配电网5G通信电流差动保护技术

陈晓川

（广东电网汕头供电局，广东 汕头 515041）

1 配电网5G差动保护原理和同步方式

在运行过程中，为了保证配电线网的稳定性，配电网差动保护装置需要交换线路两端的电气量信息，以实现实时传输和同步操作，因此对传输通道在信息的传输速度（通道的传输速率大于或等于0.25 Mbit/s）、传输延时（延时小于或等于20 ms）和信息的可行性（通道误码率小于0.001‰）方面都有严格的要求，以往的载波、微波和光纤等传输通道均存在同步性差的问题[1-4]。与4G通信网络相比，5G通信网络具有“三高一低”的显著特点（三高即高速率、高可靠和高容量，一低即低延时），可以适应高速率的增强型移动宽带场景、超低延时业务应用场景以及海量机器类通信场景。5G通信网络特有的网络切片功能能够提供配电网特定网络能力和网络特性的逻辑网络，涵盖切片构架、切片选择以及切片漫游，实现端到端的隔离性，使网络资源利用率最大化以及数据收发延时保持一致，因此5G通信网络在配电网差动保护的数据同步上具有良好的适应性，能够为配电网系统信息的传输提供稳定、安全且保密的无线通信环境[5-6]。

根据目前配电网多端多源的结构形式、故障电流特性以及差动保护的实用性，考虑采用全电流差动保护作为电流保护判断依据，全电流差动保护的原理如公式（1）、公式（2）所示。

式中：Krel为差动保护装置的振动系数；Im和In分别为配电网线路两端各相的电流量；Iset1为不平衡故障电流阈值。

基于5G通信网络的电流差动保护同步方式认为配电线路在发生电流故障后，电磁波在线路上的传播速率接近光速，可以认为在线路两端保护装置采样率一致的情况下，两者测试得到的故障电流突变时间是同一时刻的电流，因此可以采用同步算法计算两端保护装置采集到的电流最大相位差，如公式（3）所示[7]。

式中：θi，max为两端保护装置采集到的电流最大相位差；θ1，max为自同步算法误差；θ2，max为受配电网系统影响参数的两端电流相位差；θCT，max为电流测量误差；θp，max为电流计算误差。

2 开发配电网5G通信电流差动保护终端

配电网5G差动保护终端的开发包括终端硬件设计、终端软件开发和网路协议。如图1所示，终端硬件设计包括4个模块，分别是CPU模块、AI模块、DI/DO模块和通信接口。CPU模块选择高性价比的BF-536处理芯片，能够满足实时采集海量电流、电压数据的需求，对设计好的硬件进行封装，并配备可触屏的显示屏，屏幕界面中有设备的运行状态、电源状态、故障特征和位置的提示功能，便于用户操作。

图1 配网5G通信电流差动保护硬件开发

在现有的5G通信网络协议中，为了适应远距离、跨路由的数据传播，避免经过网络路由转发，增强数据传输的时效性，一般采用TCP或者UDP协议进行终端与控制中心的通信。在配电网系统中，在确保电流差点保护的同步通信方面，TCP协议和UDP协议之间存在各自的优、缺点，TCP协议在实时性通信前需要提前建立连接，可以进行可靠传输，通信机制为串行传输，能够实现一对一数据传输，传输范围支持跨路由传输，而UDP协议则不需要提前建立连接就可以实现实时通信，通信机制为并行传输，可以进行一对多传输，支持跨路由传输。综合分析后可知，配电网5G通信电流差动保护通信协议采用TCP协议更合理[8]。

在故障电流的作用下，5G通信电流差动保护动作的软件逻辑思路如图2所示。

图2 配网5G通信电流差动保护软件设计

3 配电网5G通信电流差动保护仿真测试和现场试验

为了验证配电网5G通信电流差动保护的时效性和可靠性，基于物理平台的RTDS实时数值软件环境搭建配电网仿真模型，整体设计为双侧电源闭环结构，对配电网中的故障突变电流进行测试。在5G S2B专网切片中进行5G数据通信，针对3种配电网故障（单相接地、两相短路和三相短路），测试当两端的保护装置单端启动和双端启动时配电网5G通信电流差动保护的动作时间，结果如图3所示。

由图3可知，随着采样点的增加，当配电网5G通信电流差动保护装置采用双端启动时，其动作时间出现不同程度的波动，动作时间的极大值为41.94 ms，极小值为37.05 ms，平均值为39.35 ms。当配电网5G通信电流差动保护装置采用单端启动时，其动作时间也出现不同程度的波动，但是总体上动作时间比双端启动时晚（延迟约10 ms），动作时间的极大值为53.93 ms，极小值为45.02 ms，平均值为49.38 ms。

图3 不同启动方式配电网5G通信电流差动保护的动作时间

为了进一步验证配电网5G通信电流差动保护在户外环境下的工作状态，在广东省汕头市某配电区域进行现场数据采集，分别研究在单基站通信和跨基站（2个基站，基站间距为2.8 km）通信的5G通信电流保护装置的数据传输来回延时，测试结果如图4所示。由图4可知，随着采样点增加，当配电网5G通信电流差动保护装置采用单基站通信传输时，其来回延时出现不同程度的波动，来回延时的极大值为21.99 ms，极小值为17.28 ms，平均值为19.79 ms，来回延时抖动不超过5.00 ms。当配电网5G通信电流差动保护装置采用跨基站通信传输时，其来回延时也出现不同程度的波动，但是总体的来回延时平均值比单基站通信传输时略大，来回延时的极大值为21.98 ms，极小值为17.28 ms，平均值为20.12 ms，来回延时抖动不超过5.00 ms。结果表明，采用跨基站的传输方式对配电网5G通信数据的传输速率的改善效果可以忽略不计。

图4 不同传输方式通信来回延时曲线

在现场试验中，配电网5G通信数据采用公网数据传输和采用切片内数据传输时的来回延时测试结果如图5所示。由图5可知，随着采样点的增加，当配电网5G通信电流差动保护装置采用公网数据通信传输时，其来回延时出现不同程度的波动，来回延时的极大值为49.96 ms，极小值为39.26ms，平均值为43.66 ms。当配电网5G通信电流差动保护装置采用切片内数据通信传输时，其来回延时也出现不同程度的波动，但是总体的来回延时平均值比采用公网数据传输延时的平均值小，来回延时的极大值为20.96 ms，极小值为16.07 ms，平均值为18.93 ms。结果表明，与采用公网数据的传输方式相比，采用切片内数传输方式为配电网5G通信数据提供专用的传输通道。

图5 公网数据传输延时和切片内数据传输延时对比

4 结语

该文以广东省汕头市某城乡结合部为研究对象，在分析配电网5G通信差动保护原理和同步方式的基础上，对差动保护终端进行开发，采用仿真模拟和现场实测的手段对启动方式、传输基站数量和传输方式进行研究，得到以下3个结论：1） 随着采样点的增加，配电网5G通信电流差动保护装置采用双端启动和单端启动，其动作时间均出现不同程度的波动，与双端启动相比，单端启动动作时间延迟约10 ms。2） 随着采样点的增加，配电网5G通信电流差动保护装置采用单基站和跨基站通信传输，其来回延时均出现不同程度的波动，单基站来回延时的平均值为19.79 ms，跨基站来回延时的平均值为20.12 ms，来回延时抖动不超过5.00 ms。结果表明，采用跨基站的传输方式对配电网5G通信数据的传输速率的改善效果可以忽略不计。3） 与采用公网数据的传输方式相比，采用切片内数的传输方式为配电网5G通信数据提供了专用的传输通道。