5G 通信下配电网差动保护数据同步方法研究与应用

（南京国电南自电网自动化有限公司，南京 211153）

0 引言

随着高渗透率有源配电网建设的推进，传统配电网的三段式保护已很难满足保护的灵敏性与选择性要求，而电流差动纵联保护则显示出其适应性[1-2]。差动保护高度依赖两端数据的同步且有较大的数据量交互，传统的差动保护以光纤作为通信通道，然而随着配电网规模的不断扩大，光纤通道的敷设难度与代价日益增大。近年来，无线通信技术更新迭代、发展迅速，尤其是5G 通信网络具有高可靠、低时延和高带宽等优点[3]，将其应用于配电网的差动保护数据传输，为配电网建设提供了新的发展方向。

目前，5G 通信商用刚起步，将5G 应用于配电网差动保护数据传输尚处于尝试阶段。G.Wikström等人[4]采用5G 通信实现配电网线路差动保护；吕玉祥、王常玲等人[5-6]对5G 通信实现配电网线路差动保护等场景进行了应用方案研究与探索。而针对消除5G 通信中时延抖动对差动保护数据同步带来的影响，黄福全等人[7]提出了动态时间规划算法，但该方法计算量大且涉及到保护判据修改，工程应用难度较大；王廷凰等人[8]提出利用同一时钟B 码信号获得数据同步的方法，但该方法依赖同步时钟源信号，在特殊条件下系统将无法工作。因此，5G 通信在配电网差动保护应用中如何消除时延抖动、实现数据同步还需继续深入研究。

本文分析了5G 通信相关参数对于配电网差动保护的适用性，根据简单配电网模型分析了如何获得数据传输时延的计算，提出了一种基于5G 传输的配电网差动保护数据同步方法，结合传统的插值方法与序号同步方法，利用接收的数据通过模型推导出时延进行插值，获得新的序号排列从而完成数据同步。通过试验验证了所提数据同步方法的有效性。

1 5G 通信的应用

1.1 配电网差动保护通信性能指标

传输时延将影响到差动保护的速动性与可靠性，传输时延过大则很难满足保护出口的时间要求[9-12]。在电力行业相关规范中，一般要求配电网的保护动作出口时间在60 ms 内。考虑到装置内数据处理与继电器出口等时延，则通信时延要求在30 ms 以内。而对于差动保护通信的可靠性要求与传统光纤传输一致[13-16]。通信流量按照交流每个周期取24 个采样点，每帧报文长度100 Byte计算，则至少需要带宽960 kB/s，考虑通信带宽裕度以及冗余发送需求，则需要带宽2 MB/s 以上。

1.2 5G 通信性能测试

通过与中兴公司合作，开展了5G 端到端通信的相关测试，基于中兴提供的CPE（用户驻地设备）完成了装置组网测试，测试结果如表1 所示。尽管平均时延在15 ms 左右，但时延抖动较大，有近20%超过60 ms 的情况，对于配电网差动保护数据同步而言是个巨大挑战。在进行专用网络切片与边缘计算等网络优化后，能够获得更好的传输性能，传输时延抖动能够控制在20 ms 以内，这也为本文的数据同步方法提供了可能。

表1 性能测试结果

2 配电网数据分析

2.1 配电网拓扑与模型分析

智能配电网按控制方式可分为就地型与集中型。以集中型为例，如图1 所示，DTU（配电网终端设备）完成对开关设备的位置信号、电压电流等数据的采集与计算，通过5G 终端模块CPE 与主站之间建立5G 通信联系，完成数据上传与命令执行。主站需存储网络的全部拓扑信息，获取所有节点信息后，由主站进行数据处理、故障识别与命令发送。

图1 配电网拓扑

图1 中，M 段、N 段在正常运行时，可由π型等值电路或Bergeron 线路模型描述；当线路中有故障发生时，则其故障网络模型如图2 所示。

图2 区内故障网络模型

图2 中：Uf为故障分量虚拟电源；IM1，IN1分别为保护区段M 端、N 端电流的故障分量；逆变类DG（分布式电源）等值为电流源与阻抗并联的电路；ZM为故障点到母线间线路的阻抗；ZN为故障点到分布式电源的等值阻抗。

2.2 数据传输时延计算

当线路未发生故障时，对于图1 中的M 段、N 段，由Bergeron 频域模型知，若线路中M，N两点间没有其他分支回路，则可由其中一点的电压电流计算出另一点的电压电流。考察M 点和N点的电压电流关系可知：

式中：UM和IM分别为线路首端M 点的电压和电流；UN2和IN2分别为计算得到的N 点的电压和电流；L0为线路长度；Zc和γ 分别为线路的波阻抗和传播系数，并有：

式中：R，L 和C 分别为线路单位长度的电阻、电感和电容；ω 为工频角频率。

在数据同步情况下，根据式（1）计算得到的N 点电压、电流应与N 点测得的电压、电流相同；如果两侧数据不同步，N 点数据超前M 点，则有：

利用线路M 侧的电压、电流计算得到N 侧的电压、电流，并与N 侧的电压、电流测量值进行比较，如采用电流差动保护，则有IN/IN2=ejωΔt，即可利用式（3）得到两侧数据的时间差Δt。

3 差动保护数据同步方法

3.1 实施步骤

基于配电网模型计算获得数据传输时延后，DTU 具有高精度守时功能，即使外部B 码源消失也能够保持相当长时间的精度，获得等间隔采样数据。由于差动保护两端采用相同的采样节拍，数据时间间隔相对固定，利用计算得到传输时延，插值重新获得同步序列后，以序列号作为两端数据同步参考。具体实施步骤如图3 所示。

步骤1：主站获取配电网网络的基本参数信息，建立配电网拓扑模型。

步骤2：DTU 获取配电网线路的实时量测参数。

步骤3：差动保护两侧装置通过5G 终端CPE 发送采样值信息。

步骤4：主站接收到数据后，依据步骤1 建立的配电网数学模型，利用接收数据推导出描述差动保护另一侧电流值的计算值。

步骤5：数据接收侧计算本侧电流数据与计算值的时间差，通过插值方式对本侧采样值数据进行处理，完成两侧采样值报文的同步与序列匹配。

图3 数据同步流程

步骤6：获得序列匹配后，根据序列完成后续采样值数据的同步，进行差动保护动作。

步骤7：故障发生后或线路两侧保护装置重启后，返回步骤2 重新获得同步序列。

3.2 数据处理流程

图4 所示为数据同步的过程示意，以M 侧作为数据计算侧、N 侧作为数据对比侧，当M 侧的采样值报文序列号x 通过5G 传输到主站时，中间由于5G 传输已延迟了t1，此时到达N 侧的采样值报文序号在y+2 与y+3 之间；M 侧报文到达后，主站根据配电网模型计算出x 报文采样值对应的N 侧计算值，获得与N 侧实时采样值的时间差，并根据该时间差对N 侧数据向前插值获得新的对应同步序列。此后，虽然5G 通道传输时延t2，t3不相等，但是依然可以依靠其对应的序列值x+1，x+2 找到N 侧插值同步后的序列采样点1 和2。但主站建立的配电网模型仅在线路故障未发生时有效，当线路发生故障或装置重启后需要重新同步。

4 试验验证

图4 数据同步的过程示意

为考证所提数据同步方法及实现方案的可行性，基于某单位最新研制的低压保护终端平台，开发了基于5G 通信数据同步方法的电流差动保护样机，对装置组网后的5G 通信能力、数据同步能力和保护性能进行了综合测试（见图5）。试验沿用保护装置原有的保护算法，仅改变数据传输通道，由主站模拟发送交流采样报文，DTU 收到正确校验的采样值报文后，计算获得通信时延。

图5 试验场景

试验中，配电网输电线路总长度L0=20 km；输电线路电气参数R=0.105 Ω/km，L=1.258 mH/km，C=0.28 mF/km，ω=100π。

采样值报文按照24 点/交流周期的频率发送，统计1 s 时间DTU 收到的报文计算时延，结果如图6 所示。

试验结果显示：区域自组网基于5G 通信技术的差动保护通信时延小于18 ms，误码率优于10-8，综合性能基本达到现有移动通信最高水平，完全满足差动保护技术要求，测试结果与理论分析基本吻合。考虑到试验装置保护出口时间小于30 ms，在主站差动保护启动后，配电网线路两端保护跳闸时间小于50 ms，最大程度地减少了故障停电范围和停电时间，进一步提高了配电网运行可靠性。

图6 报文时延计算值

5 结语

本文介绍了一种基于5G 通信技术的配电网差动保护数据同步方法。首先结合5G 通信的技术指标分析了其可行性，接着分析了如何根据建立的配电网模型计算数据相位时间差，并给出了所提方法的具体同步过程。所提方法结合了插值同步方法与序号同步方法的特点，可以有效避开5G 传输的通道时延抖动，不依赖同步源，当两侧数据同步在一个交流周期内的误差条件下时，系统依然可以正常工作。试验结果表明，该方法可以有效实现配电网在5G 通信下的数据同步。