基于5G通信技術的配電網線路縱差保護研究及應用

郭 立，何 峰，梁 艷，韋 翔，張 丹

(國網新疆電力有限公司烏魯木齊供電公司，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引 言

5G網絡方式分為非獨立組網方式(non-standalone,NSA)和獨立組網方式(standalone,SA)兩種。NSA是5G和4G LTE的聯合組網，SA是獨立的5G核心網絡，三家運營商選擇NSA/SA雙模基站。在技術發展方面，NSA技術成熟，現已商用化，而SA尚處于建設初期；在網絡覆蓋面積方面，NSA實現國內50余個城市覆蓋，SA則需軟、硬件重建，大面積覆蓋還需要時間；在技術標準方面，NSA是最終的商用技術標準，SA尚未確認。全球大部分國家都會從NSA組網逐步過渡到SA組網，SA組網方式才是公認的5G最終形態[1-4]。

國內外5G技術賦能于大眾用戶和垂直行業，場景應用涵蓋交通、農業、水文、煤礦、醫療、教育等各個方面[5-11]。有些科研院所及企業也已開展了5G配電網線路縱差保護測試。文獻[12]提出一種基于5G無線通信的配電網拓撲自適應差動保護技術，示范工程滿足指標要求，但未進行外場試驗。文獻[13]基于5G組網的電網業務外場試驗環境，驗證網絡時延及抖動對差動保護的影響。文獻[14]基于5G通信系統實現差動保護裝置間數據傳輸，依據配電網拓撲變化動態調整差動保護配置，達到降本增效的目的。文獻[15]采用NSA架構的5G網絡適合現階段智能電網應用，可滿足智能電網輸電、變電、配電及用電各環節差異化業務需求。但是，在針對NSA、SA組網方式下的指標數據測試，尤其是外場試驗的應用研究方面，相關文獻資料比較少見。5G縱差保護應用面臨的諸多技術挑戰，如5G電力物聯網[16-18]、通信技術[19-20]、傳輸資源需求等方面[21-24]。鑒于5G網絡低時延、高速率、大容量、高帶寬等優點，加快5G技術應用于電力行業的探索步伐，下面對“5G+繼電保護專業”技術應用方案及外場試點測試取得的成效予以闡述。

1 縱差保護原理

保護裝置支持5G通信，可直接與5G無線終端配合，實現5G差動保護功能。電流差動繼電器由比率差動繼電器和差動聯跳繼電器兩部分組成。

1.1 比率差動繼電器

當發生故障時，由電流變化量、相過流元件和零序電流元件組成的啟動元件滿足啟動條件后，將開放差動判據判別，若保護裝置的差流和制動電流關系滿足動作方程(見式(1)，動作曲線見圖1)，則置本側差動允許，且向對側發送差動允許信號。當裝置同時收到本側差動允許和對側差動允許信號，則差動保護可以動作。

(1)

式中：φ代表A相、B相、C相；Idφ為差動電流，即兩側電流矢量和的幅值；Irφ為制動電流，即兩側電流矢量差的幅值；IDIF為差動動作電流定值。

1.2 差動聯跳繼電器

長距離輸電線路出口經高過渡電阻接地時，近故障側保護能立即啟動，但由于助增的影響，遠故障側可能故障量不明顯而不能啟動，差動保護不能快速動作。針對這種情況，裝置設有差動聯跳繼電器，本側任何保護動作元件動作(如過流保護、零序保護等)后立即發對應相聯跳信號給對側，對側收到聯跳信號后，啟動保護裝置，并結合差動允許信號聯跳斷路器。

2 應用方案

2.1 系統架構

系統主要由5G核心網絡、線路差動保護裝置、時鐘同步授時裝置、數據終端、5G通信卡組成，見圖2。兩側數據終端通過5G核心網絡通信交互數據，時鐘同步授時裝置對雙套線路縱差裝置進行采樣對時，實現電流數據同步采樣實時作差。

圖2 5G線路縱差保護配置架構

2.2 通信組網

5G通信卡IP實現靜態地址，客戶終端設備(customer premise equipment,CPE)采用工業級數據終端，雙套線路縱差保護進行程序下裝及固化，配置程序見圖3，運營商搭建5G網絡接入點。縱差保護裝置可選擇CPU網口3—網口8中的任一口作為5G數據接口，通過通信參數中的[5G數據網口號]參數指定。將5G數據網口同5G終端設備(CPE)相連，并通過通信參數中的[5G網口IP地址]設置該口的IP地址，實現5G組網通信參數設置，見圖4。

圖3 配置文本文件部分程序

圖4 5G組網通信參數設置

2.3 聯機調試

雙套線路縱差保護裝置進行通道、零漂、采樣值及開關量檢查，5G通信正常，裝置無告警信息，零漂值在0.01In(或0.05 V)以內。電流、電壓采樣值與實際加入量的誤差應小于±2.5%或±0.01倍額定值，相角誤差小于2°；兩側聯調同步外部采樣，若試驗點線路上有實際負荷，則可通過CT采樣來驗證同步；若試驗儀外加模擬量，要求試驗儀同步輸出；以上兩點都不能實現，則裝置無法通過差流或相位的方式來驗證同步，只能選擇在一處試驗點進行模擬量試驗，比較本地施加量和對側接收量驗證采樣傳輸的精度，但無法進行區外故障等復雜測試。單側加量相當于單側電源故障試驗，受一側弱饋的影響，保護動作時間會有一定的延遲。單側縱差調試接線見圖5。

圖5 單側縱差調試接線

3 試點實例

3.1 試點方案

在試驗室環境下，雙套縱差保護裝置進行聯機調試，見圖6。本次試點110 kV甲站10 kV甲苑線，線路長度3.1 km，電氣接線方式如圖7所示。

圖6 試驗室環境下5G縱差保護聯機調試

圖7 試點線路電氣主接線

甲站側縱差保護CT采用5A制，考慮正常運行安全性、跳閘可靠性，建議該側裝置掛網試運行。采用雙套配置，原裝置正常運行，正常動作出口跳、合閘斷路器；南苑1號中心開閉所側縱差保護CT采用1A制，考慮其為負荷終端站，線路保護裝置只投功能不投跳閘，經現場勘察，無合適安裝位置，建議掏屏換型改造，并加裝對時裝置。試點安裝地處于干擾區、盲弱區，經運營商對5G網絡狀態測試，試點線路兩側信號強度較弱或無5G網絡信號狀態，本試點采用5G網絡室內分布式系統以滿足縱差保護應用條件，見圖8。試點裝置運維信息遠程傳送給運維中心或主站，快速實現配電網線路區段或配電網設備的故障判斷及準確定位。

圖8 5G網絡室內分布式系統

3.2 通道延時

對NSA網絡單模、SA網絡雙模5G縱差保護裝置網絡通道狀態加以對比，由表1可知，NSA網絡環境下，5G_SV接收通道1平均延遲95.6 ms左右，裝置出現通道異常及網絡延時超范圍信號，不滿足縱差保護通道延時應用要求；SA網絡環境下，5G_SV接收通道1平均延遲11.2 ms，裝置顯示5G通信、差流值和對時狀態正常，SA網絡平均上、下行帶寬為NSA網絡的14倍左右。

表1 NSA單模、SA雙模網絡通道延時對比

4 結 語

探究了“5G+配電網線路縱差保護”的架構與方案，實現了10 kV配電網線路的試點應用。經多次測試驗證，SA組網方式具有超低延時、高帶寬、大容量等特點，適用于5G縱差保護應用條件，擺脫了常規光纖縱差保護的點對點光纖敷設成本及外破可能性。有線光纖載體轉型為無線5G通信方式，全面提升了配電網保護動作的選擇性、安全性和供電可靠性。通過5G配電網縱差保護應用指標分析，驗證了整體系統架構的合理性和技術方案的可行性，為“5G+電力業務”技術的推廣及應用提供參考。