基于5G通信的配网差动保护技术研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 23 日 作者简介：束正平（1989）女，汉族，江苏盐城人，中级职称，学士学位，研究方向新型电力系统下的配电自动化。-39-基于 5G 通信的配网差动保护技术研究 束正平 南京四方亿能电力自动化有限公司，江苏 南京 210000 摘要：摘要：随着技术的进步，分布式能源的普及以及环形网络的不断发展，配电系统必须采取有效的电流差动保护措施来解决过载保护的问题。全新的配网差动保护技术，已经被广泛应用于 5G 技术，以满足日益增长的商业需求。这种保护方案使用了基于移动边缘计算的切片网络来传输数据，它具有极低的延迟和极高的可靠性；通过采用基于故障时刻的自动同步技术，可以有效地解决差动保护系统中双端数据的同步问题，而无需额外的时钟设备。5G智能电网的应用示范区已经完成了多种不同的测试，包括单基站和多基站的环境，而且已经将其应用于 10kV 线路的试点运行中。经过现场测试和实际运行，我们发现差动保护的性能达到了配电网工程的预期标准。关键词：关键词：5G 通信；配网差动保护技术：有效策略；自动化 中图分类号：中图分类号：TM7 0 引言 随着时代的进步，电力系统的规模不断扩大，负荷的增长也变得更加迅速，这对于保障电网的安全性和稳定性构成了巨大的挑战。欠电压、过电压、短路、过流等故障会给电网的正常运行带来极大的危害，甚至会引发更为恶劣的后果。由于电力系统的复杂性，保护装置的重要性不言而喻。而配网差动保护技术则是实现配电网自动化的核心，它能够有效地确保电网设备的安全性和稳定性。通过配网差动保护，可以根据电流差值来识别设备是否出现故障，一旦差动电流达到预设值，就会发出警报，从而切断电源，有效地保护配电网。然而，传统的配网差动保护技术存在一些局限性，比如在高速、宽带、大容量和低时延的应用场景中，很难实现有效的保护。本文将深入探讨如何利用 5G 技术来实现有效的配网差动保护。1 差动保护业务概述 基于基尔霍夫电流定理，差动保护可以有效地实现。在正常运行条件下，线路的两端的电流是完全一致的，而差动电流则是零；当电力系统出现故障时，由于两端的电流不平衡，导致差动电流超过预设值，此时差动保护就会启动，使得线路两侧的断路器断开，从而切断电源。差动保护装置的安装必须依赖于纵联通道，它可以实现电流、电压等信息的实时传输，从而保证线路的稳定性和可靠性。差动保护技术通常使用多种通道，包括电缆、微波、导轨和光缆。5G 无线通信技术已经成功地将配电网的差动保护功能连接起来，形成全新的通信系统。在使用 5G 通信作为纵联通道时，为了有效地实现差动保护，必须仔细研究采样同步和报文传输方案，并且要充分考虑 5G 通信的延迟和抖动对差动保护的影响，以确保系统的可靠性和稳定性。图 1 四川“新基建”的配网 1.1 差动保护采样同步方案 通过使用差动保护的采样同步技术，可以将它们划分为两类：一类是基于内部时钟的，另一类是依赖外部时钟的。通过使用内部时钟，可以实现多种不同的采样同步方式，包括采样插值、时间调节和延迟检测等；采用外部时钟的同步技术，其中最常见的是以绝对时钟为参照的序列对齐方式。使用内置的时钟采样同步技术，可以确保通讯路线的精确性和延迟的稳定性，从而有效地抑制传输过程中的明显的延迟波动。“乒乓算法”提出的原则被广泛应用于插值同步和采样时刻调整，从而有效地维护了通信链路的收发路径的一致性，并且能够有效地提中国科技期刊数据库 工业 A-40-高延迟的稳定性。5G 通信的差动保护涉及到许多复杂的环节，从无线空口、基站、核心网等，由于数据处理延迟的不可预知性，使得差动保护的效果受到了严重的影响。CPU 的计算能力在北斗卫星导航系统中发挥着重要作用，100MHz 的晶振 CPU 能够实现 10ns 的计算精度，而CPU与“差动保护装置 CPU 计时精度 T2”的采样同步性能也有着明显的提升，T1 与 T2 的最大偏移量比 2 倍的 40ns 要小。使用外部时钟的同步采样技术，可以提供非常精确的结果，并且可以抵御 5G 网络中的任何异常波动，从而实现对网络的有效保护。图 2 北斗卫星导航系统 1.2 差动保护报文传输方案 当前，为了确保光纤纵联通道的安全，提供了两种不同的报文形式：一种是基于 HDLC 的高级数据 LCP，它具有独立的功能；另一种则是基于 IEC61850-9 协议的 SV 采样值，它们可以在数据链路层实现双向传输，从而确保了信息的安全性与可靠性。5G 通信网络的三层协议簇结合在一起，这三者共同组成了 5g 通信的基础架构，使得用户可以轻松获取高效、安全的数据传输。“面向连接”可以通过重传和拥塞控制机制来确保数据的精确性，但是它的实时性却相对较弱；UDP 与“面向连接”有着本质的区别，它没有采用精确的数据传输机制，但却能够提供更加迅速的实时信息。在 5G 通信系统中，使用 UDP 报文封装的差动保护技术，不仅能够有效地提升实时性，还能够通过精准的差动保护机制，确保数据的准确性，进一步提升系统的可靠性和可用性。鉴于 5G 技术的发展，为了更好地支持多种应用，差动保护 UDP 单帧报文的长度一般被限定在 100300字节，从而更好地满足各种场景的要求。使用差动保护，能够确保报文的发送频率和采样频率相同。例如，可以使用 24 点、32 点和 80 点的采样来确定每帧的传输速度，分别为 1200 帧、1600 帧和 4000 帧。通过安装单个差动保护装置，5G通信带宽可以达到惊人的112Mbit/s，从而大大提升了网络的性能。2 基于 5G 通信的配网差动保护技术 2.1 故障时刻自同步技术 基于基尔霍夫电流定律，差动保护需要实现两端电流数据的同步，以确保系统的安全性和可靠性。5G技术的来回时延显著低于传统的电缆通信方式FC是啥意思，这使得它可以更加高效地实现网络连接，从而使得传统的乒乓算法难以实现；虽然采用卫星时钟的同步技术无须确保各个通道的时延一致，但它却会导致接收设备和同步电路的高昂成本，从而使系统的架构变得更为复杂，而且还会降低系统的可靠性。由于配电线路的长度有限（几百米到十几公里），电磁波的传播速度很快，只有几微秒到几十微秒之间。因此，当故障发生时，线路的两端会出现电流的急剧变化，从而导致故障的发生；当电流发生突变时，双方的保护系统能够自动计算和提取每个测量值（相量或瞬时值），并将它们同步进行测量，以便在 5G 信道上进行时间戳标记，实现实时交互，从而满足差动保护的要求。通过采用具有较高采样率和最新的故障检测技术，能够大幅提升该方法的同步准确性。2.2 配电网差动保护的网络需求 基于基尔霍夫定律，配电网差动保护可以通过测量线路两端设备之间的电流变化，从而准确地预测出线路的运行状况。一般来说，当电流从线路的两端流出时，其幅值和相位是相反的，矢量也会相应地变为零；当发生故障时，由于线路两端的电流矢量变化不再为零，因此可以迅速检测出线路的故障状态。由于其出色的速动性，它被广泛应用。在配电网中，电流差动保护的信号同步需要满足两个基本条件：一是两端的采样时间必须完全一致，其 误差 应低于 10s;由于差动继电器需要在两端同步收集数据，以计算出差动电流，因此，它们的传输速率必须低于 15ms。为了满足这些需求，传统的配电网采用了光缆连接，但是这种方式的缺点是建造时间较长，成本较高，运行和维护也比较困难。4G 网络的传输速率极快，仅为100ms，这使得它无法满足配电网的差动保护要求。5G技术的出现大大改善了配电网的差动保护，它具有低延迟、高可靠性、安全性和准确的时间传输能力，使得这一领域变得更加先进。中国科技期刊数据库 工业 A-41-2.3 SA 独立组网 5GNR 的全称为 5GNewRadio，也称为新空中接口，5GNR 是相对于 5GCore 核心网来说的。4G 网络要求空中接口和核心网必须统一演进，而 5G 网络将其分开，5GNR 和 5GCore 可以各自独立演进，由此带来了 SA 独立组网和 NSA 非独立组网两种方式。在技术层面上，SA 独立组网是最佳的选择，但考虑节约投资的原因，现有庞大的 4G 网络可采用 NSA 非独立组网方式逐步向5G 演进。对比 SA 和 NSA 两种组网方式，SA 独立组网支持 MEC 边缘计算、网络切片等技术，具备更强的加密算法、更安全的隐私设置、更低的网络延时和更高的可靠性。理论上 SA 独立组网相较于 NSA 非独立组网更适合配电网差动保护业务的实施，具体网络性能还需要进一步验证。2.4 MEC 边缘计算 5G 核心网相较 4G 核心网而言，重新定义为核心网和 MEC(MobileEdgeComputing)边缘计算两部分。MEC将原有核心网的部分用户面功能下沉至边缘云计算，改变了原有通信必须全部经过核心网传输的方式，提供了一种在 MEC 进行计算和传输的服务，能够有效地降低通信延时，降低核心网流量负担。MEC 的思想类似于计算机的内存和缓存，将常用的信息存储在 MEC，或者将特有的信息经过 MEC 进行快速转发，能够降低用户的通信延时。2.5 5G 通信的通道延时和抖动分析 为了确保网络的速度和稳定性，对抖动的要求非常严格，尤其是在通信过程中出现的随机抖动，将直接影响差动保护的准确性。由于保护装置的控制信息需要通过特定的通信通道传输，因此，这种时延会直接影响到装置的运行速度，而且这种时延会随着装置的运行而累积。根据国家标准，线路防护设备的双向传输延迟必须低于 12ms。由于双方通信设备之间的传输存在着明显的时延偏移，因此必须将采样点的数据进行实时的同步，为了确保安全，必须将其设置可供缓冲的空间，以便将采样的数据经过精确的同步处理，从而获得更加准确的结果。抖动可能会严重影响保护装置的运行效率，特别是在抖动较大的情况下，可能会导致数据的不稳定性。3 物联网形势下 5G 通信技术的研究 3.1 高频段传输技术 随着物联网技术的发展，各行业都需要拥有足够的网络容量和高效的传输速率来实现发展。4G 通信技术的视频段能够满足基本的通信需求，但在大型的在线活动中，由于频率的局限性，容易造成网络的拥塞，严重影响用户的体验和使用效率。5G 通信技术利用其先进的高频传输技术，能够有效地弥补频段资源的短缺，从而提升网络的连接性和稳定性。采用高频段传输技术，可以显著提升网络的传输速度和稳定性。随着 5G 通信技术的不断发展，它已经可以实现更小的天线、更少的耗材，以及更高的传输速率，使得它能够在短距离内实现高效的通信。3.2 密集网络技术 5G 通信技术的出现，使得无线接入技术得到了有效的整合，使得智能化和多样性得到了充分的发挥，而密集网络技术则是实现这一目标的关键所在。采用密集网络技术，不仅能够提升网络覆盖率，而且还能够增加信号的强度，从而使得工作人员能够更有效地进行网络的密集化。随着室外基站数量的不断增加，信号的强度也会得到显著改善，从而使网络更具有灵活性和可扩展性。通过采用室外网络技术，可以大大提升节点之间的交流与协作，从而极大地改善相邻节点的性能和效率。随着 5G 通信技术的普及，网络的范围不断扩大，它不仅能够满足日益增长的通信需求，而且还能够随着时间的推移而发生变化，从而有效地利用网络的潜力，进一步提高网络的效能与可靠性。3.3 同时同频全双工通信技术 采用同步全双工通信技术，可大大提升双向传输的频率覆盖范围。随着技术的发展，我们现在拥有的通信技术已经可以实现双向通信，但仍存在一些外部因素的限制。由于这种情况，无线资源的利用率大幅度降低。然而，现在提出的全双工通信技术可以解决之前提出的问题，实现资源的有效利用，从而减少对无线网络的浪费。通过全双工通信技术，频谱效率得到了显著提升，发射信号和接收信号可以同时进行，但是也存在一定的缺陷，即容易受到外界信号干扰。尽管现在已经有了一定的抵抗外界信号干扰的能力，但要想彻底消除干扰，还需要进一步的研究和开发。因为在器件/组网中国科技期刊数据库 工业 A-42-等领域仍然存在一些重要的技术难题。由于技术尚未解决，我们暂时无法将 4G 移动通信系统纳入其中，但我们期待着未来能够将其纳入 5G 系统。3.4 CPE 接口技术 CustomerPremisesEquipment 接口技术能够提高差动保护系统的性能，并且能够有效地将其与 5G 通信网络相连，从而提升系统的安全性和稳定性。CPE 接口技术的应用范围广泛，能够有效地保护差动保护系统免受外界干扰，并且能够提高系统的安全性和稳定性。接口技术对于保证差动保护系统的正确运行至关重要，它能够帮助系统快速、准确地完成任务，并且能够有效地检测出系统之间的连接异常，从而大大改善系统的通信质量和信号稳定性。4 结语 5G 通信技术的应用，大大提升了配电自动化系统的效率和性能，使得配电设备的实时监控和保护变得更加容易。与传统的配网差动保护技术相比，5G 通信技术拥有更大的带宽、更低的时延，以及更高的可靠性，使得监控和故障定位变得更加高效。5G 通信技术目前仍处于发展初期，为了实现这一目标，必须不断提升技术水平，并且精心挑选最佳的方案。因此，未来的研究应该更加注重技术创新，不断探索更有效的解决方案，以提升配电自动化系统的功能和性能。参考文献 1 王 毅,陈 启 鑫,张 宁,等.5G 通 信 与 泛 在 电 力 物 联 网 的 融 合:应 用 分 析 与 研 究 展 望 J.电 网 技术,2019,43(5):1575-1582.3李云强,张桂平,张涛.分析 CT 饱和对差动保护的影响J.电子测试,2016,(4):18-21.4王廷凰,余江,许健,等.基于 5G 无线通信的配电网自适应差动保护技术探讨J.供用电,2019(9):18-21.5月球,肖子玉,杨小乐.未来 5G 网络切片技术关键问题分析J.电信工程技术与标准化,2017(5):45-50.6张宁,杨经纬,王毅,等.面向泛在电力物联网的 5G 通信:技术原理与典型应用J.中国电机工程学报,2019,39(14):4016-4023.