配電網(wǎng)5G通信電流差動(dòng)保護(hù)技術(shù)

陳曉川

（廣東電網(wǎng)汕頭供電局，廣東 汕頭 515041）

1 配電網(wǎng)5G差動(dòng)保護(hù)原理和同步方式

在運(yùn)行過程中，為了保證配電線網(wǎng)的穩(wěn)定性，配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)裝置需要交換線路兩端的電氣量信息，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸和同步操作，因此對(duì)傳輸通道在信息的傳輸速度（通道的傳輸速率大于或等于0.25 Mbit/s）、傳輸延時(shí)（延時(shí)小于或等于20 ms）和信息的可行性（通道誤碼率小于0.001‰）方面都有嚴(yán)格的要求，以往的載波、微波和光纖等傳輸通道均存在同步性差的問題[1-4]。與4G通信網(wǎng)絡(luò)相比，5G通信網(wǎng)絡(luò)具有“三高一低”的顯著特點(diǎn)（三高即高速率、高可靠和高容量，一低即低延時(shí)），可以適應(yīng)高速率的增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶場(chǎng)景、超低延時(shí)業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景以及海量機(jī)器類通信場(chǎng)景。5G通信網(wǎng)絡(luò)特有的網(wǎng)絡(luò)切片功能能夠提供配電網(wǎng)特定網(wǎng)絡(luò)能力和網(wǎng)絡(luò)特性的邏輯網(wǎng)絡(luò)，涵蓋切片構(gòu)架、切片選擇以及切片漫游，實(shí)現(xiàn)端到端的隔離性，使網(wǎng)絡(luò)資源利用率最大化以及數(shù)據(jù)收發(fā)延時(shí)保持一致，因此5G通信網(wǎng)絡(luò)在配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)的數(shù)據(jù)同步上具有良好的適應(yīng)性，能夠?yàn)榕潆娋W(wǎng)系統(tǒng)信息的傳輸提供穩(wěn)定、安全且保密的無線通信環(huán)境[5-6]。

根據(jù)目前配電網(wǎng)多端多源的結(jié)構(gòu)形式、故障電流特性以及差動(dòng)保護(hù)的實(shí)用性，考慮采用全電流差動(dòng)保護(hù)作為電流保護(hù)判斷依據(jù)，全電流差動(dòng)保護(hù)的原理如公式（1）、公式（2）所示。

式中：Krel為差動(dòng)保護(hù)裝置的振動(dòng)系數(shù)；Im和In分別為配電網(wǎng)線路兩端各相的電流量；Iset1為不平衡故障電流閾值。

基于5G通信網(wǎng)絡(luò)的電流差動(dòng)保護(hù)同步方式認(rèn)為配電線路在發(fā)生電流故障后，電磁波在線路上的傳播速率接近光速，可以認(rèn)為在線路兩端保護(hù)裝置采樣率一致的情況下，兩者測(cè)試得到的故障電流突變時(shí)間是同一時(shí)刻的電流，因此可以采用同步算法計(jì)算兩端保護(hù)裝置采集到的電流最大相位差，如公式（3）所示[7]。

式中：θi，max為兩端保護(hù)裝置采集到的電流最大相位差；θ1，max為自同步算法誤差；θ2，max為受配電網(wǎng)系統(tǒng)影響參數(shù)的兩端電流相位差；θCT，max為電流測(cè)量誤差；θp，max為電流計(jì)算誤差。

2 開發(fā)配電網(wǎng)5G通信電流差動(dòng)保護(hù)終端

配電網(wǎng)5G差動(dòng)保護(hù)終端的開發(fā)包括終端硬件設(shè)計(jì)、終端軟件開發(fā)和網(wǎng)路協(xié)議。如圖1所示，終端硬件設(shè)計(jì)包括4個(gè)模塊，分別是CPU模塊、AI模塊、DI/DO模塊和通信接口。CPU模塊選擇高性價(jià)比的BF-536處理芯片，能夠滿足實(shí)時(shí)采集海量電流、電壓數(shù)據(jù)的需求，對(duì)設(shè)計(jì)好的硬件進(jìn)行封裝，并配備可觸屏的顯示屏，屏幕界面中有設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、電源狀態(tài)、故障特征和位置的提示功能，便于用戶操作。

圖1 配網(wǎng)5G通信電流差動(dòng)保護(hù)硬件開發(fā)

在現(xiàn)有的5G通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中，為了適應(yīng)遠(yuǎn)距離、跨路由的數(shù)據(jù)傳播，避免經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)路由轉(zhuǎn)發(fā)，增強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)效性，一般采用TCP或者UDP協(xié)議進(jìn)行終端與控制中心的通信。在配電網(wǎng)系統(tǒng)中，在確保電流差點(diǎn)保護(hù)的同步通信方面，TCP協(xié)議和UDP協(xié)議之間存在各自的優(yōu)、缺點(diǎn)，TCP協(xié)議在實(shí)時(shí)性通信前需要提前建立連接，可以進(jìn)行可靠傳輸，通信機(jī)制為串行傳輸，能夠?qū)崿F(xiàn)一對(duì)一數(shù)據(jù)傳輸，傳輸范圍支持跨路由傳輸，而UDP協(xié)議則不需要提前建立連接就可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信，通信機(jī)制為并行傳輸，可以進(jìn)行一對(duì)多傳輸，支持跨路由傳輸。綜合分析后可知，配電網(wǎng)5G通信電流差動(dòng)保護(hù)通信協(xié)議采用TCP協(xié)議更合理[8]。

在故障電流的作用下，5G通信電流差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作的軟件邏輯思路如圖2所示。

圖2 配網(wǎng)5G通信電流差動(dòng)保護(hù)軟件設(shè)計(jì)

3 配電網(wǎng)5G通信電流差動(dòng)保護(hù)仿真測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證配電網(wǎng)5G通信電流差動(dòng)保護(hù)的時(shí)效性和可靠性，基于物理平臺(tái)的RTDS實(shí)時(shí)數(shù)值軟件環(huán)境搭建配電網(wǎng)仿真模型，整體設(shè)計(jì)為雙側(cè)電源閉環(huán)結(jié)構(gòu)，對(duì)配電網(wǎng)中的故障突變電流進(jìn)行測(cè)試。在5G S2B專網(wǎng)切片中進(jìn)行5G數(shù)據(jù)通信，針對(duì)3種配電網(wǎng)故障（單相接地、兩相短路和三相短路），測(cè)試當(dāng)兩端的保護(hù)裝置單端啟動(dòng)和雙端啟動(dòng)時(shí)配電網(wǎng)5G通信電流差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，隨著采樣點(diǎn)的增加，當(dāng)配電網(wǎng)5G通信電流差動(dòng)保護(hù)裝置采用雙端啟動(dòng)時(shí)，其動(dòng)作時(shí)間出現(xiàn)不同程度的波動(dòng)，動(dòng)作時(shí)間的極大值為41.94 ms，極小值為37.05 ms，平均值為39.35 ms。當(dāng)配電網(wǎng)5G通信電流差動(dòng)保護(hù)裝置采用單端啟動(dòng)時(shí)，其動(dòng)作時(shí)間也出現(xiàn)不同程度的波動(dòng)，但是總體上動(dòng)作時(shí)間比雙端啟動(dòng)時(shí)晚（延遲約10 ms），動(dòng)作時(shí)間的極大值為53.93 ms，極小值為45.02 ms，平均值為49.38 ms。

圖3 不同啟動(dòng)方式配電網(wǎng)5G通信電流差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間

為了進(jìn)一步驗(yàn)證配電網(wǎng)5G通信電流差動(dòng)保護(hù)在戶外環(huán)境下的工作狀態(tài)，在廣東省汕頭市某配電區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，分別研究在單基站通信和跨基站（2個(gè)基站，基站間距為2.8 km）通信的5G通信電流保護(hù)裝置的數(shù)據(jù)傳輸來回延時(shí)，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，隨著采樣點(diǎn)增加，當(dāng)配電網(wǎng)5G通信電流差動(dòng)保護(hù)裝置采用單基站通信傳輸時(shí)，其來回延時(shí)出現(xiàn)不同程度的波動(dòng)，來回延時(shí)的極大值為21.99 ms，極小值為17.28 ms，平均值為19.79 ms，來回延時(shí)抖動(dòng)不超過5.00 ms。當(dāng)配電網(wǎng)5G通信電流差動(dòng)保護(hù)裝置采用跨基站通信傳輸時(shí)，其來回延時(shí)也出現(xiàn)不同程度的波動(dòng)，但是總體的來回延時(shí)平均值比單基站通信傳輸時(shí)略大，來回延時(shí)的極大值為21.98 ms，極小值為17.28 ms，平均值為20.12 ms，來回延時(shí)抖動(dòng)不超過5.00 ms。結(jié)果表明，采用跨基站的傳輸方式對(duì)配電網(wǎng)5G通信數(shù)據(jù)的傳輸速率的改善效果可以忽略不計(jì)。

圖4 不同傳輸方式通信來回延時(shí)曲線

在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，配電網(wǎng)5G通信數(shù)據(jù)采用公網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸和采用切片內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的來回延時(shí)測(cè)試結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，隨著采樣點(diǎn)的增加，當(dāng)配電網(wǎng)5G通信電流差動(dòng)保護(hù)裝置采用公網(wǎng)數(shù)據(jù)通信傳輸時(shí)，其來回延時(shí)出現(xiàn)不同程度的波動(dòng)，來回延時(shí)的極大值為49.96 ms，極小值為39.26ms，平均值為43.66 ms。當(dāng)配電網(wǎng)5G通信電流差動(dòng)保護(hù)裝置采用切片內(nèi)數(shù)據(jù)通信傳輸時(shí)，其來回延時(shí)也出現(xiàn)不同程度的波動(dòng)，但是總體的來回延時(shí)平均值比采用公網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)的平均值小，來回延時(shí)的極大值為20.96 ms，極小值為16.07 ms，平均值為18.93 ms。結(jié)果表明，與采用公網(wǎng)數(shù)據(jù)的傳輸方式相比，采用切片內(nèi)數(shù)傳輸方式為配電網(wǎng)5G通信數(shù)據(jù)提供專用的傳輸通道。

圖5 公網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)和切片內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)對(duì)比

4 結(jié)語

該文以廣東省汕頭市某城鄉(xiāng)結(jié)合部為研究對(duì)象，在分析配電網(wǎng)5G通信差動(dòng)保護(hù)原理和同步方式的基礎(chǔ)上，對(duì)差動(dòng)保護(hù)終端進(jìn)行開發(fā)，采用仿真模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的手段對(duì)啟動(dòng)方式、傳輸基站數(shù)量和傳輸方式進(jìn)行研究，得到以下3個(gè)結(jié)論：1） 隨著采樣點(diǎn)的增加，配電網(wǎng)5G通信電流差動(dòng)保護(hù)裝置采用雙端啟動(dòng)和單端啟動(dòng)，其動(dòng)作時(shí)間均出現(xiàn)不同程度的波動(dòng)，與雙端啟動(dòng)相比，單端啟動(dòng)動(dòng)作時(shí)間延遲約10 ms。2） 隨著采樣點(diǎn)的增加，配電網(wǎng)5G通信電流差動(dòng)保護(hù)裝置采用單基站和跨基站通信傳輸，其來回延時(shí)均出現(xiàn)不同程度的波動(dòng)，單基站來回延時(shí)的平均值為19.79 ms，跨基站來回延時(shí)的平均值為20.12 ms，來回延時(shí)抖動(dòng)不超過5.00 ms。結(jié)果表明，采用跨基站的傳輸方式對(duì)配電網(wǎng)5G通信數(shù)據(jù)的傳輸速率的改善效果可以忽略不計(jì)。3） 與采用公網(wǎng)數(shù)據(jù)的傳輸方式相比，采用切片內(nèi)數(shù)的傳輸方式為配電網(wǎng)5G通信數(shù)據(jù)提供了專用的傳輸通道。