基于5G技术的配电网差动保护技术研究

鲍 薇 燕跃豪 苏 艺 陈启龙 王文利

（国网河南省电力公司郑州供电公司）

0 引言

配电网是连接输电线路和用户的纽带，在电网的生产中起到承上启下的作用。随着我国工业化的不断进步，配电网的结构也越趋复杂，与此同时其对保护动作的时间和保护动作的精度也越来越高。在配电网差动保护中使用过的通信方式有基于光纤通道的通信方式和基于4G网络的通信方式［1－2］等等。基于光纤通道的电流差动保护面临铺设光纤难度大、工期长、成本较高、后期运维比较困难等问题，而且我国地理环境复杂，很多地方都不具备铺设光纤的条件，所以在配电网中的应用没有被大面积推广。上一代的移动通信4G其时延过高，网络可靠性也较差，无法满足差动保护的要求，并且4G网络耦合性太强，无法将不同的业务实现逻辑上的分离。而5G通信技术具有高速率、高容量、高可靠性、低延时与低能耗的特点，它的迅速发展为配电网解决差动保护时延高、可靠性低提供了新的途径。

1 配电网差动保护原理

配网差动保护和主网差动保护原理相同，基于基尔霍夫定律，如图1所示，首先需要测量被保护线路两端电气量，然后通过通信通道传送所测信息量并对其进行比较来判断其运行状态。在线路处于正常运行时，所测到的两端电气量应该是幅值相等，大小相反，矢量和为零，而在故障情况下，线路两端电气量的矢量和不再为零，此时保护装置接收到动作信号，执行动作命令。

图1 线路差动保护的结构图

现阶段在配电网的差动保护中常使用的通信通道有电力载波通道、微波通道、导引线通道、光纤通道［3］。在国内的配电网中使用最为广泛的是基于光纤通道的通信方式。电力载波通道由于使用输电线进行信号传输，大大节约了建设成本，所以仍在一些线路中使用，微波通道和导引线通道已经很少使用。通道的选择至关重要，直接决定了保护快速性和可靠性，而5G通信技术是当下最先进的大规模应用的无线技术，对于差动保护来说具有极大应用前景。

2 5G关键技术的研究

2.1 网络切片

网络切片技术就是对5G网络进行切片化处理，将一个整体切分为几个小的个体，如图2所示，分为无线子切片、承载子切片和核心网子切片。它能在一个平台上构建多个相互独立的逻辑网络，满足不同客户群体的不同使用需求。网络切片将5G网络的客户需求和业务环境适应性提升到了最大限度。提高网络资源的利用效率，优化运营商的网络建设投资，构建灵活敏捷的5G网络。

图2 网络切片示意图

网络切片的应用场景主要分为三大类：增强型移动宽带（eMBB）、超可靠低延迟通信（uRLLC）和海量机器通信（mMTC），而对于差动保护来说需要满足低延时的通信要求，因此可以在uRLLC场景中实现。

2.2 边缘计算

边缘计算的概念是指在数据源一侧，采用网络和计算等核心能力的一体化开放平台，就近直接提供最近端服务。通过5G切片通信技术，将不同用户之间的边缘数据与边缘网络安全隔离，使现场数据无需传输到云，即可获得附近的计算、存储、网络和安全能力。边缘计算还可以实时获取准确的移动网络信息和位置信息，为使用者提供更精准的位置服务。

2.3 大规模M IMO和波束成型

基于4G MIMO最多支持8根天线，但5G基站可以支持16／32／64／128根天线，甚至更大规模。这些天线通过大规模MIMO技术形成大规模的天线阵，可以同时向更多的用户发送和接收信号，从而使移动网络的容量增加几十倍甚至更多。大规模MIMO基站采用大量天线并进行同步处理，可同时实现数十倍的频谱效率和能量效率增益。

波束成型的使用极大地提高了5G的容量，同时也使其所能承载的天线数量显著提高。通过一些特殊的手段控制这些天线可以使其发射出的电磁波形成窄波束，然后将这些电磁波能量朝着指定的方向发射给终端，不仅使信号传播的距离变长，而且抗干扰性也显著提高。波束成型技术允许同时使用多条天线传输海量数据，极大地提高了频谱利用率。

3 5G在电力系统中的应用

随着5G技术的不断普及，国家电网也在电力系统的各个方面都使用了5G通信技术。其主要的使用范围有高效计算、精准控制、万物互联、海量量测和宽带通信几个方面。

智能配电网。要实现电网的全面智能化，配电网的智能化也是必不可少的。数据传播速率直接决定了配电网智能化水平的高低，而5G技术具有的高速率、高容量可以极大提高配电网的智能化水平。5G技术的引入可以实现精准的负荷切除、线路监测、负荷转供。可极大程度地提高电力系统的供电可靠性和供电质量。

线路巡检。我国地域辽阔，山川众多，因此有很多输电线路铺设在偏远山区。在人工巡检时，如果仍然使用望远镜观察，不能全面检查线路是否存在故障，耗时较长。如果使用5G通信的无人机进行线路巡检，可以采集巡检线路图片和视频，大大提高巡检的效率和可靠性。另外，还能及时将采集到的数据传输到终端，以便维护人员可以根据监测结果修复和消除缺陷，从而提高线路检测的准确性和效率。

用电信息采集。随着社会的快速发展和科技的进步，传统电表已经被新型的智能电表所取代。智能电表不仅采集精度高，且其具有通信扩展性，可实现远程抄表。而5G通信技术具有大带宽的特性，智能电表的采集频率可以实现较大的提升，为电费稽查等电力业务提供较大的技术支撑。

4 采用5G通信的差动保护技术

采用5G通信的配电网差动保护具有无死区的工作特点，且能快速准确地定位并切除故障线路，使故障线路对配电网的影响降到最低。但是基于5G通信的差动保护需要依赖无线网络进行信号传输，受保护线路两侧时间误差影响较大。

如图3所示为差动保护架构图。差动保护需要使用电流互感器对被保护线路进行电信号采集，通过网口与无线路由终端连接，通过报文封装设备实现通讯。对时信息可以由CPE设备提供的B码对时信号，或由独立的对时装置提供对时信息。接收到保护信号时断开故障线路两端的断路器，完成故障隔离。

图3 配网差动保护架构

配电网保护通过CPE设备接入5G通信网络进行数据交互。数据在传输的过程中存在丢帧、误码、失步和数据帧顺序错乱等情况，因此需要实时监测网络通信质量，及时对数据传输时产生的异常反应作出闭锁保护，防止保护误动作。当存在故障时，保护装置通过差流和制动电流的比例关系，判断保护线路两端保护装置是否动作。无线通信技术在进行远距离信息传输时存在数据同步、通讯协议以及数据传输安全性等问题，每种问题都影响到了保护动作的精度和速度。

4.1 数据同步方案

为了保证保护动作的准确性，故障判断时所使用的电信号必须采集于相同时刻，因此数据同步问题是差动保护必须考虑的问题之一。解决这一问题常采用的方法主要有基于数据通道的同步方法和基于GPS／北斗的数据同步方法。

基于数据通道的同步方法包括采样时间调整方法、采样数据校正方法和时钟校正方法。三种调整方法都是通过计算主从站的时钟误差，再使用不同的调整方法来达到同步的目的。时间调整方法调整从站的采样时间；采样数据校正方法在一端旋转采样电流相量；时钟校正方法调整从站时钟。基于数据通道的同步方法一般只能在有线通信的情况下使用。

基于GPS／北斗的数据同步，该方法则是使用卫星的时间同步功能，需要在被保护线路的两端安装卫星时间接收装置，接收来自于卫星的时间信息。通过时间接收装置可以得到1PPS秒的脉冲信号。用第二个脉冲对两端的采样脉冲进行同步，使两端的采样脉冲误差不超过2μs。这种同步方法不依赖于数据传输通道。该数据同步方法可用于5G通信的差动保护。

4.2 通信协议

差动保护装置采用5G通信实现差动数据的端对端通信，5G通信需要IP处理业务数据，即通过TCP协议传输业务数据［4］。在数据报文转换过程中，应尽量缩短数据处理时间。因此，更有效的措施是尽可能简化数据帧格式的转换。不对HDLC报文的内容做任何处理，直接将其封装到IP报文中，IP消息可由无线通信模块发送到从侧，根据报文规则，从侧可以顺利解析所发送过来到的信息。

4.3 通信加密

差动保护在使用5G通信进行传输的过程中需要将采集到的数据发送到无线通信模块，无线通信模块在对数据进行处理，进而转发到通信基站，由于保护装置一般都是不可随意移动的设施，所以被采集到的数据很容易发生泄漏。因此，需要采用加密芯片，对传输的数据进行加密处理。每个加密芯片的网络接入都需要进行注册和认证。

4.4 5G通信的通道延时和抖动分析

要保证保护动作的速动性网络时延和抖动的要求都很高，特别是在通信过程中发生的随机抖动直接决定差动保护的精度和有效性。保护装置的控制信息通过通信通道进行传输，所以通信通道得到时延直接决定了保护装置的动作速度，并且通道时延对装置动作速度的影响是累加的。国标规定线路保护装置的单向通信延时需小于12ms。因为被保护线路两端通信装置进行通信的过程存在固有的时间误差，所以需要对采样点数据进行同步，因此需要给保护装置预留一定的缓冲区来储存采样数据，然后通过数据同步技术就能得到同步之后的数据。通道的抖动同样会影响保护装置的动作速度，当抖动很大时，甚至会影响数据的同步。

5 结束语

差动保护通信方式的选择直接影响到了保护动作的可靠性，而5G通信所具备的特点为差动保护在配电网大规模应用创造了条件。现阶段基于5G通信的配网差动保护虽然仍然处于起步阶段，但是在不久的将来必将成为配电网保护的重要组成部分。本文介绍了差动保护的基本原理和5G通信技术在电力系统中的应用，分析了5G通信技术应用的关键技术和差动保护采用5G通信时的技术难点。