5G無線通信配電網保護技術探討

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摘要：針對大量分布式電源接入配電網以及用戶對供電可靠性要求不斷提高的問題，提出了一種基于5g無線通信的配電網拓撲自適應差動保護技術。該技術運用5G無線通信低延時、高帶寬的特點，采用采樣點插值同步法，實現故障的精確定位與隔離，有效地減少了終端運維的工作量，為配電網自動處理故障提供了新方向。為驗證所提出的配電網自適應差動保護技術，在5G示范工程進行了通信性能測試、差動保護業務測試。除目前外場環境下不具備測試條件的測試項以外，其他所有測試項的結果均符合預期。

關鍵詞：5G無線通信；差動保護技術；不確定性傳輸；差分B碼；故障精確定位

隨著分布式電源接入到配電網中，配電網故障電流等級、潮流方向發生了較大變化，傳統的三段式過流保護已經難以滿足配電網保護“四性”的要求［1-4］。光纖差動保護用于配電網的故障處理，為差動保護提供了新方向［5-9］。但是在城區內敷設光纖成本較高，且難以解決配電網點無光纖覆蓋的保護配置問題。基于4G無線通信的配電網自適應差動保護技術解決了差動保護受光纖約束的問題［10-12］，但是4G通信傳輸帶寬有限，需研究如何保證通信在通道質量、通道帶寬、時間同步方面滿足要求。配電線路為減少一次設備投資，通常在變電站出口處或分支線路出口處安裝斷路器，線路中間采用負荷開關，現階段很少有廠家支持基于兩者混合模式實現最小停電范圍的故障隔離。5G無線通信技術與納米技術相結合，使得信號覆蓋范圍更廣，利用其高帶寬、低延時的特點［13-15］，首次將5G通信作為差動保護信息傳輸通道，滿足了差動保護對通信的要求。本文提出基于差分B碼的全局對時技術，采用采樣點插值同步法，解決了多端線路差動保護數據同步問題，目前國內外暫時沒有這方面的研究報告、成果和試點。同時提出的基于斷路器和負荷開關混合使用的故障搜索策略，降低了對主站處理信息的依賴，填補了目前市場上的空缺。以5G無線網絡作為信息傳輸通道，研究配電網自適應差動保護實現方法，并進行外場5G基站環境測試。本文將差動保護技術應用于智能保護終端，提升了配電網保護的選擇性、快速性、可靠性和靈敏性，增強故障定位精準度，縮短故障后供電恢復時間。

1基于5G的無線通信技術

目前基于4G無線通信的差動保護技術能保證終端間時間同步精度小于10μs，終端間測量信息的端到端時延小于100ms。4G通信帶寬小，壓縮傳輸采樣值數據帶寬后，數據發送頻率會降低為原來的1/2。若增大數據緩沖區，保護延時動作將增大到100ms。5G作為即將普及的新一代無線通信技術，具有高帶寬、高可靠、低時延等優點，將其應用于配電網的差動保護，為配電網的故障精確定位、隔離與恢復供電提供了新的發展前景。本文在實驗室理想條件下，進行了5G通信性能測試，測試結果見表1。由測試結果可知，基于5G通信的配電網差動保護可以滿足差動保護對通信的3個要求，保證差動保護采用和傳統光差保護相同的采樣頻率，即每周波24點，并且按照1200Hz的頻率向對側/網絡傳輸采樣值。基于5G的差動保護系統架構見圖1。

2基于不確定傳輸的差動保護技術

傳統光纖差動保護一般使用乒乓原理來調整采樣時刻，使得參加兩端/多端的保護同一個時刻采樣，該方法不依賴外部時鐘，就能實現兩端系統的同步［16-22］。但上升到多端系統后，裝置通信接口和通道運維都增加了復雜度。配電網無確定性傳輸的通道，且通道傳輸延時不穩定。而光纖差動保護要求有確定性傳輸通道，并保證通道雙向延時相等。本文采用采樣點插值同步法：差動保護的兩端/多端無主、從設置，每側的保護通過插值，將參加運算的電流、電壓值回溯到采樣時刻，示意見圖2。采樣點插值同步法遵循“誰用誰同步”的原則：本側收到對側數據后，根據對側報文中攜帶的時標數據，計算出對側的采樣時刻，圖中數據點0、1、2、3、4為對側數據。然后根據本側的采樣間隔采用插值同步法，進行重采樣，將兩側數據同步。該方法要求參與差動保護的數據有相同的時間參考系——全局時間，該時間只要參與差動保護的裝置接收同一個時間主鐘（B碼）即可。針對通道傳輸延時不穩定問題，增加每側保護的采樣緩沖區，采樣緩沖區存儲數據的能力只要覆蓋通道最大延時即可。

3故障精確定位技術

在配電網中為了減少一次設備投資成本，通常使用斷路器和負荷開關混合使用的運行方式。當線路檢測到差流后，啟動如下搜索策略：首先判斷該開關是否是斷路器，若是則直接跳閘；若是負荷開關，則判斷本地環網柜內相鄰的開關中是否有檢測到過流的開關，針對過流的開關若是斷路器則直接跳閘；若檢測到過流的開關為負荷開關，則向此開關相鄰的開關發送搜索上游符合IEC61850標準的GOOSE報文，直到檢測到過流的斷路器跳閘為止。與傳統的光纖差動保護逐級跳閘直至找到故障點相比，該方法只需要停掉故障區域周邊很小一部分負荷，大大縮小了停電范圍，提高了供電可靠性。并且該方法不依賴于主站的信息處理，節省了大量時間。搜索策略流程見圖3。

4示范工程及其測試

基于以上研究成果，選取深圳雪崗貝爾DC-HDH作為5G基站，日輝臺和正村廠2個環網柜進行外場測試。外場測試用5G測試車部署終端側的DTU、協議轉換模塊、交換機、TUE；無線側接入雪崗5G基站；核心網在深圳南科機樓，與5G基站通過一跳傳輸直連；SCADA部署在坂田基地X-lab實驗室，通過傳輸專線連接至南科機樓。外場測試整體網絡拓撲見圖4。外場測試獲取了5G承載差動保護業務的關鍵通信指標，并記錄各個相關裝置和系統的測試指標及數據，驗證了配電網差動保護在5G外場環境下的可用性、可靠性。差動保護業務測試內容及結果見表2。由測試結果可知，除目前外場環境下不具備測試條件的測試項以外，其他所有測試項的結果均符合預期。

5結語

本文介紹了基于5G無線通信的配電網自適應差動保護技術，解決了配電網快速保護受光纖通信制約的瓶頸，在沒有光纖通信的區域也可以利用差動保護在毫秒級時間內快速切除故障提高配電網的供電可靠性；同時為配電網所有設備的互聯互通提供了基礎，通過高實時性的數據交互，可以實現更多的保護與自動化解決方案，為配電網故障隔離及恢復供電提供了新方向。目前，5G無線通信還存在傳輸不穩定、穿透率弱等劣勢，但在接下來的發展中，5G將實現密集組網，基站密度顯著提高，5G信號可被多個基站同時接收到，這將有利于滿足保護業務的傳輸要求。

作者:王廷凰 余江 許健 陳宏山 劉子俊 單位:深圳供電局有限公司