“5G＋MEC”在配網(wǎng)差動保護(hù)中的應(yīng)用

祁欣學(xué) 宋俊廷 范子濤 高建曄 娜菲莎·吾甫爾

【摘要】? ? 配電網(wǎng)差動保護(hù)是保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵手段，隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，為了保證配電網(wǎng)系統(tǒng)故障的精準(zhǔn)定位，有效控制故障影響范圍，差動保護(hù)對電力通信網(wǎng)的時(shí)延、帶寬、安全性提出了更高的要求。5G網(wǎng)絡(luò)切片與多接入邊緣計(jì)算 （Multi-access Edge Computing，MEC）的融合技術(shù)成功解決了配電網(wǎng)差動保護(hù)通信通道建設(shè)的難題，通過在特定線路上進(jìn)行試驗(yàn)，效果極佳。

【關(guān)鍵字】? ? 配電網(wǎng)差動保護(hù)? ? 5G技術(shù)? ? 多接入邊緣計(jì)算? ? 網(wǎng)絡(luò)切片

引言：

隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，以及新疆電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，特別是在國家電網(wǎng)公司中國特色國際領(lǐng)先能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)目標(biāo)的驅(qū)動下，電網(wǎng)各類業(yè)務(wù)終端的信息采集與傳輸需求日漸增長，海量配電網(wǎng)保護(hù)信息的實(shí)時(shí)交互更是亟待解決的問題[1]。

傳統(tǒng)配電網(wǎng)差動保護(hù)通信通道采用光纖接入方式，建設(shè)成本高，難以大規(guī)模推廣應(yīng)用[2]。而在信息傳遞效率方面，由于在光纖遠(yuǎn)距離傳輸過程中，經(jīng)常存在因各種原因?qū)е碌墓饫w斷纖問題，且人工修復(fù)過程耗時(shí)耗力，導(dǎo)致信息傳輸效率不高;采用4G無線公網(wǎng)方式在通道的傳輸帶寬、時(shí)延、安全性等方面也不能滿足需求。

此時(shí)，5G網(wǎng)絡(luò)因其在承載控制類業(yè)務(wù)、采集類業(yè)務(wù)的低時(shí)延、低成本、高安全性的特點(diǎn)[3]-[4]，能夠滿足電網(wǎng)各種各樣的關(guān)鍵通信需求，并且5G網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前可見的唯一能滿足各類業(yè)務(wù)通信需求的先進(jìn)無線技術(shù)。5G網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展及其優(yōu)良特性，為打造基于5G確定性網(wǎng)絡(luò)電力行業(yè)虛擬專網(wǎng)提供解決方案。

近年來，三大運(yùn)營商都在不斷推進(jìn)5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)從非獨(dú)立組網(wǎng) （Non-Standalone，

NSA）向獨(dú)立組網(wǎng) （Standalone， SA）架構(gòu)演進(jìn)[5]-[6]，且均有提供5G網(wǎng)絡(luò)切片和移動邊緣計(jì)算的能力。其中，中國移動堅(jiān)持云網(wǎng)一體化發(fā)展;中國聯(lián)通已建成商用5G SA網(wǎng)絡(luò)，推進(jìn)“云網(wǎng)邊端”業(yè)務(wù)高度協(xié)同;中國電信的5G SA網(wǎng)絡(luò)商用能力處于行業(yè)領(lǐng)先地位，通過5G+公有云+MEC融合發(fā)展，實(shí)現(xiàn)5G技術(shù)價(jià)值的最大化。5G技術(shù)的不斷成熟使得基于網(wǎng)絡(luò)切片和MEC構(gòu)建電力虛擬專網(wǎng)逐步成為現(xiàn)實(shí)。

一、相關(guān)原理

（一） 配電網(wǎng)差動保護(hù)

配電網(wǎng)差動保護(hù)是線路差動保護(hù)原理在配電網(wǎng)中的應(yīng)用。線路差動保護(hù)[7]是基于基爾霍夫電流定律原理，在線路兩側(cè)裝設(shè)有性能相同的電流互感器，通過電纜將電流互感器的二次電流接入線路保護(hù)裝置中。正常運(yùn)行或外部故障時(shí)，流經(jīng)線路兩側(cè)保護(hù)裝置的電流大小相等、相位相反，若不計(jì)電流互感器的誤差，流入兩側(cè)保護(hù)裝置的電流矢量和為0，如圖1所示，保護(hù)裝置不動作;當(dāng)線路內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，線路兩側(cè)分別向故障點(diǎn)提供短路電流[8]，流入兩側(cè)保護(hù)裝置的矢量和為總短路電流，如圖2所示，兩側(cè)線路保護(hù)裝置動作，最終實(shí)現(xiàn)全線路故障的快速隔離，縮小停電范圍，提升用戶用電質(zhì)量。

實(shí)現(xiàn)線路差動保護(hù)的關(guān)鍵是線路保護(hù)裝置將本側(cè)線路電流大小、相位及相關(guān)運(yùn)行信息通過通信設(shè)備快速、可靠地傳遞給對側(cè)線路保護(hù)裝置，同時(shí)接收對側(cè)線路保護(hù)裝置發(fā)送的信息，從而進(jìn)行實(shí)時(shí)矢量差計(jì)算、故障的判別。

（二）5G網(wǎng)絡(luò)切片+MEC

1.低時(shí)延

5G無線通信技術(shù)本身就具有帶寬大、時(shí)延低、可靠性高的特點(diǎn)。同時(shí)，又將用戶面UPF由運(yùn)營商機(jī)房下沉到網(wǎng)絡(luò)邊緣，即終端用戶側(cè)，為本地化、區(qū)域化應(yīng)用場景提供邊緣計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲等支持[9]。通過地址解析和分流規(guī)則匹配，使得業(yè)務(wù)流量本地卸載，減少了核心骨干節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，縮短了傳輸路徑，有效降低業(yè)務(wù)端到端時(shí)延[10]。

在 4G 以及之前的系統(tǒng)中，由于完整性保護(hù)算法會增加數(shù)據(jù)處理壓力，增大時(shí)延，所以一直沒有使用，僅僅對控制面數(shù)據(jù)做了完整性保護(hù)。5G對用戶面數(shù)據(jù)，可按需提供空口到核心網(wǎng)之間的用戶面數(shù)據(jù)加密和完整性保護(hù)。

2.獨(dú)立組網(wǎng)

5G端到端網(wǎng)絡(luò)切片是指將網(wǎng)絡(luò)相關(guān)資源進(jìn)行靈活切分，按實(shí)際場景和需求組網(wǎng)，即定制化的專用網(wǎng)絡(luò)[11]，基于5G網(wǎng)絡(luò)切分出多個(gè)具有不同特點(diǎn)且互相隔離的邏輯子網(wǎng)，每個(gè)端到端網(wǎng)絡(luò)切片均由無線網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、核心網(wǎng)子切片組合而成，并通過端到端切片管理系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一的管理，這些子網(wǎng)能滿足不同場景的需求[12]-[13]。傳輸切片具有隔離性，普通業(yè)務(wù)流對電力業(yè)務(wù)流無影響，不同業(yè)務(wù)可以在相同切片中進(jìn)入不同的虛擬專用網(wǎng)絡(luò)（Virtual Private Network， VPN）通道。

MEC設(shè)備的應(yīng)用平臺化和交互層面開放化，實(shí)現(xiàn)了對傳統(tǒng)無線通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的變革和對無線網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)支持潛能的挖掘和釋放[14]-[16]，因此，可按需在生產(chǎn)控制大區(qū)、管理信息大區(qū)、電力園區(qū)、變電站區(qū)域等位置靈活部署MEC，在安全性、高效性方面給電網(wǎng)生產(chǎn)業(yè)務(wù)提供了有效保障。

5G+MEC技術(shù)，即基于5G SA核心網(wǎng)采用用戶面功能（User Plane Function ，UPF）和控制面功能（Control-Plane Processing Function，CPF）分離服務(wù)化架構(gòu)的特性，在5G網(wǎng)絡(luò)切片上，部署一套MEC服務(wù)器，分布式系統(tǒng)布置圖如圖3所示。

網(wǎng)絡(luò)切片與MEC的融合更是滿足了業(yè)務(wù)在差異化和確定性服務(wù)，高安全隔離和自管理自維護(hù)的要求。

3.盲區(qū)覆蓋

控制面CPE，即無線路由終端，其與用戶面UPF分離，故可根據(jù)應(yīng)用需要靈活布置，由此，針對5G信號質(zhì)量不好的區(qū)域，可通過CPE與5G網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，解決信號盲區(qū)覆蓋的問題。

二、5G+MEC在配電網(wǎng)差動保護(hù)中的應(yīng)用

（一）應(yīng)用方案

中國電信公司的5G SA商用能力處于行業(yè)領(lǐng)先地位，為成功構(gòu)建電力區(qū)域性虛擬專網(wǎng)，某供電公司同電信公司在基于5G SA架構(gòu)端到端的網(wǎng)絡(luò)切片的基礎(chǔ)上，在A，B變電站各部署了一臺CPE設(shè)備，將一臺邊緣計(jì)算MEC設(shè)備部署在公司機(jī)房，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)本地分流卸載。將數(shù)據(jù)大循環(huán)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)小循環(huán)，進(jìn)一步降低了通道時(shí)延。其方案示意圖如圖4所示。

配網(wǎng)線路兩側(cè)差動保護(hù)通過CPE設(shè)備接入5G網(wǎng)絡(luò)建立通道，互相交互采樣數(shù)據(jù)。通過用戶面UPF將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)直接傳送到用戶的內(nèi)網(wǎng)，建立電力虛擬專網(wǎng)。實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)不出公司，同時(shí)，用5G傳輸切片代替了原本的光纖專網(wǎng)，不僅顯著減少建設(shè)成本，更解決了業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)安全性的后顧之憂。

（二）試點(diǎn)試驗(yàn)

此次項(xiàng)目的試點(diǎn)配網(wǎng)線路選取10kV某線，A站點(diǎn)CT為5A制，B站點(diǎn)CT為1A制。線路兩端使用縱差保護(hù)設(shè)備，并在線路兩端安裝雙模（同時(shí)支持北斗和GPS授時(shí)功能）的外部授時(shí)裝置。在配電室及變電站配置5G SA室分設(shè)備，5G通道采用基于SA組網(wǎng)的端到端切片模式。

1.試驗(yàn)方案

A站點(diǎn)側(cè)保護(hù)采用雙套配置，原裝置正常運(yùn)行，正常出口跳、合閘，5G線路縱差保護(hù)裝置掛網(wǎng)試運(yùn)行。B站點(diǎn)側(cè)考慮其為負(fù)荷終端線路，只投保護(hù)功能不投出口跳閘。并且，為A、B站點(diǎn)CPE的電信5G卡分配靜態(tài)IP地址，試驗(yàn)方案架構(gòu)如圖5所示。

2. 通信保障

2020年9月16日中國電信新疆分公司完成新疆范圍內(nèi)5G商用SA核心網(wǎng)絡(luò)的初步部署。2020年9月25日，中國電信新疆分公司完成5G業(yè)務(wù)調(diào)試。2021電信公司計(jì)劃再建設(shè)3600個(gè)基站，實(shí)現(xiàn)烏魯木齊城區(qū)和縣城區(qū)域5G網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，良好的5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋為大面積布設(shè)基于5G網(wǎng)絡(luò)切片的配網(wǎng)差動保護(hù)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí)，室分設(shè)備增強(qiáng)5G信號，有效解決信號盲區(qū)覆蓋問題。

3.安全隔離

安全接入隔離網(wǎng)關(guān)集成正反向隔離和縱向加密認(rèn)證功能。安全接入平臺由接入網(wǎng)關(guān)組件、數(shù)據(jù)過濾系統(tǒng)（數(shù)據(jù)隔離組件）組成，為電力內(nèi)網(wǎng)無線業(yè)務(wù)提供業(yè)務(wù)終端安全接入、實(shí)時(shí)監(jiān)控、安全數(shù)據(jù)傳輸與交互的電力專用邊界安全防護(hù)設(shè)備。

4. 試驗(yàn)效果

在配電室及變電站建設(shè)的5G SA室內(nèi)站點(diǎn)開通后，測試區(qū)域信號情況如圖6所示。

經(jīng)測試可知變電站區(qū)域?yàn)殡娦臩A網(wǎng)絡(luò)，場強(qiáng)為-62.5dBm，信號質(zhì)量SINR為33.25dB，站內(nèi)信號覆蓋正常。

同時(shí)，對下行速率和上行速率進(jìn)行測試，結(jié)果如圖7所示。

由圖可知，變電站內(nèi)SA網(wǎng)絡(luò)下行速率可達(dá)到1Gbps，上行速率大于75Mbps，速率正常，滿足當(dāng)前站點(diǎn)的大帶寬業(yè)務(wù)需求。

差動保護(hù)裝置對時(shí)延要求較高，通過測試SA站點(diǎn)時(shí)延完全滿足國網(wǎng)電力差動保護(hù)裝置要求，本次SA站點(diǎn)測試的平均時(shí)延為8.48ms，圖8為本次時(shí)延測試結(jié)果。

將各測試參數(shù)與業(yè)務(wù)需求指標(biāo)作對比，結(jié)果如表1，網(wǎng)絡(luò)無丟包，抖動范圍1毫秒，信號質(zhì)量優(yōu)良。完全滿足國網(wǎng)電力差動保護(hù)裝置要求。

三、結(jié)束語

將配網(wǎng)差動保護(hù)業(yè)務(wù)接入5G網(wǎng)絡(luò)，且將MEC部署在網(wǎng)絡(luò)邊緣，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)前端的本地化數(shù)據(jù)計(jì)算，有效縮短了通信時(shí)延;其次，因減少了骨干核心節(jié)點(diǎn)的傳輸，不僅節(jié)省帶寬資源，降低了通信成本，更重要的是解決了電網(wǎng)數(shù)據(jù)安全的后顧之憂。

依托此次配網(wǎng)差動保護(hù)業(yè)務(wù)的驗(yàn)證成果，國網(wǎng)烏魯木齊供電公司下一步將繼續(xù)開展“5G+業(yè)務(wù)”專項(xiàng)行動，在智能巡檢機(jī)器人、配網(wǎng)自動化、用電信息采集等多方面開展電力5G業(yè)務(wù)的試點(diǎn)工作。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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