基于5G通信的配网差动保护技术研究

张路 张良武 谭金龙 王畅 高兴

摘 要：差动保护具有良好的可靠性、选择性和速动性，但差动保护在配电网中仍未被广泛使用。5G通信技术的发展，给以往需要光纤通信的电力系统差动保护设计提供了新的思路。鉴于此，研究了5G客户终端设备的通信时延，分析了5G技术下设备的对时同步能力，针对5G技术目前的缺点提出了优化措施，得到了满足5G通信条件的配网差动保护设计所需达到的要求。

关键词：5G通信;CPE设备;对时同步;配网差动保护

0    引言

随着新能源并网占比的持续增加和系统中固态变压器等设备的大量使用，原有保护配置方案及整定原则受到了严峻的挑战：和传统的同步发电机组不同的是，分布式电源的故障特征由故障期间的控制策略决定，其故障电流水平低，持续提供故障电流能力弱，导致原有配电网三段式电流保护整定原则不可用[1]。灵活分布式电源接入导致配电网从单端放射式网络演变为多电源网络，原有的配电网保护配置方案不能有效适应配电网结构的变化，配电网迫切需要以电流差动保护这类具有绝对选择性的快速性保护方案替代传统三段式电流保护[2]。

文献[3]基于TD-LTE技术提出了电力无线专网远程通信架构，可承担配电自动化、配电监测终端、电力用户信息采集及视频监控等业务。文献[4]提出了一种基于4G无线通信的自适应分布式差动保护系统，实现配电网的故障定位和隔离。文献[5]指出5G对于配电网差动保护具有良好的适配性，可以成为配网差动保护新的数据通道。鉴于目前的技术达不到配电网快速保护的要求，本文采用了时延更低、带宽更高的5G无线通信技术，能有效推动无线差动保护在配电网中的应用。

1    5G通信技术的特点

5G是一种全新的网络架构，能提供10 Gb/s以上的带宽、毫秒级时延及超高密度连接，多角度、全方位提升了通信网性能。国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）依據5G通信特点为其定义了三大场景：增强移动带宽（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）、超高可靠低时延通信（Ultra-reliable and Low-Latency Communications，uRLLC）、大规模机器类通信（Massive Machine Type Com-

munication，mMTC）。相对应ITU的三大场景，IMT2020提出了网络连接方面的连续广域覆盖、热点高容量、低时延高可靠和低功耗这四类场景。

对于配电自动化，时延的要求小于10 ms，文献[6]指出，基于4G通信的差动保护不同终端间的端到端时延达100 ms，这一延时影响了电流差动保护的实际性能。5G通信的应用场景uRLLC克服了稳定性方面的缺陷，传输可靠性达99.999%，5G通信空中接口时延1 ms，端到端时延约10 ms，为配电网电流差动保护的配置提供了一种很有效的方法。从全业务通信网的研究聚焦至电力物联网的配用电环节通信业务，5G通信所具备的上述特性可以在配电通信网“最后一公里”的通信覆盖工作中发挥独特优势。可将5G的eMBB、uRLLC和mMTC不同切片技术与各类业务分别对应适用，这表明5G网络能够在智能电网通信网建设中发挥关键作用。电力物联网中通信业务的典型场景及对应各项需求如表1所示。

2    配网差动保护实现的几个关键技术

2.1    配网差动保护数据同步研究

基于KCL比较线路两侧电流的大小，差动保护是线路保护中选择性、灵敏性、速动性比较高的一种主保护。差动保护对于两侧的数据要求很高，否则电流采样会产生误差，导致误动作，因此差动保护的核心问题是数据同步。目前，数据同步方法有采样数据修正法、采样时刻调整法、采样时钟校准法、采样序号调整法、外部同步信号法、基于参考向量同步法、基于故障信号同步法等。

采样数据修正法由于需要对每一帧数据都进行时间扭转修正，需测量通道延时，而5G通信的延迟并不稳定精确，因此该方法不能满足5G条件下差动保护的要求。采样时刻调整法要求通信通道双向延时一致，5G网络采用的是非对等传输的方式，无法满足要求。采样时钟校准法和采样时刻调整法类似，现有的5G非对称网络无法满足要求。

外部同步信号法是利用外部GPS设备或其他设备输入的同步脉冲进行同步的方法[7]，该方法满足采样的要求，但外部时钟故障导致两侧保护采样数据失步，则差动保护可能误动。

基于参考向量同步法，在线路较长且线路模型不精确的情况下，存在一定的同步精度误差。由于输电线路参数变化及电气量测量存在误差，参考矢量进行同步对时的精度可能存在不稳定性，但可以将参考矢量作为一个辅助同步的算法。

由上述分析可知，对于基于外部信号的同步方法，其精度主要取决于外部时钟的性能而非通信信道的状态。由于配电网对保护可靠性的要求低于输电网，加上外部时钟设备的发展，基于外部信号的同步方法可以作为配电网电流差动保护采样同步的主要方法。另外，如果进一步考虑保护的可靠性，可以采用基于参考电压和故障信号的同步方法作为实现保护采样同步的辅助方法。

2.2    网络通信延时研究

网络延时的研究也是决定基于5G的配电网差动是否切实可行的关键因素：较大延时决定接收端需要更大的缓存保存对侧的数据，同时也会影响差动的实时性;较大延时也会导致保护终端差动数据计算的节奏控制的复杂性和无序状态增加。研究结果将直接影响差动保护方案的选取和软件架构的搭建，因此对5G网络通信延时的研究是非常有必要的。

配网保护装置要接入5G网络，需要借助5G电力通信终端，因此目前基于5G的保护方案如图1所示。