5G在配電網(wǎng)繼電保護中的應用

王丹

摘 要：隨著時代的不斷發(fā)展與進步，技術的不斷提高，人們物質(zhì)生活越來越好，然而5G也被廣泛的應用。因此，基于繼電保護通信性能要求，從報文格式、帶寬需求、傳輸延時、通信架構、安全性和數(shù)據(jù)同步技術等方面探討了5G通信在繼電保護中應用的可行性。進一步地，明確基于5G通信的縱聯(lián)保護在配電系統(tǒng)中應用的優(yōu)越性和在中高壓電力系統(tǒng)中應用時基于網(wǎng)絡結(jié)構和轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議的優(yōu)化方向。最后，針對誤碼、丟幀、通信中斷、延時異常、授時異常等異常情況，提出了基于5G通信的縱聯(lián)保護的保護策略，為5G通信技術在電力系統(tǒng)繼電保護領域的工程應用提供參考。

關鍵詞：5G;配電網(wǎng);繼電保護;應用

引言

全球通信正處于4G向5G的迭代過程中，相比4G及以前的通信系統(tǒng)，5G業(yè)務擴展至三大場景，即增強型移動寬帶（eMBB）、大連接物聯(lián)網(wǎng)（mMTC）和低時延、高可靠通信（uRLLC），業(yè)務需求發(fā)生重大變化，更快的速率、更低的時延及海量連接，不僅對個人生活產(chǎn)生深遠的影響，同時給社會發(fā)展帶來了變革，驅(qū)動新的應用場景及新的業(yè)務形態(tài)，正在創(chuàng)造“萬物互聯(lián)”的新時代。在配電網(wǎng)繼電保護發(fā)展進程中，傳統(tǒng)通信方式難以滿足配電網(wǎng)繼電保護發(fā)展需求，迫切需要構建安全可信、接入靈活、雙向?qū)崟r互動的“泛在化、全覆蓋”電力通信網(wǎng)絡，并采用先進、可靠、穩(wěn)定、高效的新興通信技術及系統(tǒng)予以支撐，從簡單的業(yè)務需求被動滿足逐步向業(yè)務需求主動引領而轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)配電網(wǎng)繼電保護業(yè)務接入、承載、安全及端到端的自主管控。5G作為目前先進的通信技術手段，以其大帶寬、低時延、高可靠、廣連接、泛在網(wǎng)等諸多優(yōu)勢，可以在許多場景逐步替代有線網(wǎng)絡的部署，尤其是5G的切片技術，可以為電網(wǎng)提供虛擬的專網(wǎng)服務，大大降低信息傳輸過程中出現(xiàn)的延遲和丟包，滿足電網(wǎng)生產(chǎn)中實時監(jiān)測、實時控制等業(yè)務需求。5G配電網(wǎng)繼電保護的應用推廣，以高安全、高可靠的無線網(wǎng)替代傳統(tǒng)電力通信網(wǎng)，可以大大降低電力行業(yè)光纜建設成本，實現(xiàn)降本增效。

1 5G在繼電保護中的應用前景

從電力信息通信技術現(xiàn)狀可以看出，電力系統(tǒng)有線通信信道存在敷設困難、故障定位困難以及長距離通信可靠性不足的缺點，而現(xiàn)有無線通信信道雖然沒有有線信道的缺點，但是存在信道延時較高、帶寬不足和可靠性低等缺點。與現(xiàn)有4G無線專網(wǎng)相比，5G無線通信技術使用一系列先進技術，如大規(guī)模多天線通信技術、空-時-頻3維信道建模技術、低密度奇偶校驗碼和極化碼技術、同時同頻全雙工技術、新型多址技術以及基于云的無線接入網(wǎng)架結(jié)構技術等，保證了高帶寬、低延時、低功耗、高密度連接和高可靠性等業(yè)務目標的實現(xiàn)，其與現(xiàn)有的4G無線專網(wǎng)通信性能。5G網(wǎng)絡各方面性能明顯優(yōu)于4G無線專網(wǎng)，因而在電力信息通信方面具有更廣闊的應用前景。光纖通信網(wǎng)絡在建設時，存在建設成本高、長距離通信需設中繼站等缺點，但建成后，其通信特性優(yōu)良。因此在存量光纖網(wǎng)絡范圍內(nèi)，無需采用5G網(wǎng)絡進行替換，而在光纖骨干網(wǎng)絡未覆蓋到的范圍，可考慮采用5G通信方式，提高通信網(wǎng)絡建設的經(jīng)濟性。繼電保護信息通信在電力信息通信安全中屬于生產(chǎn)控制I區(qū)，其可靠性要求為99.999%，延時要求為實時控制（毫秒級），授時精度要求為10μs。5G通信的性能指標已達到繼電保護領域的通信要求，可應用于繼電保護通信技術領域，降低通信通道的建設成本，提升通信可靠性。

2 5G網(wǎng)絡切片技術概述

5G網(wǎng)絡切片是5G服務垂直行業(yè)的關鍵切入點。在SA架構下，切片可將網(wǎng)絡虛擬為多個端到端的、不同特性的邏輯子網(wǎng)，如大帶寬切片、低時延切片等，可滿足不同垂直行業(yè)、應用場景的差異化需求。傳統(tǒng)4G網(wǎng)絡提供單一的服務類型，而不同業(yè)務對網(wǎng)絡速率、時延等要求有所區(qū)別，因此4G無法很好地應用于多種多樣的移動終端之間的連接。5G網(wǎng)絡切片可以在基礎網(wǎng)絡設備中劃分出多個邏輯隔離的端到端虛擬網(wǎng)絡，形成一種新型網(wǎng)絡構架，滿足差異化、多樣化的應用需求。5G網(wǎng)絡切片相比傳統(tǒng)網(wǎng)絡具有明顯的優(yōu)勢：各個切片的帶寬、時延等指標需求可以定制，空口資源、傳輸資源、核心網(wǎng)資源能得到有效保證，切片之間隔離度高，切片之間的故障、網(wǎng)絡擁塞等問題不會互相影響，借助統(tǒng)一建設的基礎網(wǎng)絡設備可實現(xiàn)快速切片開通、快速業(yè)務部署。

3 5G在配電網(wǎng)繼電保護中的應用

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。在光纖通信基礎設施覆蓋率低的地區(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性的改變，通信接口的標準化也亟待解決。本期專題“5G在配電網(wǎng)繼電保護中的應用”共錄用了5篇文章。《5G技術在配電網(wǎng)繼電保護中的實踐和驗證》描繪了5G增強型移動寬帶（eMBB）、大連接物聯(lián)網(wǎng)（mMTC）和低時延、高可靠通信（uRLLC）三大應用場景，重點介紹了網(wǎng)絡切片、邊緣計算等關鍵技術，部署了適應智能配電網(wǎng)需求的5G專網(wǎng)，對差動保護、無人機線路巡檢、三遙、視頻監(jiān)控等應用場景進行了測試，驗證了5G技術用于智能配電網(wǎng)核心應用的可行性。《基于5G通信的城市配電網(wǎng)分布式縱聯(lián)保護策略研究》總結(jié)了城市電網(wǎng)單電源、含分布式電源、閉環(huán)運行3種典型場景的故障特性，建議分別采用適配于不同場景的閉鎖式、幅值比較式、電流差動等縱聯(lián)保護方案，并給出了各方案對通信協(xié)議、通信速率、通信時延以及數(shù)據(jù)同步方面的具體要求?！?G通信條件下的線路差動保護優(yōu)化策略研究》在保護裝置內(nèi)部設置了適當長度的采樣數(shù)據(jù)緩存區(qū)，僅在裝置啟動后發(fā)送數(shù)據(jù)報文以節(jié)省流量;設置重傳機制以應對誤碼或丟包;對亂序報文重新排序。實驗室數(shù)據(jù)分析以及現(xiàn)場工程實際應用驗證了優(yōu)化策略的可行性及有效性?！痘?G的配電網(wǎng)差動保護與CPE接口技術研究》建議配電網(wǎng)終端（distributionterminalunit，DTU）差動業(yè)務端口與三遙業(yè)務端口相互獨立;DTU將差動保護采樣值報文（samplevalue，SV）的應用協(xié)議數(shù)據(jù)單元（applicationprotocoldataunit，APDU）進行封裝，由UDP/IP協(xié)議提供可路由功能，DTU不經(jīng)外部協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置直接與客戶終端設備（customerpremiseequipment，CPE）通信，DTU接入CPE專用IRIG-B對時端口以實現(xiàn)帶時標同步差動保護方案。試運行結(jié)果驗證了該技術方案的先進性，達到了預期效果?！杜潆娋W(wǎng)保護通信時延需求約束的5G通信切片接入優(yōu)化研究》建立了5G通信接入時延的數(shù)學模型，以時延最小化為優(yōu)化目標函數(shù)，采用拉格朗日乘數(shù)法和分支定界法求解最大化利用通信信道資源的5G切片選擇。仿真結(jié)果表明，應用本優(yōu)化算法之后，通信時延縮短同時抖動減少，基于動態(tài)時間規(guī)整算法（dynamictimewarping，DTW）的保護動作時延縮短了約200ms。

結(jié)語

5G技術憑借大帶寬、低時延、高可靠等特性，完美適配電網(wǎng)繼電保護的需求，有廣闊的推廣空間。目前，5G將滲透到電網(wǎng)日常工作中，在發(fā)電、輸電、變電、配電、用電等環(huán)節(jié)中解決實際生產(chǎn)的痛點;預計到2022年，全國范圍內(nèi)將會有千萬個以上的5G電力終端投入使用，電力行業(yè)升級投資規(guī)模將達到百億元以上。5G技術助力電力網(wǎng)絡調(diào)度更高效、巡檢工作更便捷、故障恢復更快速，將大大改善企業(yè)和居民用電體驗，5G配電網(wǎng)繼電保護將帶來極大的社會效益和經(jīng)濟效益。

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