5G技術(shù)在配電網(wǎng)電流差動保護業(yè)務中的應用探究

保定市智能電腦有限公司 商 娜

配電網(wǎng)是電力系統(tǒng)的末端，直接面向電力用戶，其網(wǎng)絡的穩(wěn)定性直接影響著電力用戶的用電體驗，在整個電力系統(tǒng)中其運行的穩(wěn)定性至關(guān)重要。但目前配電網(wǎng)是整個電力系統(tǒng)中最為薄弱的一環(huán)，隨著我國配電物聯(lián)網(wǎng)的建設，分布式電源、能源儲能以及電動汽車等產(chǎn)品接入到電力系統(tǒng)中，對電網(wǎng)的安全運行產(chǎn)生了影響，也導致配電網(wǎng)從單電源輻射向多電源復雜供電的方向轉(zhuǎn)變。配電網(wǎng)在實際運行的過程中，網(wǎng)絡故障問題也逐漸增多，而傳統(tǒng)的故障處理方式已經(jīng)不能滿足配電網(wǎng)的實際需求，目前主要面臨著以下困境：一是應對配電網(wǎng)故障的設備生產(chǎn)廠商較多，但執(zhí)行的通信標準卻不一致，在實際應用時設備之間的通用性較差；二是配電網(wǎng)直接面對電力用戶，其覆蓋面積十分廣闊，分布式電源的接入導致傳統(tǒng)的差動保護系統(tǒng)無法滿足配電網(wǎng)的需求；三是目前配電網(wǎng)電流差動保護設備的通信方式主要采用第4代移動通信技術(shù)，在實際使用時可靠性較差且具有較高的時延。目前配電網(wǎng)絡主要使用無線通信的方式，這種方式具有成本低、覆蓋面積廣、安裝簡單等優(yōu)勢，被廣泛用在業(yè)務數(shù)據(jù)信息的傳輸之中，但在實際應用時卻面臨著穩(wěn)定性差、帶寬小、時延高等問題，使得無線通信很難適應配電網(wǎng)的控制需求。

1 基于5G技術(shù)的網(wǎng)絡應用架構(gòu)

5G技術(shù)是在4G技術(shù)的基礎上發(fā)展而來的，具有超帶寬、超低時延以及海量接入的技術(shù)優(yōu)勢，目前5G技術(shù)主要有以下應用場景：一是eMBB場景，這是對原有通信業(yè)務的進一步加強，能為通信用戶提供更高的通信速率；二是mMTC場景，這是為了滿足物聯(lián)網(wǎng)的實際需求，為物聯(lián)網(wǎng)提供低速率、超大接入量的業(yè)務服務；三是uRLLC場景，主要應用于控制領(lǐng)域，能為工業(yè)提供穩(wěn)定可靠的、低時延的網(wǎng)絡支持。與4G技術(shù)相比，5G技術(shù)在4G網(wǎng)絡框架的基礎上進行了核心網(wǎng)絡和基站的演進，這種演進架構(gòu)如圖1所示。

圖1 5G網(wǎng)絡架構(gòu)演進流程

從圖1中可以看出5G網(wǎng)絡架構(gòu)主要包含：核心網(wǎng)和接入網(wǎng)，5G網(wǎng)絡架構(gòu)將4G核心網(wǎng)絡進行了分離，將其變?yōu)榭刂泼婧陀脩裘妫⒎謩e提供相應的5G技術(shù)服務。其中5G邊緣云服務，能為用戶提供無線高層協(xié)議以及相應的業(yè)務處理能力，通信用戶基于該項服務可以滿足自身的視頻會議、視頻監(jiān)控、虛擬現(xiàn)實等對網(wǎng)絡速率要求較高的業(yè)務需求。5G技術(shù)本身是眾多信息技術(shù)的結(jié)合體，這就包含云計算、分布式云架構(gòu)技術(shù)以及NFV技術(shù)的，5G網(wǎng)絡架構(gòu)中的核心網(wǎng)絡具備與這些技術(shù)協(xié)同使用的能力，從而根據(jù)用戶的實際業(yè)務需求，提供相應的通信信息服務。5G網(wǎng)絡的架構(gòu)將實際的物理網(wǎng)絡劃分為眾多虛擬網(wǎng)絡，再滿足用戶對數(shù)據(jù)傳輸速率需求的同時，能在不同的應用場景中進行使用。

2 5G技術(shù)在電力系統(tǒng)生產(chǎn)與管理業(yè)務中的應用

2.1 5G技術(shù)的應用思路

5G技術(shù)是在4G技術(shù)的基礎之上發(fā)展而來的，在5G網(wǎng)絡建設過程中許多基站采用與4G基站共建的方式，在降低5G網(wǎng)絡建設成本的同時，也加速了5G網(wǎng)絡建設的步伐。5G無線網(wǎng)絡將業(yè)務終端、通信終端與基站的業(yè)務主站系統(tǒng)建立聯(lián)系，從而完成數(shù)據(jù)信息的傳輸。

在5G無線網(wǎng)絡中，業(yè)務主站系統(tǒng)通過5G通信網(wǎng)絡與業(yè)務終端進行聯(lián)系，這其中包括核心、邊緣、接入以及業(yè)務等節(jié)點，5G網(wǎng)絡并未改變原有的業(yè)務模式，依然采用原有協(xié)議對數(shù)據(jù)進行封裝，從而完成對數(shù)據(jù)信息的傳輸。接入節(jié)點主要進行無線接入，主要滿足專用業(yè)務的通信需求，并通過邊緣節(jié)點對所收到的業(yè)務信息進行遠距離傳輸，這種傳輸方式極大的提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男剩⒔档蛿?shù)據(jù)在傳輸過程中的時延。而核心節(jié)點則主要是滿足5G網(wǎng)絡在不同場景中的應用需求，為了給不同用戶提供不同的個性化服務，核心節(jié)點將5G網(wǎng)絡進行網(wǎng)絡切片化，并利用網(wǎng)絡虛擬化技術(shù)，對數(shù)據(jù)信息進行軟硬件分離，以支撐5G技術(shù)在多個業(yè)務場景中的應用。

2.2 電流差動保護信號同步技術(shù)

信號同步技術(shù)在實際應用時要注意兩點：一是在進行數(shù)據(jù)采樣時必須保證線路兩側(cè)的時間保持一致；二是差動繼電器在計算差動電流時也要保證兩側(cè)時間的相同。目前信號同步技術(shù)的同步方法主要有以下兩種：一是數(shù)據(jù)通道同步方法，這種方法在實際應用時，需要對時間進行調(diào)整，并根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)信息對系統(tǒng)時鐘進行矯正，從而保證同步數(shù)據(jù)的準確性；二是全球定位系統(tǒng)同步方法，這種方法主要使用GPS系統(tǒng)對時鐘的時間進行同步。隨著我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的研發(fā)，信號同步技術(shù)也可以采用北斗定位系統(tǒng)進行時間同步，目前采用北斗導航系統(tǒng)所進行的時間同步，實際誤差相對較小，線路采樣脈沖的誤差也在2μs以內(nèi)。

2.3 5G技術(shù)在配電網(wǎng)電流差動保護中的應用

在配電系統(tǒng)中配電主站系統(tǒng)與業(yè)務終端系統(tǒng)之間進行5G網(wǎng)絡部署時，需要根據(jù)4G基站的實際情況進行建設。電流差動保護裝置是保護電力系統(tǒng)的重要裝備，能降低停電的時間和電力故障搶修的效率，在實際工作時主要是對電力系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)信息進行采集，當發(fā)現(xiàn)電力系統(tǒng)中存在異常數(shù)據(jù)時，就進行跳閘保護。但目前5G技術(shù)在配電網(wǎng)電流差動裝置中的應用以及保護原理還存在著以下問題，主要包含以下幾點：一是分布式電源在進行并網(wǎng)時會對原有的電力網(wǎng)絡造成影響，這也導致原有的配件保護裝置無法正常使用。這是因為在分布式電源中變電設備的耐壓和過電能力較弱，一旦發(fā)生故障所提供的電流水平較低，導致電力系統(tǒng)中原有的配電網(wǎng)繼電設備的性能出現(xiàn)惡化，無法實現(xiàn)保護作用；二是配電網(wǎng)原本的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而無法對配電設備進行靈活配置。這主要是因為分布式電源的接入使得原本的單端放射網(wǎng)絡變?yōu)閺碗s的多電源網(wǎng)絡，導致配電網(wǎng)無法靈活的對配電設備進行配置；三是通信通道的建設以及無線通信技術(shù)本身的特點制約著配電網(wǎng)的發(fā)展，這是因為我國目前電力系統(tǒng)所使用的無線通信技術(shù)是第4代通信技術(shù)，通信技術(shù)本身并不能滿足配電網(wǎng)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆Ｒ虼吮疚慕Y(jié)合5G通信技術(shù)，將其應用到電流差動保護業(yè)務之中，并將配電主站、差動保護裝置、以及終端設備與5G技術(shù)進行有序串聯(lián)，并構(gòu)建了應用架構(gòu)。

在配電網(wǎng)電流差動保護業(yè)務主要的應用場景是電力系統(tǒng)中的變電站，因此本文對其應用進行設計。本文在線路環(huán)網(wǎng)柜中安裝了電流差動保護裝置、5G通信模組以及測控裝備，為了保證電流差動保護裝置的穩(wěn)定性，對配電終端的CT電流和零序電流進行采集，并根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)結(jié)果計算出被保護電路實際的差動電流和制動電流。當電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，線路環(huán)網(wǎng)柜中的電流插動保護裝置會對線路中的電流進行檢測，并根據(jù)保護邏輯作出相應的保護動作，從而實現(xiàn)對配電網(wǎng)的保護。

2.4 5G技術(shù)在配電網(wǎng)中的實際應用情況

目前我國許多電力企業(yè)已經(jīng)開始將5G技術(shù)應用到配電網(wǎng)絡之中，并進行試點驗證。在電流差動保護方面，我國南方電力公司就與中國移動、華為公司在深圳進行了國內(nèi)首個分布式配網(wǎng)差動保護測試，在實際測試過程中數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r延在10ms以內(nèi)，控制精度可以達到300ns。從上述實驗數(shù)據(jù)可以看出，5G技術(shù)是能滿足配電網(wǎng)電流差動保護的業(yè)務需求的。在智能化巡檢方面，廣東東莞供電公司和浙江電力有限公司基于5G技術(shù)開展了無人機智能巡檢試點驗證，在實際測試過程中，5G網(wǎng)絡能為無人機提供精準的定位，在數(shù)據(jù)傳輸上也能為其提供大帶寬、低時延的5G網(wǎng)絡，無人機可以清晰的拍攝到設備及線路的外觀，這有效的提升了巡檢工作的效率。在同步測量方面，我國上海電力公司利用5G大帶寬、低時延的特點對配電網(wǎng)的同步相量進行測量，在實際測試過程中，配電網(wǎng)主站的通信時延在10ms以內(nèi)，通過這次試點驗證再一次證明了5G網(wǎng)絡的可靠性，在我國配電網(wǎng)中進行應用是完全可行的。

結(jié)語：配電網(wǎng)作為電力系統(tǒng)的一環(huán)，直接面對電力用戶，其運行的平穩(wěn)性直接關(guān)系到電力用戶的用電體驗。電流差動保護業(yè)務是配電網(wǎng)平穩(wěn)運行的重要保障，但在業(yè)務實際開展的過程中，由于通信技術(shù)的限制實際保護的效果并不十分理想，對于配電網(wǎng)的智能化發(fā)展是十分不利的，但隨著5G時代的到來，5G技術(shù)本身所具有的大帶寬、低時延、高速率的技術(shù)優(yōu)勢，滿足了配電網(wǎng)電流差動保護業(yè)務對無線通信網(wǎng)絡的需求。