5G通信下的配电网差动保护数据同步传输方法研究

摘要： 针对现有差动保护数据同步传输方法传输速率较低的问题，文章引用5G通信技术，提出配电网差动保护数据同步传输方法。文章先分析配电网数据传输5G专网架构，利用系统消息块SIB9和TA 值完成5G终端、基站与差动保护装置的时间同步设计，然后以此为基础，构建信道抗干扰传输模型，实现配电网差动保护数据同步传输，最后通过应用对比实验，验证所提方法的先进性。实验结果表明，应用所提方法，差动保护数据传输速率均高于15.31 Mbit/s，优于对比方法，实际应用效果更佳。

关键词：5G移动通信技术；配电网；数据同步传输

中图分类号：G642" 文献标志码：A

0 引言

随着电力系统的不断发展与智能化水平的提升，配电网作为电能传输与分配的关键环节，其安全稳定运行对于保障电力供应的可靠性至关重要。在配电网中，差动保护作为一种重要的保护手段，通过比较被保护设备两侧的电流差值来判断设备是否发生故障并采取相应的保护措施，以其高可靠性和高选择性成为广泛应用的保护手段。然而，随着配电网结构的日益复杂和分布式电源的广泛接入，传统差动保护方法逐渐暴露出数据传输延迟、误码率高、同步性差等局限性，这些都限制了其在现代配电网中的应用效果^［1-2］。传统差动保护方法面临着线路铺设困难、维护成本高、通信带宽有限等问题，且有线通信方式难以满足数据实时传输和同步传输的需求，导致差动保护的准确性和可靠性受到严重影响^［3］。为能有效解决这些问题，本文提出了一种基于5G通信技术的配电网差动保护数据同步传输方法。5G通信技术具有高带宽、低时延和大连接数特性，可为配电网中的差动保护数据传输提供高效、稳定的通信通道。

1 配电网差动保护数据同步传输设计

1.1 5G终端、基站与差动保护装置的时间同步设计

图1 配电网数据传输5G专网架构

本次应用的配电网数据传输5G专网架构如图1所示，主要由统一数据管理、5G核心网、Unscented粒子滤波、思维进化计算和5G基站等组成。在该网络中，统一数据管理能确保用户基础信息的一致性和安全性；5G核心网作为网络核心，管理连接和会话；思维进化计算提供边缘计算服务；5G基站构建通信传输网络^［4］。为实现配电网差动保护数据的同步传输，须要先完成5G终端、基站与差动保护装置的时间同步。在5G系统中，系统消息块SIB9通常是通过物理下行共享信道进行传输的。基站会根据网络配置和需求，将包括SIB9在内的系统信息封装在无线资源控制消息中并通过无线信号传输给终端。本次应用系统消息块SIB9，结合时间提前量TA值，成功实现了5G终端、差动保护装置本地与基站侧之间的高精度 时间同步设计，其过程如下：先解析时间信息，基于5G终端和差动保护装置从系统消息块SIB9中提取时间信息，将其记为T0。然后计算传播时延，其初始化时延是基于时间提前量TA推导基站到5G终端的传播时延。其中，TA实质为2倍的传播时延，因此其计算公式如下：

T1=TA×TW2（1）

其中，TA为时间提前量；TW为子载波传输时延。

在连接状态时会时延更新，因此须要对其进行调整，其调整后时延公式如下：

T2=NTA，old+（TA-31）TW2（2）

其中，NTA，old为旧时延调整值^［5］。

最后，结合参考时间T0和传播时延T1、T2，计算终端侧时钟，实现对本地时钟的修正，确保时间同步。

通过上述步骤，实现了5G终端、基站与差动保护装置之间的时间同步，为配电网差动保护数据同步传输提供基础。

1.2 基于5G通信的数据同步传输设计

本文在完成5G终端、基站与差动保护装置之间的时间同步后，构建信道抗干扰传输模型，完成5G通信的数据同步传输。为了简化信道模型，所有信道采用统一编码模式，以避免码分复用问题。

先定义5G通信传输架构中的发射机集合A以及接收机集合B，可分别表示为A=｛a1，a2，...，an｝，B=｛b1，b2，...，bn｝。每个基站在特定子信道上的最大传输功率是固定的，基于协议干扰模型，综合考虑接收机的接收功率与干扰功率阈值的关系来判断是否存在显著干扰。已知信道功率传输增益与发射机、接收机之间的距离及信道传输路径损耗因子β相关^［6］。因此，本次设定为此信道功率传输增益，计算发射机an在子信道cn上的最大传输范围，其表达公式如下：

Ran=PcanPcl^1β（3）

其中，β为信道传输路径损耗因子；Pcan为an在信道c上的传输功率；Pcl为an在信道c上的传输损失功率^［7］。本次使用信噪比来评估链路质量，计算链路数据传输速率，其计算公式如下：

v=wlog2（1+r）（4）

其中，w为链路带宽；r为信噪比。

为管理同层通信信道间的干扰冲突，引入通信链路元组来标识信道状态信息，通过构建信道冲突，识别可能产生干扰的链路组合。由此，可避免信道分配时产生的信道冲突，实现数据高速传输。

2 实验论证

为检测基于5G通信的配电网差动保护数据同步传输方法的有效性，本文以配电网差动保护设备作为研究对象。将本文设计的同步传输方法、基于信标时序补偿的传输方法和基于Lamb波的传输方法同时应用到实验环境中，设计对比实验。

2.1 实验设置

本实验旨在对比数据同步传输方法的性能，故以传输速率为主要评价指标，搭建实验环境。实验主要利用C#实验用户态的DS-dedupe系统，运行环境为Microsoft Compact Framework3.5。其客户端机器为Dell（R）Inspiron 620系列机，硬件中CPU配置为Intel（R）Core（TM）i3-21203.30，2 GB DDRIII内存，运行环境为Microsoft Windows 10旗舰版操作系统。本次通过Vivado2017.2 软件中的行为级模拟进行仿真验证，以此为基础开展实验研究。

2.2 实验指标

数据同步传输速率具体指的是在单位时间内（通常为1 s）通过通信线路上传输的比特数，其计算公式为：

V=tvnWlog2N（5）

其中，V为差动保护数据传输速率；W为传输到信道的数据量；t为电力数据在各个信道的传输时间；vn为数据在各个信道中的传输速度；N为数据的有效离散值。

2.3 实验结果分析

通过式（5）计算可得出3种方法的传输速率对比，结果如表1所示。

采用基于信标时序补偿的传输方法时，随着实验测试次数的增加，传输速率逐渐增高，但整体增高程度较低，约为8.94 Mbit/s；采用基于Lamb波的传输方法时，随着实验测试次数的增加出现快速增加的现象，但整体传输速率较低，约为8.02 Mbit/s；而采用本文传输方法时，随着实验测试次数的增加传输速率逐渐增高，且其传输速率均高于15.31Mbit/s，相比基于信标时序补偿的传输方法、基于Lamb波的传输方法分别提高了4.41Mbit/s、7.33Mbit/s。由此可证明，本文所提方法在传输速率方面具有显著优势，能够满足现代数据传输对高效、可靠性的需求。

3 结语

随着5G技术的不断发展和电力系统的日益复杂化，将5G技术应用于配电网差动数据传输中具有现实意义。本文通过深入分析5G技术的原理和特点，开展基于5G通信的配电网差动保护数据同步传输方法研究。实验结果表明，本文所提方法数据传输速率均高于15.31 Mbit/s，应用效果较好。未来，随着5G技术的不断发展和配电网的持续优化，基于5G通信的配电网差动保护数据同步传输方法将在电力系统中发挥更加重要的作用，为电力系统的安全、稳定、高效运行提供保障。

参考文献

［1］王元上，袁至，王维庆.提升抗时延抖动和数据异常性能的配电网故障自同步5G差动保护方案［J］.电力系统保护与控制，2024（5）：139-147.

［2］王峰，蔡德胜，於涛，等.配电网分布式差动保护数据同步方法［J］.供用电，2023（4）：31-38.

［3］程晓蕾，邓惠俊.移动平台终端隐蔽信道数据传输同步方法［J］.咸阳师范学院学报，2022（6）：28-33.

［4］濮宏飞，吴通华，姚刚，等.基于5G通信的有源配电网线路差动保护实用化方案［J］.电力系统自动化，2022（23）：117-124.

［5］马红桥，杨文忠，康鹏.基于NDN的区块链数据同步方法［J］.计算机工程与应用，2022（23）：117-125.

［6］祁欣学，宋俊廷，范子涛，等.“5G+MEC”在配网差动保护中的应用［J］.中国新通信，2022（4）：10-13.

［7］徐云飞，孙永顺，丁晓喜，等.基于Lamb波的数据传输与缺陷检测同步实现方法［J］.仪器仪表学报，2022（3）：24-31.

（编辑 沈 强编辑）

Study on the synchronous transmission method of differential protection data of

distribution network under 5G communication

QIAO" Dehai， LI" Xueliang， ZHANGnbsp; Tongtong

（Shandong Guowei Electric Power Engineering Co.， Ltd.， Liaocheng 252000， China）

Abstract： In view of the problem of low transmission rate of the existing differential protection data synchronous transmission method， this article uses 5G communication technology to carry out the synchronous transmission method of differential protection data of the distribution network. The method analyzes the distribution network data transmission of 5G private network architecture， uses the system message block SIB 9 and TA value to complete 5G terminal， base station and differential protection device time synchronization design， and then on this basis， builds the channel antiinterference

transmission model. The experimental results show that the transmission rate of the proposed method is higher than 15.31Mbit/s， better than the comparison method. The practical application effect is better.

Key words： 5G mobile communication technology; distribution network; synchronous data transmission