配网差动保护及5G应用

蔡 超，艾福洲，余福振，孟庆智

（1.国网湖北省电力有限公司，湖北 武汉 430000；2.山东省烟台市东方电子股份有限公司，山东 烟台 264010）

0 引 言

近年来，新能源发电技术快速发展，分布式电源在配网中高度渗透，因此引用了差动保护[1,2]。光纤通道具有安全可靠、运行稳定以及抗干扰能力强等很明显优势，而光纤差动保护具有判据简单和可迅速动作的优点，能够很大程度上提高主保护的可靠性。然而，在差动保护的运行过程中，光纤通道仍会因为各种原因给电力系统的稳定运行造成不良影响[3,4]。因此，考虑将5G技术运用到配网中，给配网的推广应用提供新的解决方案[5]。

5G是第五代移动网络通信技术，相对于4G具有更高的速度、更大的容量以及更低的时延等典型优点[6-8]。随着5G通信技术的逐渐成熟以及逐步商业化，其在垂直业务领域的应用也越来越深入，智能配电网的分布式保护与控制是5G最有前途的应用领域之一[9,10]。5G通信技术的发展是解决配电网光缆不足和通信条件差等制约因素的重要方法，这给配网保护的纵联化应用带来了新的希望。

1 差动保护原理及优缺点

1.1 原 理

差动保护示意如图1所示，1#环网柜和2#环网柜均为二进二出，开关全部为断路器。1#环网柜的JX2和2#环网柜的JX1加装光纤差动保护装置，利用配网现有光纤通道，当两个环网柜之间发生故障时，两个光差保护装置根据电流差值，通过通信交换信息进而确定故障点位置并跳开故障点两端开关。基于差动保护的故障处理模式，故障切除可达毫秒级。

目前，光纤差动保护主要应用于柜间线路的故障快速处理。因母线处于密闭空间，故障率极低，所以暂不考虑母线故障的处理。

差动保护快速切除故障依赖高速光纤通信，而现实情况是配网终端绝大部分都是无线公网通信，目前网络主要是无线4G。无线4G网络延时较长、无法实现点对点通信，因此无法满足差动保护和智能分布式对时间的要求。

1.2 优缺点

1.2.1 优 点

光纤纵差保护仅保护环网柜之间的线路靠的是专用光纤，串行传输。相对于分布式不需要设备都在交换网络内，不用开通ONU、OLT的组播转发功能，网络安全风险低。可直接传输模拟量，相对依赖于其他终端给出处理结果的判据，理论上更加可靠。而且不经过交换网络，切除故障速度更快，同时能适应多电源点的闭环网络。此外，仅与对侧通信，功能简单，工程配置简单，不易出错。

1.2.2 缺 点

要处理的数据量大，对设备的处理能力要求高、设备成本高、没有模型约束、没有规范且难解决互操作的问题。因为设备之间无通信网络，所以不能处理拒动问题，而且网络备自投的故障恢复功能目前要么依赖于通信，要么通过光纤逐级转发。此外解决母线故障时需要单独购置设备，价格昂贵。

1.3 技术前景

随着未来更多分布式电源的引入，针对各种复杂的闭环供电网络，光纤差动可能是解决故障隔离问题的一种比较简单的解决方案，未来有着较大的应用前景。

2 配网差动保护及5G应用

2.1 5G的基本概念与特点

5G通信的最大特点是高带宽、高可靠、低时延以及广连接。其布点方便，不需要光纤通道进行连接，在配网通信、智能分布式FA、精准负荷控制、边缘计算、分布式能源接入、海量低压数据接入、微秒级高精度授时等方面都会发挥积极的作用，其中配网高速通信和智能分布式FA最容易实现。

5G作为一种新的通信技术，相比较于以前的通信技术主要有3点优势，一是面对的业务场景更多，二是网络承载能力更强，三是行业专网服务更加安全开放。用5G模块替代现有的2G、3G、4G模块，可以实现与配电主站的高速业务通信，保证数据实时性的同时能够快速完成远程程序升级、录波文件召唤以及历史文件读取等操作。

2.2 5G在智能分布式FA中应用

智能分布式FA全称智能分布式馈线自动化，是快速的一种故障处理方案。通过各保护终端之间的信息交换实现了故障区域的快速故障隔离和非故障区电源的快速恢复，并将故障处理结果上报配电主站。借助通信网络，实现保护终端间的点对点通信，完成故障判断的选择性和快速性，同时可以完成故障识别、故障隔离以及电源恢复。

智能分布式FA对通信速度和处理速度的要求较高，目前的智能分布式FA只能基于光纤以太网通信来实现。但光纤铺设的人力成本和材料成本较高，且人为外力破坏光缆的情况也时有发生。

随着5G技术的发展和网络覆盖，5G网络可以提供10 ms的网络延时和千兆吞吐量，此外还可以用于进行身份验证和保障网络信息安全。通过网络切片，在保证数据安全的同时，可以满足智能分布式的要求。随着分布式能源在配电网中的应用，基于5G的智能分布式FA未来会得到广泛应用，能够很好地提升含有分布式能源的配网故障处理水平，具有较好的推广前景。图2为基于5G的智能分布式FA设备组网示意图。

2.3 5G结合配网保护改造方案

对于基于光纤通信实现的传统智能分布式FA来说，虽然有着时延低、带宽高以及信号传输稳定等优点，但也有许多缺点，如需单独来铺设光纤、施工难度大、成本比较高，且有部分地区没有铺设光纤的条件。5G通信在同样可满足智能分布式FA通信要求的条件下，也可以作为实现智能分布式FA的一种补充。

5G通信核心网段和传输网段的分片特性可以同时满足网格通信信息的物理和逻辑隔离，满足安全要求。配电网设备分布广泛，数量庞大，基于无线通信技术的实现不仅可以覆盖整个配网，而且只需安装5G通信终端即可对现有设备和新设备进行改造，实现5G智能分布式FA功能。

基于5G通信技术的智能分布式FA技术不改变原本具有的保护装置模式，只在外部安装一台无线通信终端装置。保护装置通过以太网端口和无线通信终端连接，保护装置之间通过无线信号传输实现点对点通信，完成分布式保护的动作逻辑。配电网分布式保护装置可安装在开关站、环网柜以及柱上开关等处，通过电力电缆和间隔电流互感器CT的连接来完成电流采样，通过控制电缆连接断路器控制回路，实现保护动作出口跳闸。

智能分布式配网保护是配电线路的主要保护，装置设有阶段式过流保护来作为其后备保护。在正常的运行模式下，按配网整定级差原则来设置阶段式过流保护，并闭锁分布式配网保护。当通信中断或主保护功能未激活时，闭锁将取消，阶段式过流后备保护将自动激活，以确保区域内的保护仍具有选择性。

3 结 论

本文先给出差动保护的原理，将传统光纤差动保护的优缺点进行论述，提出了将5G通信应用于配网上的观点，对5G在配网上的应用进行了初步阐述，并给出基于5G智能分布式FA的设备组网及其配网改造方案。5G通信在速率、时延、可靠性以及安全性等方面完全可以满足配网差动保护的要求，可替代光纤作为配网差动保护的新通信通道。