5G 通信下配電網(wǎng)差動保護數(shù)據(jù)同步方法研究與應(yīng)用

（南京國電南自電網(wǎng)自動化有限公司，南京 211153）

0 引言

隨著高滲透率有源配電網(wǎng)建設(shè)的推進，傳統(tǒng)配電網(wǎng)的三段式保護已很難滿足保護的靈敏性與選擇性要求，而電流差動縱聯(lián)保護則顯示出其適應(yīng)性[1-2]。差動保護高度依賴兩端數(shù)據(jù)的同步且有較大的數(shù)據(jù)量交互，傳統(tǒng)的差動保護以光纖作為通信通道，然而隨著配電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，光纖通道的敷設(shè)難度與代價日益增大。近年來，無線通信技術(shù)更新迭代、發(fā)展迅速，尤其是5G 通信網(wǎng)絡(luò)具有高可靠、低時延和高帶寬等優(yōu)點[3]，將其應(yīng)用于配電網(wǎng)的差動保護數(shù)據(jù)傳輸，為配電網(wǎng)建設(shè)提供了新的發(fā)展方向。

目前，5G 通信商用剛起步，將5G 應(yīng)用于配電網(wǎng)差動保護數(shù)據(jù)傳輸尚處于嘗試階段。G.Wikstr?m等人[4]采用5G 通信實現(xiàn)配電網(wǎng)線路差動保護；呂玉祥、王常玲等人[5-6]對5G 通信實現(xiàn)配電網(wǎng)線路差動保護等場景進行了應(yīng)用方案研究與探索。而針對消除5G 通信中時延抖動對差動保護數(shù)據(jù)同步帶來的影響，黃福全等人[7]提出了動態(tài)時間規(guī)劃算法，但該方法計算量大且涉及到保護判據(jù)修改，工程應(yīng)用難度較大；王廷凰等人[8]提出利用同一時鐘B 碼信號獲得數(shù)據(jù)同步的方法，但該方法依賴同步時鐘源信號，在特殊條件下系統(tǒng)將無法工作。因此，5G 通信在配電網(wǎng)差動保護應(yīng)用中如何消除時延抖動、實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步還需繼續(xù)深入研究。

本文分析了5G 通信相關(guān)參數(shù)對于配電網(wǎng)差動保護的適用性，根據(jù)簡單配電網(wǎng)模型分析了如何獲得數(shù)據(jù)傳輸時延的計算，提出了一種基于5G 傳輸?shù)呐潆娋W(wǎng)差動保護數(shù)據(jù)同步方法，結(jié)合傳統(tǒng)的插值方法與序號同步方法，利用接收的數(shù)據(jù)通過模型推導(dǎo)出時延進行插值，獲得新的序號排列從而完成數(shù)據(jù)同步。通過試驗驗證了所提數(shù)據(jù)同步方法的有效性。

1 5G 通信的應(yīng)用

1.1 配電網(wǎng)差動保護通信性能指標(biāo)

傳輸時延將影響到差動保護的速動性與可靠性，傳輸時延過大則很難滿足保護出口的時間要求[9-12]。在電力行業(yè)相關(guān)規(guī)范中，一般要求配電網(wǎng)的保護動作出口時間在60 ms 內(nèi)?？紤]到裝置內(nèi)數(shù)據(jù)處理與繼電器出口等時延，則通信時延要求在30 ms 以內(nèi)。而對于差動保護通信的可靠性要求與傳統(tǒng)光纖傳輸一致[13-16]。通信流量按照交流每個周期取24 個采樣點，每幀報文長度100 Byte計算，則至少需要帶寬960 kB/s，考慮通信帶寬裕度以及冗余發(fā)送需求，則需要帶寬2 MB/s 以上。

1.2 5G 通信性能測試

通過與中興公司合作，開展了5G 端到端通信的相關(guān)測試，基于中興提供的CPE（用戶駐地設(shè)備）完成了裝置組網(wǎng)測試，測試結(jié)果如表1 所示。盡管平均時延在15 ms 左右，但時延抖動較大，有近20%超過60 ms 的情況，對于配電網(wǎng)差動保護數(shù)據(jù)同步而言是個巨大挑戰(zhàn)。在進行專用網(wǎng)絡(luò)切片與邊緣計算等網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化后，能夠獲得更好的傳輸性能，傳輸時延抖動能夠控制在20 ms 以內(nèi)，這也為本文的數(shù)據(jù)同步方法提供了可能。

表1 性能測試結(jié)果

2 配電網(wǎng)數(shù)據(jù)分析

2.1 配電網(wǎng)拓?fù)渑c模型分析

智能配電網(wǎng)按控制方式可分為就地型與集中型。以集中型為例，如圖1 所示，DTU（配電網(wǎng)終端設(shè)備）完成對開關(guān)設(shè)備的位置信號、電壓電流等數(shù)據(jù)的采集與計算，通過5G 終端模塊CPE 與主站之間建立5G 通信聯(lián)系，完成數(shù)據(jù)上傳與命令執(zhí)行。主站需存儲網(wǎng)絡(luò)的全部拓?fù)湫畔?，獲取所有節(jié)點信息后，由主站進行數(shù)據(jù)處理、故障識別與命令發(fā)送。

圖1 配電網(wǎng)拓?fù)?/p>

圖1 中，M 段、N 段在正常運行時，可由π型等值電路或Bergeron 線路模型描述；當(dāng)線路中有故障發(fā)生時，則其故障網(wǎng)絡(luò)模型如圖2 所示。

圖2 區(qū)內(nèi)故障網(wǎng)絡(luò)模型

圖2 中：Uf為故障分量虛擬電源；IM1，IN1分別為保護區(qū)段M 端、N 端電流的故障分量；逆變類DG（分布式電源）等值為電流源與阻抗并聯(lián)的電路；ZM為故障點到母線間線路的阻抗；ZN為故障點到分布式電源的等值阻抗。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸時延計算

當(dāng)線路未發(fā)生故障時，對于圖1 中的M 段、N 段，由Bergeron 頻域模型知，若線路中M，N兩點間沒有其他分支回路，則可由其中一點的電壓電流計算出另一點的電壓電流?？疾霱 點和N點的電壓電流關(guān)系可知：

式中：UM和IM分別為線路首端M 點的電壓和電流；UN2和IN2分別為計算得到的N 點的電壓和電流；L0為線路長度；Zc和γ 分別為線路的波阻抗和傳播系數(shù)，并有：

式中：R，L 和C 分別為線路單位長度的電阻、電感和電容；ω 為工頻角頻率。

在數(shù)據(jù)同步情況下，根據(jù)式（1）計算得到的N 點電壓、電流應(yīng)與N 點測得的電壓、電流相同；如果兩側(cè)數(shù)據(jù)不同步，N 點數(shù)據(jù)超前M 點，則有：

利用線路M 側(cè)的電壓、電流計算得到N 側(cè)的電壓、電流，并與N 側(cè)的電壓、電流測量值進行比較，如采用電流差動保護，則有IN/IN2=ejωΔt，即可利用式（3）得到兩側(cè)數(shù)據(jù)的時間差Δt。

3 差動保護數(shù)據(jù)同步方法

3.1 實施步驟

基于配電網(wǎng)模型計算獲得數(shù)據(jù)傳輸時延后，DTU 具有高精度守時功能，即使外部B 碼源消失也能夠保持相當(dāng)長時間的精度，獲得等間隔采樣數(shù)據(jù)。由于差動保護兩端采用相同的采樣節(jié)拍，數(shù)據(jù)時間間隔相對固定，利用計算得到傳輸時延，插值重新獲得同步序列后，以序列號作為兩端數(shù)據(jù)同步參考。具體實施步驟如圖3 所示。

步驟1：主站獲取配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的基本參數(shù)信息，建立配電網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ汀?/p>

步驟2：DTU 獲取配電網(wǎng)線路的實時量測參數(shù)。

步驟3：差動保護兩側(cè)裝置通過5G 終端CPE 發(fā)送采樣值信息。

步驟4：主站接收到數(shù)據(jù)后，依據(jù)步驟1 建立的配電網(wǎng)數(shù)學(xué)模型，利用接收數(shù)據(jù)推導(dǎo)出描述差動保護另一側(cè)電流值的計算值。

步驟5：數(shù)據(jù)接收側(cè)計算本側(cè)電流數(shù)據(jù)與計算值的時間差，通過插值方式對本側(cè)采樣值數(shù)據(jù)進行處理，完成兩側(cè)采樣值報文的同步與序列匹配。

圖3 數(shù)據(jù)同步流程

步驟6：獲得序列匹配后，根據(jù)序列完成后續(xù)采樣值數(shù)據(jù)的同步，進行差動保護動作。

步驟7：故障發(fā)生后或線路兩側(cè)保護裝置重啟后，返回步驟2 重新獲得同步序列。

3.2 數(shù)據(jù)處理流程

圖4 所示為數(shù)據(jù)同步的過程示意，以M 側(cè)作為數(shù)據(jù)計算側(cè)、N 側(cè)作為數(shù)據(jù)對比側(cè)，當(dāng)M 側(cè)的采樣值報文序列號x 通過5G 傳輸?shù)街髡緯r，中間由于5G 傳輸已延遲了t1，此時到達(dá)N 側(cè)的采樣值報文序號在y+2 與y+3 之間；M 側(cè)報文到達(dá)后，主站根據(jù)配電網(wǎng)模型計算出x 報文采樣值對應(yīng)的N 側(cè)計算值，獲得與N 側(cè)實時采樣值的時間差，并根據(jù)該時間差對N 側(cè)數(shù)據(jù)向前插值獲得新的對應(yīng)同步序列。此后，雖然5G 通道傳輸時延t2，t3不相等，但是依然可以依靠其對應(yīng)的序列值x+1，x+2 找到N 側(cè)插值同步后的序列采樣點1 和2。但主站建立的配電網(wǎng)模型僅在線路故障未發(fā)生時有效，當(dāng)線路發(fā)生故障或裝置重啟后需要重新同步。

4 試驗驗證

圖4 數(shù)據(jù)同步的過程示意

為考證所提數(shù)據(jù)同步方法及實現(xiàn)方案的可行性，基于某單位最新研制的低壓保護終端平臺，開發(fā)了基于5G 通信數(shù)據(jù)同步方法的電流差動保護樣機，對裝置組網(wǎng)后的5G 通信能力、數(shù)據(jù)同步能力和保護性能進行了綜合測試（見圖5）。試驗沿用保護裝置原有的保護算法，僅改變數(shù)據(jù)傳輸通道，由主站模擬發(fā)送交流采樣報文，DTU 收到正確校驗的采樣值報文后，計算獲得通信時延。

圖5 試驗場景

試驗中，配電網(wǎng)輸電線路總長度L0=20 km；輸電線路電氣參數(shù)R=0.105 Ω/km，L=1.258 mH/km，C=0.28 mF/km，ω=100π。

采樣值報文按照24 點/交流周期的頻率發(fā)送，統(tǒng)計1 s 時間DTU 收到的報文計算時延，結(jié)果如圖6 所示。

試驗結(jié)果顯示：區(qū)域自組網(wǎng)基于5G 通信技術(shù)的差動保護通信時延小于18 ms，誤碼率優(yōu)于10-8，綜合性能基本達(dá)到現(xiàn)有移動通信最高水平，完全滿足差動保護技術(shù)要求，測試結(jié)果與理論分析基本吻合?？紤]到試驗裝置保護出口時間小于30 ms，在主站差動保護啟動后，配電網(wǎng)線路兩端保護跳閘時間小于50 ms，最大程度地減少了故障停電范圍和停電時間，進一步提高了配電網(wǎng)運行可靠性。

圖6 報文時延計算值

5 結(jié)語

本文介紹了一種基于5G 通信技術(shù)的配電網(wǎng)差動保護數(shù)據(jù)同步方法。首先結(jié)合5G 通信的技術(shù)指標(biāo)分析了其可行性，接著分析了如何根據(jù)建立的配電網(wǎng)模型計算數(shù)據(jù)相位時間差，并給出了所提方法的具體同步過程。所提方法結(jié)合了插值同步方法與序號同步方法的特點，可以有效避開5G 傳輸?shù)耐ǖ罆r延抖動，不依賴同步源，當(dāng)兩側(cè)數(shù)據(jù)同步在一個交流周期內(nèi)的誤差條件下時，系統(tǒng)依然可以正常工作。試驗結(jié)果表明，該方法可以有效實現(xiàn)配電網(wǎng)在5G 通信下的數(shù)據(jù)同步。