基于5G通信的配網(wǎng)差動保護技術(shù)研究

張路 張良武 譚金龍 王暢 高興

摘 要：差動保護具有良好的可靠性、選擇性和速動性，但差動保護在配電網(wǎng)中仍未被廣泛使用。5G通信技術(shù)的發(fā)展，給以往需要光纖通信的電力系統(tǒng)差動保護設(shè)計提供了新的思路。鑒于此，研究了5G客戶終端設(shè)備的通信時延，分析了5G技術(shù)下設(shè)備的對時同步能力，針對5G技術(shù)目前的缺點提出了優(yōu)化措施，得到了滿足5G通信條件的配網(wǎng)差動保護設(shè)計所需達到的要求。

關(guān)鍵詞：5G通信;CPE設(shè)備;對時同步;配網(wǎng)差動保護

0??? 引言

隨著新能源并網(wǎng)占比的持續(xù)增加和系統(tǒng)中固態(tài)變壓器等設(shè)備的大量使用，原有保護配置方案及整定原則受到了嚴峻的挑戰(zhàn)：和傳統(tǒng)的同步發(fā)電機組不同的是，分布式電源的故障特征由故障期間的控制策略決定，其故障電流水平低，持續(xù)提供故障電流能力弱，導(dǎo)致原有配電網(wǎng)三段式電流保護整定原則不可用[1]。靈活分布式電源接入導(dǎo)致配電網(wǎng)從單端放射式網(wǎng)絡(luò)演變?yōu)槎嚯娫淳W(wǎng)絡(luò)，原有的配電網(wǎng)保護配置方案不能有效適應(yīng)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的變化，配電網(wǎng)迫切需要以電流差動保護這類具有絕對選擇性的快速性保護方案替代傳統(tǒng)三段式電流保護[2]。

文獻[3]基于TD-LTE技術(shù)提出了電力無線專網(wǎng)遠程通信架構(gòu)，可承擔(dān)配電自動化、配電監(jiān)測終端、電力用戶信息采集及視頻監(jiān)控等業(yè)務(wù)。文獻[4]提出了一種基于4G無線通信的自適應(yīng)分布式差動保護系統(tǒng)，實現(xiàn)配電網(wǎng)的故障定位和隔離。文獻[5]指出5G對于配電網(wǎng)差動保護具有良好的適配性，可以成為配網(wǎng)差動保護新的數(shù)據(jù)通道。鑒于目前的技術(shù)達不到配電網(wǎng)快速保護的要求，本文采用了時延更低、帶寬更高的5G無線通信技術(shù)，能有效推動無線差動保護在配電網(wǎng)中的應(yīng)用。

1??? 5G通信技術(shù)的特點

5G是一種全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，能提供10 Gb/s以上的帶寬、毫秒級時延及超高密度連接，多角度、全方位提升了通信網(wǎng)性能。國際電信聯(lián)盟（International Telecommunication Union，ITU）依據(jù)5G通信特點為其定義了三大場景：增強移動帶寬（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）、超高可靠低時延通信（Ultra-reliable and Low-Latency Communications，uRLLC）、大規(guī)模機器類通信（Massive Machine Type Com-

munication，mMTC）。相對應(yīng)ITU的三大場景，IMT2020提出了網(wǎng)絡(luò)連接方面的連續(xù)廣域覆蓋、熱點高容量、低時延高可靠和低功耗這四類場景。

對于配電自動化，時延的要求小于10 ms，文獻[6]指出，基于4G通信的差動保護不同終端間的端到端時延達100 ms，這一延時影響了電流差動保護的實際性能。5G通信的應(yīng)用場景uRLLC克服了穩(wěn)定性方面的缺陷，傳輸可靠性達99.999%，5G通信空中接口時延1 ms，端到端時延約10 ms，為配電網(wǎng)電流差動保護的配置提供了一種很有效的方法。從全業(yè)務(wù)通信網(wǎng)的研究聚焦至電力物聯(lián)網(wǎng)的配用電環(huán)節(jié)通信業(yè)務(wù)，5G通信所具備的上述特性可以在配電通信網(wǎng)“最后一公里”的通信覆蓋工作中發(fā)揮獨特優(yōu)勢?？蓪?G的eMBB、uRLLC和mMTC不同切片技術(shù)與各類業(yè)務(wù)分別對應(yīng)適用，這表明5G網(wǎng)絡(luò)能夠在智能電網(wǎng)通信網(wǎng)建設(shè)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。電力物聯(lián)網(wǎng)中通信業(yè)務(wù)的典型場景及對應(yīng)各項需求如表1所示。

2??? 配網(wǎng)差動保護實現(xiàn)的幾個關(guān)鍵技術(shù)

2.1??? 配網(wǎng)差動保護數(shù)據(jù)同步研究

基于KCL比較線路兩側(cè)電流的大小，差動保護是線路保護中選擇性、靈敏性、速動性比較高的一種主保護。差動保護對于兩側(cè)的數(shù)據(jù)要求很高，否則電流采樣會產(chǎn)生誤差，導(dǎo)致誤動作，因此差動保護的核心問題是數(shù)據(jù)同步。目前，數(shù)據(jù)同步方法有采樣數(shù)據(jù)修正法、采樣時刻調(diào)整法、采樣時鐘校準法、采樣序號調(diào)整法、外部同步信號法、基于參考向量同步法、基于故障信號同步法等。

采樣數(shù)據(jù)修正法由于需要對每一幀數(shù)據(jù)都進行時間扭轉(zhuǎn)修正，需測量通道延時，而5G通信的延遲并不穩(wěn)定精確，因此該方法不能滿足5G條件下差動保護的要求。采樣時刻調(diào)整法要求通信通道雙向延時一致，5G網(wǎng)絡(luò)采用的是非對等傳輸?shù)姆绞剑瑹o法滿足要求。采樣時鐘校準法和采樣時刻調(diào)整法類似，現(xiàn)有的5G非對稱網(wǎng)絡(luò)無法滿足要求。

外部同步信號法是利用外部GPS設(shè)備或其他設(shè)備輸入的同步脈沖進行同步的方法[7]，該方法滿足采樣的要求，但外部時鐘故障導(dǎo)致兩側(cè)保護采樣數(shù)據(jù)失步，則差動保護可能誤動。

基于參考向量同步法，在線路較長且線路模型不精確的情況下，存在一定的同步精度誤差。由于輸電線路參數(shù)變化及電氣量測量存在誤差，參考矢量進行同步對時的精度可能存在不穩(wěn)定性，但可以將參考矢量作為一個輔助同步的算法。

由上述分析可知，對于基于外部信號的同步方法，其精度主要取決于外部時鐘的性能而非通信信道的狀態(tài)。由于配電網(wǎng)對保護可靠性的要求低于輸電網(wǎng)，加上外部時鐘設(shè)備的發(fā)展，基于外部信號的同步方法可以作為配電網(wǎng)電流差動保護采樣同步的主要方法。另外，如果進一步考慮保護的可靠性，可以采用基于參考電壓和故障信號的同步方法作為實現(xiàn)保護采樣同步的輔助方法。

2.2??? 網(wǎng)絡(luò)通信延時研究

網(wǎng)絡(luò)延時的研究也是決定基于5G的配電網(wǎng)差動是否切實可行的關(guān)鍵因素：較大延時決定接收端需要更大的緩存保存對側(cè)的數(shù)據(jù)，同時也會影響差動的實時性;較大延時也會導(dǎo)致保護終端差動數(shù)據(jù)計算的節(jié)奏控制的復(fù)雜性和無序狀態(tài)增加。研究結(jié)果將直接影響差動保護方案的選取和軟件架構(gòu)的搭建，因此對5G網(wǎng)絡(luò)通信延時的研究是非常有必要的。

配網(wǎng)保護裝置要接入5G網(wǎng)絡(luò)，需要借助5G電力通信終端，因此目前基于5G的保護方案如圖1所示。