5G無線通信配電網(wǎng)保護(hù)技術(shù)探討

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摘要：針對大量分布式電源接入配電網(wǎng)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(wǎng)拓?fù)渥赃m應(yīng)差動保護(hù)技術(shù)。該技術(shù)運(yùn)用5G無線通信低延時、高帶寬的特點(diǎn)，采用采樣點(diǎn)插值同步法，實(shí)現(xiàn)故障的精確定位與隔離，有效地減少了終端運(yùn)維的工作量，為配電網(wǎng)自動處理故障提供了新方向。為驗(yàn)證所提出的配電網(wǎng)自適應(yīng)差動保護(hù)技術(shù)，在5G示范工程進(jìn)行了通信性能測試、差動保護(hù)業(yè)務(wù)測試。除目前外場環(huán)境下不具備測試條件的測試項(xiàng)以外，其他所有測試項(xiàng)的結(jié)果均符合預(yù)期。

關(guān)鍵詞：5G無線通信；差動保護(hù)技術(shù)；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(wǎng)中，配電網(wǎng)故障電流等級、潮流方向發(fā)生了較大變化，傳統(tǒng)的三段式過流保護(hù)已經(jīng)難以滿足配電網(wǎng)保護(hù)“四性”的要求［1-4］。光纖差動保護(hù)用于配電網(wǎng)的故障處理，為差動保護(hù)提供了新方向［5-9］。但是在城區(qū)內(nèi)敷設(shè)光纖成本較高，且難以解決配電網(wǎng)點(diǎn)無光纖覆蓋的保護(hù)配置問題。基于4G無線通信的配電網(wǎng)自適應(yīng)差動保護(hù)技術(shù)解決了差動保護(hù)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(zhì)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(shè)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(fù)荷開關(guān)，現(xiàn)階段很少有廠家支持基于兩者混合模式實(shí)現(xiàn)最小停電范圍的故障隔離。5G無線通信技術(shù)與納米技術(shù)相結(jié)合，使得信號覆蓋范圍更廣，利用其高帶寬、低延時的特點(diǎn)［13-15］，首次將5G通信作為差動保護(hù)信息傳輸通道，滿足了差動保護(hù)對通信的要求。本文提出基于差分B碼的全局對時技術(shù)，采用采樣點(diǎn)插值同步法，解決了多端線路差動保護(hù)數(shù)據(jù)同步問題，目前國內(nèi)外暫時沒有這方面的研究報告、成果和試點(diǎn)。同時提出的基于斷路器和負(fù)荷開關(guān)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(bǔ)了目前市場上的空缺。以5G無線網(wǎng)絡(luò)作為信息傳輸通道，研究配電網(wǎng)自適應(yīng)差動保護(hù)實(shí)現(xiàn)方法，并進(jìn)行外場5G基站環(huán)境測試。本文將差動保護(hù)技術(shù)應(yīng)用于智能保護(hù)終端，提升了配電網(wǎng)保護(hù)的選擇性、快速性、可靠性和靈敏性，增強(qiáng)故障定位精準(zhǔn)度，縮短故障后供電恢復(fù)時間。

1基于5G的無線通信技術(shù)

目前基于4G無線通信的差動保護(hù)技術(shù)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(shù)據(jù)帶寬后，數(shù)據(jù)發(fā)送頻率會降低為原來的1/2。若增大數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，保護(hù)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(shù)，具有高帶寬、高可靠、低時延等優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用于配電網(wǎng)的差動保護(hù)，為配電網(wǎng)的故障精確定位、隔離與恢復(fù)供電提供了新的發(fā)展前景。本文在實(shí)驗(yàn)室理想條件下，進(jìn)行了5G通信性能測試，測試結(jié)果見表1。由測試結(jié)果可知，基于5G通信的配電網(wǎng)差動保護(hù)可以滿足差動保護(hù)對通信的3個要求，保證差動保護(hù)采用和傳統(tǒng)光差保護(hù)相同的采樣頻率，即每周波24點(diǎn)，并且按照1200Hz的頻率向?qū)?cè)/網(wǎng)絡(luò)傳輸采樣值。基于5G的差動保護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。

2基于不確定傳輸?shù)牟顒颖Ｗo(hù)技術(shù)

傳統(tǒng)光纖差動保護(hù)一般使用乒乓原理來調(diào)整采樣時刻，使得參加兩端/多端的保護(hù)同一個時刻采樣，該方法不依賴外部時鐘，就能實(shí)現(xiàn)兩端系統(tǒng)的同步［16-22］。但上升到多端系統(tǒng)后，裝置通信接口和通道運(yùn)維都增加了復(fù)雜度。配電網(wǎng)無確定性傳輸?shù)耐ǖ溃彝ǖ纻鬏斞訒r不穩(wěn)定。而光纖差動保護(hù)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(diǎn)插值同步法：差動保護(hù)的兩端/多端無主、從設(shè)置，每側(cè)的保護(hù)通過插值，將參加運(yùn)算的電流、電壓值回溯到采樣時刻，示意見圖2。采樣點(diǎn)插值同步法遵循“誰用誰同步”的原則：本側(cè)收到對側(cè)數(shù)據(jù)后，根據(jù)對側(cè)報文中攜帶的時標(biāo)數(shù)據(jù)，計(jì)算出對側(cè)的采樣時刻，圖中數(shù)據(jù)點(diǎn)0、1、2、3、4為對側(cè)數(shù)據(jù)。然后根據(jù)本側(cè)的采樣間隔采用插值同步法，進(jìn)行重采樣，將兩側(cè)數(shù)據(jù)同步。該方法要求參與差動保護(hù)的數(shù)據(jù)有相同的時間參考系——全局時間，該時間只要參與差動保護(hù)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(wěn)定問題，增加每側(cè)保護(hù)的采樣緩沖區(qū)，采樣緩沖區(qū)存儲數(shù)據(jù)的能力只要覆蓋通道最大延時即可。

3故障精確定位技術(shù)

在配電網(wǎng)中為了減少一次設(shè)備投資成本，通常使用斷路器和負(fù)荷開關(guān)混合使用的運(yùn)行方式。當(dāng)線路檢測到差流后，啟動如下搜索策略：首先判斷該開關(guān)是否是斷路器，若是則直接跳閘；若是負(fù)荷開關(guān)，則判斷本地環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)相鄰的開關(guān)中是否有檢測到過流的開關(guān)，針對過流的開關(guān)若是斷路器則直接跳閘；若檢測到過流的開關(guān)為負(fù)荷開關(guān)，則向此開關(guān)相鄰的開關(guān)發(fā)送搜索上游符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的GOOSE報文，直到檢測到過流的斷路器跳閘為止。與傳統(tǒng)的光纖差動保護(hù)逐級跳閘直至找到故障點(diǎn)相比，該方法只需要停掉故障區(qū)域周邊很小一部分負(fù)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(jié)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(huán)網(wǎng)柜進(jìn)行外場測試。外場測試用5G測試車部署終端側(cè)的DTU、協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊、交換機(jī)、TUE；無線側(cè)接入雪崗5G基站；核心網(wǎng)在深圳南科機(jī)樓，與5G基站通過一跳傳輸直連；SCADA部署在坂田基地X-lab實(shí)驗(yàn)室，通過傳輸專線連接至南科機(jī)樓。外場測試整體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟妶D4。外場測試獲取了5G承載差動保護(hù)業(yè)務(wù)的關(guān)鍵通信指標(biāo)，并記錄各個相關(guān)裝置和系統(tǒng)的測試指標(biāo)及數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了配電網(wǎng)差動保護(hù)在5G外場環(huán)境下的可用性、可靠性。差動保護(hù)業(yè)務(wù)測試內(nèi)容及結(jié)果見表2。由測試結(jié)果可知，除目前外場環(huán)境下不具備測試條件的測試項(xiàng)以外，其他所有測試項(xiàng)的結(jié)果均符合預(yù)期。

5結(jié)語

本文介紹了基于5G無線通信的配電網(wǎng)自適應(yīng)差動保護(hù)技術(shù)，解決了配電網(wǎng)快速保護(hù)受光纖通信制約的瓶頸，在沒有光纖通信的區(qū)域也可以利用差動保護(hù)在毫秒級時間內(nèi)快速切除故障提高配電網(wǎng)的供電可靠性；同時為配電網(wǎng)所有設(shè)備的互聯(lián)互通提供了基礎(chǔ)，通過高實(shí)時性的數(shù)據(jù)交互，可以實(shí)現(xiàn)更多的保護(hù)與自動化解決方案，為配電網(wǎng)故障隔離及恢復(fù)供電提供了新方向。目前，5G無線通信還存在傳輸不穩(wěn)定、穿透率弱等劣勢，但在接下來的發(fā)展中，5G將實(shí)現(xiàn)密集組網(wǎng)，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(hù)業(yè)務(wù)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