5G在配电网继电保护中的应用

王丹

摘 要：随着时代的不断发展与进步，技术的不断提高，人们物质生活越来越好，然而5G也被广泛的应用。因此，基于继电保护通信性能要求，从报文格式、带宽需求、传输延时、通信架构、安全性和数据同步技术等方面探讨了5G通信在继电保护中应用的可行性。进一步地，明确基于5G通信的纵联保护在配电系统中应用的优越性和在中高压电力系统中应用时基于网络结构和转发协议的优化方向。最后，针对误码、丢帧、通信中断、延时异常、授时异常等异常情况，提出了基于5G通信的纵联保护的保护策略，为5G通信技术在电力系统继电保护领域的工程应用提供参考。

关键词：5G;配电网;继电保护;应用

引言

全球通信正处于4G向5G的迭代过程中，相比4G及以前的通信系统，5G业务扩展至三大场景，即增强型移动宽带（eMBB）、大连接物联网（mMTC）和低时延、高可靠通信（uRLLC），业务需求发生重大变化，更快的速率、更低的时延及海量连接，不仅对个人生活产生深远的影响，同时给社会发展带来了变革，驱动新的应用场景及新的业务形态，正在创造“万物互联”的新时代。在配电网继电保护发展进程中，传统通信方式难以满足配电网继电保护发展需求，迫切需要构建安全可信、接入灵活、双向实时互动的“泛在化、全覆盖”电力通信网络，并采用先进、可靠、稳定、高效的新兴通信技术及系统予以支撑，从简单的业务需求被动满足逐步向业务需求主动引领而转变，实现配电网继电保护业务接入、承载、安全及端到端的自主管控。5G作为目前先进的通信技术手段，以其大带宽、低时延、高可靠、广连接、泛在网等诸多优势，可以在许多场景逐步替代有线网络的部署，尤其是5G的切片技术，可以为电网提供虚拟的专网服务，大大降低信息传输过程中出现的延迟和丢包，满足电网生产中实时监测、实时控制等业务需求。5G配电网继电保护的应用推广，以高安全、高可靠的无线网替代传统电力通信网，可以大大降低电力行业光缆建设成本，实现降本增效。

1 5G在继电保护中的应用前景

从电力信息通信技术现状可以看出，电力系统有线通信信道存在敷设困难、故障定位困难以及长距离通信可靠性不足的缺点，而现有无线通信信道虽然没有有线信道的缺点，但是存在信道延时较高、带宽不足和可靠性低等缺点。与现有4G无线专网相比，5G无线通信技术使用一系列先进技术，如大规模多天线通信技术、空-时-频3维信道建模技术、低密度奇偶校验码和极化码技术、同时同频全双工技术、新型多址技术以及基于云的无线接入网架结构技术等，保证了高带宽、低延时、低功耗、高密度连接和高可靠性等业务目标的实现，其与现有的4G无线专网通信性能。5G网络各方面性能明显优于4G无线专网，因而在電力信息通信方面具有更广阔的应用前景。光纤通信网络在建设时，存在建设成本高、长距离通信需设中继站等缺点，但建成后，其通信特性优良。因此在存量光纤网络范围内，无需采用5G网络进行替换，而在光纤骨干网络未覆盖到的范围，可考虑采用5G通信方式，提高通信网络建设的经济性。继电保护信息通信在电力信息通信安全中属于生产控制I区，其可靠性要求为99.999%，延时要求为实时控制（毫秒级），授时精度要求为10μs。5G通信的性能指标已达到继电保护领域的通信要求，可应用于继电保护通信技术领域，降低通信通道的建设成本，提升通信可靠性。

2 5G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。

3 5G在配电网继电保护中的应用

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。本期专题“5G在配电网继电保护中的应用”共录用了5篇文章。《5G技术在配电网继电保护中的实践和验证》描绘了5G增强型移动宽带（eMBB）、大连接物联网（mMTC）和低时延、高可靠通信（uRLLC）三大应用场景，重点介绍了网络切片、边缘计算等关键技术，部署了适应智能配电网需求的5G专网，对差动保护、无人机线路巡检、三遥、视频监控等应用场景进行了测试，验证了5G技术用于智能配电网核心应用的可行性。《基于5G通信的城市配电网分布式纵联保护策略研究》总结了城市电网单电源、含分布式电源、闭环运行3种典型场景的故障特性，建议分别采用适配于不同场景的闭锁式、幅值比较式、电流差动等纵联保护方案，并给出了各方案对通信协议、通信速率、通信时延以及数据同步方面的具体要求。《5G通信条件下的线路差动保护优化策略研究》在保护装置内部设置了适当长度的采样数据缓存区，仅在装置启动后发送数据报文以节省流量;设置重传机制以应对误码或丢包;对乱序报文重新排序。实验室数据分析以及现场工程实际应用验证了优化策略的可行性及有效性。《基于5G的配电网差动保护与CPE接口技术研究》建议配电网终端（distributionterminalunit，DTU）差动业务端口与三遥业务端口相互独立;DTU将差动保护采样值报文（samplevalue，SV）的应用协议数据单元（applicationprotocoldataunit，APDU）进行封装，由UDP/IP协议提供可路由功能，DTU不经外部协议转换装置直接与客户终端设备（customerpremiseequipment，CPE）通信，DTU接入CPE专用IRIG-B对时端口以实现带时标同步差动保护方案。试运行结果验证了该技术方案的先进性，达到了预期效果。《配电网保护通信时延需求约束的5G通信切片接入优化研究》建立了5G通信接入时延的数学模型，以时延最小化为优化目标函数，采用拉格朗日乘数法和分支定界法求解最大化利用通信信道资源的5G切片选择。仿真结果表明，应用本优化算法之后，通信时延缩短同时抖动减少，基于动态时间规整算法（dynamictimewarping，DTW）的保护动作时延缩短了约200ms。

结语

5G技术凭借大带宽、低时延、高可靠等特性，完美适配电网继电保护的需求，有广阔的推广空间。目前，5G将渗透到电网日常工作中，在发电、输电、变电、配电、用电等环节中解决实际生产的痛点;预计到2022年，全国范围内将会有千万个以上的5G电力终端投入使用，电力行业升级投资规模将达到百亿元以上。5G技术助力电力网络调度更高效、巡检工作更便捷、故障恢复更快速，将大大改善企业和居民用电体验，5G配电网继电保护将带来极大的社会效益和经济效益。

参考文献

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