基于5G 切片网络的配电网差动保护研究*

郑利斌，陈文彬，甄 岩，高 建，李大鹏，苑佳楠

（北京智芯微电子科技有限公司，北京 102246）

0 引言

随着产业技术的发展和人们生活质量的提高，社会对于供用电的可靠性也有了更高的要求，因此需要确保配电网的运行安全，缩短故障停电时间。电力物联网建设通过广泛接入和全面感知实现电网末端配用电设备的实时可靠控制，最终实现能源生产和消费的信息互通共享。其中，无线网络在电力物联网中具有不可或缺的地位，5G 应用场景与电力物联网发展高度契合，并在基站、通信网络等方面具有先天资源优势，有力支撑配电网的深入发展[1-3]。

目前配电网的差动保护业务对通信时延要求苛刻，要求保护装置之间实时快速通信，之前只有光纤能够满足这种高要求，导致配网差动保护终端之间的通信高度依赖光纤，而光纤敷设难度大、成本高，且点多面广、布局分散，还具有一定限制性。此外，光纤无法精准运用差动保护技术，线路故障隔离存在盲点，且无法满足日益增多的接入需求，不利于差动保护在配电网的推广应用[4,5]。包括4G 在内的传统的无线网络通信无法满足电网控制类业务安全隔离和差异化网络需求，配电网差动保护业务的通信通道难题因而成为电力通信网的关键痛点之一。

文献[6]提出了基于4G 无线通信的自适应分布式差动保护系统，它利用电力无线专网技术，实现配电自动化终端与主站通信，同时结合IEEE 1588协议保证时钟同步，但其中的保护精度及响应特性还需进一步验证。文献[7]利用直流线路故障暂态特性，提出基于直流线路两端的电流和、差计算相关系数，构造判据特征量的方法，但此方法未系统分析通信方式和两端电流同步变化成分。文献[8]研究了一种基于动态时间规划的电流差动保护判据计算方法，但是由于此算法需要对大量路径及这些路径中的所有节点进行匹配计算，计算量极大，导致计算时间过长，在一定程度上影响动作时间。此外，已有公网无线通信技术及电力无线专网通信技术存在带宽小、时延高、稳定性不足等问题，使无线通信技术难以适用于实际配电网生产控制业务。

因此，针对如何发挥5G 低时延、大连接特性的问题，本文研究适用于配电网的5G 网络切片技术，提出基于边缘计算的区域相关系数算法，并以分布式数据传输单元（Data Transfer Unit，DTU）为依托，提出公共单元网络架构，构建低时延、同步的5G 通道，实现DTU 公共单元间的故障信息联动与边缘计算快速处理，为配电网更为精准、更为智能化地故障定位和隔离恢复提供支撑。

1 配电网5G 切片技术

1.1 切片原型系统

5G 技术作为4G 技术的演进，它利用超高频段、新型多天线、同时同频全双工、终端直通技术（Device to Device，D2D）、密集网络及新型网络架构实现超低时延、超高带宽、海量接入的通信网络，主要定义了增强型移动宽带、海量物联网通信以及超高可靠与低时延通信3 大应用场景。

电力物联网的配用电环节相关业务种类多，如配电自动化、用电信息采集、施工作业管控等电力业务的应用场景各不相同，对通信网络的带宽、时延及安全性的要求也各有差异。结合应用场景，引入网络切片技术，在同一个物理基础网络上划分多个互相隔离的虚拟网络，通过网络虚拟化技术，将网络中的各类物理资源抽象成虚拟资源，并基于指定的网络功能和特定的接入网技术，按需构建端到端的逻辑网络，提供一种或多种网络服务[9]。

面对多样化场景的极端差异化性能需求，5G很难像以往一样以某种单一技术为基础形成针对所有场景的解决方案。此外，当前无线技术创新也呈现多元化发展趋势，除了新型多址技术，超密集组网、新型网络架构等也被认为是5G 的主要技术方向，均能够在5G主要技术场景中发挥关键作用[10,11]。针对电力物联网多样化、需求差异化的特征，设计的网络切片总体架构如图1 所示。该架构基于基础设施网络，通过顶层的编排及业务支撑系统来进行切片的部署和统一管理，结合端到端切片管理架构、质量保证技术和资源调度技术，实现各域子切片管理技术的协同，以及切片需求指标的分解、回馈、更新及测量等功能，构建不同的业务网络切片。在总体架构中，一个端到端服务化网络切片包含满足特定服务需求所需要的网络功能微服务模块及相关资源，并基于网络功能虚拟化技术实现切片配置、切片管理等应用。

图1 面向电力物联网的5G 切片总体架构

1.2 时间同步技术

无线网络场景下的时间同步是电力物联网终端控制与协同工作的必要条件。常见的信号同步方法主要有基于数据通道的同步方法和基于全球定位系统同步时钟的同步方法。其中，基于数据通道的同步方法包括采样时刻调整法、采样数据修正法和时钟校正法，其中，采样时刻调整法应用较多。基于全球定位系统同步时钟的同步方法则采用全球定位系统（Global Positioning System，GPS）进行时钟同步。

本文将电力系统中所有设备、用户的信息和数据全时空连接，实现数据上下贯通。时间同步机制和流程如图2 所示。其中基站之间的高精度时间同步的基础是精准时间协议（Precision Time Protocol，PTP）的报文同步与同步时间戳交互[12,13]。而针对终端之间的时间同步是本文关注的重点，关系到终端之间差动保护的可靠性和稳定性，本文采用时间偏差时间同步校准方法。

图2 时间同步流程

如图2 所示，时间同步流程中，基站发送给终端的第一下行消息（Cell-specific Reference Signal，CRS）时间单元的起始时刻为T1，终端设备接收下行消息的起始时刻为T2，终端设备发送给基站的第一上行消息（Sounding Reference Signal，SRS）时间单元的起始时刻为T3，基站接收终端发送的时间单元的时刻为T4。

T2与T1的关系式为：

式中：tDL为第一下行消息的时延；t0为终端时间与基站时间的时间偏差。

以第一下行消息为例，基站给终端设备发送第一下行信息，并将基站发送给终端的第一下行消息的时间单元的起始时刻T1发送给终端设备，终端对下行消息进行解码，从中获取基站发送给终端的第一下行消息的时间单元的起始时刻T1，并记录接收所述第一下行消息的时间单元的起始时刻T2。

终端设备发送给基站的第一上行消息的时间单元的起始时刻T3与基站接收终端发送的第一上行消息的时间单元的起始时刻T4的关系公式为：

式中：tUL为第一上行消息的时延。

理论上第一上行消息时延与第一下行消息时延相等，即tUL=tDL。

根据上述4 个时刻计算终端设备与基站间的时间偏差：

第一下行消息为参考信号CRS 或其他同步信号，第一上行消息为探测参考信号SRS 或其他同步信号。根据所得终端时间与基站时间的时间偏差t0，对终端设备时间进行调整，完成基站与终端设备之间的一次时间同步。

2 自适应相关系数算法

相关系数是用来反映变量之间相关程度的统计指标，在配电保护环节体现出测量点之间的采集数据差异。先对原来各组变量进行主成分分析，得到新的线性关系的综合指标，再通过综合指标之间的线性相关系数来研究原各组变量间的相关关系。以两变量与各自平均值的离差为基础，按积差方法计算，并与两个离差平方相乘的开方值对比反映两变量之间的相关程度[14,15]。

给定两个长度相同的序列X和Y，两者长度均为n，这两个序列分别为X={x1,x2,…,xn},Y={y1,y2,…,yn}。设序列A与B的相关系数为S，其计算方式为：

表1 相关系数与保护策略的对应关系

需要进一步指出的是，相关系数接近于1 的程度与数据组数n相关，当n较小时，相关系数的波动较大，对有些样本相关系数的绝对值易接近于1；当n较大时，相关系数的绝对值容易偏小，特别是当n=2 时，相关系数的绝对值总为1。因此在样本容量n较小时，仅凭相关系数较大就判定变量x与y之间有密切的线性关系是不妥当的。在剔除差异极大的离群点后，经过n次（n足够大，1 000 点以上）有效计算后，可更加平稳准确地预测保护启动策略，避免因为采集、通信过程中的数据误报引起的差动保护误操作。

3 实验验证与结果分析

3.1 分布式DTU 差动保护安装部署结构

DTU 公共单元通过过程层交换机5G-CPE 接入5G 网络，实现端到端差动通信，并基于时间偏差时间同步校准方法提高时钟同步精度。间隔单元就地完成电气和线损测量，并将故障数据上报至公共单元，由公共单元计算差动电流，判断故障情况，实现环网单元母线故障、主干线故障的选择性快速动作，完成就地决策并与主站通信。差动保护安装部署结构如图3 所示。

图3 分布式DTU 安装部署结构

分布式DTU 安装部署结构中，在分布式DTU范围内，公共单元与间隔单元1 ∶N连接，通过本地有线网保持通信，间隔单元发起差动保护故障信息共享。公共单元与公共单元间，通过5G 通信差动联动，实现故障信息的交互与共享。公共单元与配电主站间，通过原光纤或5G 远程通信模块保持通信，上报相关业务信息和数据。

3.2 时延分析

针对控制保护业务对时延的要求，通过公共单元的4G、5G通信方式，进行端到端通信的时延测试，其中5G 测试中，将非独立网络和本文的切片独立网络方式进行对比。时延测试数据如图4 所示。

图4 端到端时延测试数据

通过基于5G 的差动保护业务场景测试，得到端到端时延测试数据，5G 电力切片通信时延由4G的接近分钟级缩短到毫秒级。在网络延时稳定可控的情况下，由于独立网络和非独立网络之间切换，等同于异系统切换，增加的切换时延约70 ms，所以5G 非独立网络测试端到端时延平均为105.42 ms，最大210 ms。而采用独立切片网络，5G 网络独立于4G 网络，5G 与4G 仅在核心网级互通，互联简单，经过测试可以得到，测试时延90%控制在15 ms 以内，95%控制在20 ms 以内，可以更好地满足配电网业务在及时、可靠、灵活上的要求，同时5G 核心网及承载网切片隔离，满足为电网建设虚拟专网、定制化隔离的需求。

3.3 系统保护响应分析

基于本文的5G 切片独立组网及自适应相关系数算法，研究验证基于该方法的差动保护响应时间及响应可靠性。由于信号采集或传输导致电气信号误差，在短时间内达到保护的启动值，设定此刻的差动计算响应输入值为1，在开关保护延时后系统进行保护动作。模拟验证响应的输入值如表2 所示。

表2 差动计算响应输入值参数设定

将表2 的输入值作为分布式DTU 差动保护系统的原始激励，对比传统时延方式的控制策略与本文的电气参数相关系数方式下，系统保护动作的运行状态情况如图5 所示。

图5 保护状态响应

从图中可以看出，传统控制策略在有保护激励的情况下，线路开关发生响应动作，激励结束后，系统启动重合闸，线路恢复。而基于自适应相关系数算法的统计学特点，其分析的是两组数据的相关性，避免了单一数据或局部数据误差引起的误操作，防止系统发生抖动影响供电的稳定性，该方法只有在60分钟后，输入参数出现连续差动保护启动信号，才输出保护动作。本文方法兼顾信号稳定性和系统响应速度，实现故障隔离保护。

4 结语

配电网业务是电力物联网的重要环节，线路区段或设备应具备故障判断及精准定位功能，快速隔离故障区段或设备。本文针对差动保护业务的数据通道瓶颈，研究了配电设备差动保护系统架构，提出了适用于配电网业务的5G 切片网络原型，构建了以分布式DTU 的公共单元为节点、多DTU 联动的快速响应系统。此外，基于公共单元的边缘计算能力，提出自适应相关系数算法，通过统计数据的动态调节完成电气参数的分析对比，避免了误差数据的干扰引起的误动作，提高了系统的稳定性。

基于5G 通信技术的差动保护，有助于解决光纤通信保护盲点和海量接入的问题，提高配电网故障定位和精准隔离的时效性和准确性，提升配电物联网的智能化水平。下一步研究可探索建立适应配电网差动保护业务的实际多节点交互协作方案，提升配电终端智能自治能力。