5G通信技术在配电网保护中的应用

0引言

配电网直接面向用户，是提高可再生能源消纳能力、保证供电质量的关键环节。继电保护是电力系统安全稳定运行的第一道防线，能够检测系统中的故障或异常情况，并迅速切除故障元件，对保障配电网的安全运行和用户的正常供电具有重要意义[1]。

然而，当前配电网保护还存在以下问题：①考虑到投资及维护管理等因素，长期以来配电网主要采用基于单端量原理的电流保护，工作原理与系统构成相对简单。随着能源转型的推进和分布式电源接入比例不断提升，配电网的运行基础和故障特性发生了显著变化，故障后潮流、电压分布的改变，使得传统配电网单端量保护难以识别电网真正状态，无法兼顾保护选择性与速动性要求，甚至导致保护误动作;②大规模分布式电源接入配电网，对具有绝对选择性的多端量保护原理提出了必然需求。目前高压输电网大多采用纵联差动保护作为元件的主保护，利用光纤通道可实现多端信息交互，具有灵敏可靠、动作迅速等优点，若将其应用在含分布式电源的配电网中，可有效提升保护水平。然而受限于配电网通信设施现状，目前只有在城市核心区域具有高供电可靠性要求的配电网采用了全光纤通信，其他区域存在光纤、以太网无源光网络(EthernetPassiveOpticalNetwork，EPON)、载波、无线等多种通信方式混用的情况，无法满足多端量保护对时延和带宽的需求，纵联差动等多端量保护难以在配电网大面积推广应用。

针对这些问题，国内外已开展了相关技术研究，其中，基于双端或多端量信息构成的纵联差动保护、电

力区域保护原理凭借良好的动作特性成为重点研究方信向。文献[2-4]提出了不依赖外部时钟的自同步差息动保护方法，可以利用故障信号实现保护数据自同通步，但是存在不同故障启动角下同步误差较大，一端弱馈条件下无法对时的问题;文献[5-10]利用电流幅值、功率等构成纵联保护判据，降低了对同步的要求，但所提保护判据存在重负荷且经高阻故障情况下保护原理可能拒动或者部分运行工况下保护失效的问题，使其必须配合其他后备保护;文献[11-12]基于图论提出了广域电流差动保护系统，根据电网一次、二次设备情况以及拓扑连接方式等确定差动主、后备动作区，再利用装置间的通信构建相应的差动保护功能，其通信依然依赖于光纤通道。

第五代移动通信技术(5th-Generation，5G)的出现，为配电网多端量保护提供了一种灵活可靠的通信手段。5G通信具有高带宽、低时延、高可靠、广连接等优点，其端到端时延<10ms，可靠性>99.999%，空口授时精度可达300ns以内，基站间授时精度可达微秒级，理论上可以满足配电网保护的通信需求[13-15]。因此，本文考虑利用5G通信实现配电网多端数据交互，支撑配电网纵联差动保护和区域保护控制功能，进而构建基于5G通信的配电网保护系统，实现配电网快速精准故障定位和非故障区域快速自愈，提升配电网供电可靠性。

15G通信技术简介

1.15G通信技术概况

5G通信是最新一代蜂窝移动通信技术，能够提供0.1~1Gbps的用户体验速率，数十Gbps的峰值速率，毫秒级的端到端时延，99.999%的超高可靠性，每平方千米100万的连接密度[16]，针对不同垂直行业终端互联的多样化需求，定义了增强移动宽带(EnhancedMobileBroadband，eMBB)、大规模机器类型通信(MassiveMachineTypeCommunication，mMTC)、超可靠低时延通信(UltraReliableLowLatencyCommunication，uRLLC)三大应用场景，使能真正的“万物互联”。

2019年6月6日，工信部向三大运营商及广电总局所属中国广播电视网络有限公司发放5G商用牌照，标志着我国正式开启5G元年。随着新基建行动计划的持续推进，目前5G通信技术已在北京、上海等重点城市开始商用，并在全国范围内全面开展网络建设。

1.25G通信应用于配电网保护的可行性

与前几代移动通信技术相比，“5G+网络切片技术”使无线蜂窝公网从理论上第一次具备了应用于电网核心工控类业务的可能性。随着5G通信的普及，5G通信将以极低的接入成本和较低的运行成本，为电网控制类业务提供实时通信服务，其通道时延、传输速率等指标能够满足配电网保护的需求，配电网纵联差动保护与区域保护是5GuRLLC场景下最具前景的应用之一。

1)通道时延。电力系统故障产生和发展非常迅速，继电保护通过实时对比两站采样值，判断保护是否动作，需要保证保护的速动性。常规继电保护动作时间要求在80ms以内，常规继电保护要求通信时延小于15ms。4G网络轻载情况下的理想延时只能达到40ms左右，无法满足配电网纵联差动保护和区域保护的时延要求。5G边缘计算技术通过网关分布式下沉部署，实现本地流量处理和逻辑运算，端到端通信时延<10ms，满足配电网保护超低时延需求。

2)数据传输速率。根据IEC61850-9-2—2011《公用电力事业自动化的通信网络和系统.第9-2部分：专用通信服务映射(SpecificCommunicationServiceMapping，SCSM)通过ISO/IEC8802-3的抽样值》中采样值报文相关定义，每帧采样值数据长度约为169~226bit。按照每周波80点采样值计算，单终端数据传输速率约为5.4~7.2Mbps。根据ITUIMT—2020规范，5G通信数据传输速率可达20Gbps，可以满足单站发送数据传输速率的要求。

25G技术在配电网保护的应用场景

5G通信以其低时延、高可靠、大带宽等技术优势，未来可以为配电网差动保护、区域保护、在线监视、移动运维等场景提供灵活可靠的通信支撑，基于5G通信的配电保护业务架构如图1所示。在区域配电网的各个节点部署5G配网保护终端，各终端接入5G无线网络，建立信息交互通道，可实现5G配网纵联电流差动保护、区域保护等功能，同时5G网络也可以为配网保护在线监视、移动运维等业务提供通信支撑。

现基于5G无线通信的纵联差动保护，快速定位并隔离故障，提高城市电网线路供电可靠性。

图2所示为基于5G通信的配电网纵联电流差动保护系统，线路两侧断路器处部署5G配网保护终端，终端分别采集相应电流互感器(CurrentTransformer，CT)的相电流及零序电流，经本侧终端—基站—核心网或边缘计算中心(MobileEdgeComputing，MEC)—基站—对侧终端，将本侧终端采集信息传输至对侧5G配网保护终端，两侧终端分别计算差动电流和制动电流，当满足差动保护动作判据时，保护动作出口以实现配电网故障快速隔离。

2.1纵联电流差动保护

基于光纤通信的纵联电流差动保护已经作为主保护被广泛应用于高压输电线路，可靠性高，不受系统运行方式的影响。目前国内35kV以下电压等级的非直接接地或经小电阻接地系统的线路、馈线等所使用的线路保护装置用于差动保护的通道也均为专用光纤或复用光纤通道。

由于配电网终端设备点多面广、布局分散，若配置纵联电流差动保护需要铺设大量光缆，投资成本大，实施难度大。考虑5G通信的优势，可以将5G无线通信应用于电网保护中，电网线路两侧保护装置可以通过5G交换两侧的电气量和开关量数据，实现有保护的帧长度为32字节左右，考虑扩展信息，按封装的帧长度Dtotal为64字节进行带宽测算，当采样频率fsample=4kHz时，通信单向流量Nflow为

Nflow=Dtotal·fsample(1)计算得单个装置纵联差动业务的通信上行/下行单向流量，即N=64×8×4000=2.048×106bps≈2Mbps。

可见5G通信可以满足纵联差动保护数据传输的带宽需求。

2.2区域保护

传统配电网保护往往仅利用单端电流信息，通过定值大小及动作时间的整定配合来实现继电保护的选择性与可靠性。当发生CT断线、死区故障、单点信息缺失等异常情况时，单端量保护无法进行识别判断，导致保护拒动或误动，扩大了停电范围。

5G通信不受通道架设数量和电网网架结构限制，利用5G通信进行电网区域内的多个保护终端间的信息交互，可以充分利用区域多点信息解决以上传统保护难以处理的问题，在配电网结构变换、运行方式调整后能够自动识别电网拓扑信息，实现在其他保护装置拒动或开关拒动的情况下仍然具备识别故障并隔离的能力。隔离故障后，自动投入开环点热备用的开关，对非故障区域的失电开关站快速恢复供电，能够减少停电时间，缩小停电范围。

基于5G通信的典型区域保护系统如图3所示，该系统为一种典型的手拉手供电网络，在环网柜HW1~HW6的进线及出线间隔部署5G配网保护终端，终端分别采集相应间隔的信息，经本侧终端—基站—核心网或MEC—基站—相邻终端，将本侧终端采集信息传输至相邻保护终端，综合相邻各终端信息完成故障区段判断。

监视信息的接入需求，配网保护装置缺乏运行监控手段，目前的通信网络多依赖于光纤线路，配电网保护安装较为分散，改造范围广难度大。

通过5G通信网络的部署，配网保护装置可在不改变现有光纤通道部署的情况下，经5G无线网络将配网保护装置运行监控信息上送到站内配网运行监视系统，进一步完善配网保护的状态监测，提升配电网状态的感知范围和感知能力。保护装置告警、动作、在线监测、故障录波等运行信息经在线监视装置传输到运行评价平台，基于5G通信的配电网保护在线监视系统如图4所示。

区域保护系统中每个终端均与相邻的终端进行信息交互。相邻终端间若采用仅传送命令的区域保护方案，传送数据量较小，主要包含少量的开关量、动作信号及通道命令等;若采用传送采样值(SampledValue，SV)的区域差动保护方案，除了传送上述信号外，还传送电压、电流的SV等电气量，所需通信带宽要求较高。为满足保护快速性要求，通道传输延时应小于15ms;带宽应不小于10Mbit/s，5G通信可满足以上指标需求。

2.3配电网保护在线监视

现有的通信网络部署不满足配网保护装置运行通过图4中的配电网保护在线监视系统，可实现对配电网保护的在线监测信息、设备运行信息及故障动作信息的实时感知，实现电网故障信息的快速查询和保护动作分析，实现故障分析简报的实时推送，提升配电网状态的感知范围和感知能力。

2.4继电保护移动运维

目前，继电保护运维现场通过移动终端接入无线网络，利用APP实现运维作业过程管控和数据采集，对于高清视频、图档录波等大文件实时调阅，以及多方共享专家远程诊断的视频即时通信等业务有高速通信需求，但因现有电力无线专网或4G网络传输带宽限制，现场实际应用效果不佳。

随着5G通信的高速发展和普及，未来移动端设备可基于5G无线网络实现与运维主站系统的信息传输，接收作业工单，同时可以通过扫描继电保护设备身份识别电子标签的信息，实现设备台账信息管理、故障信息的录入、查询，实现巡检巡视等智能运维的标准化作业，完成作业信息的快速录入。另外，运行评价平台可实时调阅保护装置的告警信息、动作信息、故障报告等保护装置在线信息，实现电网故障快速分析，并将分析结果经5G网络推送至移动端设备，可以极大提高现场作业效率，提高设备运维水平。

35G通信在配电网保护应用的关键问题

5G通信作为一种新型通信方式，应用在配电网保护领域还要解决以下问题。

1)时延抖动问题。纵联差动保护等电网控制类业务对通信时延要求较高，而5G通信系统的通信性能易受环境的影响，目前时延抖动问题依然存在。试验数据表明[17]，差动保护单向平均时延达到8~9ms，但最大时延偶发达到90ms以上，无线空口是引入时延和抖动最主要的因素，通过优化基站配置可以显著降低时延抖动，但最大时延仍达到60ms。因此，未来在基站、承载网、保护终端等层面仍需针对无线进行性能改进和优化。

2)同步问题。纵联差动保护原理判据需要比较同一时刻线路两侧的电流量，传统光纤差动保护通过乒乓对时原理计算通道延时，通过采样时刻调整来实现两侧数据同步，但该方法的前提是光纤通道的收发路由完全一致。5G网络由于传输路径的不固定，且传输延时和速率等易受周围环境、网络流量等影响，延时抖动较大，且收发路由存在不对称性，传统数据同步方法不再适用。5G网络空口授时精度可达300ns以内，可考虑利用5G基站对终端进行无线授时，实现各侧保护终端间的时间同步。

3)安全问题。继电保护作为电力系统第一道防线，对于数据安全性具有较高要求。现有配电自动化从主站到终端采用带签名的SM2加密算法进行加密认证，而配网差动保护终端之间数据传输采用何种加密认证方式还需进一步研究验证，目前主流方案有软件方式、加密芯片和硬件加密等。

4)持续连接问题。配电网保护需要持续在线运行，且在保护终端之间、保护终端与在线监视系统间实时高频发送电压、电流等模拟量信息，单终端通信速率可达到6Mbps以上，如何持续保证保护业务的带宽资源，满足配网保护对通信时延、延时抖动、安全的要求，同时保障5G通信模块持续稳定运行，是配电网保护应用于实际工程中必须解决的问题。

4结语

本文探讨了5G通信在配电网保护领域的应用场景，提出一种基于5G通信的配电网保护系统架构，以基于5G通信的纵联差动保护作为主保护、区域保护作为后备保护，旨在利用5G无线通信技术优势，实现配电网多端信息交互，解决传统配电网保护无法兼顾选择性与速动性和多端量保护受通信条件制约的问题，实现配电网故障快速隔离与恢复。另外，基于5G通信可实现对配电网保护装置详细信息及运行状态的在线监视，实现作业现场与运维主站间的高效通信。

目前部分单位已开展5G配网差动保护试点验证[18]，但整体仍处于初期阶段，在时延抖动、同步、安全、持续连接等方面尚无成熟解决方案，相关技术仍需随5G技术标准演进不断优化，本文展望了5G技术在配电网保护控制及移动运维业务的应用场景，并对5G通信在配电网保护领域应用的关键问题进行了探讨。

参考文献：

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[2]李斌，范玲，姚斌，等.数据自同步条件下的配网馈线电流差动保护[J].电力系统及其自动化学报，2020，32(10)：1-8.

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