5G技术在配电网电流差动保护业务中的应用探究

保定市智能电脑有限公司 商 娜

配电网是电力系统的末端，直接面向电力用户，其网络的稳定性直接影响着电力用户的用电体验，在整个电力系统中其运行的稳定性至关重要。但目前配电网是整个电力系统中最为薄弱的一环，随着我国配电物联网的建设，分布式电源、能源储能以及电动汽车等产品接入到电力系统中，对电网的安全运行产生了影响，也导致配电网从单电源辐射向多电源复杂供电的方向转变。配电网在实际运行的过程中，网络故障问题也逐渐增多，而传统的故障处理方式已经不能满足配电网的实际需求，目前主要面临着以下困境：一是应对配电网故障的设备生产厂商较多，但执行的通信标准却不一致，在实际应用时设备之间的通用性较差；二是配电网直接面对电力用户，其覆盖面积十分广阔，分布式电源的接入导致传统的差动保护系统无法满足配电网的需求；三是目前配电网电流差动保护设备的通信方式主要采用第4代移动通信技术，在实际使用时可靠性较差且具有较高的时延。目前配电网络主要使用无线通信的方式，这种方式具有成本低、覆盖面积广、安装简单等优势，被广泛用在业务数据信息的传输之中，但在实际应用时却面临着稳定性差、带宽小、时延高等问题，使得无线通信很难适应配电网的控制需求。

1 基于5G技术的网络应用架构

5G技术是在4G技术的基础上发展而来的，具有超带宽、超低时延以及海量接入的技术优势，目前5G技术主要有以下应用场景：一是eMBB场景，这是对原有通信业务的进一步加强，能为通信用户提供更高的通信速率；二是mMTC场景，这是为了满足物联网的实际需求，为物联网提供低速率、超大接入量的业务服务；三是uRLLC场景，主要应用于控制领域，能为工业提供稳定可靠的、低时延的网络支持。与4G技术相比，5G技术在4G网络框架的基础上进行了核心网络和基站的演进，这种演进架构如图1所示。

图1 5G网络架构演进流程

从图1中可以看出5G网络架构主要包含：核心网和接入网，5G网络架构将4G核心网络进行了分离，将其变为控制面和用户面，并分别提供相应的5G技术服务。其中5G边缘云服务，能为用户提供无线高层协议以及相应的业务处理能力，通信用户基于该项服务可以满足自身的视频会议、视频监控、虚拟现实等对网络速率要求较高的业务需求。5G技术本身是众多信息技术的结合体，这就包含云计算、分布式云架构技术以及NFV技术的，5G网络架构中的核心网络具备与这些技术协同使用的能力，从而根据用户的实际业务需求，提供相应的通信信息服务。5G网络的架构将实际的物理网络划分为众多虚拟网络，再满足用户对数据传输速率需求的同时，能在不同的应用场景中进行使用。

2 5G技术在电力系统生产与管理业务中的应用

2.1 5G技术的应用思路

5G技术是在4G技术的基础之上发展而来的，在5G网络建设过程中许多基站采用与4G基站共建的方式，在降低5G网络建设成本的同时，也加速了5G网络建设的步伐。5G无线网络将业务终端、通信终端与基站的业务主站系统建立联系，从而完成数据信息的传输。

在5G无线网络中，业务主站系统通过5G通信网络与业务终端进行联系，这其中包括核心、边缘、接入以及业务等节点，5G网络并未改变原有的业务模式，依然采用原有协议对数据进行封装，从而完成对数据信息的传输。接入节点主要进行无线接入，主要满足专用业务的通信需求，并通过边缘节点对所收到的业务信息进行远距离传输，这种传输方式极大的提高了数据传输的效率，并降低数据在传输过程中的时延。而核心节点则主要是满足5G网络在不同场景中的应用需求，为了给不同用户提供不同的个性化服务，核心节点将5G网络进行网络切片化，并利用网络虚拟化技术，对数据信息进行软硬件分离，以支撑5G技术在多个业务场景中的应用。

2.2 电流差动保护信号同步技术

信号同步技术在实际应用时要注意两点：一是在进行数据采样时必须保证线路两侧的时间保持一致；二是差动继电器在计算差动电流时也要保证两侧时间的相同。目前信号同步技术的同步方法主要有以下两种：一是数据通道同步方法，这种方法在实际应用时，需要对时间进行调整，并根据采集到的数据信息对系统时钟进行矫正，从而保证同步数据的准确性；二是全球定位系统同步方法，这种方法主要使用GPS系统对时钟的时间进行同步。随着我国北斗卫星导航系统的研发，信号同步技术也可以采用北斗定位系统进行时间同步，目前采用北斗导航系统所进行的时间同步，实际误差相对较小，线路采样脉冲的误差也在2μs以内。

2.3 5G技术在配电网电流差动保护中的应用

在配电系统中配电主站系统与业务终端系统之间进行5G网络部署时，需要根据4G基站的实际情况进行建设。电流差动保护装置是保护电力系统的重要装备，能降低停电的时间和电力故障抢修的效率，在实际工作时主要是对电力系统中的数据信息进行采集，当发现电力系统中存在异常数据时，就进行跳闸保护。但目前5G技术在配电网电流差动装置中的应用以及保护原理还存在着以下问题，主要包含以下几点：一是分布式电源在进行并网时会对原有的电力网络造成影响，这也导致原有的配件保护装置无法正常使用。这是因为在分布式电源中变电设备的耐压和过电能力较弱，一旦发生故障所提供的电流水平较低，导致电力系统中原有的配电网继电设备的性能出现恶化，无法实现保护作用；二是配电网原本的网络拓扑结构发生变化，从而无法对配电设备进行灵活配置。这主要是因为分布式电源的接入使得原本的单端放射网络变为复杂的多电源网络，导致配电网无法灵活的对配电设备进行配置；三是通信通道的建设以及无线通信技术本身的特点制约着配电网的发展，这是因为我国目前电力系统所使用的无线通信技术是第4代通信技术，通信技术本身并不能满足配电网对数据传输的需求。因此本文结合5G通信技术，将其应用到电流差动保护业务之中，并将配电主站、差动保护装置、以及终端设备与5G技术进行有序串联，并构建了应用架构。

在配电网电流差动保护业务主要的应用场景是电力系统中的变电站，因此本文对其应用进行设计。本文在线路环网柜中安装了电流差动保护装置、5G通信模组以及测控装备，为了保证电流差动保护装置的稳定性，对配电终端的CT电流和零序电流进行采集，并根据采集到的数据结果计算出被保护电路实际的差动电流和制动电流。当电力系统出现故障时，线路环网柜中的电流插动保护装置会对线路中的电流进行检测，并根据保护逻辑作出相应的保护动作，从而实现对配电网的保护。

2.4 5G技术在配电网中的实际应用情况

目前我国许多电力企业已经开始将5G技术应用到配电网络之中，并进行试点验证。在电流差动保护方面，我国南方电力公司就与中国移动、华为公司在深圳进行了国内首个分布式配网差动保护测试，在实际测试过程中数据传输的时延在10ms以内，控制精度可以达到300ns。从上述实验数据可以看出，5G技术是能满足配电网电流差动保护的业务需求的。在智能化巡检方面，广东东莞供电公司和浙江电力有限公司基于5G技术开展了无人机智能巡检试点验证，在实际测试过程中，5G网络能为无人机提供精准的定位，在数据传输上也能为其提供大带宽、低时延的5G网络，无人机可以清晰的拍摄到设备及线路的外观，这有效的提升了巡检工作的效率。在同步测量方面，我国上海电力公司利用5G大带宽、低时延的特点对配电网的同步相量进行测量，在实际测试过程中，配电网主站的通信时延在10ms以内，通过这次试点验证再一次证明了5G网络的可靠性，在我国配电网中进行应用是完全可行的。

结语：配电网作为电力系统的一环，直接面对电力用户，其运行的平稳性直接关系到电力用户的用电体验。电流差动保护业务是配电网平稳运行的重要保障，但在业务实际开展的过程中，由于通信技术的限制实际保护的效果并不十分理想，对于配电网的智能化发展是十分不利的，但随着5G时代的到来，5G技术本身所具有的大带宽、低时延、高速率的技术优势，满足了配电网电流差动保护业务对无线通信网络的需求。