基于5G通信技術的配電網線路保護研究

黃 崇

（山東黃金電力有限公司，山東 萊州 261400）

0 引 言

配電網是面向用戶的最后一個環節，是連接用戶和變電站之間的紐帶，在供配電系統中具有十分重要的作用。配電網中最關鍵的設備是繼電保護裝置，此裝置是維持電網安全穩定運行的首要防線，可以實現電網中異常狀態或者其他故障的實時檢測，實現電網中故障元器件的快速甄別，并為維修人員提供數據支撐，對保障電網的安全運行和為用戶提供正常電能有著十分重要的作用[1-3]。

根據多年的供配電經驗可知，配電網建設過程中仍然存在不少問題。基于資源分配和投資數額的限制，目前配電網建設過程中基本使用單端量原理的電流保護裝置，此裝置的工作基本原理和內部組成比較簡單。隨著供配電技術的不斷發展和分布式電源裝置的出現，其接入電源的比例逐步提升，故障后潮流和電網中設備電壓的分布狀態開始發生變化，從而使得傳統的供配電單端量保護無法充分對電網內部的真實狀態進行監控，不能實現對電網異常的快速甄別，進而導致電網保護工作存在較大延遲[4]。隨著分布式電源的不斷應用，多端量的保護方法被普遍使用。在高壓輸電電網中，基本采用縱聯差動保護的方式為電網提供元器件的保護，不同設備之間的交互大多采用光纖的方式進行。此種交互方式存在低延時、高靈敏度的特點，光纖和分布式電源相結合，可以為電網提供安全、快速、有效的狀態保護[5-9]。

1 分布式電源技術與5G通信技術

1.1 分布式電源技術

相關學者認為，采用不基于外部時鐘的差動保護措施能夠實現不同時鐘信號下信息的同步，但是不同時鐘故障的同步誤差比較大，當一端出現弱反饋時會存在較大的問題。采用電流幅值等方式能夠形成縱連保護判斷依據，降低了時鐘同步方面的基本要求，但是如果存在重負荷的情況，此種保護措施可能會存在時效的風險，在使用過程中仍然要采用其他備用的保護措施。此外，還有部分學者提出了基于凸輪的廣域電流差動保護措施，對不同側的設備和拓撲方式進行了優化，利用不同裝置之間的通信方式實現相應的差動保護，但是此種保護方式對于傳輸介質的要求較高，需要通過光纖進行通信[10-13]。

1.2 5G通信技術

5G通信技術為電網多端量保護提供了一種新的解決思路，此種通信手段靈活性更高。采用5G通信技術，其數據的傳輸速率能夠達到10 Gb/s，滿足不同領域和不同類型終端的個性化需求。此外，5G通信技術具有高帶寬和低延時的基本特點，在數據傳輸過程中，其端到端的傳輸延遲時間僅為1 ms，可靠性大于99.999%，空口授時的精度能夠達到300 ns以下。從以上基本特性來看，完全能夠滿足配電網高精度管理和控制的基本要求。隨著新基建的不斷升級和優化，目前5G通信技術已經實現全面推廣，并在全國范圍內開展了站點的基礎建設。通過搭建基于5G通信技術的通信系統，實現端到端的電網數據交互，支撐電網縱聯差動保護，精確定位電網運行過程中的各類故障，進而提高電網運行的穩定性。

2 基于5G通信技術的配電網保護技術研究

根據5G通信技術的基本特點，能夠為配電網提供各類差動保護并實現對電網的在線監控，還能為用戶的遠程運維提供較為可靠的通信技術支持。基于5G通信技術的配電保護業務系統構成如圖1所示。

圖1 基于5G通信技術的配電保護業務系統構成

2.1 差動保護技術

基于光纖介質的電流差動技術已經成功應用在高壓輸電場景，可靠性較高。當前我國電壓等級35 kV以下的各類輸電線路中所采用的保護裝置大多采用差動保護技術，傳輸介質也均采用光纖。由于用電終端涉及到的面比較廣、布局分散，如果采取配電差動方法，則需要大范圍鋪設光纜，其投資的費用較多且施工周期將會非常長，加上全國各地地形和地貌的不同，因此施工的技術難度也比較大。隨著5G通信技術的產生，可以利用5G通信技術的優勢彌補有線光纖傳輸中存在的問題，實現數據的通信和傳輸，對開關和電量情況進行實時監控，進而實現基于5G通信技術的差動保護工作，提升電網線路的可靠性[14]。

2.2 區域保護技術

在配電工作過程中，傳統電網基本采用單端電流信息進行數據的計算和分析，根據電流大小以及動作的時間開展配合工作，從而保障繼電保護工作的正常進行。一旦存在短路或者其他故障異常，此種保護便無法快速識別故障，進而導致保護裝置動作異常，增加了停電的風險。

通過5G通信技術可以在電網的一段區域內實現多個終端信息交互，進而對區域內部多點問題的解決提供相關的分析數據，自動識別電網內部的邏輯拓撲關系，進而實現其他保護裝置的聯動。此外，在個別保護裝置拒絕動作的情況下，可以對設備狀態進行識別。在故障隔離之后，能夠對開環點的備用開關進行自動啟用，對其他未發生故障的區域實現對有關站點的快速恢復，進而縮短停電時長，將損失降到最低。不同終端采取命令方式進行信息傳輸，進而對線路進行保護，其傳輸的數據量相對比較小，僅包含開關的動作等信號。如果采取采樣位（Sampled Value，SV）傳輸方案，除了對信號進行傳輸之外，可以傳輸電流、電壓等結構變異分析過程中所需要的信息，數據量較大[15]。

2.3 配電網實時監控技術

借助5G通信技術，優化通信網絡的布局，在不對配電網原有結構進行改造的情況下，監控配電網運行狀態，提升配電網狀態感知水平。基于5G通信技術的配電網狀態在線監控原理如圖2所示。

圖2 基于5G通信技術的配電網狀態在線監控原理

3 問題分析

與控制相關的業務對于延遲的要求比較高，而5G通信技術受到環境的影響后仍然存在延遲現象。在應用過程中，由相關數據可知，此種保護在時間延遲上能夠達到8～9 ms，但是偶發性最大延遲可能達到90 ms以上。在未來基站建設和終端布置等方面，仍然需要對無線性能開展進一步優化和改進。

差動保護是對線路兩側電流進行數據采集并開展相關的動作。但是，在實際應用中發現差動保護還存在較大的數據采集時鐘同步問題，光纖通道對于路由的收發存在不一致情況。5G傳輸路徑不確定，并且受環境影響較大，傳統的數據同步方法并不適用，未來需要不斷研究新型數據同步技術。現有的配電自動化技術從主站到終端的數據傳輸過程中均使用SM2技術加密，在內部各個終端之間采用何種加密技術還需要進一步研究。

4 結 論

隨著網絡通信技術和輸電技術的不斷發展，基于5G通信技術的配電網線路保護已經成為未來研究的主要方向。通過對5G通信技術的主要應用場景進行分析，要想實現5G通信技術在配電網線路保護中的全面應用，仍然需要持續深入研究。