“5G＋MEC”在配网差动保护中的应用

祁欣学 宋俊廷 范子涛 高建晔 娜菲莎·吾甫尔

【摘要】    配电网差动保护是保证电网安全稳定运行的关键手段，随着电网规模的不断扩大，为了保证配电网系统故障的精准定位，有效控制故障影响范围，差动保护对电力通信网的时延、带宽、安全性提出了更高的要求。5G网络切片与多接入边缘计算 （Multi-access Edge Computing，MEC）的融合技术成功解决了配电网差动保护通信通道建设的难题，通过在特定线路上进行试验，效果极佳。

【关键字】    配电网差动保护    5G技术    多接入边缘计算    网络切片

引言：

随着能源互联网的发展，以及新疆电网规模的不断扩大，特别是在国家电网公司中国特色国际领先能源互联网建设目标的驱动下，电网各类业务终端的信息采集与传输需求日渐增长，海量配电网保护信息的实时交互更是亟待解决的问题[1]。

传统配电网差动保护通信通道采用光纤接入方式，建设成本高，难以大规模推广应用[2]。而在信息传递效率方面，由于在光纤远距离传输过程中，经常存在因各种原因导致的光纤断纤问题，且人工修复过程耗时耗力，导致信息传输效率不高;采用4G无线公网方式在通道的传输带宽、时延、安全性等方面也不能满足需求。

此时，5G网络因其在承载控制类业务、采集类业务的低时延、低成本、高安全性的特点[3]-[4]，能够满足电网各种各样的关键通信需求，并且5G网络是当前可见的唯一能满足各类业务通信需求的先进无线技术。5G网络的快速发展及其优良特性，为打造基于5G确定性网络电力行业虚拟专网提供解决方案。

近年来，三大运营商都在不断推进5G网络架构从非独立组网 （Non-Standalone，

NSA）向独立组网 （Standalone， SA）架构演进[5]-[6]，且均有提供5G网络切片和移动边缘计算的能力。其中，中国移动坚持云网一体化发展;中国联通已建成商用5G SA网络，推进“云网边端”业务高度协同;中国电信的5G SA网络商用能力处于行业领先地位，通过5G+公有云+MEC融合发展，实现5G技术价值的最大化。5G技术的不断成熟使得基于网络切片和MEC构建电力虚拟专网逐步成为现实。

一、相关原理

（一） 配电网差动保护

配电网差动保护是线路差动保护原理在配电网中的应用。线路差动保护[7]是基于基尔霍夫电流定律原理，在线路两侧装设有性能相同的电流互感器，通过电缆将电流互感器的二次电流接入线路保护装置中。正常运行或外部故障时，流经线路两侧保护装置的电流大小相等、相位相反，若不计电流互感器的误差，流入两侧保护装置的电流矢量和为0，如图1所示，保护装置不动作;当线路内部发生故障时，线路两侧分别向故障点提供短路电流[8]，流入两侧保护装置的矢量和为总短路电流，如图2所示，两侧线路保护装置动作，最终实现全线路故障的快速隔离，缩小停电范围，提升用户用电质量。

实现线路差动保护的关键是线路保护装置将本侧线路电流大小、相位及相关运行信息通过通信设备快速、可靠地传递给对侧线路保护装置，同时接收对侧线路保护装置发送的信息，从而进行实时矢量差计算、故障的判别。

（二）5G网络切片+MEC

1.低时延

5G无线通信技术本身就具有带宽大、时延低、可靠性高的特点。同时，又将用户面UPF由运营商机房下沉到网络边缘，即终端用户侧，为本地化、区域化应用场景提供边缘计算、数据存储等支持[9]。通过地址解析和分流规则匹配，使得业务流量本地卸载，减少了核心骨干节点的数据转发，缩短了传输路径，有效降低业务端到端时延[10]。

在 4G 以及之前的系统中，由于完整性保护算法会增加数据处理压力，增大时延，所以一直没有使用，仅仅对控制面数据做了完整性保护。5G对用户面数据，可按需提供空口到核心网之间的用户面数据加密和完整性保护。

2.独立组网

5G端到端网络切片是指将网络相关资源进行灵活切分，按实际场景和需求组网，即定制化的专用网络[11]，基于5G网络切分出多个具有不同特点且互相隔离的逻辑子网，每个端到端网络切片均由无线网、传输网、核心网子切片组合而成，并通过端到端切片管理系统进行统一的管理，这些子网能满足不同场景的需求[12]-[13]。传输切片具有隔离性，普通业务流对电力业务流无影响，不同业务可以在相同切片中进入不同的虚拟专用网络（Virtual Private Network， VPN）通道。

MEC设备的应用平台化和交互层面开放化，实现了对传统无线通信网络架构的变革和对无线网络业务支持潜能的挖掘和释放[14]-[16]，因此，可按需在生产控制大区、管理信息大区、电力园区、变电站区域等位置灵活部署MEC，在安全性、高效性方面给电网生产业务提供了有效保障。

5G+MEC技术，即基于5G SA核心网采用用户面功能（User Plane Function ，UPF）和控制面功能（Control-Plane Processing Function，CPF）分离服务化架构的特性，在5G网络切片上，部署一套MEC服务器，分布式系统布置图如图3所示。

网络切片与MEC的融合更是满足了业务在差异化和确定性服务，高安全隔离和自管理自维护的要求。

3.盲区覆盖

控制面CPE，即無线路由终端，其与用户面UPF分离，故可根据应用需要灵活布置，由此，针对5G信号质量不好的区域，可通过CPE与5G网络互联，解决信号盲区覆盖的问题。

二、5G+MEC在配电网差动保护中的应用

（一）应用方案

中国电信公司的5G SA商用能力处于行业领先地位，为成功构建电力区域性虚拟专网，某供电公司同电信公司在基于5G SA架构端到端的网络切片的基础上，在A，B变电站各部署了一台CPE设备，将一台边缘计算MEC设备部署在公司机房，实现生产数据本地分流卸载。将数据大循环转变为数据小循环，进一步降低了通道时延。其方案示意图如图4所示。

配网线路两侧差动保护通过CPE设备接入5G网络建立通道，互相交互采样数据。通过用户面UPF将业务数据直接传送到用户的内网，建立电力虚拟专网。实现关键数据不出公司，同时，用5G传输切片代替了原本的光纤专网，不仅显著减少建设成本，更解决了业务数据安全性的后顾之忧。

（二）试点试验

此次项目的试点配网线路选取10kV某线，A站点CT为5A制，B站点CT为1A制。线路两端使用纵差保护设备，并在线路两端安装双模（同时支持北斗和GPS授时功能）的外部授时装置。在配电室及变电站配置5G SA室分设备，5G通道采用基于SA组网的端到端切片模式。

1.试验方案

A站点侧保护采用双套配置，原装置正常运行，正常出口跳、合闸，5G线路纵差保护装置挂网试运行。B站点侧考虑其为负荷终端线路，只投保护功能不投出口跳闸。并且，为A、B站点CPE的电信5G卡分配静态IP地址，试验方案架构如图5所示。

2. 通信保障

2020年9月16日中国电信新疆分公司完成新疆范围内5G商用SA核心网络的初步部署。2020年9月25日，中国电信新疆分公司完成5G业务调试。2021电信公司计划再建设3600个基站，实现乌鲁木齐城区和县城区域5G网络全覆盖，良好的5G网络覆盖为大面积布设基于5G网络切片的配网差动保护提供了坚实的基础。同时，室分设备增强5G信号，有效解决信号盲区覆盖问题。

3.安全隔离

安全接入隔离网关集成正反向隔离和纵向加密认证功能。安全接入平台由接入网关组件、数据过滤系统（数据隔离组件）组成，为电力内网无线业务提供业务终端安全接入、实时监控、安全数据传输与交互的电力专用边界安全防护设备。

4. 试验效果

在配电室及变电站建设的5G SA室内站点开通后，测试区域信号情况如图6所示。

经测试可知变电站区域为电信SA网络，场强为-62.5dBm，信号质量SINR为33.25dB，站内信号覆盖正常。

同时，对下行速率和上行速率进行测试，结果如图7所示。

由图可知，变电站内SA网络下行速率可达到1Gbps，上行速率大于75Mbps，速率正常，满足当前站点的大带宽业务需求。

差动保护装置对时延要求较高，通过测试SA站点时延完全满足国网电力差动保护装置要求，本次SA站点测试的平均时延为8.48ms，图8为本次时延测试结果。

将各测试参数与业务需求指标作对比，结果如表1，网络无丢包，抖动范围1毫秒，信号质量优良。完全满足国网电力差动保护装置要求。

三、结束语

将配网差动保护业务接入5G网络，且将MEC部署在网络边缘，实现业务前端的本地化数据计算，有效缩短了通信时延;其次，因减少了骨干核心节点的传输，不仅节省带宽资源，降低了通信成本，更重要的是解决了电网数据安全的后顾之忧。

依托此次配网差动保护业务的验证成果，国网乌鲁木齐供电公司下一步将继续开展“5G+业务”专项行动，在智能巡检机器人、配网自动化、用电信息采集等多方面开展电力5G业务的试点工作。

参  考  文  献

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[3]邓淼，邓其.5G通信与泛在电力物联网的融合初探[J].2020年江西省电机工程学会年会论文集，121-122.

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