基于5G 通信网络的配电网电流差动保护协议研究

王曙宁

（国网江苏省电力有限公司常州供电分公司，江苏常州 213000）

5G 是最新一代的蜂窝移动通信技术，与以往的通信技术手段相比，5G 通信的数据传输速率更高，在低网络延迟情况下，数据信息能够得到快速传输，且能够在提供数据连接服务的同时，扩张区域性网络的实际覆盖范围[1-2]。一般情况下，5G 通信网络的空中接口时延水平始终维持在1 ms 左右，随着待传输数据总量的增大，用户客户端的信息体验率也会出现不断升高的变化趋势，据现有研究资料显示，最大值可达100 Mbit/s。

在配电网应用环境中，因电子差量化流动的行为日趋明显，网络内部电压负载会出现明显的不均衡分布状态。为解决此问题，传统SDN/NFV 型电网保护策略在编排体系结构的支持下，建立信息传输所需的数据包结构体，再根据馈线电流保护原理，确定电网元件所能承载的最大电子应用量。但与此方法匹配的电压负载值水平较低，很难实现对电子差量化流动周期数值的有效控制。为避免上述情况的发生，引入5G 通信网络，在信息存储数据库、连接配置模块等多个硬件设备执行元件的支持下，设计一种新型的配电网电流差动保护协议，并通过对比实验的方式，突出该新型应用算法的实际应用价值。

1 基于5G通信网络的配电网环境搭建

基于5G 通信网络的配电网环境由网络编排器、网络连接配置模块、信息存储数据库3 个硬件执行设备共同组成，具体搭建方法如下。

1.1 网络编排器

网络编排器由电网服务管理、配电模型管理两类模块实施结构共同组成，前者隶属于5G 通信连接配置环节的编排层组织之中，可在调节SND、NFV、VNF 三类通信编码原则的同时，对差量流动型电流的传输行为进行定向规划；后者隶属于配电网管理模块的基础设施层，能够较好地适应SNDI管理组织与NFVI 管理组织的传输连接状态，从而做出一定的配套更改行为[3-4]。随着配电网输入电流总量的增加，网络编排器的实际工作量也在不断增大，当5G 通信环境中的电流差动值不再发生改变时，该模块对于配电协议的传输促进行为也会逐渐趋于稳定。网络编排器结构如图1 所示。

图1 网络编排器结构图

1.2 网络连接配置模块

网络连接配置模块隶属于网络编排器结构，可在电子配置器与通信网络连接协议的同步作用下，实现对差动性电流的下发与转载处理[5-6]。配电网接入子模块作为网络连接配置模块的顶层执行结构，可与网络编排器直接相连，在向差动电流下发子模块传输执行指令的同时，获取电子配置器内的传输电量信息，再根据既定应用标准，确定5G 通信网络连接协议的实际执行需求[7-8]。5G 通信控制器负载于网络连接配置模块最下端，可整合通信网络中运行的所有数据应用信息，并将其规划成全新的传输连接形式。网络连接配置模块结构如图2 所示。

图2 网络连接配置模块结构图

1.3 信息存储数据库

信息存储数据库存在于5G 通信网络环境中，能够感知配电网组织的实际变化行为，并以此为基准对差动性电流进行适度的调节处理。从功能性角度来看，信息存储数据库包含通信促传、电量转载两类基本应用型节点组织。其中，通信促传节点能够直接调取5G 通信网络中的电子传输信息，并按照反时限电流保护需求，建立必要的电量存储机制[9-10]。电量转载节点直接作用于配电网电流保护组织，能够在适应电流差动保护行为的同时，对待传输电量进行适当的调度与分配处理。信息数据库存储应用原理如表1 所示。

表1 信息数据库存储应用原理

2 配电网电流差动保护协议

在配电网连接环境的基础上，按照反时限电流保护、电流差动保护、重合闸时间整定的处理环节，完成基于5G 通信网络的配电网电流差动保护协议的设计。

2.1 反时限电流保护

改进熔断器反时限特性曲线是实现反时限电流保护的重要实践环节，可为后续电流保护处理提供准确的操作应用方向。反时限电流保护的实践原理与熔断器熔断特性极为相似，单位时间内通过5G 通信网络编排器元件的应用电流量越大，电流设备结构的熔断速度也就越快；反之，通过的应用电流量越小，电流设备结构的熔断速度也就越慢。一般情况下，配电网反时限电流保护的使用流程相对简单，且能够在确定电路元件承载极值的同时，为5G 通信网络提供强有力的应用能力支持[11-12]。设Ie代表既定5G 通信节点处的配电网电流传输系数，e代表5G 通信节点的位置信息，W代表与差动性电流相关的电子保护参量，联立上述所有物理系数值指标，可将配电网反时限电流保护行为定义为：

其中，q′代表熔断器反时限特性曲线的既定曲率条件，r代表幂次项系数指标，u代表节点化电流促传系数。

2.2 电流差动保护

电流差动保护原理的实施必须建立在基尔霍夫电流定律之上，在5G 通信网络环境中，配电网电流只能作用于内故障区域，因此外故障区域的差动影响行为可以忽略不计。电流差动保护元件只能负载于配电网的高压输电线路之上，在电子传输量满足跳闸条件的情况下，两端5G 通信网络信道会直接跳转至待清除的故障区域之中，从而为差动性电流保护协议的实施提供一个相对可靠的应用环境[13-14]。设t0代表差动性电流保护协议的最短实施周期，tn代表差动性电流保护协议的最长实施周期。在上述物理量的支持下，联立式（1），可将电流差动保护行为定义为：

式中，l1、s1分别代表第一个输入的电子传输量与5G 信号通信量，ln、sn分别代表第n个输入的电子传输量与5G 信号通信量，lˉ代表电子传输量均值，β代表配电网耗电强度值。

2.3 重合闸时间整定

大量光伏电源接入5G 通信网络环境后，配电网实际配置故障会造成电量孤岛问题的不断加重，从而造成电网应用稳定性的不断下降，导致重合闸行为的失败[15-19]。因此，在只考虑相应区段电网差动现象的情况下，需要对5G 通信网络的重合闸时间进行整定处理，在多次重合闸操作中，选择最为合适的时间限定参数。设h代表最小的配电网重合闸系数权限指标，h′代表最大的配电网重合闸系数权限指标，联立式（2），可将5G 通信网络的重合闸时间整定结果表示为：

其中，f代表配电网电流的差动性传输系数，jˉ代表5G 通信网络中的电流传输均值，ΔG代表单位时间内的电子传输数量差。

在配电网差动保护中，可接入GPS 对时装置的秒脉冲信号，采用故障信号同步法实现GPS 长期异常情况下的差动同步。保护的动作判据为：

其中，Iϕ表示线路故障电流稳态幅值，Izd表示故障信号同步法适用的启动门槛值，Δθ表示计算得到的线路两端相位之差。

线路发生故障后，线路两端保护装置各自检测到故障，并将检测到故障的时刻近似作为故障发生时刻。线路两端分别计算各自的电流相位，并传输到对端进行比较，判断故障发生位置。

至此，完成各项系数应用指标的计算与处理，在5G 通信网络的作用下，实现配电网电流差动保护协议的顺利应用。

3 实验结果分析

为验证基于5G 通信网络的配电网电流差动保护协议的实际应用价值，设计如下对比实验。在5G通信网络中，设置环网柜、DTU、配电箱等多个电网应用设备，分别将搭载新型差动保护协议与传统SDN/NFV 型电网保护策略的电路主机接入通信网络环境中，其中前者作为实验组、后者作为对照组。

图3 实验应用原理

已知配电网电压负载值、电子差量化流动周期均能反映电网运行环境的实际调节与维护能力，一般情况下，电压负载值越大、差量化流动周期值越小，电网环境的调节与维护能力也就越强，反之则越弱。实验详情如表2、表3 所示。

表2 配电网电压负载值对比表

表3 电子差量化流动周期对比表

分析表2 可知，随着实验时间的延长，实验组配电网电压负载数值呈现出先上升、再稳定的变化趋势，在指标稳定区间内，配电网电压负载数值虽出现小幅波动状态，但对整体变化趋势并无明显影响，全局最大值达到387 V。对照组配电网电压负载值则保持两端上升、中间稳定的变化趋势，全局最大值仅达到292 V，与实验组极值相比，下降了95 V。综上可知，应用基于5G 通信网络的配电网电流差动保护协议后，配电网电压的实际负载值却是出现了明显上升的变化趋势，可促进电网运行环境调节与维护能力的适度增强。

分析表3 可知，随着传输电子总量的增大，电子差量化流动周期虽一直呈现不断上升的变化趋势，但平均上升幅度相对较小，且后期上升量明显低于前期，全局最大值仅达到1.48 ms。对照组电子差量化流动周期在小幅度稳定状态后，开始不断上升，且平均上升量明显高于实验组，全局最大值为3.30 ms，与实验组极值相比，上升了1.82 ms。综上可知，应用基于5G 通信网络的配电网电流差动保护协议后，电子差量化流动周期的实际表现数值得到明显抑制，符合提升电网运行环境调节与维护能力的应用执行需求。

4 结束语

与传统SDN/NFV 型电网保护策略相比，新型配电网电流差动保护协议在5G 通信网络的作用下，利用网络编排器对网络连接配置模块进行定向化调度，再联合信息存储数据库，实现对反时限电流与电流差动行为的保护。从实用性角度来看，配电网电压负载值的下降，能够促进电子差量化流动周期的持续缩短，可在解决因电子差量化流动而造成的配电网电压负载不均问题的同时，实现对电网运行环境的调节与维护。