基于5G网络的智能电网保护系统设计

党博 党宁军

摘要：5G网络能够提供高带宽和低延迟服务，已经在能源、交通、制造和医疗保健等领域被广泛应用。文章专注于智能电网中的电力保护系统的应用及其5G业务需求，分析了2种常用电网保护系统的优缺点。在此基础上，文章提出了一种基于5G网络的移动边缘计算架构，该架构可有效地降低电网中的差动保护延迟，提高系统可靠性。系统计算架构能够为智能电网的发展奠定一定的理论基础。

关键词：5G网络；智能电网；电网保护系统；差动保护；移动边缘计算

中图分类号：TM76  文献标志码：A

0 引言

为适应社会日益增长的能源需求，并促进与其他能源的双向流动，电网的拓扑结构已经逐渐从传统的分层结构演变为分布式结构［1］。分布式结构主要包括：分布式能源、先进的计量基础设施系统、储能系统、微电网等。分布式电力系统的核心任务是以合理的成本提供高服务质量的安全电力供应［2］。这就要求该系统能够处理更多的分布式能源的双向分配，以及因能源集成而导致的电网电能质量波动问题。

第五代移动网络（Fifth Generation of Mobile Networks， 5G）能够提供高带宽和低延迟服务［3］。国际电信联盟将5G通信业务分为3类：增强型移动宽带、海量链接的机器通信和超可靠低延迟通信（Ultra-Reliable Low-Latency Communications， URLLC）［4］。其中，URLLC的特点是为工业互联网、智能电网、远程手术和智能交通系统等关键任务应用提供低延迟和超高可靠性的服务［5］。这项服务有望解决无线技术在带宽、延迟和可靠性等方面的挑战。智能配电网中URLLC解决方案的另外一个特点是，可以轻松连接更多设备，而无需依赖光纤布线，并且新的变电站和微电网可以快速安装并集成到电网中。因此，5G解决方案可以降低支出和运营成本。

1 电网保护系统在5G中的应用

保护系统是电网系统中最为重要的子系统之一，其作用是避免由于故障而导致系统崩溃，从而确保电网安全［6］。该系统对通信速度和可靠性要求较高。保护系统需要可靠的端到端通信。使用通信介质部署这种具有严格端到端延迟要求的关键任务应用，光纤网络通常被认为是目前最优的解决方案。使用支持URLLC的5G系统来部署保护系统，能够有效节省成本并具有较强的灵活性。

1.1 智能分布式馈线自动化保护

智能分布式馈线自动化是一种分布式自动化应用，其功能主要包括：故障定位、隔离和服务恢复等，它通过局部断电来提高电网的可靠性［7］。通常，在端到端通信网络中，有一组分布式控制器单元或智能电子设备传递面向通用对象的变电站消息。

图1为一个基于5G网络的用于故障定位、隔离和恢复应用的智能馈线自动化保护框架。馈线环主单元的每一端都有一个简易断开装置［8］。智能电子设备与邻近的设备交换关于馈线保护状态的消息。当某段馈线发生故障时，直连的智能电子设备可自动检测并隔离该馈线故障。同时，将有关故障和所采取的操作消息更新后发送给其他设备。面向故障定位、隔离和恢复应用的5G网络用于馈线环中智能电子设备以及控制中心之间的通信。

1.2 差动保护

在配电网中，线路差动继电器通常用于保护一次和二次变电站之间的馈线。线路差动保护要求在远端之间共享瞬时电流值。它具有故障阻抗小、故障电流大的特点，可作为内部大故障的快速运行单元保护［9］。

基于5G网络的差动保护框架如图2所示。配电终端单元2周期性地向配电终端单元1和配电终端单元3发送采样电流值。同时，配电终端单元2也接收来自配电终端单元1和3的电流值，并计算同时从配电终端单元1和3采样的电流差。正常工作时，差动电流应为0。但是，如果超过设定的阈值，配电终端单元2将关闭1和2之间的电源线以隔离故障。

与图1所示的框架相比，差动保护对上行带宽、可用性、时延、抖动、丢包等要求最高。此外，差动保护要求产生连续的上行流量采样值，因此，要求在保护方案的整个生命周期内通信通道始终可用。而在智能馈线自动化保护框架中，当馈线发生故障时，只有少量数据进行周期性交换，数据速率略高。

2 差动保护的5G延迟估计

5G延迟指的是端到端延迟，确定延迟时间最重要的是确定差动保护方案中涉及的延迟需求。

第一，需要确定的参数是差动保护方案的业务执行时长。该参数取决于约定或公用电网拓扑配置预先确定的差动保护业务要求。在确定服务执行时间时，通常遵循主电网差动保护的技术规范和配电网共同保护的技术规范。例如，假设为配电自动化系统隔离故障预留的最大业务执行时间为300 ms。为了缩小停电范围，防止交换机运行故障，交换机下游故障必须在150 ms内隔离。因此，实际的服务执行持续时间估计为120 ms，剩余时间为30 ms。

第二，要确定的参数是保护方案成功运行所涉及的业务处理持续时间。业务处理持续时间取决于参与保护操作的所有硬件设备。它通常包括采样处理时间、逻辑判断时间、继电器动作时间和开关跳闸时间。

3 面向差动保护的移动边缘计算架構

移动边缘计算是一种新的架构模式，它在移动网络边缘提供云计算资源和功能，并以无线方式接入网内运行，因此更接近设备和终端用户。它可以支持需要超低延迟服务的应用。移动边缘计算架构使计算密集型和延迟敏感型应用能够在靠近终端用户的地方执行。本文提出了一种面向差动保护的移动边缘计算架构，如图3所示。

该框架由连接到基站的移动边缘计算服务器组成，这些服务器能够存储和计算资源，可以实现边缘缓存和边缘计算等服务。每个配电终端单元使用移动蜂窝网络与移动边缘计算服务器上的应用程序交换通信消息服务。移动边缘计算应用程序可使配电终端单元能够接收请求消息。从图3可以看出，配电终端单元-1和配电终端单元-2包含移动边缘计算应用程序，并且具有与安装在电力线上的物理设备相同的功能。当前测量值作为低延迟信息流在物理配电终端单元和虚拟配电终端单元之间发送。在移动边缘计算服务器内部，虚拟配电终端单元将交换消息。当超过设定的阈值时，虚拟配电终端单元中的差动保护逻辑将被触发。然后，由此产生的跳闸动作向下传递到物理设备，最后通过定义的通信接口隔离故障。

本文根据保护方案中涉及的保护设备之间的地理关系以及正在部署的蜂窝结构，进一步提出了3种不同的移动边缘计算架构，如图4（a）—4（c）所示。

在图4（a）中，配电终端单元距离很近。它们共用一个基站和移动边缘计算服务器。虚拟配电终端单元无缝地交换消息，这样通信就不需要经过5G核心网。这种类型的部署通常可用于城市的保护区。图4（b）中多个移动边缘计算服务器可通过有线或无

图4 3种不同的移动边缘计算架构（a）共享一个通用的移动边缘计算服务器；（b）通过有线或无线连接不同的边缘计算服务器，；（c） 通过核心网络的不同边缘计算服务器

线网络相互通信。通过这种方式，可以向基站地理半径以外的配电终端单元发送电流值。在这种情况下，由于移动边缘计算服务器之间具有高可靠的连接，因此通信也无需通过5G核心网络。这适用于配电终端单元之间距离相对较远的保护区。图4（c）中2个配电终端单元之间的通信通过5G核心网。适用于距离较远且需要通过核心网路由的保护区域。

由于差动保护方案的服务可在终端设备附近提供，因此面向差动保护的移动边缘计算架构可降低保护方案的延迟。此外，由于终端设备之间的距离较短，消耗的资源也较少，因此该方案的可靠性也得到了提高。

4 结语

保护系统是保障电网正常运行的重要环节，其对通信速度和可靠性要求较高。本文结合5G的高速率、超大连接、超低时延等特点，提出了一种面向差动保护的移动边缘计算架构，并在此基础上结合不同的保护范围，进一步提出了3种不同的移动边缘计算架构，它们均能有效降低电网中差动保护的延迟，提高系统可靠性。

参考文献

［1］于洋，王同文，谢民，等.基于5G组网的智能分布式配电网保护研究与应用［J］.电力系统保护与控制，2021（8）：16-23.

［2］周柏青.基于HHT算法的分布式电力系统状态自动监测方法［J］.南京工程学院学报（自然科学版），2022（2）：85-90.

［3］刘晓江.5G赋能电力系统的应用研究［J］.计算机与网络，2022（22）：63-66.

［4］赵宏大，王哲，朱铭霞，等.5G通信技术在泛在电力物联网的应用［J］.南方电网技术，2020（8）：9-17.

［5］董春利，王莉.5G无线技术和蜂窝架构分析［J］.电子测试，2022（13）：99-101.

［6］王宇，董添，姜姝宇，等.基于新型電力系统保护的多层防御模型［J］.科技创新与应用，2023（6）：53-56，62.

［7］凌万水，刘东，陆一鸣，等.基于IEC61850的智能分布式馈线自动化模型［J］.电力系统自动化，2012（6）：90-95.

［8］梁子龙，李晓悦，邹荣庆，等.基于5G通信智能分布式馈线自动化应用［J］.电力系统保护与控制，2021（7）：24-30.

［9］王李，张泰，黄朝.基于5G电力专网新型电力系统配网差动保护业务应用［J］.通信与信息技术，2022（增刊1）：91-95.

（编辑 李春燕编辑）

Design of smart grid protection system based on 5G network

Dang  Bo， Dang  Ningjun

（Northwest Engineering Corporation Limited， Xian 710065，China）

Abstract： 5G networks can provide high bandwidth and low latency services， and have been widely used in energy， transportation， manufacturing， and healthcare. This paper focuses on the application of power protection systems in smart grids and their 5G service requirements， and analyzes the advantages and disadvantages of 2 commonly used power grid protection systems. Based on this， a mobile edge computing architecture based on 5G networks is proposed， and the framework can effectively reduce the delay of differential protection in the power grid and improve system reliability. It can lay a certain theoretical foundation for the development of smart grid.

Key words： 5G networks; smart grid; grid protection system; differential protection; mobile edge computing