孫小芙，劉丹妮，李生珠，張 松，王金宇，徐 晗，張 岑

（國網(wǎng)吉林省電力有限公司信息通信公司，吉林 長春130000）

0 引 言

當(dāng)前，電力融合5G互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)步入了全新自動(dòng)化管理的重要時(shí)期，但在此期間會(huì)伴隨著用電故障。為了解決用電故障，需在配電網(wǎng)電流差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)中引進(jìn)5G技術(shù)，這樣不僅能大大優(yōu)化改進(jìn)故障的判斷和處理方法，及時(shí)確定故障原因，而且還能避免耗費(fèi)大量的人力和物力。

1 智能電網(wǎng)5G技術(shù)的應(yīng)用

5G技術(shù)是4G技術(shù)的進(jìn)一步演化，它能利用新型多天線、超高頻段以及密集網(wǎng)絡(luò)等構(gòu)建更可靠的通信網(wǎng)絡(luò)，具有網(wǎng)絡(luò)超高帶寬與超低時(shí)延的特性[1]。相較于4G技術(shù)，5G技術(shù)在關(guān)鍵性能指標(biāo)方面的提升效果非常顯著。在空中接口時(shí)延方面，4G通常為10～50 ms，5G可降低至l ms；在單用戶峰值吞吐率方面，4G通常為100～1 024 Mb/s，5G可達(dá)到10 Gb/s之上。與此同時(shí)，5G技術(shù)還對(duì)3個(gè)核心應(yīng)用場景進(jìn)行了定義。首先，增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶能增強(qiáng)既有的移動(dòng)數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)，全面提升系統(tǒng)運(yùn)行速度；其次，海量物聯(lián)網(wǎng)通信可通過相關(guān)的大數(shù)據(jù)連接業(yè)務(wù)，充分滿足物聯(lián)網(wǎng)對(duì)“萬物互聯(lián)”的實(shí)現(xiàn)要求；最后，超高可靠及低時(shí)延通信側(cè)重于控制領(lǐng)域，能提供高可靠性與低時(shí)延的服務(wù)。

2 在配電網(wǎng)電流差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)中應(yīng)用5G技術(shù)時(shí)遇見的問題

2.1 電流差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)在實(shí)際工作中存在的缺陷和問題

2.1.1 在問題的發(fā)現(xiàn)和處理上具有很大缺陷

在傳統(tǒng)的電流差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)中，很難對(duì)故障信息進(jìn)行準(zhǔn)確定位，同時(shí)也很難準(zhǔn)確分析其細(xì)節(jié)。尤其在電力供應(yīng)相對(duì)落后的地區(qū)，故障處理信息不明確，加之工作人員也存在一定的技術(shù)水平有限等問題，導(dǎo)致電力維護(hù)緩慢，從而影響到了電力的正常供應(yīng)[2]。在電力數(shù)據(jù)的傳輸中，基于4G技術(shù)的信息傳輸具有一定的延遲，而5G技術(shù)能夠有效避免數(shù)據(jù)延遲問題發(fā)生。除此之外，5G技術(shù)還能夠極快地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，降低故障狀況造成的影響。就目前實(shí)際情況來看，在傳統(tǒng)的電流差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)中應(yīng)用5G技術(shù)是非常有必要的。

2.1.2 難以全面連接整條線路的電壓信息

對(duì)于電網(wǎng)建設(shè)來說，由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)都配置PT目前還很難達(dá)到，因此無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)欠壓等線路電壓情況，管理人員無法及時(shí)掌握全面的電力信息，這也就意味著部分地區(qū)的電壓難以得到有效的保障。除此之外，有源配電網(wǎng)在電壓信息的處理方面具有一定的局限性和缺陷，會(huì)因信息獲取不及時(shí)而導(dǎo)致電壓供應(yīng)問題，很難確保用戶的高效用電。

2.2 傳統(tǒng)光纖電流差動(dòng)保護(hù)問題

若想保障電流差動(dòng)保護(hù)的選擇性，就必須以基爾霍夫電流定律為基礎(chǔ)，即流向一個(gè)節(jié)點(diǎn)的電流之和等于零。在光纖通道的電流差動(dòng)保護(hù)基礎(chǔ)上，促使兩端或多端線路實(shí)現(xiàn)差動(dòng)保護(hù)[3]。例如兩端線路，在非故障前提下從兩側(cè)母線流入線路的電流之和等于零，那么位于線路兩側(cè)的保護(hù)裝置只需將各自通過電流互感器采集的電流數(shù)據(jù)傳輸給對(duì)側(cè)裝置，經(jīng)過數(shù)據(jù)同步處理后就能進(jìn)行差動(dòng)保護(hù)計(jì)算。其數(shù)據(jù)同步方法的重點(diǎn)是使用乒乓法原理將光纖通道延遲測(cè)出來，同時(shí)將兩端采樣時(shí)刻的偏差計(jì)算出來，再由同步端保護(hù)裝置對(duì)采樣中斷時(shí)刻進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)裝置采樣時(shí)刻同步。

2.3 5G無線電流差動(dòng)保護(hù)問題

作為鏈路層傳輸協(xié)議，HDLC協(xié)議并沒有上層的網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層以及傳輸層協(xié)議，不能通過5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備傳輸。作為采樣值傳輸?shù)牧硪粋€(gè)標(biāo)準(zhǔn)，IEC61850-9-2標(biāo)準(zhǔn)被廣泛應(yīng)用于智能變電站中。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)，裝置之間可對(duì)SV報(bào)文進(jìn)行收發(fā)，并對(duì)采樣值信息進(jìn)行實(shí)時(shí)交互。在理論層面，基于該標(biāo)準(zhǔn)，裝置也可實(shí)現(xiàn)線路差動(dòng)保護(hù)。在鏈路方面，SV報(bào)文使用ISO/IEC8802.3協(xié)議僅對(duì)應(yīng)OSI模型中的數(shù)據(jù)鏈路層及物理層，而在網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層及會(huì)話層均為空。雖然簡化了協(xié)議棧、減少了協(xié)議棧處理時(shí)間、提升了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，但是同樣不能在5G網(wǎng)絡(luò)里傳輸[4]。

2.4 其他問題

傳輸通道替代專用光纖后，5G通信網(wǎng)絡(luò)平均傳輸時(shí)延、丟包率以及時(shí)延抖動(dòng)等指標(biāo)都有明顯的下降趨勢(shì)，必然會(huì)影響到差動(dòng)保護(hù)的保護(hù)動(dòng)作時(shí)間和穩(wěn)定性。此外，如果差動(dòng)保護(hù)之間的數(shù)據(jù)交互使用R-SV協(xié)議，雖然使用非標(biāo)協(xié)議降低了每秒幀數(shù)，但也很明顯地減少了流量，這些都阻礙了進(jìn)一步推廣5G差動(dòng)保護(hù)。

3 在配電網(wǎng)電流差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)中應(yīng)用5G技術(shù)時(shí)所產(chǎn)生問題的解決措施

3.1 利用5G技術(shù)實(shí)時(shí)傳輸電路故障信息

在信息技術(shù)快速發(fā)展的時(shí)代，利用相應(yīng)的云端服務(wù)器可以實(shí)時(shí)完成配電網(wǎng)的監(jiān)控工作。對(duì)于云端計(jì)算設(shè)備來說，其處理問題的速度遠(yuǎn)超人類。隨著科技的快速發(fā)展，借助網(wǎng)絡(luò)手段便能將電網(wǎng)管理的傳輸設(shè)備直接連接到管理人員的移動(dòng)終端。通過這樣的形式建立起一套完善的互聯(lián)網(wǎng)管理體系，經(jīng)由云端算法給出處理建議，再由專業(yè)人士審核后選擇合適的處理方法，能夠快捷有效地完成維護(hù)任務(wù)。

3.2 充分利用信息存儲(chǔ)能力控制配電

在目前強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，任何一戶用電家庭都可以成為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，以此建立一個(gè)固定的管理系統(tǒng)，利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控電量剩余量，并對(duì)戶主進(jìn)行必要的電量提醒。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)反饋各節(jié)點(diǎn)用戶的用電效果，避免出現(xiàn)電壓不足和突發(fā)斷電等問題。利用智能化5G技術(shù)完成一些簡單的維護(hù)和調(diào)度工作，通過核心網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)統(tǒng)一進(jìn)行電流差動(dòng)保護(hù)，借助更加廣闊的數(shù)據(jù)儲(chǔ)備空間將用戶信息和電力監(jiān)控信息統(tǒng)一錄入到云端管理中心，盡可能地實(shí)現(xiàn)區(qū)域化管理。利用5G信息處理技術(shù)可以加快故障信息處理效率，不僅能夠精確定位故障位置，而且還能夠迅速判斷故障類型，及時(shí)給出故障處理方法[5]。

3.3 省流量模式

HDLC協(xié)議和R-SV協(xié)議都沒有考慮無線傳輸?shù)男枨?，更不用說流量的收費(fèi)。保護(hù)算法是基于不間斷數(shù)據(jù)交互進(jìn)行設(shè)計(jì)的，而光纖傳輸延遲通常為微秒級(jí)，保護(hù)裝置不需要打開額外的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。省流量策略將會(huì)對(duì)保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間造成一定影響，以下是對(duì)增加的時(shí)間的定量分析。對(duì)于非流量節(jié)省模式下的保護(hù)動(dòng)作，依據(jù)差動(dòng)電流計(jì)算時(shí)間，直到滿足差動(dòng)條件為止。當(dāng)一側(cè)的計(jì)算結(jié)果滿足微分條件時(shí)，向另一側(cè)發(fā)送允許信號(hào)。

3.4 冗余發(fā)送機(jī)制

3.4.1 5G網(wǎng)絡(luò)可靠性

裝置依據(jù)既有標(biāo)準(zhǔn)，如果產(chǎn)生通信誤碼或丟包，需發(fā)出警報(bào)并阻斷差動(dòng)保護(hù)。專用光纖通道可靠性高，在正常運(yùn)行期間很少發(fā)生誤碼或數(shù)據(jù)包丟失等情況。根據(jù)電網(wǎng)公司的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，誤碼率要求大于10-8，實(shí)際使用中誤碼率通常為10-9左右[6]。根據(jù)目前的3GPP標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)，5G信道的誤碼率或丟包率是光纖信道的10 000倍，約為10-5?；诖?，進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化是非常有必要的。

3.4.2 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試

在設(shè)備制造商提供的實(shí)驗(yàn)室中，測(cè)試5G網(wǎng)絡(luò)下差動(dòng)保護(hù)的通信質(zhì)量。兩個(gè)差動(dòng)保護(hù)裝置通過各自的CPE連接到同一個(gè)基站，SA組網(wǎng)為測(cè)試網(wǎng)絡(luò)。此外，測(cè)試基站只連接待測(cè)設(shè)備。將基站天線與待測(cè)設(shè)備放在同一屏蔽室內(nèi)，避免空間內(nèi)其他信道的干擾，可以將其視為理想狀態(tài)下的5G SA網(wǎng)絡(luò)通道。在測(cè)試中，基于空中接口側(cè)的重傳機(jī)制，沒有真正的丟包，但對(duì)于差動(dòng)保護(hù)的延時(shí)大于規(guī)定范圍，實(shí)際效果等同于數(shù)據(jù)丟失。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，微機(jī)保護(hù)的時(shí)差不應(yīng)小于0.2 s。而由于現(xiàn)階段變電站10 kV線路延時(shí)速斷保護(hù)通常設(shè)置為0.3 s，因此5G差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間仍為100 ms。

4 在電流差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)中5G技術(shù)的具體應(yīng)用實(shí)例與展望

4.1 應(yīng)用實(shí)例

電流差動(dòng)保護(hù)的信號(hào)同步要求包括兩方面，一是線路兩側(cè)的采樣時(shí)刻務(wù)必嚴(yán)格同步，二是差動(dòng)繼電器采用兩側(cè)相同時(shí)刻的采樣數(shù)據(jù)對(duì)差動(dòng)電流進(jìn)行計(jì)算。目前常見的信號(hào)同步方式有兩種，即基于GPS同步時(shí)鐘的同步方法和基于數(shù)據(jù)通道的同步方法。其中，基于數(shù)據(jù)通道的同步方法包括采樣時(shí)刻調(diào)整法、時(shí)鐘校正法以及采樣數(shù)據(jù)修正法。

以中國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為核心，使用北斗授時(shí)同步方法在線路兩端的保護(hù)裝置中部署采樣時(shí)鐘。該時(shí)鐘由高可靠性的晶振體構(gòu)成，每過1 s被秒脈沖信號(hào)同步1次，確保晶振體出現(xiàn)的脈沖前沿和國際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘具有1 μs同步精度，促使兩端采樣嚴(yán)格同步[7,8]。

依據(jù)現(xiàn)場部署情況，配電網(wǎng)業(yè)務(wù)終端與配電主站系統(tǒng)之間使用以太網(wǎng)方式或5G通信系統(tǒng)、光纖、4G無線專網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)。其中，配電網(wǎng)電流差動(dòng)保護(hù)裝置能夠減少停電時(shí)長、提升搶修效率，傳遞跳閘信號(hào)以及采樣值。

電力電子器件是分布式電源中的主要器件，耐受過電流與過電壓的能力較弱，故障時(shí)提供的故障電流水平相對(duì)較低，會(huì)逐漸惡化配電網(wǎng)原有繼電保護(hù)方案（如三段式電流保護(hù)）性能，保護(hù)原理不能被使用。對(duì)于保護(hù)裝置而言，隨著網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)拓?fù)涞淖兓貌坏接行鋫洹?duì)原有的配電網(wǎng)而言，隨著分布式電源的接入從單端放射式網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變?yōu)槎嚯娫淳W(wǎng)絡(luò)。

既有的無線通信技術(shù)和保護(hù)通信通道建設(shè)的特征，對(duì)配電網(wǎng)快速保護(hù)的發(fā)展產(chǎn)生了阻礙。將配電網(wǎng)與5G通信網(wǎng)絡(luò)融合，對(duì)配電網(wǎng)電流差動(dòng)保護(hù)信號(hào)同步關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，有序串聯(lián)配電主站、差動(dòng)保護(hù)裝置、配電自動(dòng)化終端等，如圖1所示。

圖1 配電主站、差動(dòng)保護(hù)裝置等有序串聯(lián)

對(duì)電流差動(dòng)保護(hù)、測(cè)控裝置以及5G CPE通信模組進(jìn)行配置，每個(gè)智能配電終端分別采集兩側(cè)CT的各相電流和零序電流，對(duì)被保護(hù)線路的制動(dòng)電流與差動(dòng)電流進(jìn)行計(jì)算。與此同時(shí)，利用5G基站和核心網(wǎng)電力uRLLC切片，當(dāng)出現(xiàn)區(qū)內(nèi)故障時(shí)，兩個(gè)智能配電終端的差動(dòng)保護(hù)邏輯各自動(dòng)作，對(duì)動(dòng)作出口進(jìn)行保護(hù)，促使配電網(wǎng)電流差動(dòng)保護(hù)應(yīng)用得到全面實(shí)現(xiàn)[9]。

4.2 應(yīng)用展望

在電網(wǎng)管理中，往往需要更加高效直接的方法將電網(wǎng)信息快速傳遞給電網(wǎng)管理人員。隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及，越來越多的用戶開始注重電力的供應(yīng)水平。而5G技術(shù)的出現(xiàn)帶來了高效的信息處理手段，通過5G技術(shù)能夠建立一個(gè)可采集所有用戶信息的平臺(tái)，統(tǒng)計(jì)用戶用電質(zhì)量要求，并及時(shí)對(duì)用戶的用電量進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，掌握全部用戶的電力信息，這也是電路保護(hù)的重要前提。該平臺(tái)不僅能夠直接有效地調(diào)查用戶以往的用電特點(diǎn)，還能夠針對(duì)性地實(shí)時(shí)檢測(cè)電網(wǎng)，準(zhǔn)確有效地顯示相應(yīng)的故障信號(hào)[10]。除此之外，利用5G基站來進(jìn)行信號(hào)的傳輸與接收，有效節(jié)省了電網(wǎng)建設(shè)的預(yù)算。5G技術(shù)在未來電網(wǎng)管理相關(guān)方面具有的極大的發(fā)展空間，對(duì)于電流差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)來說，結(jié)合5G技術(shù)也將是主流的發(fā)展趨勢(shì)。

5 結(jié) 論

在新時(shí)期發(fā)展背景下，5G技術(shù)在監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)、工業(yè)控制等領(lǐng)域中得到了非常廣泛的應(yīng)用。文章詳細(xì)討論了5G技術(shù)在配電網(wǎng)電流差動(dòng)保護(hù)中的實(shí)際應(yīng)用，通過在配電網(wǎng)中應(yīng)用5G技術(shù)，能夠在很大程度上全面提升智能電網(wǎng)業(yè)務(wù)運(yùn)行的可靠性和安全性。