配網(wǎng)差動保護及5G應(yīng)用

蔡 超，艾福洲，余福振，孟慶智

（1.國網(wǎng)湖北省電力有限公司，湖北 武漢 430000；2.山東省煙臺市東方電子股份有限公司，山東 煙臺 264010）

0 引 言

近年來，新能源發(fā)電技術(shù)快速發(fā)展，分布式電源在配網(wǎng)中高度滲透，因此引用了差動保護[1,2]。光纖通道具有安全可靠、運行穩(wěn)定以及抗干擾能力強等很明顯優(yōu)勢，而光纖差動保護具有判據(jù)簡單和可迅速動作的優(yōu)點，能夠很大程度上提高主保護的可靠性。然而，在差動保護的運行過程中，光纖通道仍會因為各種原因給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行造成不良影響[3,4]。因此，考慮將5G技術(shù)運用到配網(wǎng)中，給配網(wǎng)的推廣應(yīng)用提供新的解決方案[5]。

5G是第五代移動網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，相對于4G具有更高的速度、更大的容量以及更低的時延等典型優(yōu)點[6-8]。隨著5G通信技術(shù)的逐漸成熟以及逐步商業(yè)化，其在垂直業(yè)務(wù)領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越深入，智能配電網(wǎng)的分布式保護與控制是5G最有前途的應(yīng)用領(lǐng)域之一[9,10]。5G通信技術(shù)的發(fā)展是解決配電網(wǎng)光纜不足和通信條件差等制約因素的重要方法，這給配網(wǎng)保護的縱聯(lián)化應(yīng)用帶來了新的希望。

1 差動保護原理及優(yōu)缺點

1.1 原 理

差動保護示意如圖1所示，1#環(huán)網(wǎng)柜和2#環(huán)網(wǎng)柜均為二進二出，開關(guān)全部為斷路器。1#環(huán)網(wǎng)柜的JX2和2#環(huán)網(wǎng)柜的JX1加裝光纖差動保護裝置，利用配網(wǎng)現(xiàn)有光纖通道，當兩個環(huán)網(wǎng)柜之間發(fā)生故障時，兩個光差保護裝置根據(jù)電流差值，通過通信交換信息進而確定故障點位置并跳開故障點兩端開關(guān)?；诓顒颖Ｗo的故障處理模式，故障切除可達毫秒級。

目前，光纖差動保護主要應(yīng)用于柜間線路的故障快速處理。因母線處于密閉空間，故障率極低，所以暫不考慮母線故障的處理。

差動保護快速切除故障依賴高速光纖通信，而現(xiàn)實情況是配網(wǎng)終端絕大部分都是無線公網(wǎng)通信，目前網(wǎng)絡(luò)主要是無線4G。無線4G網(wǎng)絡(luò)延時較長、無法實現(xiàn)點對點通信，因此無法滿足差動保護和智能分布式對時間的要求。

1.2 優(yōu)缺點

1.2.1 優(yōu) 點

光纖縱差保護僅保護環(huán)網(wǎng)柜之間的線路靠的是專用光纖，串行傳輸。相對于分布式不需要設(shè)備都在交換網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，不用開通ONU、OLT的組播轉(zhuǎn)發(fā)功能，網(wǎng)絡(luò)安全風險低?？芍苯觽鬏斈M量，相對依賴于其他終端給出處理結(jié)果的判據(jù)，理論上更加可靠。而且不經(jīng)過交換網(wǎng)絡(luò)，切除故障速度更快，同時能適應(yīng)多電源點的閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)。此外，僅與對側(cè)通信，功能簡單，工程配置簡單，不易出錯。

1.2.2 缺 點

要處理的數(shù)據(jù)量大，對設(shè)備的處理能力要求高、設(shè)備成本高、沒有模型約束、沒有規(guī)范且難解決互操作的問題。因為設(shè)備之間無通信網(wǎng)絡(luò)，所以不能處理拒動問題，而且網(wǎng)絡(luò)備自投的故障恢復功能目前要么依賴于通信，要么通過光纖逐級轉(zhuǎn)發(fā)。此外解決母線故障時需要單獨購置設(shè)備，價格昂貴。

1.3 技術(shù)前景

隨著未來更多分布式電源的引入，針對各種復雜的閉環(huán)供電網(wǎng)絡(luò)，光纖差動可能是解決故障隔離問題的一種比較簡單的解決方案，未來有著較大的應(yīng)用前景。

2 配網(wǎng)差動保護及5G應(yīng)用

2.1 5G的基本概念與特點

5G通信的最大特點是高帶寬、高可靠、低時延以及廣連接。其布點方便，不需要光纖通道進行連接，在配網(wǎng)通信、智能分布式FA、精準負荷控制、邊緣計算、分布式能源接入、海量低壓數(shù)據(jù)接入、微秒級高精度授時等方面都會發(fā)揮積極的作用，其中配網(wǎng)高速通信和智能分布式FA最容易實現(xiàn)。

5G作為一種新的通信技術(shù)，相比較于以前的通信技術(shù)主要有3點優(yōu)勢，一是面對的業(yè)務(wù)場景更多，二是網(wǎng)絡(luò)承載能力更強，三是行業(yè)專網(wǎng)服務(wù)更加安全開放。用5G模塊替代現(xiàn)有的2G、3G、4G模塊，可以實現(xiàn)與配電主站的高速業(yè)務(wù)通信，保證數(shù)據(jù)實時性的同時能夠快速完成遠程程序升級、錄波文件召喚以及歷史文件讀取等操作。

2.2 5G在智能分布式FA中應(yīng)用

智能分布式FA全稱智能分布式饋線自動化，是快速的一種故障處理方案。通過各保護終端之間的信息交換實現(xiàn)了故障區(qū)域的快速故障隔離和非故障區(qū)電源的快速恢復，并將故障處理結(jié)果上報配電主站。借助通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)保護終端間的點對點通信，完成故障判斷的選擇性和快速性，同時可以完成故障識別、故障隔離以及電源恢復。

智能分布式FA對通信速度和處理速度的要求較高，目前的智能分布式FA只能基于光纖以太網(wǎng)通信來實現(xiàn)。但光纖鋪設(shè)的人力成本和材料成本較高，且人為外力破壞光纜的情況也時有發(fā)生。

隨著5G技術(shù)的發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)覆蓋，5G網(wǎng)絡(luò)可以提供10 ms的網(wǎng)絡(luò)延時和千兆吞吐量，此外還可以用于進行身份驗證和保障網(wǎng)絡(luò)信息安全。通過網(wǎng)絡(luò)切片，在保證數(shù)據(jù)安全的同時，可以滿足智能分布式的要求。隨著分布式能源在配電網(wǎng)中的應(yīng)用，基于5G的智能分布式FA未來會得到廣泛應(yīng)用，能夠很好地提升含有分布式能源的配網(wǎng)故障處理水平，具有較好的推廣前景。圖2為基于5G的智能分布式FA設(shè)備組網(wǎng)示意圖。

2.3 5G結(jié)合配網(wǎng)保護改造方案

對于基于光纖通信實現(xiàn)的傳統(tǒng)智能分布式FA來說，雖然有著時延低、帶寬高以及信號傳輸穩(wěn)定等優(yōu)點，但也有許多缺點，如需單獨來鋪設(shè)光纖、施工難度大、成本比較高，且有部分地區(qū)沒有鋪設(shè)光纖的條件。5G通信在同樣可滿足智能分布式FA通信要求的條件下，也可以作為實現(xiàn)智能分布式FA的一種補充。

5G通信核心網(wǎng)段和傳輸網(wǎng)段的分片特性可以同時滿足網(wǎng)格通信信息的物理和邏輯隔離，滿足安全要求。配電網(wǎng)設(shè)備分布廣泛，數(shù)量龐大，基于無線通信技術(shù)的實現(xiàn)不僅可以覆蓋整個配網(wǎng)，而且只需安裝5G通信終端即可對現(xiàn)有設(shè)備和新設(shè)備進行改造，實現(xiàn)5G智能分布式FA功能。

基于5G通信技術(shù)的智能分布式FA技術(shù)不改變原本具有的保護裝置模式，只在外部安裝一臺無線通信終端裝置。保護裝置通過以太網(wǎng)端口和無線通信終端連接，保護裝置之間通過無線信號傳輸實現(xiàn)點對點通信，完成分布式保護的動作邏輯。配電網(wǎng)分布式保護裝置可安裝在開關(guān)站、環(huán)網(wǎng)柜以及柱上開關(guān)等處，通過電力電纜和間隔電流互感器CT的連接來完成電流采樣，通過控制電纜連接斷路器控制回路，實現(xiàn)保護動作出口跳閘。

智能分布式配網(wǎng)保護是配電線路的主要保護，裝置設(shè)有階段式過流保護來作為其后備保護。在正常的運行模式下，按配網(wǎng)整定級差原則來設(shè)置階段式過流保護，并閉鎖分布式配網(wǎng)保護。當通信中斷或主保護功能未激活時，閉鎖將取消，階段式過流后備保護將自動激活，以確保區(qū)域內(nèi)的保護仍具有選擇性。

3 結(jié) 論

本文先給出差動保護的原理，將傳統(tǒng)光纖差動保護的優(yōu)缺點進行論述，提出了將5G通信應(yīng)用于配網(wǎng)上的觀點，對5G在配網(wǎng)上的應(yīng)用進行了初步闡述，并給出基于5G智能分布式FA的設(shè)備組網(wǎng)及其配網(wǎng)改造方案。5G通信在速率、時延、可靠性以及安全性等方面完全可以滿足配網(wǎng)差動保護的要求，可替代光纖作為配網(wǎng)差動保護的新通信通道。