基于5G通信的繼電保護技術研究

朱艷琴

（國網(wǎng)湖南省電力有限公司衡陽供電分公司，湖南 衡陽 421000）

0 引 言

隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的建設和新能源的廣泛應用，電網(wǎng)在結構與運行模式中越來越復雜化，調(diào)控模式的改變導致繼電保護出現(xiàn)一些問題，其中存在的大量電力電子設備在使用過程中不斷增加不確定性，導致了繼電保護在電力系統(tǒng)中的調(diào)試、運行和維護越來越困難[1]。當電網(wǎng)拓撲復雜或需要多級合作時，增加的新能源滲透率會使電網(wǎng)頻率及電壓產(chǎn)生波動，調(diào)峰問題突出，以往的獨立保護不能平衡速度和選擇性要求，人們對電網(wǎng)自愈能力和供電可靠性的要求越來越高。傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡是建立在電力通信的基礎上，存在著時滯、信號傳輸不穩(wěn)定等問題。在智能電網(wǎng)的應用中，為提高繼電保護的可靠性，就要嚴格保證差分電流時間同步，提升電力系統(tǒng)的信息和通信服務，可以采用延遲可測量采樣時間調(diào)整法和雙端同步采樣法實現(xiàn)采樣同步，降低電力信息和通信成本，避免故障[2,3]。

1 電力信息通信技術現(xiàn)狀

目前，通信技術主要包括微波通信、載波通信、光纖傳輸以及無線通信等。微波通信存在易受到干擾、穩(wěn)定性差、傳輸能力小等問題；載波通信存在設備容易老化、故障率高、抗干擾能力不強等問題。光纖通信具有較強的抗干擾能力、較強的信息傳輸能力和高傳輸效率，因此光纖通信使繼電器電氣保護裝置可以實時獲取更廣泛的狀態(tài)信息，加強對故障類型的識別，現(xiàn)已逐漸成為電力系統(tǒng)的主流通信方式。

電力系統(tǒng)的運行與社會的發(fā)展密切相關，電網(wǎng)覆蓋范圍廣，對通信的可靠性、安全性要求較高。同時，電氣工程涉及的設備與技術種類較多，繼電保護的應用也更加廣泛，對其通信功能的實時性與可靠性更加細致。目前，配電網(wǎng)光纖網(wǎng)絡建設嚴重滯后，嚴重影響了供電的可靠性。不同的電力光纖通信設備和工具執(zhí)行不同的配網(wǎng)標準，5G通信技術可以在長途通信、配網(wǎng)等領域發(fā)揮其優(yōu)勢。無線通信主要用于配電網(wǎng)，繼電保護裝置可以充分使用該技術實現(xiàn)同步的數(shù)據(jù)信號傳遞，降低延時，同時可以防止發(fā)生異常信道或傳輸，確保數(shù)據(jù)同步的精確性。

2 5G通信技術在繼電保護中的應用前景

近年來，我國數(shù)字繼電保護裝置得到了前所未有的發(fā)展，從電力信息和通信技術的現(xiàn)狀看，電力系統(tǒng)的保護裝置不斷完善，電力系統(tǒng)有線通信信道鋪設困難和故障定位長遠距離通信可靠性不足等問題也得到了解決。人工智能技術的廣泛應用提升了系統(tǒng)的運作效率，有效解決高信道延遲、帶寬不足、可靠性低的缺點，在我國的應用越來越廣泛。與現(xiàn)有的4G專用網(wǎng)比較，5G通信技術在通信種類、精確度等方面有更高的精度，如有效判斷繼電保護裝置存在的問題，確保高帶寬、低延遲、低功耗以及高密度連接，明顯優(yōu)于4G無線專用網(wǎng)絡，可以彌補傳統(tǒng)方式存在的不足，因此在電力信息與通信方面具有更廣闊的應用前景。在實際應用中，光纖通信網(wǎng)絡建設成本高，但是通過智能技術的應用可以降低建設成本。例如，長途通信需要建立中繼站，可以應用5G通信技術增強通信網(wǎng)絡建設過程的可靠性，實現(xiàn)電力系統(tǒng)的綜合監(jiān)控[4]。

3 基于5G通信技術的電網(wǎng)保護技術

5G通信技術可以實現(xiàn)大帶寬、長距離的通信，滿足通信差分保護的需求，很好地改善繼電保護縱向連接信道傳輸?shù)臄?shù)據(jù)內(nèi)容的精確度。此外，電力電子設備通過繼電保護裝置與5G基站直接實現(xiàn)信息交互，包括差分保護所需的采樣值，能夠充分適應大數(shù)據(jù)傳輸?shù)膹碗s拓撲結構，實現(xiàn)高性能保護功能。因此，需要研究當前數(shù)據(jù)同步技術在繼電保護中的應用，提高電網(wǎng)繼電保護水平，分析基于5G通信技術電網(wǎng)縱向連接保護方法，確保新形勢下電網(wǎng)的安全可靠運行。站插值同步的應用場景是點傳輸模式、垂直差分保護和廣域保護，該方式擴大通信通道來擴大信息采集，將單元數(shù)字輸出直接合并到保護裝置，降低系統(tǒng)的冗雜度，有效提高電網(wǎng)保護水平。

在智能電網(wǎng)的建設過程中，5G通信技術是最關鍵的環(huán)節(jié)，采用的主要保護技術是配電差分保護技術，通過網(wǎng)絡切片模式可以構建業(yè)務的無線頻譜，通過5G網(wǎng)絡通信將大大節(jié)省電力公司通信網(wǎng)絡建設成本，進而達到通信安全繼電保護的需求，提高配網(wǎng)終端通信的可靠性和穩(wěn)定性。無線頻譜資源隔離可以分為物理隔離與邏輯隔離2種。其中，物理隔離主要通過頻率復用技術來實現(xiàn)，而邏輯隔離通過分配信道資源完成。在物理隔離的工作狀態(tài)下，企業(yè)成本雖然不高，但是在數(shù)據(jù)信息的傳輸速度和資源分配上也是較低的。邏輯隔離則是一種軟隔離與硬隔離結合的技術，其中的核心是采用用戶端口功能（User Port Function，UPF）等網(wǎng)絡元件實現(xiàn)分發(fā)數(shù)據(jù)的直接傳輸，通過其中標簽的作用實現(xiàn)識別定位，以此來實現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡中的軟隔離。除此之外，無線網(wǎng)絡部分具有專用的頻譜資源和無線信道資源[5]。

為了確保數(shù)據(jù)采樣時間的一致，同時考慮通信異常和相應的保護策略，提出了采樣時間調(diào)整方法和5G通信技術時鐘匹配要求，以實現(xiàn)無線側網(wǎng)絡切片，保證網(wǎng)絡服務質(zhì)量。當無線信號通信中斷時，可能會導致保護錯位或拒絕。對采樣時間進行適當?shù)恼{(diào)整，可以有效地實現(xiàn)電信號的同步。同時，2個縱向連接器的保護裝置都會立即啟動相應的保護功能。縱向保護的總體策略是縱向差動保護，當定時電路異常時，電氣設備通過5G通信模塊和無線基站可以獲得同步信號，保證傳輸信道的性能指標滿足配網(wǎng)通信的需要。

3.1 基于5G通信技術的電網(wǎng)繼電保護信息流架構

結合不同電壓等級電力線路的地理距離，結合5G通信技術與邊緣計算等技術，在同一接入環(huán)內(nèi)要完成配網(wǎng)的安全信息互通，在匯聚環(huán)內(nèi)要完成110 kV網(wǎng)絡的安全信息互通，在主環(huán)內(nèi)要完成220 kV網(wǎng)絡的安全信息互通，如圖1所示。

圖1 信息傳遞的交互結構

通過縱聯(lián)保護技術，電力信號的傳遞是由線路2邊的點與點之間經(jīng)過網(wǎng)絡進行傳遞。在這種情況下，需要對信號進行加密處理，以防止竊電行為發(fā)生?；诖耍岢鲆环N新型的保護方案，在保證傳輸穩(wěn)定性的前提下，結合邊緣計算技術優(yōu)化傳輸路由，減少傳輸延遲，增強系統(tǒng)穩(wěn)定性。

采用重傳保護來滿足不同業(yè)務的延遲要求，提供具有邊緣功能的特殊用戶端口，實現(xiàn)移動邊緣計算（Multi-access Edge Computing，MEC）。該方案可通過一個或多個節(jié)點進行傳輸。在對現(xiàn)有網(wǎng)絡中所存在的問題分析后，UPF可以采用一種基于多跳路由協(xié)議的方法。對時延需求進行評估時，如果需要小于10 ms的網(wǎng)絡側時延，則推薦基站點的所在地設置UPF；如果網(wǎng)絡側時延要求在10～20 ms，且傳輸距離不超過200 km，建議在核心設施的所在地安裝UPF；如果網(wǎng)絡側時延要求在20～30 ms，且傳輸距離不超過500 km，建議在省級核心所在地設置安裝UPF。

為滿足傳輸保護服務中確定性服務質(zhì)量需求，分片分組網(wǎng)絡采用了靈活以太網(wǎng)技術（Flex Etherent，F(xiàn)lexE）在時分復用鏈路基礎上提供了端到端傳輸層管道，以實現(xiàn)低延遲、緊密隔離等特點。這一技術的應用使客戶數(shù)據(jù)的存取與還原成為可能，運營資產(chǎn)管理（Operational Asset Management，OAM）信息被添加和刪除，數(shù)據(jù)流被匯總。目前，5G網(wǎng)絡測試中，當預規(guī)劃被禁用時，2.6 GHz 新空口（New Radio，NR）每周期5 ms的平均延遲時間在無線電側為11.3 ms，4.9 GHz NR每周期2.5 ms的平均延遲時間在無線電側為7.7 ms。當啟用預規(guī)劃時，2.6 GHz NR和4.9 GHz NR的平均延遲時間分別為6 ms和4.7 ms，即比禁用預規(guī)劃時的平均延遲時間高5.3 ms和4.7 ms，個分別縮短了5.3 ms和3 ms。目前，5G無線網(wǎng)絡采用頻率為2.6 GHz的設備，可以跨時間和頻率資源塊動態(tài)分配，實現(xiàn)無線網(wǎng)絡分區(qū)。2020年，較為流行的2.6 GHz和4.9 GHz無線設備可以根據(jù)設備支持能力實現(xiàn)網(wǎng)絡資源的靜態(tài)分配，保證網(wǎng)絡分區(qū)的服務質(zhì)量。

3.2 基于5G連接的網(wǎng)絡中繼安全信息加密技術

網(wǎng)絡通信中的分區(qū)主要通過隔離實現(xiàn)，相對于共享頻譜，物理隔離在覆蓋范圍、覆蓋效果、傳輸速率以及資源分配靈活性等方面普遍較差，頻譜租賃成本也很高。邏輯隔離又有軟隔離與硬隔離之分。在軟隔離中采用了虛擬局域網(wǎng)標簽與網(wǎng)段識別相結合的方法，因此無法在硬件和時隙層面實現(xiàn)隔離。硬隔離方案是基于Flex E技術的硬隔離方案，實現(xiàn)獨占時隙功能。

在無線通信中，通常將信息加密方法劃分為基于射頻識別（Radio Frequency IDentification，RFID）、無線信道指紋、物理層挑戰(zhàn)-響應機制、物理層水印與相互認證，并在此基礎上提出了基于信息加密與解密等算法應用。研究顯示，物理層安全技術還不夠成熟，可靠性、成本以及引入延遲等原因造成性能還不足以達到高可靠性和高實時性等需求，因此應該選擇更加成熟的技術。

用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（User Datagram Protocol，UDP）應用于基于5G中繼進行安全信息交互與面向通用對象的變電站事件（Generic Object Oriented Substation Event，GOOSE），采樣信息的通信服務（Sampled Value，SV）等智能變電站實時通信由于“無連接”而存在共性，不需要彼此建立通信。IEC 62351-6—2020中針對此類信息提出的安全措施需要盡可能少的計算，以便快速響應繼電保護時間和采樣值。在5G網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸方面，5G-AKA和EAP-AKA認證機制被用來提供網(wǎng)絡和用戶之間的相互認證，保證與信息互動的雙方身份的合法性。

3.3 基于5G通信技術的電網(wǎng)縱聯(lián)保護技術

5G通信技術具有高帶寬、長距離連接等優(yōu)點，能夠有效提高縱向繼電保護數(shù)據(jù)內(nèi)容（包括差動保護要求采樣值），但是5G通信技術會對已有縱向差動保護原理和縱向指令型保護同步基礎（縱向間隔，浪涌阻斷等保護）造成影響。

3.3.1 5G通信技術縱向保護適應電力系統(tǒng)的不同電壓等級

目前，電壓等級在110 kV以上的輸電線路已經(jīng)具備完善的光纖縱向和方向性差分保護，專用電力光纖網(wǎng)絡鏈路的吞吐量、可靠性和鏈路延遲性能至少與5G技術相同，例如傳統(tǒng)復用保護通道的延遲在2.5～3 ms，通道長度在40～60 km，2個方向的延遲差在0.03～0.05 ms。配電網(wǎng)絡通常使用獨立于連接的簡單浪涌和電涌邏輯，但無法實現(xiàn)分段隔離。故障發(fā)生后有較長的中斷效應和較長的電力恢復時間。配電網(wǎng)絡有大量的連接端點，部署分散、光纖建設復雜且成本高。5G通信技術由于其快速部署、低成本、易于升級和擴展等優(yōu)勢，可以在長距離通信、新能源或分配網(wǎng)絡中發(fā)揮重要作用。因此，5G縱向保護更適合在配網(wǎng)中推廣和應用。

3.3.2 現(xiàn)有數(shù)據(jù)同步技術對5G通信技術縱聯(lián)保護的適應性

已有數(shù)字變電站的同步方法有插值同步、基于時鐘同步采樣、延遲可測開關插值同步等，已有站間數(shù)據(jù)同步方法通常有采樣時刻調(diào)整法、基于對時雙重同步采樣等。

站內(nèi)插值同步有以下應用場景。如果過程層為點對點傳輸方式，則互聯(lián)設備的輸出數(shù)字采樣值將直接發(fā)送給保護裝置，且整個采樣及傳輸鏈不會出現(xiàn)延遲不穩(wěn)定性。在基于5G的縱聯(lián)保護中，上行采樣和本地采樣需要同步，而5G網(wǎng)絡中由于傳輸鏈路和傳輸距離造成的傳輸延遲的影響是不可忽視的，因此變電站插值同步技術不能直接用在縱聯(lián)保護中，插值同步所需采樣頻率較高，對于設備性能和網(wǎng)絡帶寬都有較高要求。

基于時鐘同步采樣技術的變電站應用場景如下。耦合裝置與保護裝置之間的傳輸模式使用組網(wǎng)傳輸模式，采樣值信號經(jīng)以太網(wǎng)交換機向過程層總線進行傳輸，其傳輸延時并不平穩(wěn)，故全站采樣數(shù)據(jù)時間同步采用過程層耦合器供給，而間隔層保護裝置僅需與采樣序列號相匹配就能達到采樣同步。

4 結 論

通過討論基于5G通信、信息流架構和信息安全技術對不同繼電保護性能特征的要求明確5G通信技術在繼電保護中的潛在應用，并對5G通信技術在電力系統(tǒng)繼電保護中的工程應用提出了建議。