濮宏飛，吳通華，2，3，姚 剛，2，洪 豐，2，鄭小江，江 源

（1. 南瑞集團有限公司（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司），江蘇省南京市 211106；2. 智能電網(wǎng)保護和運行控制國家重點實驗室，江蘇省南京市 211106；3. 河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇省南京市 210098）

0 引言

近年來，配電網(wǎng)中分布式新能源的滲透率持續(xù)增加［1-2］。配電網(wǎng)供電結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出多源特性，單端量保護難以適應(yīng)，需引入差動保護以提高供電可靠性［3］。光纖和5G 通信技術(shù)均能滿足線路差動保護在數(shù)據(jù)傳輸性能方面的要求，但5G 基站建設(shè)難度小、選址靈活，選擇5G 通信作為保護通道將有助于配電網(wǎng)線路差動保護的推廣［4-5］。

在5G 的超高可靠與低時延通信場景中，智能電網(wǎng)將獲得更高的供電可靠性和更低的數(shù)據(jù)傳輸時延［6］。2020 年，中 國 已 有 部 分 城 市 開 始 了 獨 立（standalone，SA）組網(wǎng)模式的建設(shè)，其他地區(qū)仍處于非獨立（non-SA，NSA）組網(wǎng)模式。在NSA 組網(wǎng)模式下，5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)尚不完善，5G 終端間的通信時延較大。文獻［7-8］對兩種組網(wǎng)模式分別進行了測試，結(jié)果表明，SA 組網(wǎng)模式下的5G 通信端到端時延約為9 ms，可以滿足配電網(wǎng)線路差動保護對通道時延的需求。利用5G 切片、邊緣計算和核心網(wǎng)功能下沉等技術(shù)可有效降低5G 通信時延［9-10］。

相比傳統(tǒng)光纖通道，5G 通信目前在作為線路差動保護的數(shù)據(jù)通道時，主要存在3 個問題：

1）5G 通信時延抖動幅度與其時隙配比大小正相關(guān)［11］。5G 網(wǎng)絡(luò)傳輸時經(jīng)常會發(fā)生一個中斷收到多幀報文或連續(xù)多個中斷收不到報文的情況，5G 時延抖動可達100 ms，使得傳統(tǒng)電流差動保護出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟包和錯序的問題［12］。

2）受地表環(huán)境影響，5G 信號傳輸時會經(jīng)歷多次折反射，基于5G 通信的保護裝置間的收發(fā)路由可能無法保持一致，使得基于乒乓對時的傳統(tǒng)差動保護數(shù)據(jù)同步方式不再適用［3，11］。

3）在實時傳輸模式下，基于5G 通信的差動保護裝置傳輸保護數(shù)據(jù)所需的數(shù)據(jù)流量大［13-15］。

傳統(tǒng)電流差動保護在原理上要求保護裝置間傳輸電流采樣值或由傅里葉變換得到的電流相量，對保護數(shù)據(jù)的同步性及丟包率的要求高。若用5G 通信通道傳輸保護數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)電流差動保護原理的可靠性會大幅降低。相比于傳統(tǒng)電流差動保護，基于動態(tài)時間彎曲（DTW）算法的差動保護對數(shù)據(jù)的同步性和丟包率的要求更低。對此，文獻［16-20］從原理的角度出發(fā)，研究了基于DTW 算法的差動保護，并對其在多個場景下的保護性能進行了分析。文獻［16］以數(shù)字采樣環(huán)境下的變壓器差動保護為背景，提出常規(guī)DTW 差動保護動作判據(jù)。文獻［17］結(jié)合不同工況下高壓直流輸電換流變壓器（簡稱換流變）內(nèi)零序電流波形的特點，提出了換流變零序電流DTW 差動保護判據(jù)，增強了保護的抗復(fù)雜涌流性能。文獻［18］采用DTW 算法計算交直流混聯(lián)系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線兩端電壓的波形相似度，實現(xiàn)了對聯(lián)絡(luò)線區(qū)內(nèi)外故障的判別。文獻［19］用相電流突變量啟動判據(jù)和常規(guī)DTW 動作判據(jù)構(gòu)造了主動配電網(wǎng)的線路差動保護方案。文獻［20］采用5G 通信作為保護通道，分析了常規(guī)DTW 差動保護在20～40 ms 數(shù)據(jù)窗下的保護性能。以上研究表明，基于DTW 算法的差動保護原理具有較好的抗同步誤差和抗數(shù)據(jù)丟包性能，可用于應(yīng)對5G 通信中的數(shù)據(jù)同步及丟包問題。

本文以常規(guī)DTW 差動保護原理為基礎(chǔ)，針對5G 通信中的數(shù)據(jù)同步及丟包誤碼問題，提出兩端及多點T 接線路差動保護判據(jù)，提高了保護的抗數(shù)據(jù)丟包性能，減小了保護的計算量和數(shù)據(jù)存儲量，降低了對裝置硬件性能的要求，增強了保護的實用性。針對5G 流量問題，提出基于動態(tài)響應(yīng)傳輸模式的流量控制技術(shù)，在不影響保護速動性的前提下，實現(xiàn)了對5G 流量的控制，顯著減少了5G 流量。最后，提出了基于5G 通信的有源配電網(wǎng)線路差動保護實用化方案，并研制了5G 差動保護裝置。

1 DTW 差動保護實用判據(jù)

1.1 常規(guī)DTW 差動保護原理

常規(guī)DTW 差動保護是一種基于兩端電流序列波形相似度［21］的保護原理，適用于兩端線路。線路兩端電流序列采樣點間的歐氏距離示意圖如圖1所示。

圖1 兩端電流序列采樣點間的歐氏距離Fig.1 Euclidean distance between sampling points of current sequences at both ends

線路兩端電流序列Im和In的數(shù)據(jù)窗長度T0均為5 個采樣點，按采樣序號對齊兩序列的各個采樣點Ini、Imj，計算各點間的歐氏距離dij：

通 常 ，有 min {Di(j-1)，D(i-1)j，D(i-1)(j-1)}=D(i-1)(j-1)成立，又由于D11=d11，故DTW 算法正常時的計算路徑為從d11到dT0T0的主對角線，如圖2 所示。距離值DT0T0為兩序列采樣點間歐氏距離的累加和，表征了兩序列的波形相似度，DT0T0越小，兩序列越相似。

圖2 DTW 算法計算路徑Fig.2 Calculation path of DTW algorithm

設(shè)兩端電流流向線路區(qū)內(nèi)為正，取Im和-In計算DTW 差 動 量Dcd，取Im和In計 算DTW 制 動 量Dzd，則常規(guī)DTW 差動保護動作判據(jù)［16］為：

式中：Dop為閾值；K為制動系數(shù)，K∈[0.4，1]，本文K取0.5。

Dcd表 征 了Im和-In的 波 形 相 似 度，Dzd表 征 了Im和In的波形相似度。發(fā)生區(qū)外故障時，Im和-In波形基本相同，Dcd較小，Dzd較大。發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時，通常Dcd較大，Dzd較小。

若 令T0=1，則Dcd=|Im+In|，Dzd=|Im-In|，常規(guī)DTW 差動保護動作判據(jù)可改寫為：

式（4）與傳統(tǒng)電流差動保護在形式上相吻合，這說明DTW 差動保護反映的是各端電流序列在同一數(shù)據(jù)窗內(nèi)所有采樣點的總體特性。

DTW 算法計算dij的過程忽略了同序號采樣點在絕對采樣時刻上的差異，把時間同步誤差Δt轉(zhuǎn)化為幅值誤差，并進一步通過式（2）中的最小值函數(shù)削弱這種誤差帶來的影響，使得常規(guī)DTW 差動保護在原理上就具有一定的抗同步誤差特性。

1.2 多點T 接場景下的DTW 差動保護

對于多點T 接場景，設(shè)線路總端數(shù)為q，任意組合 各 端 電 流 為Imulti，i，i=1，2，…，q，把 電 流 分 為 兩組，對每組組內(nèi)的端電流進行累加，可以得到滿足KCL 定律的兩個目標(biāo)序列I1和I2。

在把多端電流轉(zhuǎn)化為I1和I2兩個目標(biāo)序列后，利用I1和I2可構(gòu)造多點T 接線路DTW 差動保護動作判據(jù)：

式中：Dcd，multi和Dzd，multi分別為多端T 接線路DTW 差動量和制動量。

若I1和I2都是由多個端電流累加而成，則I1和I2的抗數(shù)據(jù)丟包性能會有明顯提高，各端電流的同步誤差對I1和I2造成的影響在求和后也會被削弱。

1.3 實用數(shù)據(jù)處理技術(shù)

為提高在兩端及多點T 接線路中DTW 差動保護動作判據(jù)的實用性，需針對5G 通信中的數(shù)據(jù)丟包誤碼問題和短窗下DTW 波形振蕩問題，研究實用數(shù)據(jù)處理技術(shù)。

1.3.1 應(yīng)對數(shù)據(jù)丟包及誤碼問題的數(shù)據(jù)處理技術(shù)

圖1 中n端的差動保護裝置在做差動保護計算時需要m端的電流數(shù)據(jù)。在用5G 通信通道傳輸m端電流數(shù)據(jù)至n端的過程中，報文可能發(fā)生丟包或誤碼。若n端收到的報文采樣序號不連續(xù)，存在某幀報文缺失，且在之后的連續(xù)多個中斷內(nèi)均未收到該幀報文，則判斷該幀報文丟失；若收到的報文未通過循環(huán)冗余校驗（CRC）碼校驗，則判斷該幀報文誤碼。

設(shè)m端的采樣數(shù)據(jù)Im3在傳輸?shù)絥端的過程中發(fā)生丟包或誤碼，則n端在做DTW 計算時，可能有如下不等式成立：

此時n端的DTW 算法計算路徑會變?yōu)檎劬€，如圖2 中紅色虛線所示，該路徑與5G 通信傳輸正常時經(jīng)過主對角線的情況相比，兩序列相似度值D55變大。

為提高兩序列的波形相似度，減小D55，在n端做DTW 計算時，可用前一個有效采樣數(shù)據(jù)Im2代替Im3，記為I'm3，以應(yīng)對數(shù)據(jù)丟包和誤碼的問題：

在引入式（7）的替代處理方法后，圖1 中的d23縮短為d'23，D55變小，DTW 差動保護的抗數(shù)據(jù)丟包性能得到了進一步提升。在短窗下，與用零值替代Im3的方法［16］相比，替代處理方法在電流峰谷值附近所引入的DTW 計算誤差更小，基本不影響保護的可靠性。與插值算法相比，替代處理方法所需的采樣頻率更低。另外，雖然DTW 算法可以計算數(shù)據(jù)窗長度T0不相等的兩序列間的波形相似度，但由于多點T 接場景需要各端電流T0相等以便求和，引入替代處理方法可確保DTW 差動保護在多點T 接場景下的可靠性。

1.3.2 抑制短窗下DTW 波形振蕩的數(shù)據(jù)處理技術(shù)

在交流系統(tǒng)中，常規(guī)DTW 差動保護的數(shù)據(jù)窗長度通常不短于一個工頻周期［19-20］，保護的計算量和數(shù)據(jù)存儲量較大。若選擇小于20 ms 的短窗，則在電流過零點附近，dij較小，Dcd和Dzd較小；在電流峰谷值附近，dij較大，Dcd和Dzd較大。

記每周期采樣點數(shù)為T，如圖3 所示，此時故障電流峰谷值和過零點會間隔出現(xiàn)，前后相距約T/4，Dcd和Dzd波形的極大值和極小值也會間隔出現(xiàn)，前后也相距約T/4。記F=Dcd-KDzd，F(xiàn)為DTW 計算值，則短窗下F也會出現(xiàn)較大幅度的振蕩，不利于閾值的整定。區(qū)外故障情況詳見附錄A 圖A1。

圖3 常規(guī)DTW 差動保護發(fā)生區(qū)內(nèi)三相接地故障Fig.3 Conventional DTW differential protection with internal three-phase grounding fault

針對上述短窗下DTW 波形振蕩的問題，提出了一種基于DTW 均值的短窗算法，即先選擇電流極值與過零點附近相距ΔT個采樣間隔的2 個采樣點，ΔT約為T/8 到3T/8，求取兩點處的Dcd和Dzd，分別計算兩點處Dcd的平均值Dcd，mean和兩點處Dzd的平均值Dzd，mean，并用Dcd，mean代替式（3）中的Dcd，用Dzd，mean代替Dzd，再進行保護計算。

Dcd，mean、Dzd，mean在k點的表達式為：

短窗算法減小了DTW 差動保護在短窗下的波形振蕩幅度，為保護閾值的選取保留了較大裕度，提升了短窗下DTW 差動保護的可靠性。

與數(shù)據(jù)窗取工頻周期相比，短窗下保護對dij矩陣的計算量從T2減小到了T20，對電流數(shù)據(jù)的存儲量從6T減小到了6(T0+ΔT)。在多點T 接場景中，上述效果比較明顯。

2 基于動態(tài)響應(yīng)傳輸模式的流量控制技術(shù)

2.1 動態(tài)響應(yīng)傳輸模式

保護裝置間若采用光纖通信方式，彼此一般會實時收發(fā)包含當(dāng)前采樣點信息的報文。在5G 通信條件下，保護裝置間如果仍按此實時傳輸模式收發(fā)采樣數(shù)據(jù)，5G 流量的消耗量會很大。

為了控制5G 流量消耗，本文提出以下保護數(shù)據(jù)的動態(tài)響應(yīng)傳輸模式：

1）保護未啟動時，本端保護裝置實時采集本端三相相電流，每隔100 ms 向其余各端發(fā)送1 幀心跳報文，以監(jiān)視配電網(wǎng)線路及保護通道的狀態(tài)。心跳報文的內(nèi)容根據(jù)監(jiān)視的需求而確定。

2）在保護啟動后，由于計算每個Dcd和Dzd都需各端T0+ΔT個采樣數(shù)據(jù)，為不影響保護的動作速度，利用5G 通信的大帶寬特性，在各端保護裝置間瞬時傳輸DTW 啟動報文。DTW 啟動報文中每相均須包含當(dāng)前采樣點及其之前的共計T0+ΔT個相電流數(shù)據(jù)。在收到其余端的DTW 啟動報文后，各端保護裝置可立即進行保護計算。

3）在DTW 啟動報文傳輸結(jié)束后，各端保護裝置間傳輸實時報文，實時收發(fā)保護數(shù)據(jù)，直至保護裝置整組復(fù)歸。實時報文內(nèi)需包含當(dāng)前采樣點的三相相電流數(shù)據(jù)。

4）其他狀態(tài)下，保護裝置不對外發(fā)送保護數(shù)據(jù)。

2.2 帶寬需求及流量控制效果分析

考慮到差動保護對數(shù)據(jù)傳輸實時性的高要求，5G 通信采用用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP）幀格式傳輸保護數(shù)據(jù)。在UDP 幀格式下，心跳報文和實時報文的幀長均為190 B 左右，DTW 啟動報文的幀長約為250 B。取采樣頻率為1.2 kHz，為確保DTW 啟動報文能在一個采樣間隔0.833 ms 內(nèi)傳輸完畢，5G 保護通道的帶寬應(yīng)不小于2.4 Mbit/s。由于5G 通信在承載繼電保護業(yè)務(wù)時擁有50 Mbit/s 以上的帶寬，所以5G 通信可以滿足動態(tài)響應(yīng)傳輸模式下保護對帶寬的需求。

如表1 所示，若采用實時傳輸模式，兩臺保護裝置間單向通信所需5G 月流量約為550 GB。而若采用本文的動態(tài)響應(yīng)傳輸模式，流量主要由心跳報文產(chǎn)生，5G 月流量僅為5 GB 左右，不到實時傳輸模式的1%。

表1 2 種5G 通信傳輸模式對比結(jié)果Table 1 Comparison results of two kinds of 5G communication transmission modes

3 差動保護整體實現(xiàn)方案

基于5G 通信的有源配電網(wǎng)線路差動保護整體實現(xiàn)方案如圖4 所示。

圖4 基于5G 通信的有源配電網(wǎng)線路差動保護整體方案Fig.4 Overall scheme of line differential protection for active distribution network based on 5G communication

方案的具體流程如下：

1）線路正常運行時，各端保護均未啟動，各端保護裝置間每隔100 ms 相互發(fā)送心跳報文。

2）當(dāng)本端基于相電流突變量或零負序分量的啟動判據(jù)滿足時，保護啟動，本端立即向其余端發(fā)信并發(fā)送DTW 啟動報文。然后，各端保護裝置間傳輸實時報文，實時收發(fā)保護數(shù)據(jù)。

3）當(dāng)本端基于相電流或零序電流的DTW 動作判據(jù)有F大于Dop成立，且本端收到其余端啟動信號時，本端差動保護動作；否則，差動保護不動作。

4）在收到其余各端報文后，若本端裝置檢測出有個別報文丟失，或有個別報文CRC 碼校驗報錯，則采用替代處理方法和浮動門檻應(yīng)對。若短窗內(nèi)發(fā)生丟包或誤碼的報文總數(shù)超過N，則短時閉鎖差動保護。N的取值與采樣頻率和短窗長有關(guān)，本文N取3。

動態(tài)響應(yīng)傳輸模式是一種故障后觸發(fā)數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)耐ㄐ拍Ｊ?，需分析該模式對保護速動性的影響。實際上，無論是傳統(tǒng)電流差動保護，還是DTW差動保護，在構(gòu)成完整的差動保護動作邏輯時，為防止電流互感器斷線時保護誤動等問題的發(fā)生，除需滿足本側(cè)差動保護動作方程外，都還需接收其余各側(cè)的啟動信號。

對于實時傳輸模式，各側(cè)差動保護動作方程實時給出判定結(jié)果。若本側(cè)動作方程滿足的時刻ta1早于其余側(cè)啟動信號到達的時刻tb1，則差動保護依據(jù)時刻tb1來出口跳閘信號。若在其余側(cè)啟動信號到達時，本側(cè)動作方程仍未滿足，則差動保護依據(jù)時刻ta1來出口跳閘信號。

對于動態(tài)響應(yīng)傳輸模式，對側(cè)的DTW 啟動報文和啟動信號會同時到達本側(cè)。若此時本側(cè)的動作方程已經(jīng)滿足，則差動保護依據(jù)啟動信號到達的時刻tb2來出口跳閘信號。若此時本側(cè)的動作方程仍未滿足，則差動保護依據(jù)動作方程滿足的時刻ta2來出口跳閘信號。

由 于ta1與ta2、tb1與tb2分 別 相 同，在 故 障 條 件 相同時，動態(tài)響應(yīng)傳輸模式下的保護動作速度與實時傳輸模式下的完全相同，動態(tài)響應(yīng)傳輸模式不會影響保護的動作速度。

4 仿真驗證

用PSCAD/EMTDC 搭建如圖5 所示的雙端供電多支路10 kV 配電網(wǎng)，采用小電流接地方式。

圖5 配電網(wǎng)模型示意圖Fig.5 Schematic diagram of distribution network model

m端 交 流 電 源 相 位 超 前h端30°，DG 為 分 布 式光伏發(fā)電，額定容量均為1 MV·A，負荷容量均為(0.8+j0.3)MV·A。節(jié)點n處饋出的多點T 接區(qū)段各端線路長1.5 km，其余配線長3 km，正序阻抗z1=(0.1+j0.28)Ω/km，零 序 阻 抗z0=(0.24+j1.1)Ω/km。

在圖5 所示配電網(wǎng)中，線路mn兩端均為系統(tǒng)電源，對于多點T 接區(qū)段，一端為系統(tǒng)電源，一端為DG 或負荷?，F(xiàn)以上述兩個區(qū)段為例，分別對改進后基于相電流和零序電流的DTW 差動保護動作判據(jù)在圖5 中不同故障位置處發(fā)生三相接地短路、兩相接地短路、兩相短路、單相接地短路和單相經(jīng)10 Ω過渡電阻接地短路共5 種故障進行仿真。仿真采用4 kHz 采樣頻率，短窗長T0及算法間隔ΔT均為3T/16，ΔT=T0=3T/16。

4.1 兩端線路場景的仿真分析

兩端線路場景下，設(shè)置m端發(fā)生丟包，n端數(shù)據(jù)落后m端0 或3 ms。仿真結(jié)果見表2 和附錄B。

表2 兩端線路場景下的仿真結(jié)果Table 2 Simulation results in scenario with two-end line

5G 通信下保護數(shù)據(jù)的丟包率約為0.005%［12］，短窗內(nèi)有2 個及以上采樣點丟失為極端情況。與短窗內(nèi)發(fā)生分散性丟包相比，連續(xù)性丟包下替代處理所引入的誤差更大，故仿真考慮了連續(xù)多點丟包的情況。仿真結(jié)果表明，當(dāng)采樣頻率為4 kHz，短窗長T0及算法間隔ΔT均為3T/16 時，若對端電流發(fā)生連續(xù)3 點丟包，且兩端電流存在3 ms 同步誤差，保護仍能可靠識別故障。

4.2 多點T 接場景的仿真分析

多點T 接場景下，設(shè)置DG 端發(fā)生丟包，系統(tǒng)端數(shù)據(jù)落后其余各端0 或3 ms，且I1=ITn+ITDG，I2=ITload1+ITload2。仿真結(jié)果見表3 和附錄C。

表3 多點T 接場景下的仿真結(jié)果Table 3 Simulation results in scenario with multi-node T-connection

仿真結(jié)果表明，在多點T 接場景下，若I1和I2均由多個端電流累加而成，則改進后的DTW 差動保護可適應(yīng)個別端電流存在同步誤差或數(shù)據(jù)丟包的情況，與兩端線路場景相比，其抗同步誤差性能和抗數(shù)據(jù)丟包性能會更好，動作速度會更快。

5 裝置研制與測試

為驗證所提方案的有效性，研制了5G 差動保護裝置，并在5G NSA 組網(wǎng)模式、單基站環(huán)境下進行測試。5G 網(wǎng)絡(luò)平均端到端時延約為12 ms，時延抖動約為±4 ms。裝置采樣頻率為1.2 kHz。基于相電流的DTW 差動保護實用判據(jù)的測試結(jié)果如表4和表5 所示。通過設(shè)置丟包發(fā)生在電流極值點和過零點附近，可得發(fā)生區(qū)外故障時最大的DTW 計算值F。5G 差動保護裝置及5G 客戶終端設(shè)備詳見附錄D 圖D1，部分錄波詳見附錄D 圖D2。

表4 窗長及間隔均為T/8 時的測試結(jié)果Table 4 Test results when window length and interval are both T/8

表5 窗長及間隔均為T/4 時的測試結(jié)果Table 5 Test results when window length and interval are both T/4

測試結(jié)果表明，在測試條件下，若對端電流發(fā)生連續(xù)3 點丟包且兩端電流存在3 ms 同步誤差，所提方案仍能可靠識別區(qū)內(nèi)外故障。

6 結(jié)語

選擇5G 通信作為保護通道將有助于配電網(wǎng)線路差動保護的推廣。本文以DTW 差動保護和基于動態(tài)響應(yīng)傳輸模式的流量控制技術(shù)為基礎(chǔ)，提出了基于5G 通信的有源配電網(wǎng)線路差動保護的整體實用化解決方案。該方案提高了保護的抗數(shù)據(jù)丟包性能，減小了保護的計算量和存儲量，降低了對裝置硬件性能的要求，顯著減少了5G 流量，為5G 通信技術(shù)應(yīng)用于有源配電網(wǎng)線路差動保護提供了一種實用化的思路。所研制的5G 差動保護裝置已在工程中應(yīng)用。

目前基于5G 通信的繼電保護終端設(shè)備主要通過公網(wǎng)傳輸保護數(shù)據(jù)，保護數(shù)據(jù)的同步需要外部時鐘。為提高繼電保護業(yè)務(wù)在5G 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的安全性和可靠性，后續(xù)將進一步在5G 通信信息安全和不依賴外部時鐘的數(shù)據(jù)同步技術(shù)等方面展開研究。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），掃英文摘要后二維碼可以閱讀網(wǎng)絡(luò)全文。