5G在配電網(wǎng)繼電保護中的應(yīng)用

穆艷妮

摘 要：隨著風(fēng)電、光伏等新能源的大量應(yīng)用，電網(wǎng)規(guī)模不斷擴大、結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，特高壓交直流間耦合日益緊密，大量電力電子設(shè)備的不斷應(yīng)用使得電網(wǎng)對故障的承受能力日漸降低，繼電保護的性能要求也愈發(fā)嚴苛。當(dāng)電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)復(fù)雜或需要多級配合時，傳統(tǒng)相互獨立的保護無法兼顧速動性和選擇性要求，現(xiàn)有電力通信技術(shù)已逐漸無法滿足電力系統(tǒng)的發(fā)展需求，因此必須研究適用于繼電保護領(lǐng)域的新型電力信息交互通信技術(shù)。

關(guān)鍵詞：5G;縱聯(lián)保護;通信異常;繼電保護

引言：長期以來，配電網(wǎng)繼電保護主要依靠本地信息進行故障判別，上下游通過定值整定和時間級差進行配合，故障切除時間長，且不適應(yīng)存在分布式電源的情形。借助完善的通信手段，上下游保護能夠交換更多的信息，構(gòu)成縱聯(lián)保護甚至區(qū)域保護，可以大幅提高繼電保護性能，縮短故障切除時間。在光纖通信基礎(chǔ)設(shè)施覆蓋率低的地區(qū)，5G通信以其高速率、大容量、低時延的特性，引起了繼電保護工作者的高度關(guān)注。然而無線通信的不確定性，需要繼電保護本身做一些適應(yīng)性的改變，通信接口的標準化也亟待解決。

1 5G通信承載差動保護的關(guān)鍵技術(shù)

1.1uRLLC場景概述

uRLLC場景是5G通信定義的三個應(yīng)用場景之一，主要面向物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，具有高可靠、低延時的特點。uRLLC場景對時延的要求是用戶面上行、下行時延目標均為0.5ms，對可靠性的要求是用戶面時延1ms內(nèi)傳送32字節(jié)包的可靠性為99.999%，與差動保護對縱聯(lián)通道的要求基本一致。為了保證uRLLC場景對低時延和可靠性的嚴格要求，5G通信從提高空口傳輸效率、優(yōu)化信道編碼、擴充無線幀結(jié)構(gòu)、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、減少中間傳輸節(jié)點數(shù)量等多方面進行了針對性設(shè)計。uRLLC場景承載配電網(wǎng)差動保護業(yè)務(wù)所應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：SA獨立組網(wǎng)、MEC邊緣計算、網(wǎng)絡(luò)切片、頻譜和天線技術(shù)、空口子幀結(jié)構(gòu)等。

1.2SA獨立組網(wǎng)

5GNR的全稱為5GNewRadio，也稱為新空中接口，5GNR是相對于5GCore核心網(wǎng)來說的。4G網(wǎng)絡(luò)要求空中接口和核心網(wǎng)必須統(tǒng)一演進，而5G網(wǎng)絡(luò)將其分開，5GNR和5GCore可以各自獨立演進，由此帶來了SA獨立組網(wǎng)和NSA非獨立組網(wǎng)兩種方式。在技術(shù)層面上，SA獨立組網(wǎng)是最佳的選擇，但考慮節(jié)約投資的原因，現(xiàn)有龐大的4G網(wǎng)絡(luò)可采用NSA非獨立組網(wǎng)方式逐步向5G演進。對比SA和NSA兩種組網(wǎng)方式，SA獨立組網(wǎng)支持MEC邊緣計算、網(wǎng)絡(luò)切片等技術(shù)，具備更強的加密算法、更安全的隱私設(shè)置、更低的網(wǎng)絡(luò)延時和更高的可靠性。理論上SA獨立組網(wǎng)相較于NSA非獨立組網(wǎng)更適合配電網(wǎng)差動保護業(yè)務(wù)的實施，具體網(wǎng)絡(luò)性能還需要進一步驗證。

1.3MEC邊緣計算

5G核心網(wǎng)相較4G核心網(wǎng)而言，重新定義為核心網(wǎng)和MEC（MobileEdgeComputing）邊緣計算兩部分。MEC將原有核心網(wǎng)的部分用戶面功能下沉至邊緣云計算，改變了原有通信必須全部經(jīng)過核心網(wǎng)傳輸?shù)姆绞剑峁┝艘环N在MEC進行計算和傳輸?shù)姆?wù)，能夠有效地降低通信延時，降低核心網(wǎng)流量負擔(dān)。MEC的思想類似于計算機的內(nèi)存和緩存，將常用的信息存儲在MEC，或者將特有的信息經(jīng)過MEC進行快速轉(zhuǎn)發(fā)，能夠降低用戶的通信延時。用戶平面功能（UserPlaneFunction，UPF）是MEC系統(tǒng)的重要組成網(wǎng)元，主要用于處理數(shù)據(jù)在邊緣網(wǎng)絡(luò)的分發(fā)導(dǎo)流。在配電網(wǎng)差動保護的應(yīng)用中，使用UPF下沉技術(shù)能夠進一步縮短傳輸路徑，降低差動保護的通信延時。配電網(wǎng)差動保護在使用MEC邊緣計算和UPF下沉技術(shù)時，通信數(shù)據(jù)傳輸路徑可直接通過UPF導(dǎo)流，不必再經(jīng)過核心網(wǎng)，可進一步降低延時。

2基于5G通信的繼電保護信息交互技術(shù)

2.1基于5G通信的電網(wǎng)繼電保護通信性能需求

基于5G通信的縱聯(lián)保護的報文格式、網(wǎng)絡(luò)帶寬、通道時延、通道穩(wěn)定性應(yīng)滿足現(xiàn)有繼電保護技術(shù)的需求。5G通信網(wǎng)絡(luò)傳輸TCP/IP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層報文，其核心為TCP和UDP協(xié)議?？v聯(lián)保護縱聯(lián)信息現(xiàn)有光纖傳輸模式和UDP協(xié)議類似，屬于非“面向連接”報文，信息的發(fā)送和接收無需兩端先建立連接和對話確認?？紤]到現(xiàn)有光纖傳輸模式的延續(xù)性，基于5G通信的電網(wǎng)繼電保護信息交互報文類型宜優(yōu)先采用UDP報文。整個通信幀除應(yīng)用數(shù)據(jù)外共有58字節(jié)，加上UDP報文前導(dǎo)碼8字節(jié)，幀間距12字節(jié)，共78字節(jié)。應(yīng)用數(shù)據(jù)按照傳輸數(shù)據(jù)較多縱聯(lián)差動保護裝置考慮，傳輸信息包括三相電流采樣值或相量值、三相電壓采樣值或相量值、地址碼、采樣序號或時標和應(yīng)用層加密的數(shù)字認證字段，考慮一定備用擴展裕度，縱聯(lián)通道的設(shè)計報文長度小于170字節(jié)。工程應(yīng)用中縱聯(lián)通道的發(fā)送采樣值的頻率大部分為1200幀/s，因此單個裝置占用5G帶寬小于1.65Mbps。

2.2基于5G通信的電網(wǎng)繼電保護信息流架構(gòu)

結(jié)合不同電壓等級電力線路的地理距離和5G通信網(wǎng)絡(luò)的接入環(huán)、匯聚環(huán)、核心環(huán)的覆蓋范圍，應(yīng)用邊緣計算技術(shù)，配電網(wǎng)實現(xiàn)保護信息的交互宜在同一接入環(huán)完成，110kV電力網(wǎng)絡(luò)的保護信息交互宜在匯聚環(huán)完成，220kV電力網(wǎng)絡(luò)的保護信息交互宜在核心環(huán)完成。聯(lián)保護技術(shù)中，線路兩側(cè)點對點通過網(wǎng)絡(luò)傳輸電力信息。保護裝置通過安裝所在地基站無線連接至5G接入環(huán);采用網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)實現(xiàn)虛擬專用網(wǎng)絡(luò)、專用帶寬，保證傳輸穩(wěn)定性;采用邊緣計算技術(shù)，實現(xiàn)傳輸路由最優(yōu)，縮短傳輸延時，提升穩(wěn)定性。針對核心網(wǎng)，為滿足繼電保護傳輸時延要求，專網(wǎng)切片中應(yīng)當(dāng)提供專用的具備邊緣計算功能（MEC）的用戶端口功能（UPF）用于接入和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)流量。根據(jù)時延需求估算，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)側(cè)時延要求10ms及以下時，建議部署UPF在普通匯聚或基站點機房;網(wǎng)絡(luò)側(cè)時延要求為10～20ms時，建議部署UPF在傳輸距離不超過200km的骨干匯聚機房或城域核心機房;網(wǎng)絡(luò)側(cè)時延要求為20～30ms時，建議部署UPF在傳輸距離不超過500km的城域核心或省中心機房。針對傳輸網(wǎng)，為滿足繼電保護業(yè)務(wù)具備確定性服務(wù)質(zhì)量的承載要求，切片分組網(wǎng)絡(luò)（SPN）引入靈活以太網(wǎng)（FlexE）技術(shù)和分段路由技術(shù)（SR-TP），在轉(zhuǎn)發(fā)層面提供基于時分鏈路的端到端傳輸管道，具有低時延、透明傳輸、硬隔離等特征?？蓪崿F(xiàn)客戶數(shù)據(jù)的接入/恢復(fù)、增加/刪除操作維護管理（OAM）信息、數(shù)據(jù)流的交叉連接，以及監(jiān)控和保護等功能。

2.3基于5G通信的電網(wǎng)繼電保護信息加密技術(shù)

電網(wǎng)業(yè)務(wù)作為5G通信網(wǎng)絡(luò)中的一部分業(yè)務(wù)，一般是通過網(wǎng)絡(luò)切片方式實現(xiàn)業(yè)務(wù)之間的無線頻譜資源的隔離，進而滿足繼電保護通信安全性的要求。無線頻譜資源的隔離可以分為物理隔離和邏輯隔離。物理隔離方式的覆蓋范圍、覆蓋效果、傳輸速度、資源分配靈活性通常不如共享頻譜，并且頻譜租賃代價極為高昂;且邏輯隔離方式也分為軟隔離和硬隔離技術(shù)，其中，軟隔離通過虛擬局域網(wǎng)（VLAN）標簽與網(wǎng)絡(luò)切片標識的映射實現(xiàn)隔離，無法做到硬件、時隙層面的隔離;硬隔離方案基于靈活以太網(wǎng)（FlexE）技術(shù)實現(xiàn)獨占時隙的特性。

結(jié)束語：本文介紹了5GuRLLC場景實現(xiàn)低延時、高可靠通信的關(guān)鍵技術(shù)，分析了差動保護采用5G通信時的技術(shù)難點，提出了一種基于5G通信的配電網(wǎng)差動保護實現(xiàn)方案，驗證了5G通信技術(shù)承載配電網(wǎng)差動保護業(yè)務(wù)的可行性。基于5G通信的差動保護性能可以滿足配電網(wǎng)對保護的要求。

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