基于5G通信的继电保护技术研究

马进 赵登海 张奎峰

摘 要：目前，我国的基础建设迅速，长期以来，配电网继电保护主要依靠本地信息进行故障判别，上下游通过定值整定和时间级差进行配合，故障切除时间长，且不适应存在分布式电源的情形。借助完善的通信手段，上下游保护能够交换更多的信息，构成纵联保护甚至区域保护，可以大幅提高继电保护性能，缩短故障切除时间。在光纤通信基础设施覆盖率低的地区，5G通信以其高速率、大容量、低时延的特性，引起了继电保护工作者的高度关注。然而无线通信的不确定性，需要继电保护本身做一些适应性的改变，通信接口的标准化也亟待解决。

关键词：5G通信;继电保护;技术研究

引言

5G技术以其大带宽、低时延、广连接技术优势，可以广泛地应用于电网行业全流程的生产和运营管理中。通过对5G切片、边缘计算等技术在差动保护等典型应用场景的实践和应用，验证了5G端到端的网络切片对电网业务隔离和保护的有效性，满足差动保护、配电网三遥对5G授时精度、端到端时延的指标要求。因此，5G网络可为配电网提供高可靠的无线通信服务，具有广阔的商业前景。

15G技术能力

1.15G基础能力

5G典型业务场景包括增强型移动宽带、大连接物联网和低时延、高可靠通信。数据传输速率远远高于以前的蜂窝网络，支持0.1～1Gbit/s的用户体验速率，最高可达10Gbit/s，比4GLTE蜂窝网络快100倍。同时，毫秒级的端到端时延，将大大改善实时应用。5G网络实现真正的“万物互联”，缔造出规模空间的新兴产业，为无线通信带来无限生机，满足更多垂直产业的应用需求。增强型移动宽带可以将蜂窝覆盖扩展到范围更广的建筑物中，如办公楼、工业园区等，为用户提供极高的数据传输速率，满足网络极高的流量密度要求。大连接物联网技术场景主要面向智慧城市、智慧农业、环境监测、森林防火等以传感器和数据采集为目标的应用场景，其数据包小、功耗低、终端连接数极大，具有高密度连接指标要求，且需保证超低的功耗和成本。低时延、高可靠通信技术场景主要面向工业控制、车联网等应用，这些应用具有极高的时延和可靠性指标要求，端到端时延要求达到毫秒级，业务可靠性要求接近100%。

1.25G网络切片技术概述

5G网络切片是5G服务垂直行业的关键切入点。在SA架构下，切片可将网络虚拟为多个端到端的、不同特性的逻辑子网，如大带宽切片、低时延切片等，可满足不同垂直行业、应用场景的差异化需求。传统4G网络提供单一的服务类型，而不同业务对网络速率、时延等要求有所区别，因此4G无法很好地应用于多种多样的移动终端之间的连接。5G网络切片可以在基础网络设备中划分出多个逻辑隔离的端到端虚拟网络，形成一种新型网络构架，满足差异化、多样化的应用需求。5G网络切片相比传统网络具有明显的优势：各个切片的带宽、时延等指标需求可以定制，空口资源、传输资源、核心网资源能得到有效保证，切片之间隔离度高，切片之间的故障、网络拥塞等问题不会互相影响，借助统一建设的基础网络设备可实现快速切片开通、快速业务部署。

2优化策略

2.1省流量模式

2.1.1省流量策略原理

不论是HDLC协议还是R-SV协议，在制定之初均未考虑无线传输的需求，更未考虑过对流量的计费问题，保护算法均是基于数据不间断交互的前提下設计，同时由于光纤传输时延一般为微秒级，保护装置不必开辟额外的数据缓冲区，在5G网络条件下，由于网络时延较长，且存在较大的抖动，需开辟时间窗口超过最大网络时延的缓冲区。考虑电网在运行过程中发生扰动乃至故障的时间占比极小，同时参考GOOSE报文的机制，常态仅发送心跳报文，当有事件产生时高速且连续地发送突变报文。差动保护装置之间的R-SV数据交互可采取类似的策略：正常运行时，停止R-SV报文发送，装置整组启动后开启。

2.1.2动作时间影响分析

省流量策略将在一定程度上影响保护的动作时间，下面将对增加的时间进行定量分析。其中T0为故障发生到装置整组启动的时间;T1为根据差动电流计算至满足差动条件的时间，当一侧的计算结果满足差动条件时，即会发送允许信号至对侧;T2为收到允许信号到保护动作的确认时间;Tdly为5G网络平均时延。以M侧为例，故障发生后经过Tdly，开始收到N侧发送的自故障时刻起的采样数据，并与自身缓存的自故障时刻起的数据做差动电流计算，再经过T1后，计算结果满足差动条件，发送允许信号至N侧。若两侧条件完全相同，且上下行时延也相等的话，此时N侧也会向M侧发送允许信号，经过Tdly后，两侧均会收到对侧的允许信号，再经过T2保护动作。在该场景下的动作总时间为Tfree=T1+T2+2Tdly。

2.2冗余发送机制

2.2.15G网络可靠性分析

根据现行标准，差动保护装置若出现通信误码或丢包，需发出告警并闭锁差动保护。对于专用光纤通道，由于其较高的可靠性，在正常运行时，极少出现误码或丢包等情况，根据电网公司企标，要求误码率不高于10–8，实际使用过程中一般在10–9左右。而根据目前3GPP的标准，以及在实验室测试的数据来看，5G通道的误码或丢包率约在10–5左右，较之光纤通道提高了10000倍，针对这种情况，有必要做出相应的优化。5G核心网同样也是光纤传输，误码和丢包率不高，误码或丢包主要发生在空口，即CPE与基站之间，由于是无线环境，更容易收到各种各样的干扰。通信设备制造商均在空口侧增加了报文重传的功能，当报文在CPE和基站之间传输时，若发生误码会丢包，发送端将重发报文，重发最大次数可设定，一般为3次左右。需要说明的一点是，此处的报文重传，并非是保护装置间的报文重传，因为R-SV协议实际上遵循的是UDP协议，与TCP协议不同，UDP协议本身不是面向连接的协议，并不具有重传的机制，此处的重传是仅存在于空口侧的传输层重传。

2.2.2实验室测试

在某通信设备制造商提供的实验室，对差动保护在5G网络下的通信质量进行了相关测试，组网图基本与图2相同，唯一的区别是2台差动保护装置通过各自的CPE接入了同一个基站，测试网络为SA组网。另外，测试基站仅连接待测试的设备，并把基站的天线和待测试设备置于同一屏蔽室内，避免空间中其他通道的干扰，可认为是理想状态下的5GSA网络通道。在测试过程中，由于空口侧的重传机制，并没有出现真正意义上的丢包，但对于差动保护而言，时延超过一定范围，实际效果与数据丢失相同。根据DL/T584―2017《3kV～110kV电网继电保护装置运行整定规程》里的规定，微机保护的时间级差不应小于0.2s，而目前变电站10kV线路的时延速断保护一般整定为0.3s，故留给5G差动保护的动作时间还剩下100ms。5G差动保护的动作时间在非省流量模式下的动作时间Tfree=T1+T2+2Tdly，10kV光纤差动保护的固有动作时间约为40ms，则Tdly时间不应大于30ms。保护装置会开辟数据缓冲区，以克服网络时延及抖动问题，但缓冲区显然不可能无限大，基于对Tdly时间的分析，考虑将缓冲区的时间窗口设置为40ms。

结语

通信基础设施可以和电力基础设施深度融合，形成共生生态：供电部门为5G基站提供站址资源、供电设施;电信部门为供电部门提供私有网络切片和移动/多接入边缘计算资源（mobile/multi-accessed gecomputing，MEC），用户面功能（userplanefunction，UPF）下沉，同时带一定储能资源和分布式发电设施的5G基站作为可调度负荷。

参考文献

[1]胡红明.5G通信技术在智能电网的应用分析[J].电子测试，2019（17）：68-69.

[2]吕玉祥，杨阳，董亚文，等.5G技术在配电网电流差动保护业务中的应用[J].电信科学，2020，36（2）：83-89.