基于5G技術(shù)的配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)應(yīng)用

張星，徐文斌，趙東森

(國網(wǎng)寧夏電力有限公司銀川供電公司，寧夏 銀川，750011)

目前配電網(wǎng)除少量經(jīng)專線并網(wǎng)的發(fā)電廠站或分布式電源并網(wǎng)線路采用縱聯(lián)保護(hù)配置外，35 kV及以下配電網(wǎng)系統(tǒng)保護(hù)裝置一般僅配置兩段或三段式過流保護(hù)功能。城區(qū)配電網(wǎng)末端故障與首端故障短路電流差異很小，導(dǎo)致配網(wǎng)上下級(jí)保護(hù)定值配合困難，末端故障時(shí)常造成變電站低壓出線開關(guān)保護(hù)無選擇性跳閘，擴(kuò)大了停電范圍、延長了故障查找定位和搶修指揮時(shí)間；因此，有地區(qū)因電流瞬時(shí)速斷保護(hù)無保護(hù)范圍而將其退出運(yùn)行，也有地區(qū)因限時(shí)速斷保護(hù)在時(shí)限上無法與出口保護(hù)配合導(dǎo)致出口保護(hù)時(shí)限過長威脅主變安全而將其退出運(yùn)行[1]。目前只有部分發(fā)達(dá)地區(qū)及新能源場站并網(wǎng)線采用沿線路敷設(shè)光纜配置光纖縱差保護(hù)來解決上述問題，但是，從配網(wǎng)保護(hù)實(shí)際運(yùn)行情況看，沿線敷設(shè)光纜配置差動(dòng)保護(hù)的方法存在投資巨大、后期運(yùn)維困難等諸多問題，高速率、高容量、高可靠性、低延時(shí)與低能耗[2]的5G通信技術(shù)應(yīng)用為解決配網(wǎng)保護(hù)信息交互帶來新的路徑，不新增保護(hù)設(shè)備配置及通信光纜，從根本上解決配網(wǎng)保護(hù)選擇性差、可靠性不高這一難題。

1 配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)原理

配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)和主網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)原理相同，基于基爾霍夫定律，通過計(jì)算線路兩端設(shè)備的電流矢量差來判斷線路運(yùn)行狀態(tài)。正常情況下，流過線路兩端的電流幅值相同、相位相反，矢量合為零；而在故障情況下，線路兩端流過的電流矢量和不再為零，利用這一特征可以快速識(shí)別線路故障。

1.1 配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)的作用和現(xiàn)狀

差動(dòng)保護(hù)具有良好的快速性和選擇性，能夠快速準(zhǔn)確定位隔離故障點(diǎn)，縮小停電范圍，提高供電可靠性。保護(hù)定值整定只需躲過不平衡電流，不受系統(tǒng)運(yùn)行方式、短路容量、負(fù)荷電流等因素影響；動(dòng)作時(shí)限無需級(jí)差配合，不存在因時(shí)限配合造成上級(jí)保護(hù)延時(shí)過長等問題，有效提升配網(wǎng)保護(hù)可靠性。

配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)在實(shí)際應(yīng)用中要解決很多新問題、新難題，如：(1)配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)對電流互感器抗飽和程度提出了更高的要求，若電流互感器不能實(shí)現(xiàn)故障電流線性傳變，將會(huì)造成保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)[3]；(2)部分地區(qū)環(huán)網(wǎng)柜間聯(lián)絡(luò)配置為負(fù)荷開關(guān)，不具備開斷故障電流的能力；(3)差動(dòng)保護(hù)需要通道交互兩側(cè)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行差流計(jì)算，在配網(wǎng)中敷設(shè)光纖通道成本高和難度大，使用其他通道時(shí)延、抖動(dòng)精度又難以滿足要求。近年來，隨著配電網(wǎng)改造建設(shè)力度的不斷加大，大量負(fù)荷開關(guān)和不滿足要求的電流互感器被逐步更換，為配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)的配置奠定了基礎(chǔ)，但是保護(hù)通道問題始終沒能解決，對配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)建設(shè)形成巨大阻力。隨著高可靠、低時(shí)延的5G技術(shù)的推廣應(yīng)用，為解決配網(wǎng)保護(hù)信息交互帶來新的路徑。文獻(xiàn)[4]提出了以5G無線網(wǎng)絡(luò)作為信息傳輸通道，研究配電網(wǎng)自適應(yīng)差動(dòng)保護(hù)實(shí)現(xiàn)方法，并進(jìn)行場外5G基站環(huán)境測試，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)5G差動(dòng)保護(hù)技術(shù)的應(yīng)用。

1.2 配網(wǎng)5G差動(dòng)保護(hù)的原理和機(jī)制

配網(wǎng)5G差動(dòng)保護(hù)的優(yōu)勢是可以作為無死區(qū)的主保護(hù)使用，快速準(zhǔn)確地定位并切除故障，使故障對電網(wǎng)的影響降到最低。缺點(diǎn)是性能和可靠性依賴通信網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)還受到對時(shí)可靠性的影響。配網(wǎng)5G差動(dòng)保護(hù)由保護(hù)裝置、無線路由終端(CPE)、基站和對時(shí)裝置組成，如圖1所示。

圖1 配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)架構(gòu)

配網(wǎng)5G差動(dòng)保護(hù)裝置使用電纜與間隔電流互感器連接完成電流采樣，與CPE設(shè)備以網(wǎng)口連接，采用UDP/IP報(bào)文協(xié)議實(shí)現(xiàn)通訊。對時(shí)可采用由CPE設(shè)備提供的B碼對時(shí)信號(hào)，或由獨(dú)立的對時(shí)裝置采用485電口或光線口提供對時(shí)信息。保護(hù)動(dòng)作后通過控制電纜作用間隔斷路器實(shí)現(xiàn)跳閘及故障隔離。保護(hù)動(dòng)作信息以硬接點(diǎn)遙信方式傳至二次終端，二次終端通過網(wǎng)線傳遞信息至ONU，最終通過光纖以IEC104規(guī)約報(bào)文形式傳送至配電自動(dòng)化主站。

配網(wǎng)線路兩側(cè)差動(dòng)保護(hù)通過CPE設(shè)備接入5G網(wǎng)絡(luò)，建立連接后以2000～4000點(diǎn)/s的采樣頻率互相交互采樣數(shù)據(jù)。為保證數(shù)據(jù)交互實(shí)時(shí)性，5G差動(dòng)保護(hù)需要監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)通信狀況，判斷通道的延遲是否滿足要求，是否存在延遲超范圍、丟幀、誤碼、失步和數(shù)據(jù)幀順序錯(cuò)亂等情況，一旦出現(xiàn)異常應(yīng)能及時(shí)閉鎖保護(hù)，防止誤動(dòng)作。在故障情況下，根據(jù)差流和制動(dòng)電流的比例關(guān)系，判斷線路運(yùn)行狀態(tài)，區(qū)內(nèi)故障則執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作邏輯斷開兩側(cè)斷路器。

2 配網(wǎng)5G差動(dòng)保護(hù)的試點(diǎn)應(yīng)用

某省公司組織開展配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)試點(diǎn)測試，測試地位于某市城市能源互聯(lián)網(wǎng)綜合示范站。在距其20 m的110 kV變電站部署1座移動(dòng)5G基站，通過模擬單環(huán)網(wǎng)線路上環(huán)網(wǎng)柜間聯(lián)絡(luò)電纜兩側(cè)配置光纖差動(dòng)保護(hù)，解決配網(wǎng)多電源合環(huán)運(yùn)行保護(hù)的選擇性問題。本次測試5G組網(wǎng)方式為NSA非核心組網(wǎng)。

2.1 測試線路

模擬單環(huán)網(wǎng)線路上環(huán)網(wǎng)柜間聯(lián)絡(luò)電纜兩側(cè)配置光纖差動(dòng)保護(hù)，如圖2所示，在圖示F處發(fā)生短路故障。在傳統(tǒng)保護(hù)配置中，此處發(fā)生故障會(huì)由首級(jí)環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)進(jìn)線斷路器跳閘，造成整條線路失壓；配置光纖差動(dòng)保護(hù)后，僅切除F點(diǎn)兩側(cè)環(huán)網(wǎng)柜進(jìn)線斷路器，縮小了停電范圍。

圖2 測試原理

2.2 測試過程

將移動(dòng)5G行業(yè)卡訪問模式由互聯(lián)網(wǎng)設(shè)置為APN，2臺(tái)CPE設(shè)置為APN訪問模式。核實(shí)分配給PCS-9613配網(wǎng)光差差動(dòng)保護(hù)通訊地址，并將相應(yīng)通訊地址以配置形式下裝保護(hù)裝置內(nèi)，保護(hù)建立連接，實(shí)現(xiàn)差動(dòng)保護(hù)裝置計(jì)算通道最大延遲。測試3 h，結(jié)果如圖3所示：平均延遲27 184 μs；最大延遲137 379 μs；最小延遲11 354 μs。采樣報(bào)文丟包率測試中未發(fā)現(xiàn)丟包現(xiàn)象。

圖3 保護(hù)裝置測試結(jié)果

設(shè)置2臺(tái)裝置CP變比均為1000/1，分別給保護(hù)裝置加A相電流采樣。保護(hù)裝置采集并記錄采樣值，依照計(jì)算的通道延時(shí)回追采樣發(fā)生時(shí)刻采樣值，并與同一時(shí)刻保護(hù)裝置自身采樣值進(jìn)行差流計(jì)算。若回追采樣時(shí)刻與裝置定時(shí)采樣時(shí)刻不一致，即無直接采樣值可用時(shí)，則利用回追采樣時(shí)刻前后2個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)值，通過插值計(jì)算，獲取近似采樣值用于差流計(jì)算中。試驗(yàn)結(jié)果表明，依托5G網(wǎng)絡(luò)的差動(dòng)保護(hù)電流采樣正常，采樣測試結(jié)果如表1所示。

表1 兩側(cè)差動(dòng)保護(hù)采樣測試結(jié)果

配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)調(diào)試架構(gòu)如圖4所示。模擬單環(huán)網(wǎng)線路上環(huán)網(wǎng)柜間聯(lián)絡(luò)電纜兩端各自獨(dú)立配置差動(dòng)保護(hù)裝置，采用高精度對時(shí)裝置為兩側(cè)保護(hù)授時(shí)，通過CPE接入5G網(wǎng)絡(luò)建立差動(dòng)通道，實(shí)現(xiàn)保護(hù)信息交互。

向2臺(tái)保護(hù)施加故障電流，當(dāng)電流值達(dá)到定值后，裝置保護(hù)動(dòng)作，裝置報(bào)文及指示燈顯示正確，如圖5所示。

圖4 配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)調(diào)試架構(gòu)

圖5 保護(hù)裝置動(dòng)作

2.3 測試結(jié)果

(1)實(shí)踐證明，依托5G網(wǎng)絡(luò)建立差動(dòng)保護(hù)通道，可實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)信息交互，有效解決配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)通道建設(shè)難題，可行性和工程實(shí)用性高。

(2)在5G NSA試驗(yàn)環(huán)境下，裝置能夠通過5G信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，通道最大延遲137 379 μs，最小延遲11 354 μs，但是，存在網(wǎng)絡(luò)通道延時(shí)不穩(wěn)定問題，暫時(shí)無法滿足投入實(shí)際運(yùn)行的要求。

(3)差動(dòng)保護(hù)在通道延時(shí)可接受范圍內(nèi)，能夠計(jì)算通道延時(shí)并可靠獲取故障發(fā)生時(shí)刻采樣值進(jìn)行差流計(jì)算，從而判別故障狀態(tài)，動(dòng)作邏輯可靠。

3 結(jié) 論

與過流保護(hù)相比，差動(dòng)保護(hù)具有良好的速動(dòng)性、選擇性，能有效縮小停電范圍，提高供電可靠性，但在配電網(wǎng)使用差動(dòng)保護(hù)還存在諸多難題，尤其是差動(dòng)保護(hù)通道的建設(shè)，始終不能有效解決。針對此問題，結(jié)合5G技術(shù)的推廣應(yīng)用，利用其高可靠、低時(shí)延的技術(shù)優(yōu)勢開展配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)試點(diǎn)測試。經(jīng)測試證明：依托5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)差動(dòng)保護(hù)信息交互的方案合理可行，在配網(wǎng)工程中有極大的推廣應(yīng)用價(jià)值。測試結(jié)果同時(shí)也表明在5G NSA非核心環(huán)境下差動(dòng)保護(hù)通道延時(shí)不穩(wěn)定，為后續(xù)研究如何在5G SA核心組網(wǎng)技術(shù)下，利用以NFV及SDN為實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)[5]的5G超高可靠超低時(shí)延通信切片技術(shù)[6]等手段，針對差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)需求，分別建設(shè)包含5G無線接入資源、傳輸承載通道、核心網(wǎng)的端到端網(wǎng)絡(luò)，形成獨(dú)立的專供差動(dòng)保護(hù)應(yīng)用的網(wǎng)元，從而縮短數(shù)據(jù)交互時(shí)延，提高網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)水平，滿足差動(dòng)保護(hù)實(shí)際使用要求奠定基礎(chǔ)。