5G技术在配电网电流差动保护业务中的应用

孙小芙，刘丹妮，李生珠，张 松，王金宇，徐 晗，张 岑

（国网吉林省电力有限公司信息通信公司，吉林 长春130000）

0 引 言

当前，电力融合5G互联网技术步入了全新自动化管理的重要时期，但在此期间会伴随着用电故障。为了解决用电故障，需在配电网电流差动保护业务中引进5G技术，这样不仅能大大优化改进故障的判断和处理方法，及时确定故障原因，而且还能避免耗费大量的人力和物力。

1 智能电网5G技术的应用

5G技术是4G技术的进一步演化，它能利用新型多天线、超高频段以及密集网络等构建更可靠的通信网络，具有网络超高带宽与超低时延的特性[1]。相较于4G技术，5G技术在关键性能指标方面的提升效果非常显著。在空中接口时延方面，4G通常为10～50 ms，5G可降低至l ms；在单用户峰值吞吐率方面，4G通常为100～1 024 Mb/s，5G可达到10 Gb/s之上。与此同时，5G技术还对3个核心应用场景进行了定义。首先，增强型移动宽带能增强既有的移动数据通信业务，全面提升系统运行速度；其次，海量物联网通信可通过相关的大数据连接业务，充分满足物联网对“万物互联”的实现要求；最后，超高可靠及低时延通信侧重于控制领域，能提供高可靠性与低时延的服务。

2 在配电网电流差动保护业务中应用5G技术时遇见的问题

2.1 电流差动保护业务在实际工作中存在的缺陷和问题

2.1.1 在问题的发现和处理上具有很大缺陷

在传统的电流差动保护业务中，很难对故障信息进行准确定位，同时也很难准确分析其细节。尤其在电力供应相对落后的地区，故障处理信息不明确，加之工作人员也存在一定的技术水平有限等问题，导致电力维护缓慢，从而影响到了电力的正常供应[2]。在电力数据的传输中，基于4G技术的信息传输具有一定的延迟，而5G技术能够有效避免数据延迟问题发生。除此之外，5G技术还能够极快地实现数据实时传输，降低故障状况造成的影响。就目前实际情况来看，在传统的电流差动保护业务中应用5G技术是非常有必要的。

2.1.2 难以全面连接整条线路的电压信息

对于电网建设来说，由于每个节点都配置PT目前还很难达到，因此无法及时发现欠压等线路电压情况，管理人员无法及时掌握全面的电力信息，这也就意味着部分地区的电压难以得到有效的保障。除此之外，有源配电网在电压信息的处理方面具有一定的局限性和缺陷，会因信息获取不及时而导致电压供应问题，很难确保用户的高效用电。

2.2 传统光纤电流差动保护问题

若想保障电流差动保护的选择性，就必须以基尔霍夫电流定律为基础，即流向一个节点的电流之和等于零。在光纤通道的电流差动保护基础上，促使两端或多端线路实现差动保护[3]。例如两端线路，在非故障前提下从两侧母线流入线路的电流之和等于零，那么位于线路两侧的保护装置只需将各自通过电流互感器采集的电流数据传输给对侧装置，经过数据同步处理后就能进行差动保护计算。其数据同步方法的重点是使用乒乓法原理将光纤通道延迟测出来，同时将两端采样时刻的偏差计算出来，再由同步端保护装置对采样中断时刻进行调整，从而实现装置采样时刻同步。

2.3 5G无线电流差动保护问题

作为链路层传输协议，HDLC协议并没有上层的网络层、应用层以及传输层协议，不能通过5G网络设备传输。作为采样值传输的另一个标准，IEC61850-9-2标准被广泛应用于智能变电站中。根据该标准，装置之间可对SV报文进行收发，并对采样值信息进行实时交互。在理论层面，基于该标准，装置也可实现线路差动保护。在链路方面，SV报文使用ISO/IEC8802.3协议仅对应OSI模型中的数据链路层及物理层，而在网络层、传输层及会话层均为空。虽然简化了协议栈、减少了协议栈处理时间、提升了数据的实时性，但是同样不能在5G网络里传输[4]。

2.4 其他问题

传输通道替代专用光纤后，5G通信网络平均传输时延、丢包率以及时延抖动等指标都有明显的下降趋势，必然会影响到差动保护的保护动作时间和稳定性。此外，如果差动保护之间的数据交互使用R-SV协议，虽然使用非标协议降低了每秒帧数，但也很明显地减少了流量，这些都阻碍了进一步推广5G差动保护。

3 在配电网电流差动保护业务中应用5G技术时所产生问题的解决措施

3.1 利用5G技术实时传输电路故障信息

在信息技术快速发展的时代，利用相应的云端服务器可以实时完成配电网的监控工作。对于云端计算设备来说，其处理问题的速度远超人类。随着科技的快速发展，借助网络手段便能将电网管理的传输设备直接连接到管理人员的移动终端。通过这样的形式建立起一套完善的互联网管理体系，经由云端算法给出处理建议，再由专业人士审核后选择合适的处理方法，能够快捷有效地完成维护任务。

3.2 充分利用信息存储能力控制配电

在目前强大的网络系统中，任何一户用电家庭都可以成为一个节点，以此建立一个固定的管理系统，利用互联网技术实时监控电量剩余量，并对户主进行必要的电量提醒。该系统能够实时反馈各节点用户的用电效果，避免出现电压不足和突发断电等问题。利用智能化5G技术完成一些简单的维护和调度工作，通过核心网络系统统一进行电流差动保护，借助更加广阔的数据储备空间将用户信息和电力监控信息统一录入到云端管理中心，尽可能地实现区域化管理。利用5G信息处理技术可以加快故障信息处理效率，不仅能够精确定位故障位置，而且还能够迅速判断故障类型，及时给出故障处理方法[5]。

3.3 省流量模式

HDLC协议和R-SV协议都没有考虑无线传输的需求，更不用说流量的收费。保护算法是基于不间断数据交互进行设计的，而光纤传输延迟通常为微秒级，保护装置不需要打开额外的数据缓冲区。省流量策略将会对保护的动作时间造成一定影响，以下是对增加的时间的定量分析。对于非流量节省模式下的保护动作，依据差动电流计算时间，直到满足差动条件为止。当一侧的计算结果满足微分条件时，向另一侧发送允许信号。

3.4 冗余发送机制

3.4.1 5G网络可靠性

装置依据既有标准，如果产生通信误码或丢包，需发出警报并阻断差动保护。专用光纤通道可靠性高，在正常运行期间很少发生误码或数据包丢失等情况。根据电网公司的企业标准，误码率要求大于10-8，实际使用中误码率通常为10-9左右[6]。根据目前的3GPP标准和实验室测试数据，5G信道的误码率或丢包率是光纤信道的10 000倍，约为10-5。基于此，进行相应的优化是非常有必要的。

3.4.2 实验室测试

在设备制造商提供的实验室中，测试5G网络下差动保护的通信质量。两个差动保护装置通过各自的CPE连接到同一个基站，SA组网为测试网络。此外，测试基站只连接待测设备。将基站天线与待测设备放在同一屏蔽室内，避免空间内其他信道的干扰，可以将其视为理想状态下的5G SA网络通道。在测试中，基于空中接口侧的重传机制，没有真正的丢包，但对于差动保护的延时大于规定范围，实际效果等同于数据丢失。根据相关规定，微机保护的时差不应小于0.2 s。而由于现阶段变电站10 kV线路延时速断保护通常设置为0.3 s，因此5G差动保护动作时间仍为100 ms。

4 在电流差动保护业务中5G技术的具体应用实例与展望

4.1 应用实例

电流差动保护的信号同步要求包括两方面，一是线路两侧的采样时刻务必严格同步，二是差动继电器采用两侧相同时刻的采样数据对差动电流进行计算。目前常见的信号同步方式有两种，即基于GPS同步时钟的同步方法和基于数据通道的同步方法。其中，基于数据通道的同步方法包括采样时刻调整法、时钟校正法以及采样数据修正法。

以中国自主研发的北斗卫星导航系统为核心，使用北斗授时同步方法在线路两端的保护装置中部署采样时钟。该时钟由高可靠性的晶振体构成，每过1 s被秒脉冲信号同步1次，确保晶振体出现的脉冲前沿和国际标准时钟具有1 μs同步精度，促使两端采样严格同步[7,8]。

依据现场部署情况，配电网业务终端与配电主站系统之间使用以太网方式或5G通信系统、光纤、4G无线专网传输数据。其中，配电网电流差动保护装置能够减少停电时长、提升抢修效率，传递跳闸信号以及采样值。

电力电子器件是分布式电源中的主要器件，耐受过电流与过电压的能力较弱，故障时提供的故障电流水平相对较低，会逐渐恶化配电网原有继电保护方案（如三段式电流保护）性能，保护原理不能被使用。对于保护装置而言，随着网络架构拓扑的变化而得不到有效配备。对原有的配电网而言，随着分布式电源的接入从单端放射式网络转变为多电源网络。

既有的无线通信技术和保护通信通道建设的特征，对配电网快速保护的发展产生了阻碍。将配电网与5G通信网络融合，对配电网电流差动保护信号同步关键技术进行应用，有序串联配电主站、差动保护装置、配电自动化终端等，如图1所示。

图1 配电主站、差动保护装置等有序串联

对电流差动保护、测控装置以及5G CPE通信模组进行配置，每个智能配电终端分别采集两侧CT的各相电流和零序电流，对被保护线路的制动电流与差动电流进行计算。与此同时，利用5G基站和核心网电力uRLLC切片，当出现区内故障时，两个智能配电终端的差动保护逻辑各自动作，对动作出口进行保护，促使配电网电流差动保护应用得到全面实现[9]。

4.2 应用展望

在电网管理中，往往需要更加高效直接的方法将电网信息快速传递给电网管理人员。随着互联网的普及，越来越多的用户开始注重电力的供应水平。而5G技术的出现带来了高效的信息处理手段，通过5G技术能够建立一个可采集所有用户信息的平台，统计用户用电质量要求，并及时对用户的用电量进行相关统计计算，掌握全部用户的电力信息，这也是电路保护的重要前提。该平台不仅能够直接有效地调查用户以往的用电特点，还能够针对性地实时检测电网，准确有效地显示相应的故障信号[10]。除此之外，利用5G基站来进行信号的传输与接收，有效节省了电网建设的预算。5G技术在未来电网管理相关方面具有的极大的发展空间，对于电流差动保护业务来说，结合5G技术也将是主流的发展趋势。

5 结 论

在新时期发展背景下，5G技术在监测业务、工业控制等领域中得到了非常广泛的应用。文章详细讨论了5G技术在配电网电流差动保护中的实际应用，通过在配电网中应用5G技术，能够在很大程度上全面提升智能电网业务运行的可靠性和安全性。