孫陽盛，涂 崎，趙中華，黃震宇，趙永森，李 坤

基于5G及IEC61850的韌性配網(wǎng)故障信息智能傳輸技術(shù)研究

孫陽盛1，涂 崎1，趙中華2，黃震宇1，趙永森3，李 坤3

(1.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司，上海 200122；2.東方電子股份有限公司，山東 煙臺(tái) 264000；3.山東大學(xué)，山東 濟(jì)南 250061)

現(xiàn)有城市配電網(wǎng)，尤其是在負(fù)荷密集區(qū)域，具有大量的10 kV開關(guān)站。但是現(xiàn)有配電網(wǎng)系統(tǒng)缺乏對(duì)10 kV開關(guān)站設(shè)備的有效監(jiān)管能力，嚴(yán)重阻礙城市韌性配電網(wǎng)的建設(shè)。為此，提出了基于5G及IEC61850的韌性配網(wǎng)故障信息智能傳輸技術(shù)方案。該方案通過基于態(tài)勢(shì)感知的保護(hù)設(shè)備自動(dòng)發(fā)現(xiàn)識(shí)別技術(shù)自動(dòng)識(shí)別感知開關(guān)站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)變化。通過基于IEC61850通信的二次設(shè)備自動(dòng)配置接入技術(shù)自動(dòng)發(fā)現(xiàn)并配置保護(hù)裝置。通過基于IEC61850的面向?qū)ο蟮牧Ⅲw數(shù)據(jù)模型到扁平化數(shù)據(jù)模型的免配置轉(zhuǎn)換技術(shù)快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)保護(hù)故障信息主站與子站之間的信息轉(zhuǎn)換與共享。通過基于5G網(wǎng)絡(luò)的高速實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息的高速、實(shí)時(shí)、可靠傳輸。搭建系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境對(duì)該技術(shù)方案進(jìn)行測(cè)試并在試點(diǎn)站進(jìn)行試運(yùn)行。結(jié)果表明該技術(shù)方案能夠按需及時(shí)獲取設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)和重要?jiǎng)幼餍畔ⅲ瑢?shí)現(xiàn)了對(duì)10 kV開關(guān)站的有效監(jiān)管。

5G；IEC61850；免配置；態(tài)勢(shì)感知；動(dòng)態(tài)初始化；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

0 引言

近年來，隨著全球氣候的變化，臺(tái)風(fēng)、冰災(zāi)等極端天氣頻發(fā)，對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成嚴(yán)重的威脅[1-4]。電力系統(tǒng)的安全關(guān)乎國(guó)家安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定。作為與用戶密切相關(guān)的配電網(wǎng)，其極端天氣應(yīng)對(duì)能力的提高對(duì)災(zāi)害事故的抵御、人們生產(chǎn)生活的保障具有重要意義。為此，建設(shè)韌性配電網(wǎng)至關(guān)重要[5-8]。

文獻(xiàn)[9-10]對(duì)電力系統(tǒng)韌性的相關(guān)概念進(jìn)行了介紹。韌性配電網(wǎng)是能夠全面、快速、準(zhǔn)確感知配電網(wǎng)的運(yùn)行態(tài)勢(shì)，對(duì)各類擾動(dòng)作出主動(dòng)預(yù)判與積極預(yù)備、主動(dòng)防御，快速恢復(fù)重要電力負(fù)荷，并能自我學(xué)習(xí)和持續(xù)提升的電網(wǎng)[11-12]。

上海市發(fā)布的《上海市推進(jìn)城市安全發(fā)展的工作措施》指出，上海電網(wǎng)將逐步開展世界一流城市韌性配電網(wǎng)的建設(shè)工作。然而上海10 kV開關(guān)站數(shù)量巨大且過于分散，缺乏有效的監(jiān)管技術(shù)手段，影響故障處置及供電恢復(fù)的速度，嚴(yán)重制約了韌性配電網(wǎng)的建設(shè)。

為提高配電網(wǎng)的自動(dòng)識(shí)別與監(jiān)控能力，文獻(xiàn)[13-14]討論了IEC61850標(biāo)準(zhǔn)在配電網(wǎng)自動(dòng)化中的應(yīng)用，并基于此對(duì)配電終端進(jìn)行建模。文獻(xiàn)[15-20]對(duì)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)在配電自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用做了進(jìn)一步的深入研究。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)在配電自動(dòng)化系統(tǒng)中的逐漸成熟，有效解決了配電網(wǎng)終端設(shè)備的監(jiān)控問題、主站系統(tǒng)信息交互問題等[21-22]，為韌性配電網(wǎng)的建設(shè)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。但是IEC61850標(biāo)準(zhǔn)是變電站的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約。針對(duì)變電站內(nèi)設(shè)備的改變，IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的SCD、CID等文件需要人工更改。當(dāng)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)引入配電網(wǎng)后，隨著配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜、規(guī)模越來越龐大以及各設(shè)備節(jié)點(diǎn)的變化逐漸頻繁，手工更改文件越來越繁瑣，誤差逐漸增大。

針對(duì)上述問題，本文提出了基于5G及IEC61850的韌性配網(wǎng)故障信息智能傳輸技術(shù)方案。該技術(shù)方案通過基于態(tài)勢(shì)感知的保護(hù)設(shè)備自動(dòng)發(fā)現(xiàn)識(shí)別技術(shù)將自動(dòng)識(shí)別技術(shù)與電力故障信息系統(tǒng)進(jìn)行無縫連接；通過基于IEC61850通信的保護(hù)設(shè)備免配置接入技術(shù)建立保護(hù)裝置即插即用、源端維護(hù)的免配置、自動(dòng)化通信體系；通過基于IEC61850的面向?qū)ο罅Ⅲw數(shù)據(jù)到扁平化數(shù)據(jù)的免配置轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)子站與主站信息轉(zhuǎn)換共享；通過基于5G網(wǎng)絡(luò)的高速實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)主子站的信息傳輸。最后本文通過測(cè)試及試運(yùn)行驗(yàn)證了本方案的有效性。

1 基于5G及IEC61850的韌性配網(wǎng)故障信息智能傳輸技術(shù)

1.1 基于態(tài)勢(shì)感知的保護(hù)設(shè)備自動(dòng)發(fā)現(xiàn)識(shí)別

態(tài)勢(shì)感知覆蓋感知(感覺)、理解和預(yù)測(cè)3個(gè)層次，是一種基于環(huán)境的、動(dòng)態(tài)的、整體的洞悉安全風(fēng)險(xiǎn)的能力；是以安全大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，從全局視角提升對(duì)安全威脅的發(fā)現(xiàn)識(shí)別、理解分析、響應(yīng)處置能力的一種方式。在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，對(duì)能夠引起網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢(shì)發(fā)生變化的安全要素進(jìn)行獲取、理解、顯示并預(yù)測(cè)未來的發(fā)展趨勢(shì)，可以快速發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)變化并對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別，可以提供全面的網(wǎng)絡(luò)安全保障。利用態(tài)勢(shì)感知技術(shù)可以檢測(cè)目標(biāo)機(jī)是否在線、端口開放情況、偵測(cè)運(yùn)行的服務(wù)類型及版本信息、偵測(cè)操作系統(tǒng)與設(shè)備類型等信息。

網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下使用設(shè)備發(fā)現(xiàn)功能是一種比較常見的手段。其通過ARP、TCP、UDP、ICMP、PING等協(xié)議的操作功能，采用基于全協(xié)議棧掃描方式，主動(dòng)發(fā)現(xiàn)目前網(wǎng)絡(luò)內(nèi)存在的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，對(duì)于預(yù)配置的工作方式可以提供一種更加便捷的工作手段。本文將其與IEC61850通信結(jié)合使用，提出基于態(tài)勢(shì)感知的保護(hù)設(shè)備自動(dòng)發(fā)現(xiàn)識(shí)別技術(shù)。其路線如圖1所示。

圖1 基于態(tài)勢(shì)感知的保護(hù)設(shè)備自動(dòng)發(fā)現(xiàn)識(shí)別技術(shù)路線圖

該技術(shù)對(duì)現(xiàn)有的10 kV開關(guān)站的典型情況進(jìn)行分析，針對(duì)幾種具體類型的保護(hù)裝置，根據(jù)運(yùn)行功能、操作系統(tǒng)的不同，獲取自動(dòng)發(fā)現(xiàn)設(shè)備的信息；通過態(tài)勢(shì)評(píng)估、預(yù)測(cè)方法，結(jié)合10 kV開關(guān)站的數(shù)量及分布情況，并考慮站內(nèi)運(yùn)行情況，針對(duì)增補(bǔ)、改擴(kuò)建的實(shí)際情況，通過ARP、TCP、UDP、ICMP、PING等協(xié)議的操作功能，采用基于全協(xié)議棧掃描方式，主動(dòng)發(fā)現(xiàn)目前網(wǎng)絡(luò)內(nèi)存在的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；通過對(duì)開關(guān)站內(nèi)各類設(shè)備自動(dòng)識(shí)別技術(shù)、設(shè)備屬性自動(dòng)挖掘判斷技術(shù)、多源資產(chǎn)信息的比對(duì)和去重技術(shù)等與主站系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)信息的主動(dòng)上送、統(tǒng)一維護(hù)等功能。

該技術(shù)通過發(fā)現(xiàn)、自動(dòng)感知網(wǎng)絡(luò)情況的變化，對(duì)新增網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)讀取，能夠避免人為參與的錯(cuò)誤；將自動(dòng)識(shí)別與電力故障信息系統(tǒng)進(jìn)行無縫聯(lián)接，充分發(fā)揮、利用已有的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為電力系統(tǒng)自動(dòng)化提供支撐作用。

1.2 基于IEC61850通信的保護(hù)設(shè)備免配置接入

大量10 kV開關(guān)站接入保護(hù)裝置的調(diào)試過程復(fù)雜、配置過程較多、運(yùn)行檢修難度明顯增加；設(shè)備改造涉及系統(tǒng)配置文件的修改和驗(yàn)證，調(diào)試時(shí)間長(zhǎng)，停電影響范圍大，現(xiàn)場(chǎng)檢修困難；開關(guān)站系統(tǒng)配置文件缺乏技術(shù)管控手段，存在配置文件錯(cuò)誤導(dǎo)致保護(hù)不正確動(dòng)作的風(fēng)險(xiǎn)。此外，IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)配置文件配置過程復(fù)雜，難以掌握，從而帶來許多運(yùn)維問題[23]。

為此，本文在IEC61850的基礎(chǔ)上開發(fā)一種基于自動(dòng)發(fā)現(xiàn)、自動(dòng)配置，達(dá)到保護(hù)裝置即插即用的免配置、自動(dòng)化通信體系。

該體系的技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 基于IEC61850通信的保護(hù)設(shè)備免配置接入技術(shù)路線圖

該技術(shù)體系針對(duì)現(xiàn)有繼電保護(hù)故障信息子站的實(shí)現(xiàn)流程進(jìn)行重新實(shí)現(xiàn)。本技術(shù)首先通過IEC61850的文件服務(wù)實(shí)時(shí)獲取保護(hù)裝置的模型文件，根據(jù)Q/GDW 396中對(duì)保護(hù)裝置模型的約定，通過邏輯設(shè)備(LD)“PROT”識(shí)別出保護(hù)設(shè)備；通過修改IEC 61850的初始化方式，由啟動(dòng)時(shí)的初始化升級(jí)為動(dòng)態(tài)初始化，實(shí)現(xiàn)模型的在線解析；通過實(shí)時(shí)解析模型文件建立數(shù)據(jù)樹，通過解析數(shù)據(jù)集建立數(shù)據(jù)點(diǎn)庫(kù)，通過讀取數(shù)據(jù)樹各節(jié)點(diǎn)值初始化數(shù)據(jù)庫(kù)屬性建立本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)通知主站有配置變化信息，等待主站的配置數(shù)據(jù)召喚命令，更新主站側(cè)的數(shù)據(jù)庫(kù)，達(dá)到保護(hù)裝置免配置接入的目的。

該技術(shù)體系取消了系統(tǒng)配置工具和SCD的配置，使用CID文件模型動(dòng)態(tài)初始化技術(shù)達(dá)到了IEC61850的保護(hù)設(shè)備免配置接入的目的；能夠有效地節(jié)約資源、控制成本、提高效率，有利于韌性配電網(wǎng)的建設(shè)。

1.3 基于IEC61850的面向?qū)ο罅Ⅲw數(shù)據(jù)到扁平化數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)原屬于變電站自動(dòng)化系統(tǒng)，而配電網(wǎng)主站主要使用IEC60870標(biāo)準(zhǔn)。IEC 61850引入配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)中，導(dǎo)致基于電網(wǎng)繼電保護(hù)故障信息主站和繼電保護(hù)故障信息子站為兩套異構(gòu)的自動(dòng)化系統(tǒng)。兩套系統(tǒng)在建模過程分別遵照各自領(lǐng)域的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其中子站為面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)，而主站需要的為線性化數(shù)據(jù)，兩者之間存在差異。

為此，本文對(duì)IEC60870、IEC61850和MMS的配置文件、報(bào)文結(jié)構(gòu)及傳輸機(jī)制、數(shù)據(jù)及服務(wù)的映射進(jìn)行研究。IEC61850采用的面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其最外層結(jié)構(gòu)為服務(wù)器，包含設(shè)備所有的功能，其下包含多個(gè)邏輯設(shè)備，每一個(gè)邏輯設(shè)備包含一組有關(guān)聯(lián)的邏輯節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)表示物理設(shè)備內(nèi)的某一項(xiàng)功能，包含多個(gè)數(shù)據(jù)，每一個(gè)數(shù)據(jù)由多個(gè)數(shù)據(jù)屬性組成。其中數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)成員為外部主要關(guān)心的數(shù)據(jù)。IEC60870-5-104采用的是線性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，IEC104是IEC101的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)行，它的應(yīng)用規(guī)約數(shù)據(jù)單元APDU由啟動(dòng)字符、APDU長(zhǎng)度、控制域及應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元ASDU組成，其中ASDU采用IEC101的ASDU，網(wǎng)絡(luò)層及傳輸層采用TCP/IP協(xié)議。它的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性好，可靠性高。在有配置工具參與的情況下，IEC61850的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換配置文件是由配置工具完成。配置文件主要對(duì)各個(gè)IEC61850的數(shù)據(jù)路徑如何向本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)映射做了指定，子站作為IEC61850的客戶端采集并解析間隔層設(shè)備通過IEC61850上送的數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)配置的配置文件寫入本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，供IEC104協(xié)議使用，完成不同結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)發(fā)。其中需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)主要包括數(shù)據(jù)集中的遙測(cè)、遙信、保護(hù)動(dòng)作告警，定值、壓板等和數(shù)據(jù)集之外的遙控、遙調(diào)，文件類數(shù)據(jù)不需要轉(zhuǎn)換。IEC61850采用報(bào)告服務(wù)來傳輸需要采集的數(shù)據(jù)，采集到本地并經(jīng)過本地?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，再通過IEC104中的專用ASDU將這些數(shù)據(jù)上送給主站，完成數(shù)據(jù)的采集與轉(zhuǎn)發(fā)。

本文對(duì)納入電網(wǎng)調(diào)控管理范圍的所有設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一分類，對(duì)IED模型文件進(jìn)行詳細(xì)深入的功能分析和系統(tǒng)功能分類，設(shè)計(jì)出一種電網(wǎng)繼電保護(hù)故障信息主站和繼電保護(hù)故障信息子站之間數(shù)據(jù)免配置點(diǎn)表通信的方法。其技術(shù)路線如圖3所示。對(duì)于子站IEC61850客戶端接入的多個(gè)保護(hù)設(shè)備，每一個(gè)保護(hù)設(shè)備作為獨(dú)立的IED進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。根據(jù)Q/GDW 396中對(duì)保護(hù)裝置數(shù)據(jù)集的約定，將各數(shù)據(jù)集映射至本地不同數(shù)據(jù)類型，如數(shù)據(jù)集名為dsAin和dsRelayAin中的數(shù)據(jù)映射為遙測(cè)、數(shù)據(jù)集名為dsDin和dsRelayDin中的數(shù)據(jù)映射為遙信、數(shù)據(jù)集名為dsTripInfo和dsAlarm中的數(shù)據(jù)映射為保護(hù)動(dòng)作告警、數(shù)據(jù)集名為dsSetting中的數(shù)據(jù)映射為定值、數(shù)據(jù)集名為dsRelayEna中的數(shù)據(jù)映射為壓板等，將功能約束為CO的節(jié)點(diǎn)映射為遙控等。將IED中的數(shù)據(jù)集順序號(hào)映射至主子站協(xié)議IEC103中的組號(hào)，將數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)集成員在本數(shù)據(jù)集中的順序號(hào)映射至組號(hào)中的條目號(hào)，每一數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)據(jù)屬性通過IEC 61850模型樹上功能約束CF的節(jié)點(diǎn)自動(dòng)獲得。

圖3 基于IEC61850的面向?qū)ο罅Ⅲw數(shù)據(jù)到扁平化數(shù)據(jù)的免配置轉(zhuǎn)換技術(shù)路線圖

該方法可以將IEC61850面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)和IEC60870-5-104面向點(diǎn)的線性數(shù)據(jù)進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，并實(shí)現(xiàn)對(duì)主子站的免配置通信，對(duì)節(jié)約資源、控制成本、提高工作效率、提高供電可靠性具有積極的意義。

1.4 基于5G網(wǎng)絡(luò)的高速實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)傳輸

配電網(wǎng)中設(shè)備節(jié)點(diǎn)多，IEC 61850的配置文件數(shù)量多、容量大，因此亟需大容量、大帶寬的通信方式。此外，上海地區(qū)臺(tái)風(fēng)較多，配電網(wǎng)受其影響嚴(yán)重。因此配電網(wǎng)中的信息指令等需要低延時(shí)、高速率的通信方式進(jìn)行傳輸。

5G技術(shù)作為新一代的無線傳輸技術(shù)，具有大帶寬、低時(shí)延、大接入容量的特點(diǎn)。目前3GPP組織定稿的R15和R16兩個(gè)版本的標(biāo)準(zhǔn)明確了大帶寬和低延時(shí)兩種業(yè)務(wù)場(chǎng)景的5G應(yīng)用。根據(jù)R15版本規(guī)定，5G在1 ms的時(shí)延內(nèi)傳輸32字節(jié)的誤碼率不超過0.001%，即其傳輸單字節(jié)的誤碼率在10-7左右[24-25]。URLLC場(chǎng)景下5G空口時(shí)延為1 ms，端到端時(shí)延在10 ms以內(nèi)[26]。5G的帶寬最低可以達(dá)到百兆赫茲，其接入容量可達(dá)每平方千米100萬臺(tái)設(shè)備[24]。

為此，本文對(duì)5G的組網(wǎng)方案和實(shí)際業(yè)務(wù)傳輸?shù)目煽啃?、?shí)時(shí)性等關(guān)鍵性技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行研究，提出基于5G網(wǎng)絡(luò)的高速實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)傳輸技術(shù)方案。

5G的組網(wǎng)方式有兩種，分別是SA(獨(dú)立組網(wǎng))和NSA(非獨(dú)立組網(wǎng))。其中獨(dú)立組網(wǎng)時(shí)，無線使用5G無線，核心網(wǎng)使用5G核心網(wǎng)，此架構(gòu)為5G的終極形態(tài)[27]。經(jīng)過測(cè)試，本技術(shù)方案選擇了SA獨(dú)立組網(wǎng)方式，在實(shí)驗(yàn)室周邊開通了5G低時(shí)延切片專網(wǎng)，將實(shí)驗(yàn)室周圍的6個(gè)基站納入切片網(wǎng)絡(luò)，切片網(wǎng)絡(luò)采用N41頻段，帶寬為100 MHz，采用TDD時(shí)分雙工通信模式，網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)可以為配網(wǎng)故障信息傳輸業(yè)務(wù)提供高可靠、高安全和高速的通信信道。針對(duì)配網(wǎng)業(yè)務(wù)特點(diǎn)，本技術(shù)方案選擇了通信運(yùn)營(yíng)商的ToB模式，使用UPF(用戶面功能)下沉方式，將專網(wǎng)的用戶信息配置于SMF內(nèi)，通過用戶識(shí)別，指定最近的UPF完成數(shù)據(jù)流的轉(zhuǎn)發(fā)。從實(shí)際情況來看，此方案可以滿足配網(wǎng)故障信息傳輸?shù)囊蟆?/p>

對(duì)于5G網(wǎng)絡(luò)下業(yè)務(wù)傳輸?shù)目煽啃?、?shí)時(shí)性問題，在以上組網(wǎng)方案下，本技術(shù)方案采用差動(dòng)保護(hù)裝置作為典型裝置進(jìn)行了5G通信下可靠性、實(shí)時(shí)性研究。

5G通信方式下做的主要研究工作有：1) 同步算法，傳統(tǒng)光差的乒乓同步算法在接收與發(fā)送時(shí)延相同的前提下使用；5G傳輸時(shí)延具有不確定性，無法保證收發(fā)時(shí)延一致，需解決同步問題?；谛l(wèi)星授時(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方同步，是目前相對(duì)更可靠、更實(shí)用的同步方式。2) 對(duì)時(shí)，5G技術(shù)帶來的精準(zhǔn)授時(shí)功能，能夠?qū)崿F(xiàn)授時(shí)精度在微秒級(jí)水平，R16標(biāo)準(zhǔn)的到來已將精度進(jìn)一步縮小至10 ns；可滿足保護(hù)需求，是配電網(wǎng)的理想方案。3) 流量控制，目前的5G商用模式，依然秉持按流量計(jì)費(fèi)的方式，對(duì)于長(zhǎng)期運(yùn)行的設(shè)備來說，流量是個(gè)不容忽視的問題，實(shí)際方案的選擇對(duì)于長(zhǎng)期運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)起著重要的作用。4) 網(wǎng)絡(luò)安全，5G豐富的安全架構(gòu)及切片專網(wǎng)能夠保證用戶身份的合法性；基于邊緣計(jì)算的數(shù)據(jù)傳輸能力，使網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)不出區(qū)域，降低了入侵的風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)5G通信方式下的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究：1) 同步原理，采樣數(shù)據(jù)中攜帶時(shí)間標(biāo)記，基于統(tǒng)一時(shí)間源進(jìn)行插值同步，裝置底層采用統(tǒng)一的計(jì)時(shí)方式，計(jì)時(shí)精度可小于10 μs。2) 通道數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，針對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)通道的質(zhì)量，研究了通道時(shí)延、誤碼等情況，最小時(shí)延為8.5 ms、最大時(shí)延為160 ms、平均時(shí)延為16.2 ms，誤碼率小于0.001%。3) 網(wǎng)絡(luò)流量方案，差動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)采樣頻率的需求并不高，每秒1000點(diǎn)的采樣頻率可以滿足差動(dòng)保護(hù)需求，每秒單向流量最高可以達(dá)到78 KB/s，每天雙向流量最高可以達(dá)到12 GB，每月雙向流量最高可以達(dá)到372 GB。4) 流量實(shí)時(shí)控制技術(shù)，正常狀態(tài)下，僅傳送心跳幀，1 s內(nèi)連續(xù)傳送2個(gè)周波采樣值，保持實(shí)時(shí)同步，完成差流計(jì)算，可實(shí)時(shí)進(jìn)行差流異常告警處理，此模式下流量消耗為全流量的4%，大幅提升經(jīng)濟(jì)性。從實(shí)際情況來看，可靠性、實(shí)時(shí)性可以滿足配網(wǎng)故障信息傳輸?shù)囊蟆?/p>

綜上所述，本文所提基于5G及IEC61850的韌性配網(wǎng)故障信息智能傳輸技術(shù)方案由4部分組成，其技術(shù)路線如圖4所示。本技術(shù)方案通過基于態(tài)勢(shì)感知的保護(hù)設(shè)備自動(dòng)發(fā)現(xiàn)識(shí)別技術(shù)對(duì)新增網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)讀取；通過基于IEC61850通信的保護(hù)設(shè)備免配置接入技術(shù)實(shí)現(xiàn)保護(hù)裝置即插即用、源端維護(hù)免配置、通信自動(dòng)化；通過基于IEC61850的面向?qū)ο罅Ⅲw數(shù)據(jù)到扁平化數(shù)據(jù)的免配置轉(zhuǎn)換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)繼電保護(hù)故障信息主站和繼電保護(hù)故障信息子站數(shù)據(jù)進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的信息轉(zhuǎn)換共享，最后通過基于5G網(wǎng)絡(luò)的高速實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)繼電保護(hù)故障信息主站和繼電保護(hù)故障信息子站之間信息智能高速實(shí)時(shí)傳輸。

圖4 基于5G及IEC61850的韌性配網(wǎng)故障信息智能傳輸技術(shù)路線圖

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

2.1 保護(hù)故障信息系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境搭建

圖5 10 kV繼電保護(hù)故障信息系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境搭建示意圖

保護(hù)仿真測(cè)試系統(tǒng)通過導(dǎo)入SCD/CID模型文件模擬IEC61850保護(hù)裝置的站控層數(shù)據(jù)交互行為，可仿真30臺(tái)以上IED裝置MMS輸出，可用于系統(tǒng)測(cè)試過程中基本通信接入與普通對(duì)點(diǎn)等項(xiàng)目。

主站系統(tǒng)為符合上海市調(diào)要求的10 kV繼電保護(hù)故障信息主站系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱主站系統(tǒng))。系統(tǒng)基于獨(dú)立組網(wǎng)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)與各子站裝置的通信，實(shí)現(xiàn)相關(guān)配網(wǎng)保護(hù)裝置的設(shè)備監(jiān)視、設(shè)備采樣及故障信息采集與處理功能。時(shí)間同步裝置為整個(gè)測(cè)試環(huán)境提供對(duì)時(shí)功能，站控層設(shè)備及主站系統(tǒng)采用 NTP 對(duì)時(shí)。整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)涉及的繼電保護(hù)裝置、子站裝置、主站系統(tǒng)均需要滿足上海市調(diào)發(fā)布的10 kV繼電保護(hù)故障信息系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范要求的樣機(jī)或系統(tǒng)。

2.2 開關(guān)站設(shè)備增補(bǔ)、變更測(cè)試

實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，新增一臺(tái)保護(hù)裝置并配置合法網(wǎng)絡(luò)地址，接入MMS局域網(wǎng)交換機(jī)，通過子站管理工具可以觀察到子站裝置在2 min內(nèi)能自動(dòng)發(fā)現(xiàn)新的保護(hù)裝置上線并讀取保護(hù)裝置的CID模型文件，完成保護(hù)裝置的自動(dòng)建模和IEC61850接入，同時(shí)子站主動(dòng)向主站發(fā)送配置變更信號(hào)并等待主站的配置數(shù)據(jù)召喚命令來完成保護(hù)裝置的接入。

運(yùn)行過程中，修改其中一臺(tái)保護(hù)裝置的模型文件，通過子站管理工具可以觀察到子站裝置能夠在配置變更后2 min內(nèi)發(fā)現(xiàn)保護(hù)裝置的配置變更，并完成本地模型文件更新、自動(dòng)重新建模和IEC61850接入裝置工作，同時(shí)主動(dòng)向主站發(fā)送配置變更信號(hào)，等待主站的配置數(shù)據(jù)召喚命令，完成修改配置后保護(hù)裝置的接入。與傳統(tǒng)人工配置方式相比，區(qū)別如表1所示。

表1 增補(bǔ)、變更方式比較

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于開關(guān)站保護(hù)設(shè)備增補(bǔ)、配置變更的情況，子站可以在2 min內(nèi)自動(dòng)發(fā)現(xiàn)并更新子站側(cè)模型，完成保護(hù)設(shè)備的接入，同時(shí)子站能夠主動(dòng)向主站發(fā)送設(shè)備配置變更信號(hào)。而傳統(tǒng)方式下的設(shè)備增補(bǔ)、配置變更通信接入因?yàn)樾枰斯ば薷呐渲?，完成時(shí)間在1～2 h不等，并且需要線下通知主站更新配置。由此可以看出，使用本文所提方案時(shí)的工作效率有了極大提高。

2.3 保護(hù)設(shè)備接入測(cè)試

對(duì)于新接入或配置發(fā)生變化的保護(hù)設(shè)備，通過子站管理工具可以檢查保護(hù)裝置數(shù)據(jù)的正確性，通過保護(hù)裝置面板人工修改正常運(yùn)行的保護(hù)定值區(qū)及保護(hù)定值，通過子站管理工具可以獲取變更的保護(hù)定值區(qū)及保護(hù)定值。通過試驗(yàn)儀給保護(hù)裝置輸入電流/電壓，通過子站管理工具可以獲取保護(hù)裝置的模擬量。通過試驗(yàn)儀改變保護(hù)裝置的狀態(tài)量輸入信號(hào)，通過子站管理工具可以獲取保護(hù)裝置的狀態(tài)量變位事件。通過試驗(yàn)儀使保護(hù)裝置產(chǎn)生新的錄波文件，通過子站管理工具可以獲取保護(hù)裝置新的錄波文件列表及錄波文件內(nèi)容。人工關(guān)閉保護(hù)裝置電源或拔出保護(hù)裝置的網(wǎng)線，通過子站管理工具可以實(shí)時(shí)顯示保護(hù)裝置的通信狀態(tài)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，對(duì)于子站自動(dòng)發(fā)現(xiàn)并接入的保護(hù)設(shè)備，保護(hù)設(shè)備的定值、定值區(qū)、設(shè)備采樣、實(shí)時(shí)事件、實(shí)時(shí)錄波、通信狀態(tài)等數(shù)據(jù)可以在1 min內(nèi)完成數(shù)據(jù)的本地映射，并可以正常傳輸，滿足開關(guān)站的數(shù)據(jù)采集要求。

2.4 主站與子站信息轉(zhuǎn)換測(cè)試

對(duì)于新接入或配置發(fā)生變化的保護(hù)設(shè)備，通過主站管理工具可以檢查保護(hù)裝置數(shù)據(jù)的正確性。人工修改保護(hù)裝置的保護(hù)定值區(qū)，主站可以獲取修改后的保護(hù)定值區(qū)。人工修改保護(hù)裝置的保護(hù)定值，主站可以獲取修改后的保護(hù)定值。通過保護(hù)試驗(yàn)儀更改保護(hù)裝置的采樣信息，主站可以獲取最新的保護(hù)采樣值。通過試驗(yàn)儀輸入故障電流、電壓、使保護(hù)產(chǎn)生故障輸出，主站可以獲取最新的事件信息。通過試驗(yàn)儀輸入故障電流、電壓、使保護(hù)產(chǎn)生故障錄波文件，主站可以獲取最新的錄波文件列表及錄波文件內(nèi)容。人工關(guān)閉保護(hù)裝置電源或拔出保護(hù)裝置的網(wǎng)線，主站可以實(shí)時(shí)反映保護(hù)裝置的通信狀態(tài)。人工變更保護(hù)裝置的模型文件，主站可以自動(dòng)識(shí)別模型文件的更新并下載文件。人工變更子站裝置的CPU、內(nèi)存、硬盤的使用狀態(tài)，主站可以實(shí)時(shí)獲取子站裝置的運(yùn)行狀態(tài)信息。與傳統(tǒng)人工配置方式相比，有以下區(qū)別，如表2所示。

表2 信息轉(zhuǎn)換方式比較

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，對(duì)于保護(hù)設(shè)備的定值、定值區(qū)、設(shè)備采樣、事件信息、錄波信息、保護(hù)裝置通信狀態(tài)、子站裝置運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)，本文所提技術(shù)方案可以在1 min內(nèi)完成數(shù)據(jù)向主站的映射，并可以正常傳輸，滿足主站的數(shù)據(jù)采集要求。同時(shí)，因采用了自動(dòng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的技術(shù)，所以本方案大大降低了人工參與出錯(cuò)的概率。

2.5 5G網(wǎng)絡(luò)信息傳輸測(cè)試

基于5G的繼電保護(hù)故障信息系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境搭建如圖6所示，站端配置和主站端配置與2.1節(jié)相同，保信子站與保信主站之間通過5G網(wǎng)絡(luò)通信。5G模塊與子站裝置獨(dú)立配置，便于進(jìn)行場(chǎng)地布置與業(yè)務(wù)管理，5G通道與站內(nèi)通信實(shí)現(xiàn)了物理隔離與業(yè)務(wù)獨(dú)立，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)雙通道配置。切片網(wǎng)絡(luò)采用N41頻段，帶寬100 MHz，采用TDD時(shí)分雙工通信模式，選用運(yùn)營(yíng)商的ToB模式和UPF(用戶面功能)下沉方式，將專網(wǎng)的用戶信息配置于SMF內(nèi)，通過用戶識(shí)別，指定最近的UPF完成數(shù)據(jù)流的轉(zhuǎn)發(fā)。

圖6 基于5G的繼電保護(hù)故障信息系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境搭建示意圖

為驗(yàn)證5G獨(dú)立組網(wǎng)模式下的網(wǎng)絡(luò)帶寬及延時(shí)能否滿足配網(wǎng)故障信息傳輸?shù)膽?yīng)用要求，本試驗(yàn)分別進(jìn)行了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接、單基站測(cè)試及多基站測(cè)試等不同場(chǎng)景下的功能和性能測(cè)試。

5G數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)延測(cè)試，在保護(hù)裝置側(cè)用試驗(yàn)儀觸發(fā)過流I段保護(hù)動(dòng)作信號(hào)，在子站側(cè)監(jiān)視信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間，在主站側(cè)監(jiān)視信號(hào)接收時(shí)間，對(duì)5G數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)延作了統(tǒng)計(jì)，并與常規(guī)連接方式作比較。做多組試驗(yàn)，數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)延統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3 數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)延統(tǒng)計(jì)

5G數(shù)據(jù)發(fā)送流量測(cè)試，測(cè)試錄波文件傳輸流量較大的情況，在保護(hù)裝置側(cè)用試驗(yàn)儀觸發(fā)產(chǎn)生故障錄波文件，錄波文件大小約為1 M，在子站側(cè)監(jiān)視文件數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)間，在主站側(cè)監(jiān)視文件數(shù)據(jù)的接收時(shí)間，對(duì)5G發(fā)送文件數(shù)據(jù)完成時(shí)間作了統(tǒng)計(jì)，并與常規(guī)連接方式作比較。做多組試驗(yàn)，發(fā)送時(shí)間統(tǒng)計(jì)如表4所示。

圖7為5G網(wǎng)絡(luò)信息傳輸測(cè)試圖片。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于子站接入的保護(hù)設(shè)備，保護(hù)設(shè)備的定值、定值區(qū)、設(shè)備采樣、實(shí)時(shí)事件、實(shí)時(shí)錄波、通信狀態(tài)等數(shù)據(jù)均可正常傳輸?shù)街髡?。正?G通信時(shí)，通道單向時(shí)延大部分集中在10～ 20 ms，對(duì)于偶爾網(wǎng)絡(luò)不好的情況存在長(zhǎng)延時(shí)的現(xiàn)象，但是在規(guī)范要求傳輸時(shí)間范圍之內(nèi)，可以滿足配網(wǎng)故障信息的實(shí)時(shí)傳輸要求。而在大流量數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，受限于主子站協(xié)議中文件傳輸長(zhǎng)度與發(fā)送機(jī)制，5G傳輸文件與直連方式所需時(shí)間相差不大，5G傳輸略慢，但對(duì)于文件和配置信息等類型的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求不高，因此5G通信可以滿足配網(wǎng)故障信息傳輸?shù)囊蟆?/p>

表4 發(fā)送文件時(shí)間統(tǒng)計(jì)

圖7 5G網(wǎng)絡(luò)信息傳輸測(cè)試圖片

3 現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)行測(cè)試

試點(diǎn)為上海浦東某10 kV開關(guān)站。圖8為試點(diǎn)站內(nèi)運(yùn)行情況圖片。

圖8 試點(diǎn)站內(nèi)運(yùn)行情況圖

本現(xiàn)場(chǎng)站內(nèi)通信采用了以太網(wǎng)上的IEC61850通信，受限于試運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)周圍的運(yùn)營(yíng)商基站通信情況，保信子站與保信主站采用數(shù)據(jù)網(wǎng)專網(wǎng)通信與5G通信相結(jié)合的雙通道配置，保證主子站通信的可靠性，5G作為輔助通信手段，主要是為了驗(yàn)證方案的可行性。在此基礎(chǔ)上對(duì)保護(hù)設(shè)備自動(dòng)發(fā)現(xiàn)識(shí)別、IEC61850通信的保護(hù)設(shè)備免配置接入、IEC61850結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)向IEC60870線性數(shù)據(jù)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換及5G網(wǎng)絡(luò)信息傳輸技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證?；诒炯夹g(shù)方案所開發(fā)的保護(hù)裝置已于該試點(diǎn)站運(yùn)行5個(gè)月，目前運(yùn)行正常。保護(hù)設(shè)備的定值、定值區(qū)、設(shè)備采樣、事件信息、錄波信息、保護(hù)裝置通信狀態(tài)、子站裝置運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)均可正常上送主站。

與常規(guī)方式各項(xiàng)功能對(duì)比如表5所示。

表5 功能比較

對(duì)于各項(xiàng)數(shù)據(jù)的傳輸效率，數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)源端保護(hù)裝置到遠(yuǎn)方保信主站端的傳輸時(shí)間如表6所示。

表6 數(shù)據(jù)傳輸效率比較

由此可見，本文所提技術(shù)方案在保證功能正常的前提下，可以有效解決數(shù)量龐大的開關(guān)站保護(hù)裝置信息上送方式復(fù)雜、配置繁瑣、運(yùn)維難度大的問題，并且能夠簡(jiǎn)化安裝調(diào)試流程，提高運(yùn)維效率。

4 結(jié)論

本文針對(duì)目前10 kV開關(guān)站位置分散、保護(hù)設(shè)備部署量大、安裝調(diào)試配置繁瑣、通信形式多樣化、運(yùn)維困難、改擴(kuò)建工作嚴(yán)重依賴廠家人員等方面的問題，提出了基于5G及IEC61850的韌性配網(wǎng)故障信息智能傳輸技術(shù)方案。本技術(shù)方案主要分為以下4部分：針對(duì)10 kV開關(guān)站的增補(bǔ)、改擴(kuò)建情況，提出基于態(tài)勢(shì)感知的保護(hù)設(shè)備自動(dòng)發(fā)現(xiàn)識(shí)別技術(shù)；針對(duì)10 kV開關(guān)站接入保護(hù)裝置的調(diào)試和維護(hù)工作復(fù)雜、繁瑣，提出基于IEC61850通信的保護(hù)設(shè)備免配置接入技術(shù)；針對(duì)電網(wǎng)繼電保護(hù)故障信息主站和保信子站為兩套異構(gòu)的自動(dòng)化系統(tǒng)且數(shù)據(jù)模型存在較大差異，提出基于IEC61850的面向?qū)ο罅Ⅲw數(shù)據(jù)到扁平化數(shù)據(jù)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換技術(shù)；針對(duì)配電網(wǎng)中IEC61850配置文件數(shù)量多、容量大，進(jìn)行信息傳遞不易，提出基于5G網(wǎng)絡(luò)的高速實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)傳輸方案。最后通過搭建10 kV繼電保護(hù)故障信息系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境以及在上海浦東某10 kV開關(guān)站進(jìn)行試運(yùn)行，驗(yàn)證了本文所提技術(shù)方案的可靠性，利于上海市“韌性電網(wǎng)”配網(wǎng)建設(shè)。

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Intelligent transmission technology of fault information in a resilient distribution network based on 5G and IEC61850

SUN Yangsheng1, TU Qi1, ZHAO Zhonghua2, HUANG Zhenyu1, ZHAO Yongsen3, LI Kun3

(1. State Grid Shanghai Electric Power Company, Shanghai 200122, China; 2. Dongfang Electronics Co., Ltd., Yantai 264000, China; 3. Shandong University, Jinan 250061, China)

The existing urban distribution network, especially in load-intensive areas, has a large number of 10 kV switching stations. However, the existing distribution network system lacks the effective supervision ability for 10 kV switching station equipment, and this seriously hinders the construction of a resilient urban distribution network. Therefore this paper proposes an intelligent transmission technology scheme for the fault information of a ductile distribution network based on 5G and IEC61850. In this scheme, the network changes in the sensing switch station are automatically identified by the automatic discovery and identification technology of protection equipment based on situational awareness. The protection device is automatically discovered and configured by the automatic configuration and access technology of secondary equipment based on IEC61850 communication. The information conversion and sharing between the master and slave stations of the power grid protection fault information are quickly and accurately realized by the configuration-free conversion technology from the object-oriented stereo data model based on IEC61850 to the flat data model. High-speed, real-time and reliable transmission of information is realized by the technology based on the 5G network. A system test environment is built to test the technical scheme and run it at the test station. The results show that the technical scheme can obtain real-time operational status in a timely fashion and important action information of the equipment on demand, and realize the effective supervision of 10 kV switching stations.

5G; IEC61850; configuration free; situational awareness; dynamic initialization; data conversion

10.19783/j.cnki.pspc.220182

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目資助(51677108)；上海市電力公司科技項(xiàng)目資助(520900200082)

This work is supported by the General Program of National Natural Science Foundation of China (No. 51677108).

2022-02-15；

2022-05-13

孫陽盛(1978—)，男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化；E-mail: sunyangsheng@sh.sgcc. com.cn

涂 崎(1975—)，男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化；E-mail: tuq@sh.sgcc.com.cn

趙中華(1983—)，男，通信作者，碩士，工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化。E-mail: 99485393@qq.com

(編輯 周金梅)