基于5G的高精度同步相量測量及測試方法

徐全，袁智勇，雷金勇，林躍歡，劉胤良，何思名，林心昊

(南方電網科學研究院，廣州510663)

0 引言

利用5G大帶寬、低延時、高可靠、低能耗、大連接、高精度同步、支持切片和安全性能高的優(yōu)勢，可以推動當前通信條件下無法實現(xiàn)或難以推廣的新技術的應用，從而提升配電網的可測、可觀和可控水平，為實現(xiàn)“安全、可靠、綠色、高效”的智能配電網提供基礎[1]。5G技術在配電網中的應用主要集中在解決當前智能電網量測不足、可觀不足和可控不足3個方面。

在解決當前電網量測不足的問題方面，利用配網同步相量測量技術的準確性、快速性、可靠性和擴展性，可以有效提升配電網的可測水平，但由于存在絕對時間難以同步，且當前配網桿塔眾多及配電房條件苛刻，無光纖接口，可靠性較差，通信延時較長等因素，直接影響了應用的效果。通過5G的低延時和高精度同步對時功能，可實現(xiàn)配網同步相量測量裝置(phasor measurement unit，PMU)的推廣應用，可監(jiān)測電網的同步相量、動態(tài)特性等。機器人、無人車，主要使用WIFI接入，大多保留在本地，無法實時上傳遠程監(jiān)控中心；無人機由于通信限制，有效控制半徑較短，巡線范圍有限；大量配電房光纖覆蓋難度大，仍缺乏視頻安防及環(huán)境監(jiān)控。通過5G的大帶寬和低延時的優(yōu)勢，可實現(xiàn)移動式機器人、巡檢無人機、巡檢無人車、高清攝像頭實時上傳和控制的應用，擴大線路、配電房等巡檢范圍和巡檢效率。當前小微傳感器受通信的限制，無法實現(xiàn)低功耗、長距離以及海量接入。通過5G的低功耗大連接，有望實現(xiàn)小微傳感器等智能傳感的大面積應用，實現(xiàn)電網大量節(jié)點的量測。

在提升配電網可觀性水平方面，當前用戶終端數(shù)據(jù)多采用230 M、3G/4G無線公網等方式，整體呈現(xiàn)低精度、低時間分辨率等特點，無法進行負荷模型高精度在線辨識。利用5G的大連接、低時延，可以推動負荷辨識裝置和智能用電終端的推廣應用，可以實現(xiàn)負荷的高精度在線辨識，為高級應用提供準確可靠的負荷模型。當前故障定位技術由于缺少低成本的同步對時和同步相量，導致定位精度難以保證。利用5G高精度同步對時的功能，可實現(xiàn)融合故障診斷與精確定位功能的終端，提升電網在故障下的可控水平。

在提升配電網源網荷的可控水平方面，隨著大規(guī)模分布式電源和電動汽車等柔性負荷的接入，配電網的運行狀態(tài)更加復雜多變，而當前通信無法滿足海量終端的接入。利用5G低能耗大連接的優(yōu)勢，可實現(xiàn)融合分布式電源監(jiān)控、緊急孤島的智能終端，可以促進新能源消納，緊急情況可形成孤島或微電網保證重要負荷的應急供電。受配網通信可靠性低、無同步對時功能，當前配網保護多采用簡單的過流、過壓邏輯，不依賴通信，難以實現(xiàn)分段隔離，停電影響范圍擴大。利用5G高精度同步對時功能，可實現(xiàn)融合差動保護和配網PMU的智能終端，實現(xiàn)縮短故障持續(xù)時間，保障電網安全。當前配網采用光纖通信成本較高，無線通信延時較長且可靠率較低，無法滿足分布式電源及負荷快速控制對通信要求。利用5G大帶寬、低時延、高可靠的優(yōu)勢，可實現(xiàn)融合負荷控制、快速電壓控制和自愈控制的新一代智能配電自動化終端，通過柔性負荷參與需求側響應，提升用戶供電的可靠性和電能質量。

同步相量測量裝置是配電網近幾年出現(xiàn)的對授時和通信要求均很高的新一代配網終端。本文重點從對時方面、通信時延和帶寬方面，闡述了5G在配電網同步相量測量中的應用，同時搭建了適配5G的配網同步相量測量裝置測試平臺，進行了實驗室環(huán)境、現(xiàn)場測試環(huán)境和示范工程的測試，驗證了5G可以滿足配網同步相量測量裝置對時、通信和帶寬方面的要求。

1 基于5G的高精度同步相量測量

隨著同步相量測量裝置在發(fā)電、輸電和變電中應用，目前已在配電網的變電站、配電房、桿塔、新能源并網點進行推廣應用[2 - 3]。主網PMU的高級應用主要集中在監(jiān)測，但是配網PMU相較于主網PMU，增加了故障診斷、故障定位、源網荷協(xié)調控制、平滑新能源波動、提升配網電壓合格率等功能[4 - 6]。主網PMU一般安裝在220 kV及以上變電站等控制室，由于安裝于室內的標準屏柜上，環(huán)境相對較好。但配網PMU不僅可能安裝在變電站，同時有可能安裝在配電房、柔性負荷用戶，甚至桿塔，受安裝環(huán)境及成本限制，可能采用無線通信，并使用PMU裝置內部的對時模塊進行對時。

同步相量測量裝置在配電網推廣應用過程中，考慮目前通信無法實現(xiàn)高精度對時，需PMU裝置內置GPS模塊，或在現(xiàn)場安裝GPS裝置，導致一方面造成成本居高不下，同時在現(xiàn)場安裝過程中GPS天線很難無遮擋，導致GPS信號差，時間質量差；另一方面給設計和現(xiàn)場安裝工作帶來很大難度，對安裝PMU裝置的環(huán)境也提出了較高的要求。當前很多桿塔及配電房條件較苛刻，無光纖及有線網絡接口，且鋪設光纖投資成本高。在這種情況下，目前采用內置4G模塊的同步相量測量裝置。在現(xiàn)場實際應用過程，4G信號穩(wěn)定性較差，存在一定的丟包率，同時難以滿足同步相量快速上傳的帶寬要求，影響主站高級應用功能的應用效果。針對大量分布式電源及充電樁接入，配電網波動較大，為平滑聯(lián)絡線的功率波動，提高配電網電壓的合格率，所以在配電網應用過程中要求同步相量測量裝置有較低的傳輸延時及較高的通信可靠率。目前基于4G的傳輸延時波動較大、延時較長，難以滿足配電網對閉環(huán)實時控制的要求，具體如表1所示。

表1 基于5G的高精度同步相量測量的優(yōu)勢Tab.1 Advantages of high precision synchronous phasor measurement based on 5G

本文結合國內外標準[7 - 10]，進行了實驗室環(huán)境、現(xiàn)場測試環(huán)境和示范工程測試。對時方面，通過現(xiàn)場2個基于5G對時秒脈沖與標準時鐘源秒脈沖進行對比測試，測試結果表明誤差均在300 ns以內，滿足PMU裝置對時精度1 μs的要求；通信時延方面，經過PMU長時間的測試，結果表明PMU至主站雙向最大延時小于14 ms，可以滿足PMU對通信延時的較高要求；在帶寬方面，在程序不做任何限制的極限條件下，5G依然能滿足PMU對可靠率及帶寬的要求。

通過5G對時模塊，實現(xiàn)同步相量測量裝置的對時問題，可以解決現(xiàn)場GPS天線安裝困難及GPS裝置成本高的問題。通過5G可以解決同步相量測量裝置對通信的可靠率及帶寬的要求。通過5G可以解決配網同步相量測量裝置對傳輸延時的要求。5G優(yōu)越的通信性能包括較短的延時、極高的可靠率、高精度的對時、極高的帶寬等，將為PMU等新一代配網終端在電網新場景的應用提供通信及對時基礎。

2 基于5G的同步相量測量裝置測試平臺

配電網廣域相量測量系統(tǒng)信息采集與控制采用5G無線系統(tǒng)進行通信，測試系統(tǒng)如圖1所示。PMU設備提供1個業(yè)務網口：網口負責配電網廣域測量系統(tǒng)信息采集和控制業(yè)務，該網口通過交換機與5G測試用戶設備(test user equipment，TUE)進行信息采集和控制業(yè)務的通信。5G TUE與5G基站通過無線空口進行通信。5G 無線基站通過無線空口完成5G TUE的授時，然后通過IRIG-B協(xié)議接口將時間信息發(fā)給PMU設備，實現(xiàn)PMU設備的時間同步。外接筆記本提供時延展示功能，通過顯示器展示PMU與WAMS主站之間的ping測時延。通過繼保設備測試儀給同步相量測量裝置加量，對廣域相量測量系統(tǒng)主站測試驗證。

圖1 基于5G的配電網同步相量測量裝置測試系統(tǒng)Fig.1 PMU test system of the distribution network based on 5G

3 基于5G的同步相量測量裝置對時測試

TUE從5G無線基站獲取的時間記為T1， GPS的時間記為T2， 則時間誤差記為Terrot， 計算公式如式(1)所示。

Terrot=|T1-T2|

(1)

將TUE和GPS輸出的PPS(pulse per second)信號分別接入示波器的測量端子1和端子2，測試架構如圖2所示。測量2個信號記錄的最大偏差即授時精度誤差并記錄測量結果。2臺基于5G的TUE對時信號與標準GPS信息進行對比，測試波形如圖3所示，波形分別為基于5G的TUE1秒脈沖、TUE2秒脈沖、GPS裝置秒脈沖。通過現(xiàn)場2個基于5G對時的TUE秒脈沖及標準GPS秒脈沖對比，測試結果為2臺TUE及標準GPS裝置秒脈沖的誤差均在300 ns以內，目前國家標準對PMU裝置的對時精度要求為1 μs，所以基于5G的對時精度滿足PMU裝置的指標要求。

圖2 基于5G對時精度測試示意圖Fig.2 Schematic diagram of timing accuracy test based on 5G

4 基于5G的同步相量測量裝置帶寬測試

正常情況上傳實時數(shù)據(jù)，以100幀/s上傳實時數(shù)據(jù)；特殊情況即故障發(fā)生時，主站召錄波數(shù)據(jù)，由于是非實時數(shù)據(jù)，主站將限制每幀的大小，以減小對帶寬的壓力。為測試極端情況下5G能否滿足配電網同步相量測量裝置的要求，在程序不做任何條件限制下，讀取動態(tài)錄波數(shù)據(jù)。測試系統(tǒng)架構圖及測試結果如圖4—5所示。測試結果表明基于5G的同步相量測量裝置在1 000 kbps依然能滿足其帶寬要求。同時在現(xiàn)場通過繼電保護測試儀進行加量，在主站可以實時正確顯示電壓電流值。

圖4 帶寬及基本功能測試系統(tǒng)圖Fig.4 Bandwidth and basic function test system

5 基于5G的同步相量測量裝置時延測試

將2個TUE接入5G網絡，使用PING工具，在PMU上對WAMS主站進行PING包，記錄PING時延得到的最大時延、最小時延以及平均時延。測試系統(tǒng)圖如圖6所示，通過PMU與遠程主站的PING時延測試整個網絡的通信延時。1 627包測試報文結果如圖7所示，通過計算得到最大雙向延時為13.727 ms，平均雙向延時為10.729 4 ms，均方根延時為10.760 ms，且丟包率為0幀。所以目前延時小于14 ms(PMU至主站單向時延小于7 ms)可以滿足PMU對通信延時的要求。為與4G信號進行對比，在示范工程現(xiàn)場對同一款基于4G的PMU裝置進行PING測試，雙向延時最大為168.678 ms，丟包率達到53%?？梢钥闯龌?G的同步相量測量裝置的測試結果明顯優(yōu)于基于4G的同步相量測量裝置。

圖5 基于5G的基本功能及帶寬測試波形Fig.5 Basic function and bandwidth test waveforms based on 5G

圖6 通信延時測試系統(tǒng)圖Fig.6 Communication delay test system

6 結語

對同步相量測量裝置的基本功能進行測試，測試結果表明5G可以滿足PMU裝置基本功能；基于5G的同步相量測量裝置在不做任何限制下召錄波數(shù)據(jù)即極限條件下，依然能滿足其帶寬要求。通過現(xiàn)場基于5G對時的TUE秒脈沖及標準GPS秒脈沖對比，測試結果為2臺TUE及標準GPS裝置秒脈沖的誤差均在300 ns以內，滿足PMU裝置的指標要求。通過PMU與遠程主站的PING測試整個網絡的通信時延，延時小于14 ms(PMU至主站單向時延小于7 ms)可以滿足PMU對通信延時的要求。以上測試結果表明基于5G的同步相量測量裝置完全滿足配電網的要求。5G優(yōu)越的通信性能包括較短的延時、極高的可靠率、高精度的對時、極高的帶寬等，將節(jié)省新一代配網終端應用帶來的GPS投入及光纖等通信投入，將為新一代配網終端在電網新場景的應用提供通信和對時基礎。