基于5G通信技術(shù)的配電網(wǎng)線路保護(hù)研究

黃 崇

（山東黃金電力有限公司，山東 萊州 261400）

0 引 言

配電網(wǎng)是面向用戶的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，是連接用戶和變電站之間的紐帶，在供配電系統(tǒng)中具有十分重要的作用。配電網(wǎng)中最關(guān)鍵的設(shè)備是繼電保護(hù)裝置，此裝置是維持電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的首要防線，可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)中異常狀態(tài)或者其他故障的實(shí)時(shí)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)中故障元器件的快速甄別，并為維修人員提供數(shù)據(jù)支撐，對(duì)保障電網(wǎng)的安全運(yùn)行和為用戶提供正常電能有著十分重要的作用[1-3]。

根據(jù)多年的供配電經(jīng)驗(yàn)可知，配電網(wǎng)建設(shè)過程中仍然存在不少問題?；谫Y源分配和投資數(shù)額的限制，目前配電網(wǎng)建設(shè)過程中基本使用單端量原理的電流保護(hù)裝置，此裝置的工作基本原理和內(nèi)部組成比較簡(jiǎn)單。隨著供配電技術(shù)的不斷發(fā)展和分布式電源裝置的出現(xiàn)，其接入電源的比例逐步提升，故障后潮流和電網(wǎng)中設(shè)備電壓的分布狀態(tài)開始發(fā)生變化，從而使得傳統(tǒng)的供配電單端量保護(hù)無法充分對(duì)電網(wǎng)內(nèi)部的真實(shí)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)異常的快速甄別，進(jìn)而導(dǎo)致電網(wǎng)保護(hù)工作存在較大延遲[4]。隨著分布式電源的不斷應(yīng)用，多端量的保護(hù)方法被普遍使用。在高壓輸電電網(wǎng)中，基本采用縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)的方式為電網(wǎng)提供元器件的保護(hù)，不同設(shè)備之間的交互大多采用光纖的方式進(jìn)行。此種交互方式存在低延時(shí)、高靈敏度的特點(diǎn)，光纖和分布式電源相結(jié)合，可以為電網(wǎng)提供安全、快速、有效的狀態(tài)保護(hù)[5-9]。

1 分布式電源技術(shù)與5G通信技術(shù)

1.1 分布式電源技術(shù)

相關(guān)學(xué)者認(rèn)為，采用不基于外部時(shí)鐘的差動(dòng)保護(hù)措施能夠?qū)崿F(xiàn)不同時(shí)鐘信號(hào)下信息的同步，但是不同時(shí)鐘故障的同步誤差比較大，當(dāng)一端出現(xiàn)弱反饋時(shí)會(huì)存在較大的問題。采用電流幅值等方式能夠形成縱連保護(hù)判斷依據(jù)，降低了時(shí)鐘同步方面的基本要求，但是如果存在重負(fù)荷的情況，此種保護(hù)措施可能會(huì)存在時(shí)效的風(fēng)險(xiǎn)，在使用過程中仍然要采用其他備用的保護(hù)措施。此外，還有部分學(xué)者提出了基于凸輪的廣域電流差動(dòng)保護(hù)措施，對(duì)不同側(cè)的設(shè)備和拓?fù)浞绞竭M(jìn)行了優(yōu)化，利用不同裝置之間的通信方式實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的差動(dòng)保護(hù)，但是此種保護(hù)方式對(duì)于傳輸介質(zhì)的要求較高，需要通過光纖進(jìn)行通信[10-13]。

1.2 5G通信技術(shù)

5G通信技術(shù)為電網(wǎng)多端量保護(hù)提供了一種新的解決思路，此種通信手段靈活性更高。采用5G通信技術(shù)，其數(shù)據(jù)的傳輸速率能夠達(dá)到10 Gb/s，滿足不同領(lǐng)域和不同類型終端的個(gè)性化需求。此外，5G通信技術(shù)具有高帶寬和低延時(shí)的基本特點(diǎn)，在數(shù)據(jù)傳輸過程中，其端到端的傳輸延遲時(shí)間僅為1 ms，可靠性大于99.999%，空口授時(shí)的精度能夠達(dá)到300 ns以下。從以上基本特性來看，完全能夠滿足配電網(wǎng)高精度管理和控制的基本要求。隨著新基建的不斷升級(jí)和優(yōu)化，目前5G通信技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)全面推廣，并在全國(guó)范圍內(nèi)開展了站點(diǎn)的基礎(chǔ)建設(shè)。通過搭建基于5G通信技術(shù)的通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)端到端的電網(wǎng)數(shù)據(jù)交互，支撐電網(wǎng)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)，精確定位電網(wǎng)運(yùn)行過程中的各類故障，進(jìn)而提高電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2 基于5G通信技術(shù)的配電網(wǎng)保護(hù)技術(shù)研究

根據(jù)5G通信技術(shù)的基本特點(diǎn)，能夠?yàn)榕潆娋W(wǎng)提供各類差動(dòng)保護(hù)并實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的在線監(jiān)控，還能為用戶的遠(yuǎn)程運(yùn)維提供較為可靠的通信技術(shù)支持。基于5G通信技術(shù)的配電保護(hù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 基于5G通信技術(shù)的配電保護(hù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 差動(dòng)保護(hù)技術(shù)

基于光纖介質(zhì)的電流差動(dòng)技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用在高壓輸電場(chǎng)景，可靠性較高。當(dāng)前我國(guó)電壓等級(jí)35 kV以下的各類輸電線路中所采用的保護(hù)裝置大多采用差動(dòng)保護(hù)技術(shù)，傳輸介質(zhì)也均采用光纖。由于用電終端涉及到的面比較廣、布局分散，如果采取配電差動(dòng)方法，則需要大范圍鋪設(shè)光纜，其投資的費(fèi)用較多且施工周期將會(huì)非常長(zhǎng)，加上全國(guó)各地地形和地貌的不同，因此施工的技術(shù)難度也比較大。隨著5G通信技術(shù)的產(chǎn)生，可以利用5G通信技術(shù)的優(yōu)勢(shì)彌補(bǔ)有線光纖傳輸中存在的問題，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信和傳輸，對(duì)開關(guān)和電量情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)基于5G通信技術(shù)的差動(dòng)保護(hù)工作，提升電網(wǎng)線路的可靠性[14]。

2.2 區(qū)域保護(hù)技術(shù)

在配電工作過程中，傳統(tǒng)電網(wǎng)基本采用單端電流信息進(jìn)行數(shù)據(jù)的計(jì)算和分析，根據(jù)電流大小以及動(dòng)作的時(shí)間開展配合工作，從而保障繼電保護(hù)工作的正常進(jìn)行。一旦存在短路或者其他故障異常，此種保護(hù)便無法快速識(shí)別故障，進(jìn)而導(dǎo)致保護(hù)裝置動(dòng)作異常，增加了停電的風(fēng)險(xiǎn)。

通過5G通信技術(shù)可以在電網(wǎng)的一段區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)多個(gè)終端信息交互，進(jìn)而對(duì)區(qū)域內(nèi)部多點(diǎn)問題的解決提供相關(guān)的分析數(shù)據(jù)，自動(dòng)識(shí)別電網(wǎng)內(nèi)部的邏輯拓?fù)潢P(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)其他保護(hù)裝置的聯(lián)動(dòng)。此外，在個(gè)別保護(hù)裝置拒絕動(dòng)作的情況下，可以對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別。在故障隔離之后，能夠?qū)﹂_環(huán)點(diǎn)的備用開關(guān)進(jìn)行自動(dòng)啟用，對(duì)其他未發(fā)生故障的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)對(duì)有關(guān)站點(diǎn)的快速恢復(fù)，進(jìn)而縮短停電時(shí)長(zhǎng)，將損失降到最低。不同終端采取命令方式進(jìn)行信息傳輸，進(jìn)而對(duì)線路進(jìn)行保護(hù)，其傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量相對(duì)比較小，僅包含開關(guān)的動(dòng)作等信號(hào)。如果采取采樣位（Sampled Value，SV）傳輸方案，除了對(duì)信號(hào)進(jìn)行傳輸之外，可以傳輸電流、電壓等結(jié)構(gòu)變異分析過程中所需要的信息，數(shù)據(jù)量較大[15]。

2.3 配電網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)

借助5G通信技術(shù)，優(yōu)化通信網(wǎng)絡(luò)的布局，在不對(duì)配電網(wǎng)原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造的情況下，監(jiān)控配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，提升配電網(wǎng)狀態(tài)感知水平?；?G通信技術(shù)的配電網(wǎng)狀態(tài)在線監(jiān)控原理如圖2所示。

圖2 基于5G通信技術(shù)的配電網(wǎng)狀態(tài)在線監(jiān)控原理

3 問題分析

與控制相關(guān)的業(yè)務(wù)對(duì)于延遲的要求比較高，而5G通信技術(shù)受到環(huán)境的影響后仍然存在延遲現(xiàn)象。在應(yīng)用過程中，由相關(guān)數(shù)據(jù)可知，此種保護(hù)在時(shí)間延遲上能夠達(dá)到8～9 ms，但是偶發(fā)性最大延遲可能達(dá)到90 ms以上。在未來基站建設(shè)和終端布置等方面，仍然需要對(duì)無線性能開展進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)。

差動(dòng)保護(hù)是對(duì)線路兩側(cè)電流進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并開展相關(guān)的動(dòng)作。但是，在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)差動(dòng)保護(hù)還存在較大的數(shù)據(jù)采集時(shí)鐘同步問題，光纖通道對(duì)于路由的收發(fā)存在不一致情況。5G傳輸路徑不確定，并且受環(huán)境影響較大，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)同步方法并不適用，未來需要不斷研究新型數(shù)據(jù)同步技術(shù)?，F(xiàn)有的配電自動(dòng)化技術(shù)從主站到終端的數(shù)據(jù)傳輸過程中均使用SM2技術(shù)加密，在內(nèi)部各個(gè)終端之間采用何種加密技術(shù)還需要進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和輸電技術(shù)的不斷發(fā)展，基于5G通信技術(shù)的配電網(wǎng)線路保護(hù)已經(jīng)成為未來研究的主要方向。通過對(duì)5G通信技術(shù)的主要應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行分析，要想實(shí)現(xiàn)5G通信技術(shù)在配電網(wǎng)線路保護(hù)中的全面應(yīng)用，仍然需要持續(xù)深入研究。