5G无线通信配电网保护技术探讨

摘要：针对大量分布式电源接入配电网以及用户对供电可靠性要求不断提高的问题，提出了一种基于5G无线通信的配电网拓扑自适应差动保护技术。该技术运用5G无线通信低延时、高带宽的特点，采用采样点插值同步法，实现故障的精确定位与隔离，有效地减少了终端运维的工作量，为配电网自动处理故障提供了新方向。为验证所提出的配电网自适应差动保护技术，在5G示范工程进行了通信性能测试、差动保护业务测试。除目前外场环境下不具备测试条件的测试项以外，其他所有测试项的结果均符合预期。

关键词：5G无线通信；差动保护技术；不确定性传输；差分B码；故障精确定位

随着分布式电源接入到配电网中，配电网故障电流等级、潮流方向发生了较大变化，传统的三段式过流保护已经难以满足配电网保护“四性”的要求［1-4］。光纤差动保护用于配电网的故障处理，为差动保护提供了新方向［5-9］。但是在城区内敷设光纤成本较高，且难以解决配电网点无光纤覆盖的保护配置问题。基于4G无线通信的配电网自适应差动保护技术解决了差动保护受光纤约束的问题［10-12］，但是4G通信传输带宽有限，需研究如何保证通信在通道质量、通道带宽、时间同步方面满足要求。配电线路为减少一次设备投资，通常在变电站出口处或分支线路出口处安装断路器，线路中间采用负荷开关，现阶段很少有厂家支持基于两者混合模式实现最小停电范围的故障隔离。5G无线通信技术与纳米技术相结合，使得信号覆盖范围更广，利用其高带宽、低延时的特点［13-15］，首次将5G通信作为差动保护信息传输通道，满足了差动保护对通信的要求。本文提出基于差分B码的全局对时技术，采用采样点插值同步法，解决了多端线路差动保护数据同步问题，目前国内外暂时没有这方面的研究报告、成果和试点。同时提出的基于断路器和负荷开关混合使用的故障搜索策略，降低了对主站处理信息的依赖，填补了目前市场上的空缺。以5G无线网络作为信息传输通道，研究配电网自适应差动保护实现方法，并进行外场5G基站环境测试。本文将差动保护技术应用于智能保护终端，提升了配电网保护的选择性、快速性、可靠性和灵敏性，增强故障定位精准度，缩短故障后供电恢复时间。

1基于5G的无线通信技术

目前基于4G无线通信的差动保护技术能保证终端间时间同步精度小于10μs，终端间测量信息的端到端时延小于100ms。4G通信带宽小，压缩传输采样值数据带宽后，数据发送频率会降低为原来的1/2。若增大数据缓冲区，保护延时动作将增大到100ms。5G作为即将普及的新一代无线通信技术，具有高带宽、高可靠、低时延等优点，将其应用于配电网的差动保护，为配电网的故障精确定位、隔离与恢复供电提供了新的发展前景。本文在实验室理想条件下，进行了5G通信性能测试，测试结果见表1。由测试结果可知，基于5G通信的配电网差动保护可以满足差动保护对通信的3个要求，保证差动保护采用和传统光差保护相同的采样频率，即每周波24点，并且按照1200Hz的频率向对侧/网络传输采样值。基于5G的差动保护系统架构见图1。

2基于不确定传输的差动保护技术

传统光纤差动保护一般使用乒乓原理来调整采样时刻，使得参加两端/多端的保护同一个时刻采样，该方法不依赖外部时钟，就能实现两端系统的同步［16-22］。但上升到多端系统后，装置通信接口和通道运维都增加了复杂度。配电网无确定性传输的通道，且通道传输延时不稳定。而光纤差动保护要求有确定性传输通道，并保证通道双向延时相等。本文采用采样点插值同步法：差动保护的两端/多端无主、从设置，每侧的保护通过插值，将参加运算的电流、电压值回溯到采样时刻，示意见图2。采样点插值同步法遵循“谁用谁同步”的原则：本侧收到对侧数据后，根据对侧报文中携带的时标数据，计算出对侧的采样时刻，图中数据点0、1、2、3、4为对侧数据。然后根据本侧的采样间隔采用插值同步法，进行重采样，将两侧数据同步。该方法要求参与差动保护的数据有相同的时间参考系——全局时间，该时间只要参与差动保护的装置接收同一个时间主钟（B码）即可。针对通道传输延时不稳定问题，增加每侧保护的采样缓冲区，采样缓冲区存储数据的能力只要覆盖通道最大延时即可。

3故障精确定位技术

在配电网中为了减少一次设备投资成本，通常使用断路器和负荷开关混合使用的运行方式。当线路检测到差流后，启动如下搜索策略：首先判断该开关是否是断路器，若是则直接跳闸；若是负荷开关，则判断本地环网柜内相邻的开关中是否有检测到过流的开关，针对过流的开关若是断路器则直接跳闸；若检测到过流的开关为负荷开关，则向此开关相邻的开关发送搜索上游符合IEC61850标准的GOOSE报文，直到检测到过流的断路器跳闸为止。与传统的光纤差动保护逐级跳闸直至找到故障点相比，该方法只需要停掉故障区域周边很小一部分负荷，大大缩小了停电范围，提高了供电可靠性。并且该方法不依赖于主站的信息处理，节省了大量时间。搜索策略流程见图3。

4示范工程及其测试

基于以上研究成果，选取深圳雪岗贝尔DC-HDH作为5G基站，日辉台和正村厂2个环网柜进行外场测试。外场测试用5G测试车部署终端侧的DTU、协议转换模块、交换机、TUE；无线侧接入雪岗5G基站；核心网在深圳南科机楼，与5G基站通过一跳传输直连；SCADA部署在坂田基地X-lab实验室，通过传输专线连接至南科机楼。外场测试整体网络拓扑见图4。外场测试获取了5G承载差动保护业务的关键通信指标，并记录各个相关装置和系统的测试指标及数据，验证了配电网差动保护在5G外场环境下的可用性、可靠性。差动保护业务测试内容及结果见表2。由测试结果可知，除目前外场环境下不具备测试条件的测试项以外，其他所有测试项的结果均符合预期。

5结语

本文介绍了基于5G无线通信的配电网自适应差动保护技术，解决了配电网快速保护受光纤通信制约的瓶颈，在没有光纤通信的区域也可以利用差动保护在毫秒级时间内快速切除故障提高配电网的供电可靠性；同时为配电网所有设备的互联互通提供了基础，通过高实时性的数据交互，可以实现更多的保护与自动化解决方案，为配电网故障隔离及恢复供电提供了新方向。目前，5G无线通信还存在传输不稳定、穿透率弱等劣势，但在接下来的发展中，5G将实现密集组网，基站密度显著提高，5G信号可被多个基站同时接收到，这将有利于满足保护业务的传输要求。

作者:王廷凰 余江 许健 陈宏山 刘子俊 单位:深圳供电局有限公司