5G通信条件下配网差动保护快速动作方案研究

邹晓峰，沈 冰，蒋献伟

5G通信条件下配网差动保护快速动作方案研究

邹晓峰，沈 冰，蒋献伟

(国网上海市电力公司，上海 200437)

针对传统差动保护逻辑在5G环境中使用时动作速度较慢的问题，提出了一种适用于5G通信的差动保护方法。首先，分析以光纤为传输媒介时，传统差动保护的逻辑原理和动作时序。其次，分析5G差动保护的通信现状以及将传统的差动保护逻辑应用在5G环境下存在的问题。并通过测算网络通信延时，分析了减少信息传递次数的必要性。最后，优化差动保护逻辑以降低通信延时对动作速度的影响。通过实验验证，改进后的差动保护动作时间加快了10～15 ms，约为信息在5G环境下的传输时延。

5G通信；差动保护；快速动作

0 引言

2020年4月28日，国务院常务会议提出了“加快推进新基建，推动产业和消费升级”，按照党中央、国务院部署，加快信息网络等新型基础设施建设，以“一业带百业”，既助力产业升级、培育新动能，又带动创业就业，利当前惠长远。要根据发展需要和产业潜力，推进信息网络等新型基础设施建设。要瞄准产业升级和智能制造发展，引导各方合力建设工业互联网，适应群众数字消费新需求，促进网上办公、远程教育、远程医疗、车联网、智慧城市等应用[1-3]。

2020年6月15日，国家电网公司在京举行“数字新基建”重点建设任务发布会暨云签约仪式，面向社会各界发布“数字新基建”十大重点建设任务，并与华为、阿里、腾讯、百度等合作伙伴签署合作协议[4-5]。利用5G大速率、高可靠、低时延、广连接等技术优势，聚焦输变电智能运维、电网精准负控和能源互联网创新业务应用，推进与电信运营商、服务商深入合作，加强5G关键技术应用、行业定制化产品研制、电力5G标准体系制定，拓展智慧城市等领域5G应用，年内打造一批“5G+能源互联网”典型应用[6-9]。

配网差动保护是解决配网保护选择性、提高配网供电可靠性的有效手段[10-11]。差动保护要求各侧装置采样同步[12-13]，并能将本侧采样数据快速传到对侧，因此对通信通道的延时和带宽均有一定的要求。高压线路差动保护通常要求通道双向时延一致，并且单向时延不超过15 ms，要求带宽不小于64 kbps，可靠性不低于99.999%，通常采用点对点通信[14]。

光纤通道能满足上述要求，并在高压线路保护中广泛应用[15]。但由于配网网架结构复杂，改造频繁，多端线路光纤互通难度大，因此架空线路差动保护并不适合采用光纤通道。

在uRLLC(Ultra Reliable & Low Latency Communication，即低时延高可靠)应用场景下，5G通信克服了稳定性方面的缺陷，传输可靠性达99.999%，5G通信空口时延1 ms，端到端时延约10 ms，有能力替代光纤成为配网电流差动保护的新通道。

目前，5G应用于配电网差动保护数据传输尚处于起步阶段。文献[16]通过分析5G的主要性能指标，得出了5G可以成为配网差动保护新数据通道的结论；文献[17]验证了用IEC61850- 9-2协议取代HDLC协议，并通过CPE接入到5G网络进行差动保护的方案，但没有考虑5G通信的带宽需求和流量成本，在遵循标准IEC61850-9-2格式下，每帧报文大约在300 Byte，每秒4000帧，且收发同时进行，则月流量约为6.22 TB，长期使用成本昂贵。为了消除 5G 通信中时延抖动对差动保护数据带来的影响，文献[18]提出了动态时间规划算法，但该方法计算量大且涉及到保护判据修改，工程应用难度较大；在差动电流数据同步方面，为克服差动保护装置需要外接对时装置带来的不便，有依赖5G基站进行高精度授时同步的研究[19-20]，也有不依赖外部对时数据的同步技术研究[21]；文献[22]结合工程实践提出了5G差动保护的省流量模式和报文乱序处理方式。

现有的研究中，从5G差动保护方案的提出到应用均取得了长足的进步，但缺乏针对5G网络与传统光纤的差异而进行的差动保护逻辑改进。传统的差动保护逻辑是以光纤为传输媒介而设计的，为此，分析了光纤网络和5G网络的特点，提出了适用于5G网络的差动保护逻辑方案，并通过实验验证改进后的效果。

1 传统差动保护逻辑原理

差动保护基本原理是采用电流基尔霍夫定律来判断被保护对象是否发生故障，即流向一个节点的电流之和等于零。

典型的光纤差动保护架构如图1所示。

图1 光纤差动保护示意图

传统的光纤差动保护逻辑判据如图2所示。

为防止CT断线导致差动误动，在线路差动保护动作逻辑中，需要对侧发送过来的差动允许信号开放差动保护元件，在收到差动允许条件且本侧差动方程均满足后差动保护动作。

向对侧发送允许信号的逻辑判据如图3所示。

图2 光纤差动保护逻辑图

图3 光纤差动允许信号发送逻辑图

图4 传输时序图

现有的研究实践中，利用5G实现的差动保护，动作时序与传统光纤相同，但5G的通道时延远远大于光纤的通道时延。

2  传统差动保护通信

目前国内外常见的差动保护均采用复用或专用光纤通道进行远距离通信。

20世纪末到21世纪初，由于光纤通信带宽的限制，多采用复用PCM(脉码调制)的64 Kbps通道进行数据通信，数据内容为ABC三相每相各16位的电流瞬时采样值，2～4个字节开关量，16位CRC校验的HDLC私有报文。

为了节约通道带宽，仅传送电流信息和少量开关量信息。为防止CT断线导致的差动保护误动，传统光纤差动保护需要收到对侧传送来的允许信号后才能开放差动保护，信号在光纤中的传输速度快、延时短，故通过收到允许信号开放本地差动保护，对差动保护的动作速度影响很小，但却极大地节约了通道带宽。

随着光纤通信技术的发展，光纤带宽资源足够富裕，采用E1接口可减少PCM设备投资。保护装置开始采用E1接口进行通信，其带宽为2048 bps，除了传输电流和开关量瞬时值外，也传输电压瞬时值，用于电压启动等辅助判据。但传统差动保护的逻辑方案经过实践检验，已非常成熟稳定，无需更改。

3  5G差动保护通信现状

3.1 通信传输实现方式

HDLC协议作为链路层传输协议，没有网络层，无法通过5G网络传输。5G差动终端之间的通信采用面向连接的TCP/IP协议，数据帧内容可以自由定义，可由报文头、三相电流信息、三相电压信息、开关量、时标、校验位、报文尾等组成，差动保护装置通过CPE接入5G无线网络，并采用自定义的报文交互采样数据，以实现差动。正常运行时，保护装置以固定时间间隔发送报文，传送电流、电压的向量值；故障状态下，保护启动后，传送电流、电压的瞬时值，并提高数据的传送频率。

5G差动的数据信息传输实现方式如图5所示。M侧设备信号由CPE转发，经过空口接入5G基站，由承载网进行切片分组(SPN)，并由核心网处理转发回到承载网，再由基站经空口传到N侧设备。

图5 传输示意图

3.2 网络通信延时

5G端到端的时延主要由无线接入侧的空口时延、承载网传输时延以及核心网时延三部分组成。对于空口时延，目前国内主要应用TDD网络下的2.5 ms双周期帧结构，能达到的双向时延最大为5.5 ms，最小为2 ms，平均为3.25 ms。承载网传输时延主要为数据从基站向核心网的传输时延，传输通道一般为光纤，加上路由转发时间，可以控制在1 ms左右。核心网时延，5G核心网分为Core (5GC, 5G核心网)和MEC(边界计算平台)两部分，对于差动保护的数据，将数据传输到就近部署的MEC处理即可，不必经过上层核心网，省去了回传时间，数据在MEC中处理的速度很快，最大不超过5 ms。基于以上时延分析，在URLLC场景下，5G通信的端到端时延在15 ms以内[24]。

由表1可以看出：测试延时与5G宣称的端到端时延约15 ms的指标有差距，原因是统计时间中含有TCP/IP报文解析时间和发送时间、保护设备和CPE之间信息交互时间及操作系统的任务处理时间。由于采用的TCP/IP协议有丢包重传机制，并未出现丢包，但丢包重传会导致部分数据帧延时较大。目前变电站10 kV线路速断保护一般整定为0.3 s，按照时间级差0.15 s考虑，在除去开关的物理延时和电弧完全熄灭时间大概50 ms左右，保护动作时间应该在100 ms之内。根据第1节的时序分析，总动作时间为，差动保护动作时间按照40 ms考虑，则要求时间不应大于30 ms，按照目前的时延情况，有0.09%以上的时间不能满足要求，这是在无干扰的5G试验环境下的实验结果，实际应用中，5G由于背景环境干扰，延时会相对更大，故在5G差动保护通信中，信息传递一次的延时占总动作时间的比例较大，降低了5G差动保护的可靠性，因此减少信息传播占用的时间有极大的必要性。

表1 5G延时分布统计

4  适用于5G网络的差动保护逻辑方案

由图3可以看出，允许信号判别逻辑中所需的对侧TWJ且无流，对侧突变量启动、对侧零序电流启动、对侧相或相间电压小于60%且无PT断线等信息，均可以通过开关量的形式以5G信号传递到对侧，对侧直接进行允许信号的就地判别，同时每帧数据增加的传送信息小于2个字节(16个bit位)，对5G流量消耗影响不大。允许信号就地判别后，差动保护动作满足，无需等待对侧允许信号即可动作，从来使得差动保护数据信息只需要一次传播，减少了差动判别时延。

允许信号的就地判别逻辑如图7所示。

图7 5G差动允许信号就地判别逻辑图

改进后差动保护的数据在5G中的传输时序流程如图8所示。

图8 改进5G差动逻辑时序图

5  动作性能测试

利用无线应用场景实验室的5G网络环境进行差动保护的相关测试，测试网络为SA组网，基站提供uRLLC切片服务。网络测试环境如图9所示。

模拟线路发生金属性接地故障，观察并对比采用传统差动保护逻辑的5G差动保护动作时间和改进后的5G差动保护逻辑动作时间，如图10所示，蓝色为改进前的差动整组动作时间，橙色为改进后的差动整组动作时间。

图9 网络测试环境

图10 动作时间对比

结合实验结果，改进后的整组动作时间加快了10～15 ms，约为信息在5G环境中的传输时延，与理论分析的结果一致。

6  结论

本文首先详细介绍了传统差动保护的逻辑原理和动作时序，并分析了在5G环境中使用传统差动保护逻辑存在通信延时长导致保护可靠性低的问题，进而提出通过优化差动保护逻辑的方法，以降低通信延时对动作速度的影响，并在5G网络的实验室中进行了对比验证。结果表明，改进后的5G差动保护整组动作速度更快，提高了在5G环境下应用差动保护的可靠性。

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A quick action scheme of differential protection for a distribution network with 5G communication

ZOU Xiaofeng, SHEN Bing, JIANG Xianwei

(State Grid Shanghai Electric Power Company, Shanghai 200437, China)

To solve the problem that the traditional differential protection logic has a slow action speed in the 5G environment, a differential protection method suitable for 5G communication is proposed. First, this paper analyzes the logical principle and action sequence of traditional differential protection when optical fibers are used as transmission media. Secondly, the current communication situation of 5G differential protection is analyzed, and the problems existing in the application of the traditional differential protection logic in this environment are also analyzed. By measuring the network communication delay, the necessity of reducing the number of times of information transmission is analyzed. Finally, the differential protection logic is optimized to reduce the influence of communication delay on the action speed. Through experimental verification, the improved differential protection action time is accelerated by 10～15 ms, which is about the transmission delay of information in the 5G environment.

5G communication; differential protection; quick action

10.19783/j.cnki.pspc.211494

This work is supported by the Science and Technology Project of the Headquarters of State Grid Corporation of China (No. 52094020000Y).

国家电网公司总部科技项目资助(52094020000Y)；国网上海市电力公司科技项目资助(52094019006B)

2021-11-04；

2022-03-09

邹晓峰(1985—)，男，硕士，高级工程师，研究方向为电力系统继电保护；E-mail: unisamuel@hotmail.com

沈 冰(1985—)，男，博士，高级工程师，研究方向为电力系统自动化；E-mail: ee_shen_bing@hotmail.com

蒋献伟(1979—)，男，硕士，高级工程师，研究方向为电力系统继电保护。E-mail: jiang_xianwei@sh.sgcc.com.cn

(编辑 魏小丽)