5G 專網(wǎng)技術在電網(wǎng)配網(wǎng)差動保護中的應用研究

［彭海燕 郭釗杰 瞿水華］

1 引言

長期以來，配電網(wǎng)缺乏自動化運行控制和管理手段，難以及時掌控電網(wǎng)的運行狀態(tài)，電網(wǎng)的運行長期處于“盲調”狀態(tài)。國家能源局提出在十三五規(guī)劃末期實現(xiàn)配網(wǎng)自動化覆蓋率達到95%以上，配網(wǎng)自動化水平得到了大幅提高。為保證差動保護的判斷準確、啟動及時，需盡量保證一組差動電流為同一時刻采樣值，即需要嚴格保證差動電流的時間同步，因此差動保護對保護裝置DTU 之間的通信時延以及可靠性有較高要求，時延小于15 ms，時間同步精度：小于10 μ s，可靠性：大于99.999%。傳統(tǒng)的配電差動保護在相鄰配電站的差動保護裝置之間采用光纖專線傳輸，帶來鋪設光纖專線成本高，難度大等問題，無法滿足日益增多的接入需求。

5G 專網(wǎng)技術分別在R15 和R16 兩個版本定義了5G uRLLC（切片）、TSN 和5G LAN 的技術標準，分步滿足電網(wǎng)差動保護對通信時延的要求，及其電網(wǎng)嚴格的安全隔離需求。本文針對智能電網(wǎng)中的差動保護場景的特點，簡要介紹5G uRLLC 切片、5GTSN、5GLAN、CPE 授時等關鍵技術，并結合現(xiàn)網(wǎng)場景進行了切片驗證，達到滿足電網(wǎng)差動保護場景下配電站之間的可靠通信需求。

2 5G 專網(wǎng)技術概述

2.1 uRLLC 切片

5G 為了滿足三大應用場景（eMBB/uRLLC/mMTC），在R15 定義了“切片技術”，能更好地滿足行業(yè)業(yè)務的安全性、可靠性和靈活性需求，可為行業(yè)虛擬出一個“無線專網(wǎng)”，如圖1 所示，一個uRLCC 專用切片實現(xiàn)可接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)絡和核心網(wǎng)全程專用網(wǎng)絡資源的分配，實現(xiàn)一個邏輯隔離的通道，進行更高強度的安全隔離，定制化分配資源，相比于以往的移動通信技術，5G 更適配行業(yè)發(fā)展需求。

圖1 電網(wǎng)端到端切片示意圖

2.2 5G TSN 網(wǎng)絡

R16 定義了5 G TSN（Time-Sensitive Network，時間敏 感網(wǎng)絡），目標是構建“確定性”的網(wǎng)絡，實現(xiàn)有界時延、低抖動、高可靠性，解決音視頻的本地混編/合成、制造系統(tǒng)控制、電網(wǎng)/機器人控制的應用問題。5G TSN 是3GPP 為滿足無線接入網(wǎng)絡支持應用TSN 技術的確定性工業(yè)網(wǎng)絡互聯(lián)的需求，3GPP 借鑒了IEEE 定義的TSN 標準,定義了5G TSN 邏輯網(wǎng)橋的架構，即將整個5G 網(wǎng)絡作為TSN 網(wǎng)絡中的網(wǎng)橋，完成與TSN 網(wǎng)絡的組網(wǎng)以及互聯(lián)互通[1～3]。

5G TSN 邏輯網(wǎng)橋架構如圖2 所示，為了實現(xiàn)5G TSN邏輯網(wǎng)橋的功能，首先要實現(xiàn)5G 邏輯橋和TSN 網(wǎng)絡的時間同步，5G 內部節(jié)點UPF/NW-TT（Network-side TSN translator）從TSN 獲取時鐘同步消息并通過用戶面轉發(fā)給UE/DS-TT（Device-side TSN translator），從而實現(xiàn)UE/DS-TT 與TSN GM 之間的時間同步。此外，5G 系統(tǒng)內，gNB 和UPF、UE 之間還需要提供基于5G 系統(tǒng)時鐘的高精度時間同步。5G 系統(tǒng)時間和TSN 系統(tǒng)時間之間，由UPF/NW-TT 和UE/DS-TT 進行轉換。

圖2 5G TSN 轉發(fā)架構圖

其次，要實現(xiàn)精準轉發(fā)，5G 網(wǎng)絡需要為TSN 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用提供確定性低時延流調度能力，通過3GPP 內的QoS 調度（URLLC 的Delay Critical GBR）、緩存和抖動消除功能實現(xiàn)TSN 網(wǎng)絡要求。

最后，為了實現(xiàn)5G 網(wǎng)絡適配TSN 的確定性傳輸，5G 系統(tǒng)需要與TSN 網(wǎng)絡間進行網(wǎng)絡協(xié)同，通過TSN 輔助參數(shù)（包括周期性，流方向，流的到達時間），輔助無線資源預留。

2.3 5G LAN

在現(xiàn)有的5G 專網(wǎng)應用中，由于5G 原本不支持二層通信，需在端側和服務側對齊部署AR 路由器實現(xiàn)L3 與L2 轉換，實現(xiàn)一對設備的點對點二層通信，這種方案有AR 額外成本開銷、組網(wǎng)和配置復雜、基于點對點專線通信模式，難以靈活擴展和大量部署，CPE 需簽約固定IP等諸多弊端。

為此，R16 定義5G LAN，引入組管理、本地轉發(fā)和業(yè)務隧道3 個特性，支持極簡組網(wǎng)和組內全互連二層通信，適用于構建企業(yè)5G 云辦公、支持企業(yè)物聯(lián)網(wǎng) 的接入，節(jié)省企業(yè)園區(qū)的網(wǎng)絡建設和維護成本，允許限定的終端組在一個5G LAN 虛擬網(wǎng)絡內進行基于Ethernet 或IP 的點對點通信[4～6]。

5G LAN 的技術優(yōu)勢體現(xiàn)以下4 個方面。

（1）應用不變，針對企業(yè)應用中采用廣播或組播通信，無需重構；

（2）拓撲不變，保持原有組網(wǎng)，保持組間隔離關系；

（3）配置不變，保持企業(yè)（固定）IP 分配，無需對接或修改配置；

（4）性能不變，最大程度保證時延抖動、可靠性指標。

在目前的3GPP R16 標準中，受限于現(xiàn)有5G TSN 架構，2 個DTU 之間的TSN 業(yè)務流不支持在一個UPF 內或2 個UPF 間互相轉發(fā)，即UPF 必須外接TSN 網(wǎng)絡，增加網(wǎng)絡的的復雜度和建設維護成本，額外增加了兩個DTU之，的時延、降低了傳輸可靠性。可以考慮將5G LAN 和5G TSN 技術相結合。如圖3 所示，對臨近的DTU 進行5G LAN 分組，通過5G 網(wǎng)絡提供的LAN service 功能完成點到點或者點到多點的通訊，進一步降低通信時延。

圖3 基于5G TSN+5G LAN 的增強方案架構

3 基于網(wǎng)絡切片的差動保護技術

由于R16 的協(xié)議在2020 年9 月凍結，TSN 和5G LAN 技術還處于研發(fā)和測試階段，而網(wǎng)絡切片技術已經(jīng)具備商用條件，本文重點研究uRLLC 專用切片技術在南方電網(wǎng)配網(wǎng)電流差動保護中的應用情況，包括切片定制和測試、CPE 授時、端到端時延測試情況。

3.1 配電網(wǎng)差動保護的網(wǎng)絡需求

配電網(wǎng)差動保護的原理是基于基爾霍夫定律，通過計算線路兩端設備的電流矢量差來判斷線路運行狀態(tài)。正常情況下，流過線路兩端的電流幅值相同、相位相反，矢量合為零；而在故障情況下，線路兩端流過的電流矢量和不再為零，利用這一特征可以快速識別線路故障。因其優(yōu)越的速動性、靈敏性和選擇性而被廣泛應用。

配電網(wǎng)電流差動保護的信號同步要求主要包括兩方面：一是線路兩側的采樣時刻必須嚴格同步，具體要求為小于10 μs；二是差動繼電器使用兩側相同時刻的采樣數(shù)據(jù)計算差動電流，因此要求通信時延小于15 ms。

為達到上述網(wǎng)絡要求，傳統(tǒng)配電網(wǎng)中通過光纖網(wǎng)絡實現(xiàn)，但存在建設周期長、成本投入高、運維難度大等不足。4G 網(wǎng)絡終端間通信時延約100 ms，不能滿足配電網(wǎng)差動保護應用的需求。5G 技術憑借低時延、高可靠、高安全、高精準授時等特點，為配電網(wǎng)差動保護提供了全新的建設模式。[7～9]

3.2 URLLC 切片定制

面向配電網(wǎng)差動保護的應用場景，本文設計了5G 智能電網(wǎng)組網(wǎng)方案，采用5G SA組網(wǎng)模式，通過部署5G基站、SPN 傳送網(wǎng)、SA 核心網(wǎng)、切片、邊緣計算，實現(xiàn)高可靠、低時延、高安全的5G 電力專網(wǎng)。端到端組網(wǎng)拓撲如圖4所示。

圖4 端到端組網(wǎng)拓撲

不同的智能電網(wǎng)業(yè)務，需要不同的5G 網(wǎng)絡性能滿足其通信連接需求，配電網(wǎng)差動保護業(yè)務屬于安全生產(chǎn)I 區(qū)，對網(wǎng)絡的需求是低時延、高可靠、高隔離度、高安全。本文設計了差動保護場景定制uRllc 切片，無線網(wǎng)采用RB資源預留、5Qi 優(yōu)先級保障技術、上行優(yōu)先調度，實現(xiàn)空口通道專享、接入優(yōu)先、調度優(yōu)先；傳輸網(wǎng)采用FlexE 技術，在網(wǎng)絡中開通端到端專用硬通道，避免傳輸擁塞；核心網(wǎng)采用下沉專享UPF，實現(xiàn)業(yè)務安全隔離。各層級網(wǎng)絡的切片定制情況如表1 所示。[10～14]

表1 網(wǎng)絡的切片定制情況表

3.3 精準授時技術

基于5G 的電力系統(tǒng)時間同步方案包括基站與5G UE的時間同步和5G UE 與電力設備的時間同步兩部分，其中是基站與5G UE 的時間同步是指5G UE 通過空口從基站獲取到時鐘信息，5G UE 與電力設備的時間同步是指電力設備通過授時端口從5G UE 獲取到時鐘信息。

（1）基站與5G UE 的時間同步

根據(jù)3GPP TS 38.331 標準協(xié)議，UE 在向基站獲取小區(qū) 的系統(tǒng)信息SI（System Information）過程中，系統(tǒng)消息塊 SIB9（SystemInformationBlocks）包含與GPS 時間和協(xié)調 世界時（UTC）相關的參數(shù)，如夏令時DayLightSaving-Time）、GPS時間和UTC之間的閏秒數(shù)偏移量（LeapSeconds）、UTC 和當?shù)貢r間之間的偏差（LocalTimeOffset）和SFN 邊 界對應的協(xié)調世界時（TimeInfoUTC）等參數(shù)。UE 可以使用該系統(tǒng)信息塊中提供的參數(shù)來獲得UTC，GPS 和本地時間，UE 可以將時間信息用于多種目的，例如協(xié)助GPS 初始化，以及同步UE 時鐘。

無線終端根據(jù)測量得到的延時誤差進行動態(tài)實時補償和調整，從而實現(xiàn)無線終端和基站間的精確同步。

基于上述原理，5G 授時模組能夠根據(jù)授時信令中獲取的基站UTC 時間信息設為T（基站發(fā)送1SFN 幀的時刻，T1 插入SIB9 信令中廣播輸出）、終端和基站間的延時誤差值為t 和終端接收到系統(tǒng)幀頭標記的本地時間為T2，計算得到絕對時間/終端本地時間的調整量；通過計算得時間偏差為T1+t-T2，然后調整時間偏差到本模塊時間系統(tǒng)，從而實現(xiàn)終端和基站時間的同步，終端同步方式如圖 5 所示。

圖5 終端同步示意圖

（2）UE 與DTU 的時間同步

5G UE 通過RS-485 線路接入電力設備對應時鐘輸入接口，采用IRIG-B 碼（DC）方式對電力設備授時。IRIG-B 碼（DC）采用脈寬編碼方式，傳輸速率為1 幀/秒，每一幀的數(shù)據(jù)包含年、天、時、分、秒等信息。

IRIG-B 碼（DC）每一幀數(shù)據(jù)由100 個碼元組成，每個碼元的寬度為10 ms，碼元有3 種，分別為碼元“P”、碼元邏輯二進制“1”和“0”。每幀從連續(xù)兩個8 ms 脈沖中的第2 個8 ms 脈沖的前沿開始標志，分別為Pr，第0,1,…,99 碼元。在Pr 和P5 之間是BCD 字段，傳送的是BCD 碼格式的時間信息（包含秒、分、時、天4 種信息），個位在前十位在后。在P5 和P7 之間是CF 字段，實現(xiàn)控制功能，可根據(jù)實際使用時制定使用方法。在P8 和P9 之間是SBS 字段，是用二進制表示的以秒為單位的時間信息。

電力設備通過IRIG-B 碼（DC）解模塊檢測出時間信息和對時脈沖，實現(xiàn)電力設備的授時工作。[15～17]

4 應用情況

4.1 外場測試環(huán)境搭建

為搭建外場測試環(huán)境，建設4 個5G 基站，GT-ZK 10 KV 線路的6 個環(huán)網(wǎng)柜的DTU（數(shù)據(jù)傳輸單元）通過電力CPE 接入5G 網(wǎng)絡，利用5G 網(wǎng)絡高精度授時和超低時延通信，實現(xiàn)差動保護業(yè)務應用端到端調通。組網(wǎng)架構如圖6 所示。

圖6 差動保護場景測試配置圖

4.2 5G 網(wǎng)絡精準授時測試驗證

5G 網(wǎng)絡精準授時測試組網(wǎng)方案如圖7 所示，其測試方法如下。

圖7 精準授時測試組網(wǎng)圖

（1）5G 基站通過空口分別給5G 電力CPE 授時，將CPE 接入示波器。

（2）示波器對應接入1 路GPS 時鐘作為基準信號，記錄CPE 輸出的時間，并計算CPE 和基準時鐘的時間同步誤差值。

（3）將CPE 記錄的5G 無線基站的時間記為T1，將GPS 時間記為T2，授時精度誤差記T0，則

授時測試結果如圖8 所示，黃色曲線為無線基站到DTU 時間，通過PPS 信號接入示波器，粉色曲線為GPS 信 號，通過兩者在示波器上的偏差記錄同步精度，實際測量中，在近點和遠點分別測試30 分鐘（2 000 次）。授時精度最大值4 375 ns，平均值392.3 ns，最小值234.5 ns，中位值404.8 ns。測試結果可滿足應用場景的需求（小于 10 μs）。

圖8 示波器測試授時精度

4.3 差動保護測試驗證

通過5G 網(wǎng)絡承載DTU 之間的通信通路，實現(xiàn)差動保護業(yè)務測通。具體測試方法如下。

（1）將2 個DTU 通過電力CPE 接入5G 網(wǎng)絡，打開差動保護功能，2 個DTU 周期性向對方發(fā)送報文。

（2）CPE 通過5G 基站授時，確認授時精度滿足要求，同時確認基站間鏈路配置正常。

（3）連接DTU 設備進行抓包，分3 組測試，記錄DTU 與相鄰DTU 之間通信的時延3 組數(shù)據(jù)。

根據(jù)被測DTU 抓包獲取的測試結果，時延曲線如圖9 所示，2 臺DTU 之間的最大通信時延在9 459～11 134μs 之間，滿足差動保護場景端到端時延＜ 15 ms 的要求。

圖9 時延曲線圖

4.4 驗證結論

上述外場測試驗證的結果表明，5G SA 專網(wǎng)提供良好的精準授時，以及超低時延的端到端連接，可滿足智能電網(wǎng)差動保護業(yè)務的需求，適合在生產(chǎn)中復制推廣。

5 結語

綜上所述，5G SA 專網(wǎng)提供的精準授時、基于uRLLC切片超低時延連接性能可滿足智能電網(wǎng)差動保護業(yè)務的需求，有廣闊的推廣空間，后續(xù)隨著R16 網(wǎng)絡的成熟和商用，具有更多的技術選擇，5 G LAN 和TSN 技術能進一步賦能電網(wǎng)的生產(chǎn)和運營。

放眼發(fā)電、輸電、變電、配電、用電等電力全生產(chǎn)環(huán)節(jié)，5G 技術也將全面覆蓋，助力電力行業(yè)信息化、智能化改造升級。預計到2022 年，全國范圍內將會有千萬以上的5G 電力終端投入使用，電力行業(yè)升級投資規(guī)模將達到百億以上，5G 智能電網(wǎng)將帶來極大的社會效益和經(jīng)濟效益。