5G技术在电力配网中的应用研究

刘丹妮，孙小芙，李生珠，张 松，王金宇，徐 晗，张 岑

（国网吉林电力有限公司信息通信公司，吉林 长春 130000）

0 引 言

2019年6 月，工信部向三大运营商与中国广电发布了5G商用牌照。2020年3月4日，中共中央政治局常委会会议强调，加快5G网络、数据中心等新型基础设施建设进度。现阶段，5G技术在电力配网中的应用范围逐渐扩大，并且随着5G技术、信息技术以及电力技术的综合应用，创新了诸多新技术[1]。

1 5G技术概述

5G技术是第五代移动通信技术的简称，其应用主要集中在增强型移动宽带（enhanced Mobile Broadband，eMBB）、超可靠和低延迟通信（ultra-reliable and Low Latency Communications，uRLLC）以及海量机器类通信（Massive Machine Type Communication，mMTC）方面，能够提供低时延、大带宽、高可靠以及大连接的通信服务，为能源的生产、传输、消费全环节提供广泛连接与深度感知[2]。从目前国内外的研究成果看，5G技术的应用具有多元化特征，其中涉及到5种关键技术，包括网络切片、边缘计算、频谱共享、干扰协调以及大规模MIMO技术[3-5]。现阶段，5G技术在我国配网保护中的应用已经相对成熟，能够满足电力项目基础建设、自动输配电技术应用、配网自动化管理、配网抢修以及电力市场营销等各个环节的应用需求。在整个电力行业发展过程中，可以借助5G技术实现泛在物联网的构建，使电力网络得到全面管理[6]。

2 5G技术在电力配网中的应用体现

5G技术在电力配网中的应用已经趋于多元化，但主要的应用方向仍然集中在对电网的保护方面，下面以、为例对其应用体现进行说明[7]。

2.1 国内应用体现

首先，通过5G技术与物联网技术的联合应用，构建泛在电力物联网。从实践经验看，在电力系统无线传感器网络中运用物联网技术可以实现对电力系统诸环节的数据化连接，并实现人机之间的交互[8]。现阶段，泛在电力物联网中的结构为感知层+网络层+平台层+应用层。在全天候工作模式下，基于5G技术的泛在电力物联网中的配电自动化通信需求得到了有效满足，而且还可以满足智能分布式配电自动化、低压用电信息采集、分布式电源以及电力巡检机器人等业务场景。

其次，自5G元年以来，5G业务迅速增长，基站建设、差动保护功能测试迅速增加，围绕5G通信承载保护技术的研究成果显著增加[9]。与采用光纤通信的差动保护相比，其通道延时仅延长约7.8 ms，完全满足分布式城市电网差动保护对快速通信的要求。此外，在深度定制的uRLLC场景中，5G技术中的网络切片、差动保护通信延时以及整体动作时间等相关技术的可提升空间相对较大，应用前景相对较好。

2.2 国外应用体现

国外基于5G通信的配网保护研究中，虽然有爱立信公司、诺基亚公司、美国预先研究计划局以及相关组织机构的大规模投资与深入研究，但是目前仍然停留在初级阶段[10]。在研究内容方面，一是探讨5G无线传输的可靠性、安全性、时延是否适合应用到电力系统继电保护领域，二是探讨5G在差动保护应用中的应用方式，三是探讨5G无线通信如何在智能电网中充分发挥低延时、超高速的优点。

3 5G+配网差动保护

3.1 设计思路

首先，当前配电网电流差动保护中，基站建设是以4G基站、5G示范应用程序配套应用方案为主。本次研究中以无线网络架构关键技术、基于5G通信的电网区域保护控制技术为准，前者包括了无线网强架构、基于TDOA的钢络定位技术、高精度网络时间同步技术（PTP协议）以及无线网络低时延高可靠关键技术，后者则涉及到主从式区域保护控制技术、分布式区域保护控制技术。在5G接入网络架构设计中，总体设计思路是接入网设备集中化、协作化，大规模部署云无线接入网（Cloud Radio Access Network，C-RAN）。简单讲，就是利用5G公共无线网络将配电网电流差动业务场景中的主站系统、通信终端以及业务终端关联起来，使其在云端管理平台上实现信息交互与数据管理等。

其次，在实践方面，按照国网吉林信通公司协同国网长春供电公司配网保护专业，针对现有长春地区配网线路及通信技术进行充分交流，验证其可操作性和可推广性，并选取适合的配网线路作为本次测试用例。

3.2 实施方案

在配电网电流差动保护中，保护信号的设置要求满足同步应用需求。一般情况下，要求做到采样时间点在线路两侧的一致性，同时结合差动继电器两侧同一时间点的采样数据完成差动电流计算。差动保护对电流差值的判断需基于同一时刻的电流值，要求相互关联的两个或多个差动保护终端必须保证时间同步，其时间同步精度＜10 μs，交互信息的传输时延最大不超过12 ms。对通信的需求中，重点强调时延、可用性以及可靠性。

在配网保护装置中实现5G通信仅需在现有装置中加装5G通信模块，各保护装置能通过5G基站直接进行信息交互。由于uRLLC场景下5G通信延迟最多可降至0.5 ms（单向），而且传输速率大幅增加，因此可完全实现复杂拓扑下的大数据量、高性能、有新能源接入的配网保护。5G对一次网架结构变化的适应能力也较强，能够轻松实现对多个新能源发电单元、保护装置及其网络节点的接入或移除。在基于传统时间同步网模型架构的基础上，运用MEC组网技术构建电力5G时间同步网络基本架构，如图1所示。

图1 电力5G时间同步网络基本架构

通过在电力5G网络与基站间、电力5G网络与终端间应用低开销与高精度时频同步技术，可以围绕电力系统诸环节实现对电力5G网络时频同步无线应用的目标。电力5G网络时频同步无线应用场景见图2。

图2 电力5G网络时频同步无线应用场景

4 结 论

随着基于5G技术的电力泛在物联网的建设和配网保护关键技术的应用，我国将进一步实现电力输配送的智能化，为后续的全球电力网络建设奠定坚实的技术基础。通过以上分析可以看出5G+配网差动已经建立内容相对完整的产业链条，同时在技术产品的研发设计、应用实践等层面已经相对成熟。