5G通信下的配電網(wǎng)差動保護數(shù)據(jù)同步傳輸方法研究

摘要： 針對現(xiàn)有差動保護數(shù)據(jù)同步傳輸方法傳輸速率較低的問題，文章引用5G通信技術(shù)，提出配電網(wǎng)差動保護數(shù)據(jù)同步傳輸方法。文章先分析配電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸5G專網(wǎng)架構(gòu)，利用系統(tǒng)消息塊SIB9和TA 值完成5G終端、基站與差動保護裝置的時間同步設(shè)計，然后以此為基礎(chǔ)，構(gòu)建信道抗干擾傳輸模型，實現(xiàn)配電網(wǎng)差動保護數(shù)據(jù)同步傳輸，最后通過應(yīng)用對比實驗，驗證所提方法的先進性。實驗結(jié)果表明，應(yīng)用所提方法，差動保護數(shù)據(jù)傳輸速率均高于15.31 Mbit/s，優(yōu)于對比方法，實際應(yīng)用效果更佳。

關(guān)鍵詞：5G移動通信技術(shù)；配電網(wǎng)；數(shù)據(jù)同步傳輸

中圖分類號：G642" 文獻標志碼：A

0 引言

隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展與智能化水平的提升，配電網(wǎng)作為電能傳輸與分配的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其安全穩(wěn)定運行對于保障電力供應(yīng)的可靠性至關(guān)重要。在配電網(wǎng)中，差動保護作為一種重要的保護手段，通過比較被保護設(shè)備兩側(cè)的電流差值來判斷設(shè)備是否發(fā)生故障并采取相應(yīng)的保護措施，以其高可靠性和高選擇性成為廣泛應(yīng)用的保護手段。然而，隨著配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的日益復(fù)雜和分布式電源的廣泛接入，傳統(tǒng)差動保護方法逐漸暴露出數(shù)據(jù)傳輸延遲、誤碼率高、同步性差等局限性，這些都限制了其在現(xiàn)代配電網(wǎng)中的應(yīng)用效果^［1-2］。傳統(tǒng)差動保護方法面臨著線路鋪設(shè)困難、維護成本高、通信帶寬有限等問題，且有線通信方式難以滿足數(shù)據(jù)實時傳輸和同步傳輸?shù)男枨?，?dǎo)致差動保護的準確性和可靠性受到嚴重影響^［3］。為能有效解決這些問題，本文提出了一種基于5G通信技術(shù)的配電網(wǎng)差動保護數(shù)據(jù)同步傳輸方法。5G通信技術(shù)具有高帶寬、低時延和大連接數(shù)特性，可為配電網(wǎng)中的差動保護數(shù)據(jù)傳輸提供高效、穩(wěn)定的通信通道。

1 配電網(wǎng)差動保護數(shù)據(jù)同步傳輸設(shè)計

1.1 5G終端、基站與差動保護裝置的時間同步設(shè)計

圖1 配電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸5G專網(wǎng)架構(gòu)

本次應(yīng)用的配電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸5G專網(wǎng)架構(gòu)如圖1所示，主要由統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理、5G核心網(wǎng)、Unscented粒子濾波、思維進化計算和5G基站等組成。在該網(wǎng)絡(luò)中，統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理能確保用戶基礎(chǔ)信息的一致性和安全性；5G核心網(wǎng)作為網(wǎng)絡(luò)核心，管理連接和會話；思維進化計算提供邊緣計算服務(wù)；5G基站構(gòu)建通信傳輸網(wǎng)絡(luò)^［4］。為實現(xiàn)配電網(wǎng)差動保護數(shù)據(jù)的同步傳輸，須要先完成5G終端、基站與差動保護裝置的時間同步。在5G系統(tǒng)中，系統(tǒng)消息塊SIB9通常是通過物理下行共享信道進行傳輸?shù)摹；緯鶕?jù)網(wǎng)絡(luò)配置和需求，將包括SIB9在內(nèi)的系統(tǒng)信息封裝在無線資源控制消息中并通過無線信號傳輸給終端。本次應(yīng)用系統(tǒng)消息塊SIB9，結(jié)合時間提前量TA值，成功實現(xiàn)了5G終端、差動保護裝置本地與基站側(cè)之間的高精度 時間同步設(shè)計，其過程如下：先解析時間信息，基于5G終端和差動保護裝置從系統(tǒng)消息塊SIB9中提取時間信息，將其記為T0。然后計算傳播時延，其初始化時延是基于時間提前量TA推導(dǎo)基站到5G終端的傳播時延。其中，TA實質(zhì)為2倍的傳播時延，因此其計算公式如下：

T1=TA×TW2（1）

其中，TA為時間提前量；TW為子載波傳輸時延。

在連接狀態(tài)時會時延更新，因此須要對其進行調(diào)整，其調(diào)整后時延公式如下：

T2=NTA，old+（TA-31）TW2（2）

其中，NTA，old為舊時延調(diào)整值^［5］。

最后，結(jié)合參考時間T0和傳播時延T1、T2，計算終端側(cè)時鐘，實現(xiàn)對本地時鐘的修正，確保時間同步。

通過上述步驟，實現(xiàn)了5G終端、基站與差動保護裝置之間的時間同步，為配電網(wǎng)差動保護數(shù)據(jù)同步傳輸提供基礎(chǔ)。

1.2 基于5G通信的數(shù)據(jù)同步傳輸設(shè)計

本文在完成5G終端、基站與差動保護裝置之間的時間同步后，構(gòu)建信道抗干擾傳輸模型，完成5G通信的數(shù)據(jù)同步傳輸。為了簡化信道模型，所有信道采用統(tǒng)一編碼模式，以避免碼分復(fù)用問題。

先定義5G通信傳輸架構(gòu)中的發(fā)射機集合A以及接收機集合B，可分別表示為A=｛a1，a2，...，an｝，B=｛b1，b2，...，bn｝。每個基站在特定子信道上的最大傳輸功率是固定的，基于協(xié)議干擾模型，綜合考慮接收機的接收功率與干擾功率閾值的關(guān)系來判斷是否存在顯著干擾。已知信道功率傳輸增益與發(fā)射機、接收機之間的距離及信道傳輸路徑損耗因子β相關(guān)^［6］。因此，本次設(shè)定為此信道功率傳輸增益，計算發(fā)射機an在子信道cn上的最大傳輸范圍，其表達公式如下：

Ran=PcanPcl^1β（3）

其中，β為信道傳輸路徑損耗因子；Pcan為an在信道c上的傳輸功率；Pcl為an在信道c上的傳輸損失功率^［7］。本次使用信噪比來評估鏈路質(zhì)量，計算鏈路數(shù)據(jù)傳輸速率，其計算公式如下：

v=wlog2（1+r）（4）

其中，w為鏈路帶寬；r為信噪比。

為管理同層通信信道間的干擾沖突，引入通信鏈路元組來標識信道狀態(tài)信息，通過構(gòu)建信道沖突，識別可能產(chǎn)生干擾的鏈路組合。由此，可避免信道分配時產(chǎn)生的信道沖突，實現(xiàn)數(shù)據(jù)高速傳輸。

2 實驗論證

為檢測基于5G通信的配電網(wǎng)差動保護數(shù)據(jù)同步傳輸方法的有效性，本文以配電網(wǎng)差動保護設(shè)備作為研究對象。將本文設(shè)計的同步傳輸方法、基于信標時序補償?shù)膫鬏敺椒ê突贚amb波的傳輸方法同時應(yīng)用到實驗環(huán)境中，設(shè)計對比實驗。

2.1 實驗設(shè)置

本實驗旨在對比數(shù)據(jù)同步傳輸方法的性能，故以傳輸速率為主要評價指標，搭建實驗環(huán)境。實驗主要利用C#實驗用戶態(tài)的DS-dedupe系統(tǒng)，運行環(huán)境為Microsoft Compact Framework3.5。其客戶端機器為Dell（R）Inspiron 620系列機，硬件中CPU配置為Intel（R）Core（TM）i3-21203.30，2 GB DDRIII內(nèi)存，運行環(huán)境為Microsoft Windows 10旗艦版操作系統(tǒng)。本次通過Vivado2017.2 軟件中的行為級模擬進行仿真驗證，以此為基礎(chǔ)開展實驗研究。

2.2 實驗指標

數(shù)據(jù)同步傳輸速率具體指的是在單位時間內(nèi)（通常為1 s）通過通信線路上傳輸?shù)谋忍財?shù)，其計算公式為：

V=tvnWlog2N（5）

其中，V為差動保護數(shù)據(jù)傳輸速率；W為傳輸?shù)叫诺赖臄?shù)據(jù)量；t為電力數(shù)據(jù)在各個信道的傳輸時間；vn為數(shù)據(jù)在各個信道中的傳輸速度；N為數(shù)據(jù)的有效離散值。

2.3 實驗結(jié)果分析

通過式（5）計算可得出3種方法的傳輸速率對比，結(jié)果如表1所示。

采用基于信標時序補償?shù)膫鬏敺椒〞r，隨著實驗測試次數(shù)的增加，傳輸速率逐漸增高，但整體增高程度較低，約為8.94 Mbit/s；采用基于Lamb波的傳輸方法時，隨著實驗測試次數(shù)的增加出現(xiàn)快速增加的現(xiàn)象，但整體傳輸速率較低，約為8.02 Mbit/s；而采用本文傳輸方法時，隨著實驗測試次數(shù)的增加傳輸速率逐漸增高，且其傳輸速率均高于15.31Mbit/s，相比基于信標時序補償?shù)膫鬏敺椒?、基于Lamb波的傳輸方法分別提高了4.41Mbit/s、7.33Mbit/s。由此可證明，本文所提方法在傳輸速率方面具有顯著優(yōu)勢，能夠滿足現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸對高效、可靠性的需求。

3 結(jié)語

隨著5G技術(shù)的不斷發(fā)展和電力系統(tǒng)的日益復(fù)雜化，將5G技術(shù)應(yīng)用于配電網(wǎng)差動數(shù)據(jù)傳輸中具有現(xiàn)實意義。本文通過深入分析5G技術(shù)的原理和特點，開展基于5G通信的配電網(wǎng)差動保護數(shù)據(jù)同步傳輸方法研究。實驗結(jié)果表明，本文所提方法數(shù)據(jù)傳輸速率均高于15.31 Mbit/s，應(yīng)用效果較好。未來，隨著5G技術(shù)的不斷發(fā)展和配電網(wǎng)的持續(xù)優(yōu)化，基于5G通信的配電網(wǎng)差動保護數(shù)據(jù)同步傳輸方法將在電力系統(tǒng)中發(fā)揮更加重要的作用，為電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、高效運行提供保障。

參考文獻

［1］王元上，袁至，王維慶.提升抗時延抖動和數(shù)據(jù)異常性能的配電網(wǎng)故障自同步5G差動保護方案［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2024（5）：139-147.

［2］王峰，蔡德勝，於濤，等.配電網(wǎng)分布式差動保護數(shù)據(jù)同步方法［J］.供用電，2023（4）：31-38.

［3］程曉蕾，鄧惠俊.移動平臺終端隱蔽信道數(shù)據(jù)傳輸同步方法［J］.咸陽師范學(xué)院學(xué)報，2022（6）：28-33.

［4］濮宏飛，吳通華，姚剛，等.基于5G通信的有源配電網(wǎng)線路差動保護實用化方案［J］.電力系統(tǒng)自動化，2022（23）：117-124.

［5］馬紅橋，楊文忠，康鵬.基于NDN的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)同步方法［J］.計算機工程與應(yīng)用，2022（23）：117-125.

［6］祁欣學(xué)，宋俊廷，范子濤，等.“5G+MEC”在配網(wǎng)差動保護中的應(yīng)用［J］.中國新通信，2022（4）：10-13.

［7］徐云飛，孫永順，丁曉喜，等.基于Lamb波的數(shù)據(jù)傳輸與缺陷檢測同步實現(xiàn)方法［J］.儀器儀表學(xué)報，2022（3）：24-31.

（編輯 沈 強編輯）

Study on the synchronous transmission method of differential protection data of

distribution network under 5G communication

QIAO" Dehai， LI" Xueliang， ZHANGnbsp; Tongtong

（Shandong Guowei Electric Power Engineering Co.， Ltd.， Liaocheng 252000， China）

Abstract： In view of the problem of low transmission rate of the existing differential protection data synchronous transmission method， this article uses 5G communication technology to carry out the synchronous transmission method of differential protection data of the distribution network. The method analyzes the distribution network data transmission of 5G private network architecture， uses the system message block SIB 9 and TA value to complete 5G terminal， base station and differential protection device time synchronization design， and then on this basis， builds the channel antiinterference

transmission model. The experimental results show that the transmission rate of the proposed method is higher than 15.31Mbit/s， better than the comparison method. The practical application effect is better.

Key words： 5G mobile communication technology; distribution network; synchronous data transmission