS-9721S-NB最多接入8個間隔，對于#1～#3總所而言，即使2段母線分別配置1臺PCS-9721S-NB，依然無法將全部間隔接入，故僅接入進線和分段間隔的電流和開關控制信號（開關位置和分合閘線圈），以及母線電壓信號。

具體的改造內容如下：

（1）新增一面智能分布式配電終端柜；

（2）將進線間隔（#1總所和#4總所有2路進線，#2和#3總所有3路進線）和分段間隔的電流和開關控制信號（開關位置和分合閘線圈）接入新增柜內，原進線間隔和分段間隔的保護裝置停用；

（3）兩段母線PT信號接入新增柜內；

（4）若要投入簡易母線保護，還需將各出線保護裝置的過流動作信號接入新增柜內，同時各出線間隔的速斷保護均須投入。

2.2.3 通信方案

子站間橫向通信：通過5G公網建立通信，為相鄰通信子站DTU之間橫向的GOOSE報文通信。目前已將VPN的封包功能集成到DTU內，因此直接可以通過DTU外接CPE的方式接入5G網絡，從而實現數據的傳輸。開閉所#1與#2、#2與#3、#3與#4之間要互相通信，#2終端通過輪播方式與#1、#3進行一點對多點的5G無線通信。GOOSE報文通信每幀報文220 Byte，相鄰終端的數據報文每隔5 s發送一幀，時延要求不大于50 ms。

子站與主站縱向通信：子站DTU需要將數據上送至配電自動化主站系統，目前DTU設備基于101規約采用了串口通信。由于終端設備只支持通過串口轉4G的方式進行傳輸，因此DTU與配電自動化主站之間的數據沿用原有4G網絡進行傳輸，經過安全接入區接入配電自動化主站系統。

2.2.4 成效分析

假定系統運行方式如圖2所示，#1～#4總所之間為單環網串供接線，本次改造的主干線以相對較粗的線表示，#3總所的3號開關為主干線聯絡開關，此外#2總所的2號開關以及#3總所的2號開關亦為聯絡開關，但不在本次改造范圍內，假定其均為分位，不對主干線路供電。同時假定簡易母線保護均投入。

圖2 系統運行方式圖

若改造后的DTU全部投跳閘，與改造前的故障處理效果相比，除了縮小了停電范圍（改造前一旦有線路故障，首先由變電站10 kV出線開關跳閘，將造成整條線路失電），還將故障隔離時間由10 s左右縮短至100 ms之內。

3 結 論

配網保護化建設應采取先試點后推廣的方式，將配網保護化工作貫穿規劃、設計、建設、運行、檢修各環節。通過運行的各項指標和實際保護動作情況來檢驗建設成效，不斷迭代完善配網保護化建設和運維成效。最終實現提高區域供電可靠性，提升配網設備運維水平，減少配網故障造成的停電影響。