5G在配電網繼電保護中的應用

穆艷妮

摘 要：隨著風電、光伏等新能源的大量應用，電網規模不斷擴大、結構日趨復雜，特高壓交直流間耦合日益緊密，大量電力電子設備的不斷應用使得電網對故障的承受能力日漸降低，繼電保護的性能要求也愈發嚴苛。當電網拓撲結構復雜或需要多級配合時，傳統相互獨立的保護無法兼顧速動性和選擇性要求，現有電力通信技術已逐漸無法滿足電力系統的發展需求，因此必須研究適用于繼電保護領域的新型電力信息交互通信技術。

關鍵詞：5G;縱聯保護;通信異常;繼電保護

引言：長期以來，配電網繼電保護主要依靠本地信息進行故障判別，上下游通過定值整定和時間級差進行配合，故障切除時間長，且不適應存在分布式電源的情形。借助完善的通信手段，上下游保護能夠交換更多的信息，構成縱聯保護甚至區域保護，可以大幅提高繼電保護性能，縮短故障切除時間。在光纖通信基礎設施覆蓋率低的地區，5G通信以其高速率、大容量、低時延的特性，引起了繼電保護工作者的高度關注。然而無線通信的不確定性，需要繼電保護本身做一些適應性的改變，通信接口的標準化也亟待解決。

1 5G通信承載差動保護的關鍵技術

1.1uRLLC場景概述

uRLLC場景是5G通信定義的三個應用場景之一，主要面向物聯網業務，具有高可靠、低延時的特點。uRLLC場景對時延的要求是用戶面上行、下行時延目標均為0.5ms，對可靠性的要求是用戶面時延1ms內傳送32字節包的可靠性為99.999%，與差動保護對縱聯通道的要求基本一致。為了保證uRLLC場景對低時延和可靠性的嚴格要求，5G通信從提高空口傳輸效率、優化信道編碼、擴充無線幀結構、優化網絡架構、減少中間傳輸節點數量等多方面進行了針對性設計。uRLLC場景承載配電網差動保護業務所應用的關鍵技術主要包括：SA獨立組網、MEC邊緣計算、網絡切片、頻譜和天線技術、空口子幀結構等。

1.2SA獨立組網

5GNR的全稱為5GNewRadio，也稱為新空中接口，5GNR是相對于5GCore核心網來說的。4G網絡要求空中接口和核心網必須統一演進，而5G網絡將其分開，5GNR和5GCore可以各自獨立演進，由此帶來了SA獨立組網和NSA非獨立組網兩種方式。在技術層面上，SA獨立組網是最佳的選擇，但考慮節約投資的原因，現有龐大的4G網絡可采用NSA非獨立組網方式逐步向5G演進。對比SA和NSA兩種組網方式，SA獨立組網支持MEC邊緣計算、網絡切片等技術，具備更強的加密算法、更安全的隱私設置、更低的網絡延時和更高的可靠性。理論上SA獨立組網相較于NSA非獨立組網更適合配電網差動保護業務的實施，具體網絡性能還需要進一步驗證。

1.3MEC邊緣計算

5G核心網相較4G核心網而言，重新定義為核心網和MEC（MobileEdgeComputing）邊緣計算兩部分。MEC將原有核心網的部分用戶面功能下沉至邊緣云計算，改變了原有通信必須全部經過核心網傳輸的方式，提供了一種在MEC進行計算和傳輸的服務，能夠有效地降低通信延時，降低核心網流量負擔。MEC的思想類似于計算機的內存和緩存，將常用的信息存儲在MEC，或者將特有的信息經過MEC進行快速轉發，能夠降低用戶的通信延時。用戶平面功能（UserPlaneFunction，UPF）是MEC系統的重要組成網元，主要用于處理數據在邊緣網絡的分發導流。在配電網差動保護的應用中，使用UPF下沉技術能夠進一步縮短傳輸路徑，降低差動保護的通信延時。配電網差動保護在使用MEC邊緣計算和UPF下沉技術時，通信數據傳輸路徑可直接通過UPF導流，不必再經過核心網，可進一步降低延時。

2基于5G通信的繼電保護信息交互技術

2.1基于5G通信的電網繼電保護通信性能需求

基于5G通信的縱聯保護的報文格式、網絡帶寬、通道時延、通道穩定性應滿足現有繼電保護技術的需求。5G通信網絡傳輸TCP/IP協議網絡層報文，其核心為TCP和UDP協議。縱聯保護縱聯信息現有光纖傳輸模式和UDP協議類似，屬于非“面向連接”報文，信息的發送和接收無需兩端先建立連接和對話確認。考慮到現有光纖傳輸模式的延續性，基于5G通信的電網繼電保護信息交互報文類型宜優先采用UDP報文。整個通信幀除應用數據外共有58字節，加上UDP報文前導碼8字節，幀間距12字節，共78字節。應用數據按照傳輸數據較多縱聯差動保護裝置考慮，傳輸信息包括三相電流采樣值或相量值、三相電壓采樣值或相量值、地址碼、采樣序號或時標和應用層加密的數字認證字段，考慮一定備用擴展裕度，縱聯通道的設計報文長度小于170字節。工程應用中縱聯通道的發送采樣值的頻率大部分為1200幀/s，因此單個裝置占用5G帶寬小于1.65Mbps。

2.2基于5G通信的電網繼電保護信息流架構

結合不同電壓等級電力線路的地理距離和5G通信網絡的接入環、匯聚環、核心環的覆蓋范圍，應用邊緣計算技術，配電網實現保護信息的交互宜在同一接入環完成，110kV電力網絡的保護信息交互宜在匯聚環完成，220kV電力網絡的保護信息交互宜在核心環完成。聯保護技術中，線路兩側點對點通過網絡傳輸電力信息。保護裝置通過安裝所在地基站無線連接至5G接入環;采用網絡切片技術實現虛擬專用網絡、專用帶寬，保證傳輸穩定性;采用邊緣計算技術，實現傳輸路由最優，縮短傳輸延時，提升穩定性。針對核心網，為滿足繼電保護傳輸時延要求，專網切片中應當提供專用的具備邊緣計算功能（MEC）的用戶端口功能（UPF）用于接入和轉發數據流量。根據時延需求估算，當網絡側時延要求10ms及以下時，建議部署UPF在普通匯聚或基站點機房;網絡側時延要求為10～20ms時，建議部署UPF在傳輸距離不超過200km的骨干匯聚機房或城域核心機房;網絡側時延要求為20～30ms時，建議部署UPF在傳輸距離不超過500km的城域核心或省中心機房。針對傳輸網，為滿足繼電保護業務具備確定性服務質量的承載要求，切片分組網絡（SPN）引入靈活以太網（FlexE）技術和分段路由技術（SR-TP），在轉發層面提供基于時分鏈路的端到端傳輸管道，具有低時延、透明傳輸、硬隔離等特征。可實現客戶數據的接入/恢復、增加/刪除操作維護管理（OAM）信息、數據流的交叉連接，以及監控和保護等功能。

2.3基于5G通信的電網繼電保護信息加密技術

電網業務作為5G通信網絡中的一部分業務，一般是通過網絡切片方式實現業務之間的無線頻譜資源的隔離，進而滿足繼電保護通信安全性的要求。無線頻譜資源的隔離可以分為物理隔離和邏輯隔離。物理隔離方式的覆蓋范圍、覆蓋效果、傳輸速度、資源分配靈活性通常不如共享頻譜，并且頻譜租賃代價極為高昂;且邏輯隔離方式也分為軟隔離和硬隔離技術，其中，軟隔離通過虛擬局域網（VLAN）標簽與網絡切片標識的映射實現隔離，無法做到硬件、時隙層面的隔離;硬隔離方案基于靈活以太網（FlexE）技術實現獨占時隙的特性。

結束語：本文介紹了5GuRLLC場景實現低延時、高可靠通信的關鍵技術，分析了差動保護采用5G通信時的技術難點，提出了一種基于5G通信的配電網差動保護實現方案，驗證了5G通信技術承載配電網差動保護業務的可行性。基于5G通信的差動保護性能可以滿足配電網對保護的要求。

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