基于5G的高精度同步相量測量及測試方法

徐全，袁智勇，雷金勇，林躍歡，劉胤良，何思名，林心昊

(南方電網(wǎng)科學(xué)研究院，廣州510663)

0 引言

利用5G大帶寬、低延時(shí)、高可靠、低能耗、大連接、高精度同步、支持切片和安全性能高的優(yōu)勢，可以推動(dòng)當(dāng)前通信條件下無法實(shí)現(xiàn)或難以推廣的新技術(shù)的應(yīng)用，從而提升配電網(wǎng)的可測、可觀和可控水平，為實(shí)現(xiàn)“安全、可靠、綠色、高效”的智能配電網(wǎng)提供基礎(chǔ)[1]。5G技術(shù)在配電網(wǎng)中的應(yīng)用主要集中在解決當(dāng)前智能電網(wǎng)量測不足、可觀不足和可控不足3個(gè)方面。

在解決當(dāng)前電網(wǎng)量測不足的問題方面，利用配網(wǎng)同步相量測量技術(shù)的準(zhǔn)確性、快速性、可靠性和擴(kuò)展性，可以有效提升配電網(wǎng)的可測水平，但由于存在絕對(duì)時(shí)間難以同步，且當(dāng)前配網(wǎng)桿塔眾多及配電房條件苛刻，無光纖接口，可靠性較差，通信延時(shí)較長等因素，直接影響了應(yīng)用的效果。通過5G的低延時(shí)和高精度同步對(duì)時(shí)功能，可實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)同步相量測量裝置(phasor measurement unit，PMU)的推廣應(yīng)用，可監(jiān)測電網(wǎng)的同步相量、動(dòng)態(tài)特性等。機(jī)器人、無人車，主要使用WIFI接入，大多保留在本地，無法實(shí)時(shí)上傳遠(yuǎn)程監(jiān)控中心；無人機(jī)由于通信限制，有效控制半徑較短，巡線范圍有限；大量配電房光纖覆蓋難度大，仍缺乏視頻安防及環(huán)境監(jiān)控。通過5G的大帶寬和低延時(shí)的優(yōu)勢，可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)式機(jī)器人、巡檢無人機(jī)、巡檢無人車、高清攝像頭實(shí)時(shí)上傳和控制的應(yīng)用，擴(kuò)大線路、配電房等巡檢范圍和巡檢效率。當(dāng)前小微傳感器受通信的限制，無法實(shí)現(xiàn)低功耗、長距離以及海量接入。通過5G的低功耗大連接，有望實(shí)現(xiàn)小微傳感器等智能傳感的大面積應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)大量節(jié)點(diǎn)的量測。

在提升配電網(wǎng)可觀性水平方面，當(dāng)前用戶終端數(shù)據(jù)多采用230 M、3G/4G無線公網(wǎng)等方式，整體呈現(xiàn)低精度、低時(shí)間分辨率等特點(diǎn)，無法進(jìn)行負(fù)荷模型高精度在線辨識(shí)。利用5G的大連接、低時(shí)延，可以推動(dòng)負(fù)荷辨識(shí)裝置和智能用電終端的推廣應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的高精度在線辨識(shí)，為高級(jí)應(yīng)用提供準(zhǔn)確可靠的負(fù)荷模型。當(dāng)前故障定位技術(shù)由于缺少低成本的同步對(duì)時(shí)和同步相量，導(dǎo)致定位精度難以保證。利用5G高精度同步對(duì)時(shí)的功能，可實(shí)現(xiàn)融合故障診斷與精確定位功能的終端，提升電網(wǎng)在故障下的可控水平。

在提升配電網(wǎng)源網(wǎng)荷的可控水平方面，隨著大規(guī)模分布式電源和電動(dòng)汽車等柔性負(fù)荷的接入，配電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)更加復(fù)雜多變，而當(dāng)前通信無法滿足海量終端的接入。利用5G低能耗大連接的優(yōu)勢，可實(shí)現(xiàn)融合分布式電源監(jiān)控、緊急孤島的智能終端，可以促進(jìn)新能源消納，緊急情況可形成孤島或微電網(wǎng)保證重要負(fù)荷的應(yīng)急供電。受配網(wǎng)通信可靠性低、無同步對(duì)時(shí)功能，當(dāng)前配網(wǎng)保護(hù)多采用簡單的過流、過壓邏輯，不依賴通信，難以實(shí)現(xiàn)分段隔離，停電影響范圍擴(kuò)大。利用5G高精度同步對(duì)時(shí)功能，可實(shí)現(xiàn)融合差動(dòng)保護(hù)和配網(wǎng)PMU的智能終端，實(shí)現(xiàn)縮短故障持續(xù)時(shí)間，保障電網(wǎng)安全。當(dāng)前配網(wǎng)采用光纖通信成本較高，無線通信延時(shí)較長且可靠率較低，無法滿足分布式電源及負(fù)荷快速控制對(duì)通信要求。利用5G大帶寬、低時(shí)延、高可靠的優(yōu)勢，可實(shí)現(xiàn)融合負(fù)荷控制、快速電壓控制和自愈控制的新一代智能配電自動(dòng)化終端，通過柔性負(fù)荷參與需求側(cè)響應(yīng)，提升用戶供電的可靠性和電能質(zhì)量。

同步相量測量裝置是配電網(wǎng)近幾年出現(xiàn)的對(duì)授時(shí)和通信要求均很高的新一代配網(wǎng)終端。本文重點(diǎn)從對(duì)時(shí)方面、通信時(shí)延和帶寬方面，闡述了5G在配電網(wǎng)同步相量測量中的應(yīng)用，同時(shí)搭建了適配5G的配網(wǎng)同步相量測量裝置測試平臺(tái)，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境、現(xiàn)場測試環(huán)境和示范工程的測試，驗(yàn)證了5G可以滿足配網(wǎng)同步相量測量裝置對(duì)時(shí)、通信和帶寬方面的要求。

1 基于5G的高精度同步相量測量

隨著同步相量測量裝置在發(fā)電、輸電和變電中應(yīng)用，目前已在配電網(wǎng)的變電站、配電房、桿塔、新能源并網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行推廣應(yīng)用[2 - 3]。主網(wǎng)PMU的高級(jí)應(yīng)用主要集中在監(jiān)測，但是配網(wǎng)PMU相較于主網(wǎng)PMU，增加了故障診斷、故障定位、源網(wǎng)荷協(xié)調(diào)控制、平滑新能源波動(dòng)、提升配網(wǎng)電壓合格率等功能[4 - 6]。主網(wǎng)PMU一般安裝在220 kV及以上變電站等控制室，由于安裝于室內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)屏柜上，環(huán)境相對(duì)較好。但配網(wǎng)PMU不僅可能安裝在變電站，同時(shí)有可能安裝在配電房、柔性負(fù)荷用戶，甚至桿塔，受安裝環(huán)境及成本限制，可能采用無線通信，并使用PMU裝置內(nèi)部的對(duì)時(shí)模塊進(jìn)行對(duì)時(shí)。

同步相量測量裝置在配電網(wǎng)推廣應(yīng)用過程中，考慮目前通信無法實(shí)現(xiàn)高精度對(duì)時(shí)，需PMU裝置內(nèi)置GPS模塊，或在現(xiàn)場安裝GPS裝置，導(dǎo)致一方面造成成本居高不下，同時(shí)在現(xiàn)場安裝過程中GPS天線很難無遮擋，導(dǎo)致GPS信號(hào)差，時(shí)間質(zhì)量差；另一方面給設(shè)計(jì)和現(xiàn)場安裝工作帶來很大難度，對(duì)安裝PMU裝置的環(huán)境也提出了較高的要求。當(dāng)前很多桿塔及配電房條件較苛刻，無光纖及有線網(wǎng)絡(luò)接口，且鋪設(shè)光纖投資成本高。在這種情況下，目前采用內(nèi)置4G模塊的同步相量測量裝置。在現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用過程，4G信號(hào)穩(wěn)定性較差，存在一定的丟包率，同時(shí)難以滿足同步相量快速上傳的帶寬要求，影響主站高級(jí)應(yīng)用功能的應(yīng)用效果。針對(duì)大量分布式電源及充電樁接入，配電網(wǎng)波動(dòng)較大，為平滑聯(lián)絡(luò)線的功率波動(dòng)，提高配電網(wǎng)電壓的合格率，所以在配電網(wǎng)應(yīng)用過程中要求同步相量測量裝置有較低的傳輸延時(shí)及較高的通信可靠率。目前基于4G的傳輸延時(shí)波動(dòng)較大、延時(shí)較長，難以滿足配電網(wǎng)對(duì)閉環(huán)實(shí)時(shí)控制的要求，具體如表1所示。

表1 基于5G的高精度同步相量測量的優(yōu)勢Tab.1 Advantages of high precision synchronous phasor measurement based on 5G

本文結(jié)合國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)[7 - 10]，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境、現(xiàn)場測試環(huán)境和示范工程測試。對(duì)時(shí)方面，通過現(xiàn)場2個(gè)基于5G對(duì)時(shí)秒脈沖與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘源秒脈沖進(jìn)行對(duì)比測試，測試結(jié)果表明誤差均在300 ns以內(nèi)，滿足PMU裝置對(duì)時(shí)精度1 μs的要求；通信時(shí)延方面，經(jīng)過PMU長時(shí)間的測試，結(jié)果表明PMU至主站雙向最大延時(shí)小于14 ms，可以滿足PMU對(duì)通信延時(shí)的較高要求；在帶寬方面，在程序不做任何限制的極限條件下，5G依然能滿足PMU對(duì)可靠率及帶寬的要求。

通過5G對(duì)時(shí)模塊，實(shí)現(xiàn)同步相量測量裝置的對(duì)時(shí)問題，可以解決現(xiàn)場GPS天線安裝困難及GPS裝置成本高的問題。通過5G可以解決同步相量測量裝置對(duì)通信的可靠率及帶寬的要求。通過5G可以解決配網(wǎng)同步相量測量裝置對(duì)傳輸延時(shí)的要求。5G優(yōu)越的通信性能包括較短的延時(shí)、極高的可靠率、高精度的對(duì)時(shí)、極高的帶寬等，將為PMU等新一代配網(wǎng)終端在電網(wǎng)新場景的應(yīng)用提供通信及對(duì)時(shí)基礎(chǔ)。

2 基于5G的同步相量測量裝置測試平臺(tái)

配電網(wǎng)廣域相量測量系統(tǒng)信息采集與控制采用5G無線系統(tǒng)進(jìn)行通信，測試系統(tǒng)如圖1所示。PMU設(shè)備提供1個(gè)業(yè)務(wù)網(wǎng)口：網(wǎng)口負(fù)責(zé)配電網(wǎng)廣域測量系統(tǒng)信息采集和控制業(yè)務(wù)，該網(wǎng)口通過交換機(jī)與5G測試用戶設(shè)備(test user equipment，TUE)進(jìn)行信息采集和控制業(yè)務(wù)的通信。5G TUE與5G基站通過無線空口進(jìn)行通信。5G 無線基站通過無線空口完成5G TUE的授時(shí)，然后通過IRIG-B協(xié)議接口將時(shí)間信息發(fā)給PMU設(shè)備，實(shí)現(xiàn)PMU設(shè)備的時(shí)間同步。外接筆記本提供時(shí)延展示功能，通過顯示器展示PMU與WAMS主站之間的ping測時(shí)延。通過繼保設(shè)備測試儀給同步相量測量裝置加量，對(duì)廣域相量測量系統(tǒng)主站測試驗(yàn)證。

圖1 基于5G的配電網(wǎng)同步相量測量裝置測試系統(tǒng)Fig.1 PMU test system of the distribution network based on 5G

3 基于5G的同步相量測量裝置對(duì)時(shí)測試

TUE從5G無線基站獲取的時(shí)間記為T1， GPS的時(shí)間記為T2， 則時(shí)間誤差記為Terrot， 計(jì)算公式如式(1)所示。

Terrot=|T1-T2|

(1)

將TUE和GPS輸出的PPS(pulse per second)信號(hào)分別接入示波器的測量端子1和端子2，測試架構(gòu)如圖2所示。測量2個(gè)信號(hào)記錄的最大偏差即授時(shí)精度誤差并記錄測量結(jié)果。2臺(tái)基于5G的TUE對(duì)時(shí)信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)GPS信息進(jìn)行對(duì)比，測試波形如圖3所示，波形分別為基于5G的TUE1秒脈沖、TUE2秒脈沖、GPS裝置秒脈沖。通過現(xiàn)場2個(gè)基于5G對(duì)時(shí)的TUE秒脈沖及標(biāo)準(zhǔn)GPS秒脈沖對(duì)比，測試結(jié)果為2臺(tái)TUE及標(biāo)準(zhǔn)GPS裝置秒脈沖的誤差均在300 ns以內(nèi)，目前國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)PMU裝置的對(duì)時(shí)精度要求為1 μs，所以基于5G的對(duì)時(shí)精度滿足PMU裝置的指標(biāo)要求。

圖2 基于5G對(duì)時(shí)精度測試示意圖Fig.2 Schematic diagram of timing accuracy test based on 5G

4 基于5G的同步相量測量裝置帶寬測試

正常情況上傳實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，以100幀/s上傳實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；特殊情況即故障發(fā)生時(shí)，主站召錄波數(shù)據(jù)，由于是非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，主站將限制每幀的大小，以減小對(duì)帶寬的壓力。為測試極端情況下5G能否滿足配電網(wǎng)同步相量測量裝置的要求，在程序不做任何條件限制下，讀取動(dòng)態(tài)錄波數(shù)據(jù)。測試系統(tǒng)架構(gòu)圖及測試結(jié)果如圖4—5所示。測試結(jié)果表明基于5G的同步相量測量裝置在1 000 kbps依然能滿足其帶寬要求。同時(shí)在現(xiàn)場通過繼電保護(hù)測試儀進(jìn)行加量，在主站可以實(shí)時(shí)正確顯示電壓電流值。

圖4 帶寬及基本功能測試系統(tǒng)圖Fig.4 Bandwidth and basic function test system

5 基于5G的同步相量測量裝置時(shí)延測試

將2個(gè)TUE接入5G網(wǎng)絡(luò)，使用PING工具，在PMU上對(duì)WAMS主站進(jìn)行PING包，記錄PING時(shí)延得到的最大時(shí)延、最小時(shí)延以及平均時(shí)延。測試系統(tǒng)圖如圖6所示，通過PMU與遠(yuǎn)程主站的PING時(shí)延測試整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信延時(shí)。1 627包測試報(bào)文結(jié)果如圖7所示，通過計(jì)算得到最大雙向延時(shí)為13.727 ms，平均雙向延時(shí)為10.729 4 ms，均方根延時(shí)為10.760 ms，且丟包率為0幀。所以目前延時(shí)小于14 ms(PMU至主站單向時(shí)延小于7 ms)可以滿足PMU對(duì)通信延時(shí)的要求。為與4G信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，在示范工程現(xiàn)場對(duì)同一款基于4G的PMU裝置進(jìn)行PING測試，雙向延時(shí)最大為168.678 ms，丟包率達(dá)到53%。可以看出基于5G的同步相量測量裝置的測試結(jié)果明顯優(yōu)于基于4G的同步相量測量裝置。

圖5 基于5G的基本功能及帶寬測試波形Fig.5 Basic function and bandwidth test waveforms based on 5G

圖6 通信延時(shí)測試系統(tǒng)圖Fig.6 Communication delay test system

6 結(jié)語

對(duì)同步相量測量裝置的基本功能進(jìn)行測試，測試結(jié)果表明5G可以滿足PMU裝置基本功能；基于5G的同步相量測量裝置在不做任何限制下召錄波數(shù)據(jù)即極限條件下，依然能滿足其帶寬要求。通過現(xiàn)場基于5G對(duì)時(shí)的TUE秒脈沖及標(biāo)準(zhǔn)GPS秒脈沖對(duì)比，測試結(jié)果為2臺(tái)TUE及標(biāo)準(zhǔn)GPS裝置秒脈沖的誤差均在300 ns以內(nèi)，滿足PMU裝置的指標(biāo)要求。通過PMU與遠(yuǎn)程主站的PING測試整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信時(shí)延，延時(shí)小于14 ms(PMU至主站單向時(shí)延小于7 ms)可以滿足PMU對(duì)通信延時(shí)的要求。以上測試結(jié)果表明基于5G的同步相量測量裝置完全滿足配電網(wǎng)的要求。5G優(yōu)越的通信性能包括較短的延時(shí)、極高的可靠率、高精度的對(duì)時(shí)、極高的帶寬等，將節(jié)省新一代配網(wǎng)終端應(yīng)用帶來的GPS投入及光纖等通信投入，將為新一代配網(wǎng)終端在電網(wǎng)新場景的應(yīng)用提供通信和對(duì)時(shí)基礎(chǔ)。