5G技術(shù)在電力配網(wǎng)中的應(yīng)用研究

劉丹妮，孫小芙，李生珠，張 松，王金宇，徐 晗，張 岑

（國網(wǎng)吉林電力有限公司信息通信公司，吉林 長春 130000）

0 引 言

2019年6 月，工信部向三大運營商與中國廣電發(fā)布了5G商用牌照。2020年3月4日，中共中央政治局常委會會議強調(diào)，加快5G網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進度?，F(xiàn)階段，5G技術(shù)在電力配網(wǎng)中的應(yīng)用范圍逐漸擴大，并且隨著5G技術(shù)、信息技術(shù)以及電力技術(shù)的綜合應(yīng)用，創(chuàng)新了諸多新技術(shù)[1]。

1 5G技術(shù)概述

5G技術(shù)是第五代移動通信技術(shù)的簡稱，其應(yīng)用主要集中在增強型移動寬帶（enhanced Mobile Broadband，eMBB）、超可靠和低延遲通信（ultra-reliable and Low Latency Communications，uRLLC）以及海量機器類通信（Massive Machine Type Communication，mMTC）方面，能夠提供低時延、大帶寬、高可靠以及大連接的通信服務(wù)，為能源的生產(chǎn)、傳輸、消費全環(huán)節(jié)提供廣泛連接與深度感知[2]。從目前國內(nèi)外的研究成果看，5G技術(shù)的應(yīng)用具有多元化特征，其中涉及到5種關(guān)鍵技術(shù)，包括網(wǎng)絡(luò)切片、邊緣計算、頻譜共享、干擾協(xié)調(diào)以及大規(guī)模MIMO技術(shù)[3-5]?，F(xiàn)階段，5G技術(shù)在我國配網(wǎng)保護中的應(yīng)用已經(jīng)相對成熟，能夠滿足電力項目基礎(chǔ)建設(shè)、自動輸配電技術(shù)應(yīng)用、配網(wǎng)自動化管理、配網(wǎng)搶修以及電力市場營銷等各個環(huán)節(jié)的應(yīng)用需求。在整個電力行業(yè)發(fā)展過程中，可以借助5G技術(shù)實現(xiàn)泛在物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建，使電力網(wǎng)絡(luò)得到全面管理[6]。

2 5G技術(shù)在電力配網(wǎng)中的應(yīng)用體現(xiàn)

5G技術(shù)在電力配網(wǎng)中的應(yīng)用已經(jīng)趨于多元化，但主要的應(yīng)用方向仍然集中在對電網(wǎng)的保護方面，下面以、為例對其應(yīng)用體現(xiàn)進行說明[7]。

2.1 國內(nèi)應(yīng)用體現(xiàn)

首先，通過5G技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，構(gòu)建泛在電力物聯(lián)網(wǎng)。從實踐經(jīng)驗看，在電力系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實現(xiàn)對電力系統(tǒng)諸環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)化連接，并實現(xiàn)人機之間的交互[8]?，F(xiàn)階段，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中的結(jié)構(gòu)為感知層+網(wǎng)絡(luò)層+平臺層+應(yīng)用層。在全天候工作模式下，基于5G技術(shù)的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中的配電自動化通信需求得到了有效滿足，而且還可以滿足智能分布式配電自動化、低壓用電信息采集、分布式電源以及電力巡檢機器人等業(yè)務(wù)場景。

其次，自5G元年以來，5G業(yè)務(wù)迅速增長，基站建設(shè)、差動保護功能測試迅速增加，圍繞5G通信承載保護技術(shù)的研究成果顯著增加[9]。與采用光纖通信的差動保護相比，其通道延時僅延長約7.8 ms，完全滿足分布式城市電網(wǎng)差動保護對快速通信的要求。此外，在深度定制的uRLLC場景中，5G技術(shù)中的網(wǎng)絡(luò)切片、差動保護通信延時以及整體動作時間等相關(guān)技術(shù)的可提升空間相對較大，應(yīng)用前景相對較好。

2.2 國外應(yīng)用體現(xiàn)

國外基于5G通信的配網(wǎng)保護研究中，雖然有愛立信公司、諾基亞公司、美國預(yù)先研究計劃局以及相關(guān)組織機構(gòu)的大規(guī)模投資與深入研究，但是目前仍然停留在初級階段[10]。在研究內(nèi)容方面，一是探討5G無線傳輸?shù)目煽啃?、安全性、時延是否適合應(yīng)用到電力系統(tǒng)繼電保護領(lǐng)域，二是探討5G在差動保護應(yīng)用中的應(yīng)用方式，三是探討5G無線通信如何在智能電網(wǎng)中充分發(fā)揮低延時、超高速的優(yōu)點。

3 5G+配網(wǎng)差動保護

3.1 設(shè)計思路

首先，當前配電網(wǎng)電流差動保護中，基站建設(shè)是以4G基站、5G示范應(yīng)用程序配套應(yīng)用方案為主。本次研究中以無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)、基于5G通信的電網(wǎng)區(qū)域保護控制技術(shù)為準，前者包括了無線網(wǎng)強架構(gòu)、基于TDOA的鋼絡(luò)定位技術(shù)、高精度網(wǎng)絡(luò)時間同步技術(shù)（PTP協(xié)議）以及無線網(wǎng)絡(luò)低時延高可靠關(guān)鍵技術(shù)，后者則涉及到主從式區(qū)域保護控制技術(shù)、分布式區(qū)域保護控制技術(shù)。在5G接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計中，總體設(shè)計思路是接入網(wǎng)設(shè)備集中化、協(xié)作化，大規(guī)模部署云無線接入網(wǎng)（Cloud Radio Access Network，C-RAN）。簡單講，就是利用5G公共無線網(wǎng)絡(luò)將配電網(wǎng)電流差動業(yè)務(wù)場景中的主站系統(tǒng)、通信終端以及業(yè)務(wù)終端關(guān)聯(lián)起來，使其在云端管理平臺上實現(xiàn)信息交互與數(shù)據(jù)管理等。

其次，在實踐方面，按照國網(wǎng)吉林信通公司協(xié)同國網(wǎng)長春供電公司配網(wǎng)保護專業(yè)，針對現(xiàn)有長春地區(qū)配網(wǎng)線路及通信技術(shù)進行充分交流，驗證其可操作性和可推廣性，并選取適合的配網(wǎng)線路作為本次測試用例。

3.2 實施方案

在配電網(wǎng)電流差動保護中，保護信號的設(shè)置要求滿足同步應(yīng)用需求。一般情況下，要求做到采樣時間點在線路兩側(cè)的一致性，同時結(jié)合差動繼電器兩側(cè)同一時間點的采樣數(shù)據(jù)完成差動電流計算。差動保護對電流差值的判斷需基于同一時刻的電流值，要求相互關(guān)聯(lián)的兩個或多個差動保護終端必須保證時間同步，其時間同步精度＜10 μs，交互信息的傳輸時延最大不超過12 ms。對通信的需求中，重點強調(diào)時延、可用性以及可靠性。

在配網(wǎng)保護裝置中實現(xiàn)5G通信僅需在現(xiàn)有裝置中加裝5G通信模塊，各保護裝置能通過5G基站直接進行信息交互。由于uRLLC場景下5G通信延遲最多可降至0.5 ms（單向），而且傳輸速率大幅增加，因此可完全實現(xiàn)復(fù)雜拓撲下的大數(shù)據(jù)量、高性能、有新能源接入的配網(wǎng)保護。5G對一次網(wǎng)架結(jié)構(gòu)變化的適應(yīng)能力也較強，能夠輕松實現(xiàn)對多個新能源發(fā)電單元、保護裝置及其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的接入或移除。在基于傳統(tǒng)時間同步網(wǎng)模型架構(gòu)的基礎(chǔ)上，運用MEC組網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建電力5G時間同步網(wǎng)絡(luò)基本架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 電力5G時間同步網(wǎng)絡(luò)基本架構(gòu)

通過在電力5G網(wǎng)絡(luò)與基站間、電力5G網(wǎng)絡(luò)與終端間應(yīng)用低開銷與高精度時頻同步技術(shù)，可以圍繞電力系統(tǒng)諸環(huán)節(jié)實現(xiàn)對電力5G網(wǎng)絡(luò)時頻同步無線應(yīng)用的目標。電力5G網(wǎng)絡(luò)時頻同步無線應(yīng)用場景見圖2。

圖2 電力5G網(wǎng)絡(luò)時頻同步無線應(yīng)用場景

4 結(jié) 論

隨著基于5G技術(shù)的電力泛在物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)和配網(wǎng)保護關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，我國將進一步實現(xiàn)電力輸配送的智能化，為后續(xù)的全球電力網(wǎng)絡(luò)建設(shè)奠定堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。通過以上分析可以看出5G+配網(wǎng)差動已經(jīng)建立內(nèi)容相對完整的產(chǎn)業(yè)鏈條，同時在技術(shù)產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計、應(yīng)用實踐等層面已經(jīng)相對成熟。