基于5G 通信網(wǎng)絡(luò)的配電網(wǎng)電流差動保護協(xié)議研究

王曙寧

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司常州供電分公司，江蘇常州 213000）

5G 是最新一代的蜂窩移動通信技術(shù)，與以往的通信技術(shù)手段相比，5G 通信的數(shù)據(jù)傳輸速率更高，在低網(wǎng)絡(luò)延遲情況下，數(shù)據(jù)信息能夠得到快速傳輸，且能夠在提供數(shù)據(jù)連接服務(wù)的同時，擴張區(qū)域性網(wǎng)絡(luò)的實際覆蓋范圍[1-2]。一般情況下，5G 通信網(wǎng)絡(luò)的空中接口時延水平始終維持在1 ms 左右，隨著待傳輸數(shù)據(jù)總量的增大，用戶客戶端的信息體驗率也會出現(xiàn)不斷升高的變化趨勢，據(jù)現(xiàn)有研究資料顯示，最大值可達100 Mbit/s。

在配電網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境中，因電子差量化流動的行為日趨明顯，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部電壓負載會出現(xiàn)明顯的不均衡分布狀態(tài)。為解決此問題，傳統(tǒng)SDN/NFV 型電網(wǎng)保護策略在編排體系結(jié)構(gòu)的支持下，建立信息傳輸所需的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)體，再根據(jù)饋線電流保護原理，確定電網(wǎng)元件所能承載的最大電子應(yīng)用量。但與此方法匹配的電壓負載值水平較低，很難實現(xiàn)對電子差量化流動周期數(shù)值的有效控制。為避免上述情況的發(fā)生，引入5G 通信網(wǎng)絡(luò)，在信息存儲數(shù)據(jù)庫、連接配置模塊等多個硬件設(shè)備執(zhí)行元件的支持下，設(shè)計一種新型的配電網(wǎng)電流差動保護協(xié)議，并通過對比實驗的方式，突出該新型應(yīng)用算法的實際應(yīng)用價值。

1 基于5G通信網(wǎng)絡(luò)的配電網(wǎng)環(huán)境搭建

基于5G 通信網(wǎng)絡(luò)的配電網(wǎng)環(huán)境由網(wǎng)絡(luò)編排器、網(wǎng)絡(luò)連接配置模塊、信息存儲數(shù)據(jù)庫3 個硬件執(zhí)行設(shè)備共同組成，具體搭建方法如下。

1.1 網(wǎng)絡(luò)編排器

網(wǎng)絡(luò)編排器由電網(wǎng)服務(wù)管理、配電模型管理兩類模塊實施結(jié)構(gòu)共同組成，前者隸屬于5G 通信連接配置環(huán)節(jié)的編排層組織之中，可在調(diào)節(jié)SND、NFV、VNF 三類通信編碼原則的同時，對差量流動型電流的傳輸行為進行定向規(guī)劃；后者隸屬于配電網(wǎng)管理模塊的基礎(chǔ)設(shè)施層，能夠較好地適應(yīng)SNDI管理組織與NFVI 管理組織的傳輸連接狀態(tài)，從而做出一定的配套更改行為[3-4]。隨著配電網(wǎng)輸入電流總量的增加，網(wǎng)絡(luò)編排器的實際工作量也在不斷增大，當(dāng)5G 通信環(huán)境中的電流差動值不再發(fā)生改變時，該模塊對于配電協(xié)議的傳輸促進行為也會逐漸趨于穩(wěn)定。網(wǎng)絡(luò)編排器結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)編排器結(jié)構(gòu)圖

1.2 網(wǎng)絡(luò)連接配置模塊

網(wǎng)絡(luò)連接配置模塊隸屬于網(wǎng)絡(luò)編排器結(jié)構(gòu)，可在電子配置器與通信網(wǎng)絡(luò)連接協(xié)議的同步作用下，實現(xiàn)對差動性電流的下發(fā)與轉(zhuǎn)載處理[5-6]。配電網(wǎng)接入子模塊作為網(wǎng)絡(luò)連接配置模塊的頂層執(zhí)行結(jié)構(gòu)，可與網(wǎng)絡(luò)編排器直接相連，在向差動電流下發(fā)子模塊傳輸執(zhí)行指令的同時，獲取電子配置器內(nèi)的傳輸電量信息，再根據(jù)既定應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，確定5G 通信網(wǎng)絡(luò)連接協(xié)議的實際執(zhí)行需求[7-8]。5G 通信控制器負載于網(wǎng)絡(luò)連接配置模塊最下端，可整合通信網(wǎng)絡(luò)中運行的所有數(shù)據(jù)應(yīng)用信息，并將其規(guī)劃成全新的傳輸連接形式。網(wǎng)絡(luò)連接配置模塊結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)連接配置模塊結(jié)構(gòu)圖

1.3 信息存儲數(shù)據(jù)庫

信息存儲數(shù)據(jù)庫存在于5G 通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，能夠感知配電網(wǎng)組織的實際變化行為，并以此為基準(zhǔn)對差動性電流進行適度的調(diào)節(jié)處理。從功能性角度來看，信息存儲數(shù)據(jù)庫包含通信促傳、電量轉(zhuǎn)載兩類基本應(yīng)用型節(jié)點組織。其中，通信促傳節(jié)點能夠直接調(diào)取5G 通信網(wǎng)絡(luò)中的電子傳輸信息，并按照反時限電流保護需求，建立必要的電量存儲機制[9-10]。電量轉(zhuǎn)載節(jié)點直接作用于配電網(wǎng)電流保護組織，能夠在適應(yīng)電流差動保護行為的同時，對待傳輸電量進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)度與分配處理。信息數(shù)據(jù)庫存儲應(yīng)用原理如表1 所示。

表1 信息數(shù)據(jù)庫存儲應(yīng)用原理

2 配電網(wǎng)電流差動保護協(xié)議

在配電網(wǎng)連接環(huán)境的基礎(chǔ)上，按照反時限電流保護、電流差動保護、重合閘時間整定的處理環(huán)節(jié)，完成基于5G 通信網(wǎng)絡(luò)的配電網(wǎng)電流差動保護協(xié)議的設(shè)計。

2.1 反時限電流保護

改進熔斷器反時限特性曲線是實現(xiàn)反時限電流保護的重要實踐環(huán)節(jié)，可為后續(xù)電流保護處理提供準(zhǔn)確的操作應(yīng)用方向。反時限電流保護的實踐原理與熔斷器熔斷特性極為相似，單位時間內(nèi)通過5G 通信網(wǎng)絡(luò)編排器元件的應(yīng)用電流量越大，電流設(shè)備結(jié)構(gòu)的熔斷速度也就越快；反之，通過的應(yīng)用電流量越小，電流設(shè)備結(jié)構(gòu)的熔斷速度也就越慢。一般情況下，配電網(wǎng)反時限電流保護的使用流程相對簡單，且能夠在確定電路元件承載極值的同時，為5G 通信網(wǎng)絡(luò)提供強有力的應(yīng)用能力支持[11-12]。設(shè)Ie代表既定5G 通信節(jié)點處的配電網(wǎng)電流傳輸系數(shù)，e代表5G 通信節(jié)點的位置信息，W代表與差動性電流相關(guān)的電子保護參量，聯(lián)立上述所有物理系數(shù)值指標(biāo)，可將配電網(wǎng)反時限電流保護行為定義為：

其中，q′代表熔斷器反時限特性曲線的既定曲率條件，r代表冪次項系數(shù)指標(biāo)，u代表節(jié)點化電流促傳系數(shù)。

2.2 電流差動保護

電流差動保護原理的實施必須建立在基爾霍夫電流定律之上，在5G 通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，配電網(wǎng)電流只能作用于內(nèi)故障區(qū)域，因此外故障區(qū)域的差動影響行為可以忽略不計。電流差動保護元件只能負載于配電網(wǎng)的高壓輸電線路之上，在電子傳輸量滿足跳閘條件的情況下，兩端5G 通信網(wǎng)絡(luò)信道會直接跳轉(zhuǎn)至待清除的故障區(qū)域之中，從而為差動性電流保護協(xié)議的實施提供一個相對可靠的應(yīng)用環(huán)境[13-14]。設(shè)t0代表差動性電流保護協(xié)議的最短實施周期，tn代表差動性電流保護協(xié)議的最長實施周期。在上述物理量的支持下，聯(lián)立式（1），可將電流差動保護行為定義為：

式中，l1、s1分別代表第一個輸入的電子傳輸量與5G 信號通信量，ln、sn分別代表第n個輸入的電子傳輸量與5G 信號通信量，lˉ代表電子傳輸量均值，β代表配電網(wǎng)耗電強度值。

2.3 重合閘時間整定

大量光伏電源接入5G 通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境后，配電網(wǎng)實際配置故障會造成電量孤島問題的不斷加重，從而造成電網(wǎng)應(yīng)用穩(wěn)定性的不斷下降，導(dǎo)致重合閘行為的失敗[15-19]。因此，在只考慮相應(yīng)區(qū)段電網(wǎng)差動現(xiàn)象的情況下，需要對5G 通信網(wǎng)絡(luò)的重合閘時間進行整定處理，在多次重合閘操作中，選擇最為合適的時間限定參數(shù)。設(shè)h代表最小的配電網(wǎng)重合閘系數(shù)權(quán)限指標(biāo)，h′代表最大的配電網(wǎng)重合閘系數(shù)權(quán)限指標(biāo)，聯(lián)立式（2），可將5G 通信網(wǎng)絡(luò)的重合閘時間整定結(jié)果表示為：

其中，f代表配電網(wǎng)電流的差動性傳輸系數(shù)，jˉ代表5G 通信網(wǎng)絡(luò)中的電流傳輸均值，ΔG代表單位時間內(nèi)的電子傳輸數(shù)量差。

在配電網(wǎng)差動保護中，可接入GPS 對時裝置的秒脈沖信號，采用故障信號同步法實現(xiàn)GPS 長期異常情況下的差動同步。保護的動作判據(jù)為：

其中，I?表示線路故障電流穩(wěn)態(tài)幅值，Izd表示故障信號同步法適用的啟動門檻值，Δθ表示計算得到的線路兩端相位之差。

線路發(fā)生故障后，線路兩端保護裝置各自檢測到故障，并將檢測到故障的時刻近似作為故障發(fā)生時刻。線路兩端分別計算各自的電流相位，并傳輸?shù)綄Χ诉M行比較，判斷故障發(fā)生位置。

至此，完成各項系數(shù)應(yīng)用指標(biāo)的計算與處理，在5G 通信網(wǎng)絡(luò)的作用下，實現(xiàn)配電網(wǎng)電流差動保護協(xié)議的順利應(yīng)用。

3 實驗結(jié)果分析

為驗證基于5G 通信網(wǎng)絡(luò)的配電網(wǎng)電流差動保護協(xié)議的實際應(yīng)用價值，設(shè)計如下對比實驗。在5G通信網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)置環(huán)網(wǎng)柜、DTU、配電箱等多個電網(wǎng)應(yīng)用設(shè)備，分別將搭載新型差動保護協(xié)議與傳統(tǒng)SDN/NFV 型電網(wǎng)保護策略的電路主機接入通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，其中前者作為實驗組、后者作為對照組。

圖3 實驗應(yīng)用原理

已知配電網(wǎng)電壓負載值、電子差量化流動周期均能反映電網(wǎng)運行環(huán)境的實際調(diào)節(jié)與維護能力，一般情況下，電壓負載值越大、差量化流動周期值越小，電網(wǎng)環(huán)境的調(diào)節(jié)與維護能力也就越強，反之則越弱。實驗詳情如表2、表3 所示。

表2 配電網(wǎng)電壓負載值對比表

表3 電子差量化流動周期對比表

分析表2 可知，隨著實驗時間的延長，實驗組配電網(wǎng)電壓負載數(shù)值呈現(xiàn)出先上升、再穩(wěn)定的變化趨勢，在指標(biāo)穩(wěn)定區(qū)間內(nèi)，配電網(wǎng)電壓負載數(shù)值雖出現(xiàn)小幅波動狀態(tài)，但對整體變化趨勢并無明顯影響，全局最大值達到387 V。對照組配電網(wǎng)電壓負載值則保持兩端上升、中間穩(wěn)定的變化趨勢，全局最大值僅達到292 V，與實驗組極值相比，下降了95 V。綜上可知，應(yīng)用基于5G 通信網(wǎng)絡(luò)的配電網(wǎng)電流差動保護協(xié)議后，配電網(wǎng)電壓的實際負載值卻是出現(xiàn)了明顯上升的變化趨勢，可促進電網(wǎng)運行環(huán)境調(diào)節(jié)與維護能力的適度增強。

分析表3 可知，隨著傳輸電子總量的增大，電子差量化流動周期雖一直呈現(xiàn)不斷上升的變化趨勢，但平均上升幅度相對較小，且后期上升量明顯低于前期，全局最大值僅達到1.48 ms。對照組電子差量化流動周期在小幅度穩(wěn)定狀態(tài)后，開始不斷上升，且平均上升量明顯高于實驗組，全局最大值為3.30 ms，與實驗組極值相比，上升了1.82 ms。綜上可知，應(yīng)用基于5G 通信網(wǎng)絡(luò)的配電網(wǎng)電流差動保護協(xié)議后，電子差量化流動周期的實際表現(xiàn)數(shù)值得到明顯抑制，符合提升電網(wǎng)運行環(huán)境調(diào)節(jié)與維護能力的應(yīng)用執(zhí)行需求。

4 結(jié)束語

與傳統(tǒng)SDN/NFV 型電網(wǎng)保護策略相比，新型配電網(wǎng)電流差動保護協(xié)議在5G 通信網(wǎng)絡(luò)的作用下，利用網(wǎng)絡(luò)編排器對網(wǎng)絡(luò)連接配置模塊進行定向化調(diào)度，再聯(lián)合信息存儲數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對反時限電流與電流差動行為的保護。從實用性角度來看，配電網(wǎng)電壓負載值的下降，能夠促進電子差量化流動周期的持續(xù)縮短，可在解決因電子差量化流動而造成的配電網(wǎng)電壓負載不均問題的同時，實現(xiàn)對電網(wǎng)運行環(huán)境的調(diào)節(jié)與維護。