5G技術在配電網(wǎng)電流差動保護業(yè)務中的應用

孫小芙，劉丹妮，李生珠，張 松，王金宇，徐 晗，張 岑

（國網(wǎng)吉林省電力有限公司信息通信公司，吉林 長春130000）

0 引 言

當前，電力融合5G互聯(lián)網(wǎng)技術步入了全新自動化管理的重要時期，但在此期間會伴隨著用電故障。為了解決用電故障，需在配電網(wǎng)電流差動保護業(yè)務中引進5G技術，這樣不僅能大大優(yōu)化改進故障的判斷和處理方法，及時確定故障原因，而且還能避免耗費大量的人力和物力。

1 智能電網(wǎng)5G技術的應用

5G技術是4G技術的進一步演化，它能利用新型多天線、超高頻段以及密集網(wǎng)絡等構(gòu)建更可靠的通信網(wǎng)絡，具有網(wǎng)絡超高帶寬與超低時延的特性[1]。相較于4G技術，5G技術在關鍵性能指標方面的提升效果非常顯著。在空中接口時延方面，4G通常為10～50 ms，5G可降低至l ms；在單用戶峰值吞吐率方面，4G通常為100～1 024 Mb/s，5G可達到10 Gb/s之上。與此同時，5G技術還對3個核心應用場景進行了定義。首先，增強型移動寬帶能增強既有的移動數(shù)據(jù)通信業(yè)務，全面提升系統(tǒng)運行速度；其次，海量物聯(lián)網(wǎng)通信可通過相關的大數(shù)據(jù)連接業(yè)務，充分滿足物聯(lián)網(wǎng)對“萬物互聯(lián)”的實現(xiàn)要求；最后，超高可靠及低時延通信側(cè)重于控制領域，能提供高可靠性與低時延的服務。

2 在配電網(wǎng)電流差動保護業(yè)務中應用5G技術時遇見的問題

2.1 電流差動保護業(yè)務在實際工作中存在的缺陷和問題

2.1.1 在問題的發(fā)現(xiàn)和處理上具有很大缺陷

在傳統(tǒng)的電流差動保護業(yè)務中，很難對故障信息進行準確定位，同時也很難準確分析其細節(jié)。尤其在電力供應相對落后的地區(qū)，故障處理信息不明確，加之工作人員也存在一定的技術水平有限等問題，導致電力維護緩慢，從而影響到了電力的正常供應[2]。在電力數(shù)據(jù)的傳輸中，基于4G技術的信息傳輸具有一定的延遲，而5G技術能夠有效避免數(shù)據(jù)延遲問題發(fā)生。除此之外，5G技術還能夠極快地實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時傳輸，降低故障狀況造成的影響。就目前實際情況來看，在傳統(tǒng)的電流差動保護業(yè)務中應用5G技術是非常有必要的。

2.1.2 難以全面連接整條線路的電壓信息

對于電網(wǎng)建設來說，由于每個節(jié)點都配置PT目前還很難達到，因此無法及時發(fā)現(xiàn)欠壓等線路電壓情況，管理人員無法及時掌握全面的電力信息，這也就意味著部分地區(qū)的電壓難以得到有效的保障。除此之外，有源配電網(wǎng)在電壓信息的處理方面具有一定的局限性和缺陷，會因信息獲取不及時而導致電壓供應問題，很難確保用戶的高效用電。

2.2 傳統(tǒng)光纖電流差動保護問題

若想保障電流差動保護的選擇性，就必須以基爾霍夫電流定律為基礎，即流向一個節(jié)點的電流之和等于零。在光纖通道的電流差動保護基礎上，促使兩端或多端線路實現(xiàn)差動保護[3]。例如兩端線路，在非故障前提下從兩側(cè)母線流入線路的電流之和等于零，那么位于線路兩側(cè)的保護裝置只需將各自通過電流互感器采集的電流數(shù)據(jù)傳輸給對側(cè)裝置，經(jīng)過數(shù)據(jù)同步處理后就能進行差動保護計算。其數(shù)據(jù)同步方法的重點是使用乒乓法原理將光纖通道延遲測出來，同時將兩端采樣時刻的偏差計算出來，再由同步端保護裝置對采樣中斷時刻進行調(diào)整，從而實現(xiàn)裝置采樣時刻同步。

2.3 5G無線電流差動保護問題

作為鏈路層傳輸協(xié)議，HDLC協(xié)議并沒有上層的網(wǎng)絡層、應用層以及傳輸層協(xié)議，不能通過5G網(wǎng)絡設備傳輸。作為采樣值傳輸?shù)牧硪粋€標準，IEC61850-9-2標準被廣泛應用于智能變電站中。根據(jù)該標準，裝置之間可對SV報文進行收發(fā)，并對采樣值信息進行實時交互。在理論層面，基于該標準，裝置也可實現(xiàn)線路差動保護。在鏈路方面，SV報文使用ISO/IEC8802.3協(xié)議僅對應OSI模型中的數(shù)據(jù)鏈路層及物理層，而在網(wǎng)絡層、傳輸層及會話層均為空。雖然簡化了協(xié)議棧、減少了協(xié)議棧處理時間、提升了數(shù)據(jù)的實時性，但是同樣不能在5G網(wǎng)絡里傳輸[4]。

2.4 其他問題

傳輸通道替代專用光纖后，5G通信網(wǎng)絡平均傳輸時延、丟包率以及時延抖動等指標都有明顯的下降趨勢，必然會影響到差動保護的保護動作時間和穩(wěn)定性。此外，如果差動保護之間的數(shù)據(jù)交互使用R-SV協(xié)議，雖然使用非標協(xié)議降低了每秒幀數(shù)，但也很明顯地減少了流量，這些都阻礙了進一步推廣5G差動保護。

3 在配電網(wǎng)電流差動保護業(yè)務中應用5G技術時所產(chǎn)生問題的解決措施

3.1 利用5G技術實時傳輸電路故障信息

在信息技術快速發(fā)展的時代，利用相應的云端服務器可以實時完成配電網(wǎng)的監(jiān)控工作。對于云端計算設備來說，其處理問題的速度遠超人類。隨著科技的快速發(fā)展，借助網(wǎng)絡手段便能將電網(wǎng)管理的傳輸設備直接連接到管理人員的移動終端。通過這樣的形式建立起一套完善的互聯(lián)網(wǎng)管理體系，經(jīng)由云端算法給出處理建議，再由專業(yè)人士審核后選擇合適的處理方法，能夠快捷有效地完成維護任務。

3.2 充分利用信息存儲能力控制配電

在目前強大的網(wǎng)絡系統(tǒng)中，任何一戶用電家庭都可以成為一個節(jié)點，以此建立一個固定的管理系統(tǒng)，利用互聯(lián)網(wǎng)技術實時監(jiān)控電量剩余量，并對戶主進行必要的電量提醒。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r反饋各節(jié)點用戶的用電效果，避免出現(xiàn)電壓不足和突發(fā)斷電等問題。利用智能化5G技術完成一些簡單的維護和調(diào)度工作，通過核心網(wǎng)絡系統(tǒng)統(tǒng)一進行電流差動保護，借助更加廣闊的數(shù)據(jù)儲備空間將用戶信息和電力監(jiān)控信息統(tǒng)一錄入到云端管理中心，盡可能地實現(xiàn)區(qū)域化管理。利用5G信息處理技術可以加快故障信息處理效率，不僅能夠精確定位故障位置，而且還能夠迅速判斷故障類型，及時給出故障處理方法[5]。

3.3 省流量模式

HDLC協(xié)議和R-SV協(xié)議都沒有考慮無線傳輸?shù)男枨螅挥谜f流量的收費。保護算法是基于不間斷數(shù)據(jù)交互進行設計的，而光纖傳輸延遲通常為微秒級，保護裝置不需要打開額外的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。省流量策略將會對保護的動作時間造成一定影響，以下是對增加的時間的定量分析。對于非流量節(jié)省模式下的保護動作，依據(jù)差動電流計算時間，直到滿足差動條件為止。當一側(cè)的計算結(jié)果滿足微分條件時，向另一側(cè)發(fā)送允許信號。

3.4 冗余發(fā)送機制

3.4.1 5G網(wǎng)絡可靠性

裝置依據(jù)既有標準，如果產(chǎn)生通信誤碼或丟包，需發(fā)出警報并阻斷差動保護。專用光纖通道可靠性高，在正常運行期間很少發(fā)生誤碼或數(shù)據(jù)包丟失等情況。根據(jù)電網(wǎng)公司的企業(yè)標準，誤碼率要求大于10-8，實際使用中誤碼率通常為10-9左右[6]。根據(jù)目前的3GPP標準和實驗室測試數(shù)據(jù)，5G信道的誤碼率或丟包率是光纖信道的10 000倍，約為10-5。基于此，進行相應的優(yōu)化是非常有必要的。

3.4.2 實驗室測試

在設備制造商提供的實驗室中，測試5G網(wǎng)絡下差動保護的通信質(zhì)量。兩個差動保護裝置通過各自的CPE連接到同一個基站，SA組網(wǎng)為測試網(wǎng)絡。此外，測試基站只連接待測設備。將基站天線與待測設備放在同一屏蔽室內(nèi)，避免空間內(nèi)其他信道的干擾，可以將其視為理想狀態(tài)下的5G SA網(wǎng)絡通道。在測試中，基于空中接口側(cè)的重傳機制，沒有真正的丟包，但對于差動保護的延時大于規(guī)定范圍，實際效果等同于數(shù)據(jù)丟失。根據(jù)相關規(guī)定，微機保護的時差不應小于0.2 s。而由于現(xiàn)階段變電站10 kV線路延時速斷保護通常設置為0.3 s，因此5G差動保護動作時間仍為100 ms。

4 在電流差動保護業(yè)務中5G技術的具體應用實例與展望

4.1 應用實例

電流差動保護的信號同步要求包括兩方面，一是線路兩側(cè)的采樣時刻務必嚴格同步，二是差動繼電器采用兩側(cè)相同時刻的采樣數(shù)據(jù)對差動電流進行計算。目前常見的信號同步方式有兩種，即基于GPS同步時鐘的同步方法和基于數(shù)據(jù)通道的同步方法。其中，基于數(shù)據(jù)通道的同步方法包括采樣時刻調(diào)整法、時鐘校正法以及采樣數(shù)據(jù)修正法。

以中國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)為核心，使用北斗授時同步方法在線路兩端的保護裝置中部署采樣時鐘。該時鐘由高可靠性的晶振體構(gòu)成，每過1 s被秒脈沖信號同步1次，確保晶振體出現(xiàn)的脈沖前沿和國際標準時鐘具有1 μs同步精度，促使兩端采樣嚴格同步[7,8]。

依據(jù)現(xiàn)場部署情況，配電網(wǎng)業(yè)務終端與配電主站系統(tǒng)之間使用以太網(wǎng)方式或5G通信系統(tǒng)、光纖、4G無線專網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)。其中，配電網(wǎng)電流差動保護裝置能夠減少停電時長、提升搶修效率，傳遞跳閘信號以及采樣值。

電力電子器件是分布式電源中的主要器件，耐受過電流與過電壓的能力較弱，故障時提供的故障電流水平相對較低，會逐漸惡化配電網(wǎng)原有繼電保護方案（如三段式電流保護）性能，保護原理不能被使用。對于保護裝置而言，隨著網(wǎng)絡架構(gòu)拓撲的變化而得不到有效配備。對原有的配電網(wǎng)而言，隨著分布式電源的接入從單端放射式網(wǎng)絡轉(zhuǎn)變?yōu)槎嚯娫淳W(wǎng)絡。

既有的無線通信技術和保護通信通道建設的特征，對配電網(wǎng)快速保護的發(fā)展產(chǎn)生了阻礙。將配電網(wǎng)與5G通信網(wǎng)絡融合，對配電網(wǎng)電流差動保護信號同步關鍵技術進行應用，有序串聯(lián)配電主站、差動保護裝置、配電自動化終端等，如圖1所示。

圖1 配電主站、差動保護裝置等有序串聯(lián)

對電流差動保護、測控裝置以及5G CPE通信模組進行配置，每個智能配電終端分別采集兩側(cè)CT的各相電流和零序電流，對被保護線路的制動電流與差動電流進行計算。與此同時，利用5G基站和核心網(wǎng)電力uRLLC切片，當出現(xiàn)區(qū)內(nèi)故障時，兩個智能配電終端的差動保護邏輯各自動作，對動作出口進行保護，促使配電網(wǎng)電流差動保護應用得到全面實現(xiàn)[9]。

4.2 應用展望

在電網(wǎng)管理中，往往需要更加高效直接的方法將電網(wǎng)信息快速傳遞給電網(wǎng)管理人員。隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及，越來越多的用戶開始注重電力的供應水平。而5G技術的出現(xiàn)帶來了高效的信息處理手段，通過5G技術能夠建立一個可采集所有用戶信息的平臺，統(tǒng)計用戶用電質(zhì)量要求，并及時對用戶的用電量進行相關統(tǒng)計計算，掌握全部用戶的電力信息，這也是電路保護的重要前提。該平臺不僅能夠直接有效地調(diào)查用戶以往的用電特點，還能夠針對性地實時檢測電網(wǎng)，準確有效地顯示相應的故障信號[10]。除此之外，利用5G基站來進行信號的傳輸與接收，有效節(jié)省了電網(wǎng)建設的預算。5G技術在未來電網(wǎng)管理相關方面具有的極大的發(fā)展空間，對于電流差動保護業(yè)務來說，結(jié)合5G技術也將是主流的發(fā)展趨勢。

5 結(jié) 論

在新時期發(fā)展背景下，5G技術在監(jiān)測業(yè)務、工業(yè)控制等領域中得到了非常廣泛的應用。文章詳細討論了5G技術在配電網(wǎng)電流差動保護中的實際應用，通過在配電網(wǎng)中應用5G技術，能夠在很大程度上全面提升智能電網(wǎng)業(yè)務運行的可靠性和安全性。