基于5G技术的配网差动保护应用

张星，徐文斌，赵东森

(国网宁夏电力有限公司银川供电公司，宁夏 银川，750011)

目前配电网除少量经专线并网的发电厂站或分布式电源并网线路采用纵联保护配置外，35 kV及以下配电网系统保护装置一般仅配置两段或三段式过流保护功能。城区配电网末端故障与首端故障短路电流差异很小，导致配网上下级保护定值配合困难，末端故障时常造成变电站低压出线开关保护无选择性跳闸，扩大了停电范围、延长了故障查找定位和抢修指挥时间；因此，有地区因电流瞬时速断保护无保护范围而将其退出运行，也有地区因限时速断保护在时限上无法与出口保护配合导致出口保护时限过长威胁主变安全而将其退出运行[1]。目前只有部分发达地区及新能源场站并网线采用沿线路敷设光缆配置光纤纵差保护来解决上述问题，但是，从配网保护实际运行情况看，沿线敷设光缆配置差动保护的方法存在投资巨大、后期运维困难等诸多问题，高速率、高容量、高可靠性、低延时与低能耗[2]的5G通信技术应用为解决配网保护信息交互带来新的路径，不新增保护设备配置及通信光缆，从根本上解决配网保护选择性差、可靠性不高这一难题。

1 配网差动保护原理

配网差动保护和主网差动保护原理相同，基于基尔霍夫定律，通过计算线路两端设备的电流矢量差来判断线路运行状态。正常情况下，流过线路两端的电流幅值相同、相位相反，矢量合为零；而在故障情况下，线路两端流过的电流矢量和不再为零，利用这一特征可以快速识别线路故障。

1.1 配网差动保护的作用和现状

差动保护具有良好的快速性和选择性，能够快速准确定位隔离故障点，缩小停电范围，提高供电可靠性。保护定值整定只需躲过不平衡电流，不受系统运行方式、短路容量、负荷电流等因素影响；动作时限无需级差配合，不存在因时限配合造成上级保护延时过长等问题，有效提升配网保护可靠性。

配网差动保护在实际应用中要解决很多新问题、新难题，如：(1)配网差动保护对电流互感器抗饱和程度提出了更高的要求，若电流互感器不能实现故障电流线性传变，将会造成保护误动或拒动[3]；(2)部分地区环网柜间联络配置为负荷开关，不具备开断故障电流的能力；(3)差动保护需要通道交互两侧采样数据进行差流计算，在配网中敷设光纤通道成本高和难度大，使用其他通道时延、抖动精度又难以满足要求。近年来，随着配电网改造建设力度的不断加大，大量负荷开关和不满足要求的电流互感器被逐步更换，为配网差动保护的配置奠定了基础，但是保护通道问题始终没能解决，对配网差动保护建设形成巨大阻力。随着高可靠、低时延的5G技术的推广应用，为解决配网保护信息交互带来新的路径。文献[4]提出了以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，并进行场外5G基站环境测试，进而实现配电网5G差动保护技术的应用。

1.2 配网5G差动保护的原理和机制

配网5G差动保护的优势是可以作为无死区的主保护使用，快速准确地定位并切除故障，使故障对电网的影响降到最低。缺点是性能和可靠性依赖通信网络，同时还受到对时可靠性的影响。配网5G差动保护由保护装置、无线路由终端(CPE)、基站和对时装置组成，如图1所示。

图1 配网差动保护架构

配网5G差动保护装置使用电缆与间隔电流互感器连接完成电流采样，与CPE设备以网口连接，采用UDP/IP报文协议实现通讯。对时可采用由CPE设备提供的B码对时信号，或由独立的对时装置采用485电口或光线口提供对时信息。保护动作后通过控制电缆作用间隔断路器实现跳闸及故障隔离。保护动作信息以硬接点遥信方式传至二次终端，二次终端通过网线传递信息至ONU，最终通过光纤以IEC104规约报文形式传送至配电自动化主站。

配网线路两侧差动保护通过CPE设备接入5G网络，建立连接后以2000～4000点/s的采样频率互相交互采样数据。为保证数据交互实时性，5G差动保护需要监测网络通信状况，判断通道的延迟是否满足要求，是否存在延迟超范围、丢帧、误码、失步和数据帧顺序错乱等情况，一旦出现异常应能及时闭锁保护，防止误动作。在故障情况下，根据差流和制动电流的比例关系，判断线路运行状态，区内故障则执行相应动作逻辑断开两侧断路器。

2 配网5G差动保护的试点应用

某省公司组织开展配网差动保护试点测试，测试地位于某市城市能源互联网综合示范站。在距其20 m的110 kV变电站部署1座移动5G基站，通过模拟单环网线路上环网柜间联络电缆两侧配置光纤差动保护，解决配网多电源合环运行保护的选择性问题。本次测试5G组网方式为NSA非核心组网。

2.1 测试线路

模拟单环网线路上环网柜间联络电缆两侧配置光纤差动保护，如图2所示，在图示F处发生短路故障。在传统保护配置中，此处发生故障会由首级环网柜内进线断路器跳闸，造成整条线路失压；配置光纤差动保护后，仅切除F点两侧环网柜进线断路器，缩小了停电范围。

图2 测试原理

2.2 测试过程

将移动5G行业卡访问模式由互联网设置为APN，2台CPE设置为APN访问模式。核实分配给PCS-9613配网光差差动保护通讯地址，并将相应通讯地址以配置形式下装保护装置内，保护建立连接，实现差动保护装置计算通道最大延迟。测试3 h，结果如图3所示：平均延迟27 184 μs；最大延迟137 379 μs；最小延迟11 354 μs。采样报文丢包率测试中未发现丢包现象。

图3 保护装置测试结果

设置2台装置CP变比均为1000/1，分别给保护装置加A相电流采样。保护装置采集并记录采样值，依照计算的通道延时回追采样发生时刻采样值，并与同一时刻保护装置自身采样值进行差流计算。若回追采样时刻与装置定时采样时刻不一致，即无直接采样值可用时，则利用回追采样时刻前后2个采样点数值，通过插值计算，获取近似采样值用于差流计算中。试验结果表明，依托5G网络的差动保护电流采样正常，采样测试结果如表1所示。

表1 两侧差动保护采样测试结果

配网差动保护调试架构如图4所示。模拟单环网线路上环网柜间联络电缆两端各自独立配置差动保护装置，采用高精度对时装置为两侧保护授时，通过CPE接入5G网络建立差动通道，实现保护信息交互。

向2台保护施加故障电流，当电流值达到定值后，装置保护动作，装置报文及指示灯显示正确，如图5所示。

图4 配网差动保护调试架构

图5 保护装置动作

2.3 测试结果

(1)实践证明，依托5G网络建立差动保护通道，可实现配网差动保护信息交互，有效解决配网差动保护通道建设难题，可行性和工程实用性高。

(2)在5G NSA试验环境下，装置能够通过5G信号进行数据交互，通道最大延迟137 379 μs，最小延迟11 354 μs，但是，存在网络通道延时不稳定问题，暂时无法满足投入实际运行的要求。

(3)差动保护在通道延时可接受范围内，能够计算通道延时并可靠获取故障发生时刻采样值进行差流计算，从而判别故障状态，动作逻辑可靠。

3 结 论

与过流保护相比，差动保护具有良好的速动性、选择性，能有效缩小停电范围，提高供电可靠性，但在配电网使用差动保护还存在诸多难题，尤其是差动保护通道的建设，始终不能有效解决。针对此问题，结合5G技术的推广应用，利用其高可靠、低时延的技术优势开展配网差动保护试点测试。经测试证明：依托5G网络实现差动保护信息交互的方案合理可行，在配网工程中有极大的推广应用价值。测试结果同时也表明在5G NSA非核心环境下差动保护通道延时不稳定，为后续研究如何在5G SA核心组网技术下，利用以NFV及SDN为实现基础[5]的5G超高可靠超低时延通信切片技术[6]等手段，针对差动保护业务需求，分别建设包含5G无线接入资源、传输承载通道、核心网的端到端网络，形成独立的专供差动保护应用的网元，从而缩短数据交互时延，提高网络安全防护水平，满足差动保护实际使用要求奠定基础。