基于5G網絡的智能電網保護系統設計

黨博 黨寧軍

摘要：5G網絡能夠提供高帶寬和低延遲服務，已經在能源、交通、制造和醫療保健等領域被廣泛應用。文章專注于智能電網中的電力保護系統的應用及其5G業務需求，分析了2種常用電網保護系統的優缺點。在此基礎上，文章提出了一種基于5G網絡的移動邊緣計算架構，該架構可有效地降低電網中的差動保護延遲，提高系統可靠性。系統計算架構能夠為智能電網的發展奠定一定的理論基礎。

關鍵詞：5G網絡；智能電網；電網保護系統；差動保護；移動邊緣計算

中圖分類號：TM76? 文獻標志碼：A

0 引言

為適應社會日益增長的能源需求，并促進與其他能源的雙向流動，電網的拓撲結構已經逐漸從傳統的分層結構演變為分布式結構［1］。分布式結構主要包括：分布式能源、先進的計量基礎設施系統、儲能系統、微電網等。分布式電力系統的核心任務是以合理的成本提供高服務質量的安全電力供應［2］。這就要求該系統能夠處理更多的分布式能源的雙向分配，以及因能源集成而導致的電網電能質量波動問題。

第五代移動網絡（Fifth Generation of Mobile Networks， 5G）能夠提供高帶寬和低延遲服務［3］。國際電信聯盟將5G通信業務分為3類：增強型移動寬帶、海量鏈接的機器通信和超可靠低延遲通信（Ultra-Reliable Low-Latency Communications， URLLC）［4］。其中，URLLC的特點是為工業互聯網、智能電網、遠程手術和智能交通系統等關鍵任務應用提供低延遲和超高可靠性的服務［5］。這項服務有望解決無線技術在帶寬、延遲和可靠性等方面的挑戰。智能配電網中URLLC解決方案的另外一個特點是，可以輕松連接更多設備，而無需依賴光纖布線，并且新的變電站和微電網可以快速安裝并集成到電網中。因此，5G解決方案可以降低支出和運營成本。

1 電網保護系統在5G中的應用

保護系統是電網系統中最為重要的子系統之一，其作用是避免由于故障而導致系統崩潰，從而確保電網安全［6］。該系統對通信速度和可靠性要求較高。保護系統需要可靠的端到端通信。使用通信介質部署這種具有嚴格端到端延遲要求的關鍵任務應用，光纖網絡通常被認為是目前最優的解決方案。使用支持URLLC的5G系統來部署保護系統，能夠有效節省成本并具有較強的靈活性。

1.1 智能分布式饋線自動化保護

智能分布式饋線自動化是一種分布式自動化應用，其功能主要包括：故障定位、隔離和服務恢復等，它通過局部斷電來提高電網的可靠性［7］。通常，在端到端通信網絡中，有一組分布式控制器單元或智能電子設備傳遞面向通用對象的變電站消息。

圖1為一個基于5G網絡的用于故障定位、隔離和恢復應用的智能饋線自動化保護框架。饋線環主單元的每一端都有一個簡易斷開裝置［8］。智能電子設備與鄰近的設備交換關于饋線保護狀態的消息。當某段饋線發生故障時，直連的智能電子設備可自動檢測并隔離該饋線故障。同時，將有關故障和所采取的操作消息更新后發送給其他設備。面向故障定位、隔離和恢復應用的5G網絡用于饋線環中智能電子設備以及控制中心之間的通信。

1.2 差動保護

在配電網中，線路差動繼電器通常用于保護一次和二次變電站之間的饋線。線路差動保護要求在遠端之間共享瞬時電流值。它具有故障阻抗小、故障電流大的特點，可作為內部大故障的快速運行單元保護［9］。

基于5G網絡的差動保護框架如圖2所示。配電終端單元2周期性地向配電終端單元1和配電終端單元3發送采樣電流值。同時，配電終端單元2也接收來自配電終端單元1和3的電流值，并計算同時從配電終端單元1和3采樣的電流差。正常工作時，差動電流應為0。但是，如果超過設定的閾值，配電終端單元2將關閉1和2之間的電源線以隔離故障。

與圖1所示的框架相比，差動保護對上行帶寬、可用性、時延、抖動、丟包等要求最高。此外，差動保護要求產生連續的上行流量采樣值，因此，要求在保護方案的整個生命周期內通信通道始終可用。而在智能饋線自動化保護框架中，當饋線發生故障時，只有少量數據進行周期性交換，數據速率略高。

2 差動保護的5G延遲估計

5G延遲指的是端到端延遲，確定延遲時間最重要的是確定差動保護方案中涉及的延遲需求。

第一，需要確定的參數是差動保護方案的業務執行時長。該參數取決于約定或公用電網拓撲配置預先確定的差動保護業務要求。在確定服務執行時間時，通常遵循主電網差動保護的技術規范和配電網共同保護的技術規范。例如，假設為配電自動化系統隔離故障預留的最大業務執行時間為300 ms。為了縮小停電范圍，防止交換機運行故障，交換機下游故障必須在150 ms內隔離。因此，實際的服務執行持續時間估計為120 ms，剩余時間為30 ms。

第二，要確定的參數是保護方案成功運行所涉及的業務處理持續時間。業務處理持續時間取決于參與保護操作的所有硬件設備。它通常包括采樣處理時間、邏輯判斷時間、繼電器動作時間和開關跳閘時間。

3 面向差動保護的移動邊緣計算架構

移動邊緣計算是一種新的架構模式，它在移動網絡邊緣提供云計算資源和功能，并以無線方式接入網內運行，因此更接近設備和終端用戶。它可以支持需要超低延遲服務的應用。移動邊緣計算架構使計算密集型和延遲敏感型應用能夠在靠近終端用戶的地方執行。本文提出了一種面向差動保護的移動邊緣計算架構，如圖3所示。

該框架由連接到基站的移動邊緣計算服務器組成，這些服務器能夠存儲和計算資源，可以實現邊緣緩存和邊緣計算等服務。每個配電終端單元使用移動蜂窩網絡與移動邊緣計算服務器上的應用程序交換通信消息服務。移動邊緣計算應用程序可使配電終端單元能夠接收請求消息。從圖3可以看出，配電終端單元-1和配電終端單元-2包含移動邊緣計算應用程序，并且具有與安裝在電力線上的物理設備相同的功能。當前測量值作為低延遲信息流在物理配電終端單元和虛擬配電終端單元之間發送。在移動邊緣計算服務器內部，虛擬配電終端單元將交換消息。當超過設定的閾值時，虛擬配電終端單元中的差動保護邏輯將被觸發。然后，由此產生的跳閘動作向下傳遞到物理設備，最后通過定義的通信接口隔離故障。

本文根據保護方案中涉及的保護設備之間的地理關系以及正在部署的蜂窩結構，進一步提出了3種不同的移動邊緣計算架構，如圖4（a）—4（c）所示。

在圖4（a）中，配電終端單元距離很近。它們共用一個基站和移動邊緣計算服務器。虛擬配電終端單元無縫地交換消息，這樣通信就不需要經過5G核心網。這種類型的部署通常可用于城市的保護區。圖4（b）中多個移動邊緣計算服務器可通過有線或無

圖4 3種不同的移動邊緣計算架構（a）共享一個通用的移動邊緣計算服務器；（b）通過有線或無線連接不同的邊緣計算服務器，；（c） 通過核心網絡的不同邊緣計算服務器

線網絡相互通信。通過這種方式，可以向基站地理半徑以外的配電終端單元發送電流值。在這種情況下，由于移動邊緣計算服務器之間具有高可靠的連接，因此通信也無需通過5G核心網絡。這適用于配電終端單元之間距離相對較遠的保護區。圖4（c）中2個配電終端單元之間的通信通過5G核心網。適用于距離較遠且需要通過核心網路由的保護區域。

由于差動保護方案的服務可在終端設備附近提供，因此面向差動保護的移動邊緣計算架構可降低保護方案的延遲。此外，由于終端設備之間的距離較短，消耗的資源也較少，因此該方案的可靠性也得到了提高。

4 結語

保護系統是保障電網正常運行的重要環節，其對通信速度和可靠性要求較高。本文結合5G的高速率、超大連接、超低時延等特點，提出了一種面向差動保護的移動邊緣計算架構，并在此基礎上結合不同的保護范圍，進一步提出了3種不同的移動邊緣計算架構，它們均能有效降低電網中差動保護的延遲，提高系統可靠性。

參考文獻

［1］于洋，王同文，謝民，等.基于5G組網的智能分布式配電網保護研究與應用［J］.電力系統保護與控制，2021（8）：16-23.

［2］周柏青.基于HHT算法的分布式電力系統狀態自動監測方法［J］.南京工程學院學報（自然科學版），2022（2）：85-90.

［3］劉曉江.5G賦能電力系統的應用研究［J］.計算機與網絡，2022（22）：63-66.

［4］趙宏大，王哲，朱銘霞，等.5G通信技術在泛在電力物聯網的應用［J］.南方電網技術，2020（8）：9-17.

［5］董春利，王莉.5G無線技術和蜂窩架構分析［J］.電子測試，2022（13）：99-101.

［6］王宇，董添，姜姝宇，等.基于新型電力系統保護的多層防御模型［J］.科技創新與應用，2023（6）：53-56，62.

［7］凌萬水，劉東，陸一鳴，等.基于IEC61850的智能分布式饋線自動化模型［J］.電力系統自動化，2012（6）：90-95.

［8］梁子龍，李曉悅，鄒榮慶，等.基于5G通信智能分布式饋線自動化應用［J］.電力系統保護與控制，2021（7）：24-30.

［9］王李，張泰，黃朝.基于5G電力專網新型電力系統配網差動保護業務應用［J］.通信與信息技術，2022（增刊1）：91-95.

（編輯 李春燕編輯）

Design of smart grid protection system based on 5G network

Dang? Bo， Dang? Ningjun

（Northwest Engineering Corporation Limited， Xian 710065，China）

Abstract： 5G networks can provide high bandwidth and low latency services， and have been widely used in energy， transportation， manufacturing， and healthcare. This paper focuses on the application of power protection systems in smart grids and their 5G service requirements， and analyzes the advantages and disadvantages of 2 commonly used power grid protection systems. Based on this， a mobile edge computing architecture based on 5G networks is proposed， and the framework can effectively reduce the delay of differential protection in the power grid and improve system reliability. It can lay a certain theoretical foundation for the development of smart grid.

Key words： 5G networks; smart grid; grid protection system; differential protection; mobile edge computing