5 G冗余双通道通信技术在配电网差动保护中的应用研究

2022-11-10李文猛仇勇李朗

宁夏电力 2022年4期

李文猛，仇勇，李朗

（国网电力科学研究院有限公司，江苏南京 211106）

0 引言

电流差动保护技术因其具有良好的选择性与速动性而被广泛应用于输电线路主保护，将电流差动保护应用于配电网线路保护，能够提高配电网处理多端线路故障的能力，同时也能解决配电网继电保护选择性低等问题。传统的线路电流差动保护主要依靠电力光纤专网承载，而目前大多数配电网线路尚未铺设光纤，以致电流差动保护技术在配电网中尚未被大规模应用。

无线通信技术的出现为电流差动保护业务的数据交互提供了新的通道。相较于传统无线网络，5G无线通信技术因其大带宽、低时延的技术特点而能够满足差异化的业务需求。差动保护装置通过客户终端设备（customer premise equipment，CPE）接入5G无线网络，进而取代电力光纤专网作为通信介质的基本路线已经得到验证[1]。目前对于5G无线网络承载差动保护业务的安全性也进行了相关研究[2]。针对差动保护装置以及差动电流数据的时间同步，有利用5G基站进行高精度授时的研究[3]，也有不利用外部时间源进行对时的同步技术研究[4]。现阶段的5G商用网络存在如丢包率高，传输带宽、时延及抖动受环境因素影响较大等问题，因此，设计一种新型5G冗余双通道通信技术方案，同时使用两家运营商（运营商A和运营商B）的5G无线网络替代电力光纤专网来承载配电网电流差动保护业务，并在江苏某市综合能源服务中心对该方案进行了试验验证。试验项目包括业务可靠性测试及5G无线网络性能测试，最后对测试结果进行了比对分析。该方案为基于5G无线网络承载配电网差动保护业务的研究提供了新的思路。

1 5G无线网络差动保护应用分析

1.1 光纤电流差动保护

电流差动保护基本原理主要依据基尔霍夫电流定律：流向一个节点的电流之和为零[5]。基于光纤通道的电流差动保护能够实现多端线路的差动保护。以最简单的两端线路为例，位于线路两侧的保护装置只需将采集到的电流数据发送给对侧装置，对侧装置经过数据同步处理后，即可用于差动保护计算。光纤通道的延时主要通过乒乓法原理测得[6]。电力光纤专网能够满足应用乒乓法原理的基础条件为光纤通道时延稳定和光纤通道上下行时延一致。典型的光纤差动保护装置之间采用光纤直连的方式进行数据交互，并采用高级数据链路控制协议作为通信协议。该协议是面向比特流的同步链路层传输协议，具有传输透明、高效、可靠性高等优点[7-8]。

1.2 5G无线网络差动保护

高级数据链路控制协议作为链路层传输协议不能直接通过5G无线网络设备传输。IEC 61850-9-2标准作为另一个采样值传输标准在智能变电站被广泛采用。保护装置之间可通过IEC61850-9-2标准收发SV报文，实时交互采样值信息，理论上差动保护装置也可通过该标准来实现线路差动保护。2012年发布的IEC 61850-90-5标准中对SV和GOOSE协议重新进行了定义，使其可以用UDP多播的方式实现路由功能。标准将可路由的SV协议定义为R-SV，将可路由的GOOSE协议定义为R-GOOSE[9]。

5G无线网络技术被应用于配电网差动保护需要将差动保护装置通过5G CPE接入到无线网络中，并采用R-SV报文进行采样数据交互以实现差动保护。采用5G无线网络替代光纤直连后，差动保护装置无法继续通过乒乓法原理进行时间同步，只能通过R-SV报文中的时间戳来实现插值同步，这就要求保护装置具有一致的绝对时标，因此必须采取可靠的对时方式[10]。

1.3 5G无线网络差动保护安全性分析

利用5G无线公网承载配电网差动保护业务，面临着被恶意攻击的风险，而配电网本身也存在数据泄露的风险。基于5G无线网络的配电网差动保护业务可能面临的潜藏风险主要包括终端安全性问题、接入网安全性问题以及核心网安全性问题。终端安全性问题主要有设备及硬件威胁、操作系统威胁及业务应用威胁等。接入网安全性问题主要有空口信道威胁、接入与认证威胁及空口密钥泄露等。核心网安全性问题主要有核心网非授权访问、终端侧对核心网攻击、网络功能服务的非授权或越权访问及能力开放安全威胁等。

采用5G无线网络作为传输通道替代光纤专网之后，数据传输的平均时延、抖动以及丢包率等网络性能指标均有所下降，5G无线空口的介入也会引发配电网安全性问题。这些问题会对保护动作时间及系统稳定性造成影响，也制约5G无线网络承载差动保护业务的进一步推广。

2 5G冗余双通道设计及测试方案

在有线通信和无线通信系统中，冗余系统通常是对整体系统中的一些关键部件或功能进行重复的配置，以提高整套系统的安全性和可靠性。当其中一套系统发生故障时，冗余系统作为热备系统，能够保证整体系统的连续稳定运行。

5G冗余双通道设计及测试组网如图1所示，2台差动保护装置分别被布置在江苏某市综合能源服务中心的两间配电室内，每台差动保护装置同时连接在两家运营商的两台CPE上。差动保护装置通过不同的CPE接入到两家运营商的5G基站。5G无线网络均为SA组网，由于两家运营商采用了相同的组网结构，图1中只展示一套5G无线网络组网结构。

图1 5G差动保护组网

针对5G无线网络差动保护安全性问题，方案中采用了国内主流安全加密设备厂商的新型纵向加密认证网关对5G无线信道进行加密认证，以保证差动保护业务数据传输的安全性。该纵向加密认证网关通常部署在电力监控系统的内部局域网与电力调度数据网络的路由器之间，用于安全区的广域网边界保护，可为本地安全区提供一个网络屏障，同时为上下级控制系统之间的广域网通信提供认证与加密服务，实现数据传输的机密性和完整性保护。本文采用新型百兆纵向认证网关接入无线网络，加密网络如图2所示。

图2 加密5G无线网络

3 继电保护功能及网络性能测试

为验证5G冗余双通道通信技术承载配电网差动保护业务的可行性，以及纵向加密认证网关对网络系统性能的影响，测试了5G单通道、5G冗余双通道分别在加密和非加密条件下差动保护动作成功率以及5G无线网络性能。

3.1 差动保护动作成功率

分别布置两套继电保护测试仪在两个配电室内，继电保护测试仪通过北斗卫星导航系统（Beidou navigation satellite system，BDS）进行时间同步，测试仪输出模拟量的时间准确度优于1 μs，能够保证输出信号的时间准确性。通过两套继电保护测试仪分别在两台差动保护装置二次侧注入不平衡电流，试验次数均为1 000次，观察差动保护装置是否动作。测试结果如表1所示。

表1 差动保护动作成功率

3.2 5G无线网络性能

两家运营商搭建的5G无线网络架构相同，但是提供的信道资源却有所差异。运营商A核心网为差动保护专线分配了100 Mb/s的带宽，而运营商B核心网则为差动保护专线分配了210 Mb/s的带宽。分别将两套网络性能测试仪连接到图2中两台Vxlan设备的千兆以太网端口上，并向对端发送数据流量，数据流从测试仪1发往测试仪2为上行数据链路，数据流从测试仪2发往测试仪1为下行数据链路，数据包大小分别设置1 400 B、128 B，测试时长设置为180 s。在测得网络最大带宽结果后，再分别测试无线网络在重载（最大带宽80%负载流量）和轻载（最大带宽20%负载流量）两种工况下的无线信道时延，数据包大小同样分别设置为1400 B和128 B，测试时长设置为180 s。网络性能测试仪通过BDS进行时间同步，两台网络性能测试仪之间的时间差小于1 μs能够保证信道时延测试的准确性。5G无线网络性能测试结果如表2所示。

表2 5G无线网络性能

4 测试结果分析

试验结果表明5G冗余双通道通信技术可以实现配电网差动保护。差动保护动作成功率测试结果显示，当采用5G单通道承载差动保护业务时，两家运营商在加密及非加密情况下，动作成功率均未达到100 %，而冗余双通道的动作成功率均达到100%。保护动作失败通常由强干扰引起。CPE及5G室分基站所在的配电房内存在较强电场，会产生射频电磁场辐射，而导线周围常伴有工频电场及工频磁场，当有开关进行开合时，也会引起脉冲磁场。这些干扰都会影响5G无线信道，造成信道拥塞、传输时延陡增等现象。当采用冗余双通道方案时，由于不同运营商的5G无线网络设备工作在不同频段，频段间隔约为900 MHz，而配电房内不存在宽带的强干扰信号，因此当其中一个频点受到干扰时，冗余通道的另外一个频点能够正常工作，确保差动保护动作正常执行。

5G无线网络性能测试方面，在非加密的网络环境下，大字节（1400 B）流量测试均能够达到两家运营商为差动保护业务预留的吞吐量最大带宽，而小字节（128 B）流量测试因为数据帧帧头等其他开销的原因，导致带宽测试结果只有40 Mb/s，但仍然远远大于差动保护业务所需的最大带宽。无线网络时延测试在轻载工况下的时延（平均值、最大值和最小值）要稍微小于重载时的时延，但时延差距不大。运营商B网络的时延结果在平均值和最大值方面要优于运营商A网络，但最小值比运营商A网络稍大。

在加密的网络环境下，由于系统中引入了百兆纵向认证网关，因此网络最大带宽将受限于加密认证网关的数据处理能力。在加密网络环境中，运营商预留的带宽资源无法被充分利用，但测试结果表明在经过加密认证网关之后，带宽仍能满足差动保护业务所需的最大带宽。

常规的继电保护动作时间通常要求在100 ms以内，而常规继电保护的单向时延往往要求不大于20 ms。从时延测试结果可以看出，运营商A网络在加密及非加密状态下的时延结果接近，但运营商B网络的时延结果在加密情况下要大于非加密的情况。总体来说，时延测试结果除运营商B在重载工况下的平均时延保持在40 ms左右以外，其他测试工况的时延平均值基本都能够满足差动保护业务通道单向时延优于20 ms的技术要求。但是受配电房内电磁干扰等其他不确定因素的影响，时延测试的最大值波动很大（时延最大值达到秒级）。当出现偶发性强干扰的情况时，将导致无线信道带宽变窄，时延抖动变大，甚至CPE掉线等情况，严重影响差动保护业务的可靠性。因此采用5G无线通信技术承载配电网差动保护业务时，需要对无线环境进行干扰监测并且不断提高无线设备的抗干扰能力，未来仍需要在终端、基站、承载网等层面进行性能改进和优化。