基于5G通信的配電網差動保護技術探究

王一淳，李壯壯，閻 妍，王 濤

（1.國網揚州供電公司，江蘇 揚州 225000；2.國家電網有限公司技術學院分公司，山東 濟南 250002）

0 引言

隨著分布式發電的大規模入網以及固態變壓器等設備在電力系統的大量應用，傳統的繼電保護整定原則和成套配置面臨重大挑戰［1］。與發電廠的廠用發電機相比，分布式電源故障的特點因控制策略不同而發生改變，出現了故障電流降低、故障電流連續性變弱等新特點，傳統的三段式電流保護不再適用。隨著分布式電源的接入，配電網由以前的放射式結構向多電源環網結構轉變，這使得原有的配電網保護配置成套方案不能適應新的網絡拓撲結構。電流差動保護無需進行時限級差配合，解決了時限級差配合導致的上級保護延時的問題。因此，在多電源網絡中，為提高系統的保護性能和可靠性，亟需采用電流差動保護技術［2］。

差動保護的通信方式包括導引線通信、微波通信、電力載波通信和光纖通道通信等。目前，基于光纖通道的通信方式設置簡單，能夠精準發現、隔離故障，具有較好的抗過渡電阻能力，系統的運行方式及潮流不會對其運行產生影響，因此得到廣泛應用。然而，光纖差動保護也存在建設周期長、敷設成本高、使用頻率低、施工難度大等缺點，這些因素制約著光纖差動保護的規?；占芭c發展。

第五代移動通信技術具有許多優點，例如大帶寬、多連接、低延時、高可靠性等［3-4］，它可以從源頭上處理配電網保護選擇性不好和可靠性差的問題，而無需新增保護設備或通信光纜，這為配電網保護信息交互提供了新的路徑。5G 通信技術的高性能和靈活性能夠在配電網差動保護中發揮重要作用，有效提高系統效率和可靠性。

本文概述了5G 通信承載差動保護的核心技術，在具體應用中分析5G通信應用于配電網保護的可行性，通過全面評估5G技術的網絡覆蓋范圍、通信帶寬和數據安全等，分析其在實際應用中存在的問題，從而推動配電網差動保護技術不斷改進和發展。

1 差動保護對通信通道的要求

電流差動保護通過關注線路首末兩端的電流變化來判別是否在保護區內發生故障，其對信息傳輸通道的要求較高，需要保障通道傳輸速率、通道安全性、通道可靠性和通道時延。結合實際情況，通道應當滿足帶寬超過2 Mbps、時延小于15 ms、可靠性大于或等于99.999%、安全等級為Ⅰ區等條件，才能確保差動保護的實時性、準確性和可靠性。

2 5G通信技術

2.1 5G通信技術概況

5G 通信是新型的蜂窩移動通信技術，可以帶來0.1?1 Gbps 的應用體驗速度、幾十吉比特每秒的峰值頻率、毫秒量級的兩端時延、99.999%的超高穩定性，針對不同行業對終端互聯提出的各種要求，設定了三大應用場景，真正實現了“萬物互聯”［5］。5G 技術將為人類社會提供更高速、更安全的網絡以及更多智能化應用的可能，對于社會經濟和創新產業的發展都具有重要意義。

2.2 5G通信承載差動保護的核心技術

5G 通信定義了3個應用場景，其中，超可靠低時延通信（ultra-reliable low-latency communications，uRLLC）專門服務于物聯網業務，將用戶的上行、下行時延均控制在0.5 ms以內［6］，這與差動保護對通信的高可靠性和低時延要求基本吻合。uRLLC 能夠承載配電網差動保護相關工作的核心技術包括移動邊緣計算（mobile edge computing，MEC）、網絡切片、獨立組網（standalone，SA）等。

2.2.1 獨立組網

5G New Radio 是指第五代移動通信技術的無線空中接口，也被稱為新空中接口。5G Core 指的是第五代移動通信技術的核心網部分。4G 網絡技術所規定的空中接口與核心網必須共同演進，而5G 網絡不同，允許新空中接口與核心網分別進行演進，形成了獨立組網與非獨立組網兩種組網方式。

從技術的實施角度進行分析，SA 是最優組網方式。SA 采用的加密算法更成熟，對用戶隱私信息的保密性更強、可靠性更高。然而，考慮到節約投資，現階段4G 網絡技術在通過非獨立組網方式向5G 網絡技術轉變，具體的網絡性能還需要進一步在實踐中證明，以檢驗其網絡性能和可行性。

2.2.2 邊緣計算技術

在傳統的通信系統中，所有的信息都要經過核心網進行傳輸，而MEC 把部分用戶功能放置到邊緣云進行計算，減少了核心網的工作，縮短了通信時間。通俗來講，MEC就像是計算機的內存條，用來減少CPU 的計算壓力。在配電網差動保護中，可以通過下沉技術減少數據的傳輸距離來降低通信時延，以滿足配電網差動保護的低時延要求。

2.2.3 網絡切片

網絡切片技術的核心是將5G網絡進行切片化處理，得到多個碎片化的網絡部分，包括核心網子切片、無線子切片及承載子切片，如圖1所示。每個切片都可以根據不同的客戶需求和業務環境進行配置，形成彼此毫無關聯的邏輯網絡，更好地滿足各類用戶的不同要求。另外，網絡切片技術能夠使網絡資源被使用的頻率大大增加，使網絡運營商在建設方面所投入的資金更少。通過動態調整切片的資源分配，可以根據實時的用戶需求情況來分配網絡資源，避免資源的浪費。

圖1 網絡切片示意圖

2.2.4 大規模多進多出技術和波束成形技術

大規模多進多出（multiple-in multipleout，MIMO）技術及波束成形技術是5G 移動網絡中重要的技術手段，可以顯著提高網絡容量和頻譜效率。大規模MIMO 技術利用多根天線形成天線陣列，通過同步處理和信號傳輸，能夠在同一時間內實現更多用戶的信息收發［7］。相比于4G 網絡技術受到8 根天線的限制，大規模MIMO 技術能夠支撐擁有大于或等于128 根天線的5G 基站，使得移動網絡的容量增加幾十倍，在信號傳輸方面實現數十倍的頻譜效率和能量效率增益。

波束成形技術通過控制天線陣列中的天線發射特定方向的電磁波來實現。通過調整天線，該技術能夠將所發射的電磁波變成較窄的一束，并將能量按照特定的指向傳輸到末端，能夠增加信號的傳輸距離，提高信號在傳輸過程中的抗干擾能力。波束成形技術可利用多條天線進行超大量信息的傳輸，從而顯著提高頻譜利用率。因此，大規模MIMO 技術和波束成形技術的應用使得5G 移動網絡具有更高的容量、頻譜效率和能量效率，為實現更快速、更可靠的無線通信提供了有力支持。

2.3 5G通信應用于配電網保護的可行性分析

5G 通信在可靠性、時延、安全性和速率等方面能夠滿足配電網差動保護對通道的要求。在合理站間距的前提下，利用網絡切片技術，5G 通信可以應用到配電網差動保護中，替代傳統的光纖通信。

2.3.1 通道時延分析

電力系統出現的故障發展速度快，繼電保護根據線路兩端的運行狀態來判斷是否有故障發生，因此發生故障時保護要快速動作將故障切除。一般情況下，保護的動作時間應小于80 ms，信息傳輸的時延應小于15 ms。將5G 網絡技術與4G 網絡技術的性能進行對比，4G 網絡技術在系統無負荷的前提下的時延大概為40 ms，不能滿足保護的時延條件要求。而通過移動邊緣計算技術，5G 網絡技術能夠實現時延小于10 ms，符合保護的時延條件要求。

2.3.2 安全性分析

為使繼電保護能夠可靠動作，要保證通信網絡有較強的抗干擾能力，并且能夠防止惡意攻擊。5G通信網絡作為信息傳輸通道，電力控制系統與網絡切片在連接時需要橫向隔離和縱向加密認證，對操作人員和接入設備進行授權管理，外部人員訪問時需要通過密碼驗證才能建立通信連接，因此5G 通信網絡可以保證電網運行的安全性。

3 基于5G通信的配電網差動保護的應用

3.1 配電網5G差動保護經典應用架構

5G 差動保護通過實時檢測網絡的信息傳輸情況來判斷通道的信息傳輸速度是否符合要求、是不是有著延遲時間過長、失步丟幀、數據幀順序錯亂、誤碼等情況，從而確保數據交互的實時性。如果發現通信異常狀態，應迅速閉鎖保護裝置，防止保護誤動作。如果檢測出線路發生故障，首先判別是區內故障還是區外故障。如果是保護區內發生故障，應立即斷開相應斷路器。

3.2 配電網5G差動保護推廣需要解決的關鍵問題

在配電網保護領域應用5G 通信技術時，需要解決以下問題。

3.2.1 時延抖動問題

差動保護要求信息傳輸的時延較小。但是5G通信容易采集到周圍環境信息，從而影響通信性能，所以存在著時延抖動問題。實驗數據顯示，差動保護單向平均時延達到8?9 ms，但最大時延偶發達到90 ms以上。通過優化基站配置可以降低時延抖動，但最大時延仍然高達60 ms。因此，以后仍需對保護終端、承載網、基站等部分進行改進。

3.2.2 同步問題

差動保護同時采集線路兩端的電流，但5G 網絡的傳輸途徑不固定，環境、流量等都會影響傳輸速度，這導致兩側數據傳輸到對端的時間不一致。目前采用的方法是北斗授時，為了使采集的數據傳輸到對端不產生時差，可以考慮使用5G 基站對終端進行無線授時，提高數據的準確性。

3.2.3 持續連接問題

配電網保護需要持續運行，并實時發送模擬量信息。如何持續滿足帶寬資源需求，保證5G 通信模塊在任何條件下都能穩定運行，以滿足配電網保護對通信的要求，是實際工程中需要解決的問題。因此，將5G 通信技術應用于配電網領域時，要進一步研究和解決這些問題，以確?？煽?、穩定和安全的通信環境，為配電網保護提供有效的支持。

4 結語

本文從可靠性、時延、傳輸速度等角度分析了5G 通信在配電網差動保護中應用的可行性，梳理了5G 通信適用于差動保護的關鍵技術。分析表明，5G 通信的功能及特點完全滿足配電網差動保護對通道的要求，能夠代替光纖成為配電網差動保護的新型信息傳輸通道。目前，一些機構正在進行5G 配電網差動保護試點，總體來看依然處于初期。本文分析了5G 通信規?；瘧糜谂潆娋W差動保護需要突破的技術瓶頸，為下一步研究指明了方向。