基于5G 通信的有源配电网线路差动保护实用化方案

濮宏飞，吴通华，2，3，姚 刚，2，洪 丰，2，郑小江，江 源

（1. 南瑞集团有限公司（国网电力科学研究院有限公司），江苏省南京市 211106；2. 智能电网保护和运行控制国家重点实验室，江苏省南京市 211106；3. 河海大学能源与电气学院，江苏省南京市 210098）

0 引言

近年来，配电网中分布式新能源的渗透率持续增加［1-2］。配电网供电结构呈现出多源特性，单端量保护难以适应，需引入差动保护以提高供电可靠性［3］。光纤和5G 通信技术均能满足线路差动保护在数据传输性能方面的要求，但5G 基站建设难度小、选址灵活，选择5G 通信作为保护通道将有助于配电网线路差动保护的推广［4-5］。

在5G 的超高可靠与低时延通信场景中，智能电网将获得更高的供电可靠性和更低的数据传输时延［6］。2020 年，中 国 已 有 部 分 城 市 开 始 了 独 立（standalone，SA）组网模式的建设，其他地区仍处于非独立（non-SA，NSA）组网模式。在NSA 组网模式下，5G 网络建设尚不完善，5G 终端间的通信时延较大。文献［7-8］对两种组网模式分别进行了测试，结果表明，SA 组网模式下的5G 通信端到端时延约为9 ms，可以满足配电网线路差动保护对通道时延的需求。利用5G 切片、边缘计算和核心网功能下沉等技术可有效降低5G 通信时延［9-10］。

相比传统光纤通道，5G 通信目前在作为线路差动保护的数据通道时，主要存在3 个问题：

1）5G 通信时延抖动幅度与其时隙配比大小正相关［11］。5G 网络传输时经常会发生一个中断收到多帧报文或连续多个中断收不到报文的情况，5G 时延抖动可达100 ms，使得传统电流差动保护出现数据丢包和错序的问题［12］。

2）受地表环境影响，5G 信号传输时会经历多次折反射，基于5G 通信的保护装置间的收发路由可能无法保持一致，使得基于乒乓对时的传统差动保护数据同步方式不再适用［3，11］。

3）在实时传输模式下，基于5G 通信的差动保护装置传输保护数据所需的数据流量大［13-15］。

传统电流差动保护在原理上要求保护装置间传输电流采样值或由傅里叶变换得到的电流相量，对保护数据的同步性及丢包率的要求高。若用5G 通信通道传输保护数据，传统电流差动保护原理的可靠性会大幅降低。相比于传统电流差动保护，基于动态时间弯曲（DTW）算法的差动保护对数据的同步性和丢包率的要求更低。对此，文献［16-20］从原理的角度出发，研究了基于DTW 算法的差动保护，并对其在多个场景下的保护性能进行了分析。文献［16］以数字采样环境下的变压器差动保护为背景，提出常规DTW 差动保护动作判据。文献［17］结合不同工况下高压直流输电换流变压器（简称换流变）内零序电流波形的特点，提出了换流变零序电流DTW 差动保护判据，增强了保护的抗复杂涌流性能。文献［18］采用DTW 算法计算交直流混联系统联络线两端电压的波形相似度，实现了对联络线区内外故障的判别。文献［19］用相电流突变量启动判据和常规DTW 动作判据构造了主动配电网的线路差动保护方案。文献［20］采用5G 通信作为保护通道，分析了常规DTW 差动保护在20～40 ms 数据窗下的保护性能。以上研究表明，基于DTW 算法的差动保护原理具有较好的抗同步误差和抗数据丢包性能，可用于应对5G 通信中的数据同步及丢包问题。

本文以常规DTW 差动保护原理为基础，针对5G 通信中的数据同步及丢包误码问题，提出两端及多点T 接线路差动保护判据，提高了保护的抗数据丢包性能，减小了保护的计算量和数据存储量，降低了对装置硬件性能的要求，增强了保护的实用性。针对5G 流量问题，提出基于动态响应传输模式的流量控制技术，在不影响保护速动性的前提下，实现了对5G 流量的控制，显著减少了5G 流量。最后，提出了基于5G 通信的有源配电网线路差动保护实用化方案，并研制了5G 差动保护装置。

1 DTW 差动保护实用判据

1.1 常规DTW 差动保护原理

常规DTW 差动保护是一种基于两端电流序列波形相似度［21］的保护原理，适用于两端线路。线路两端电流序列采样点间的欧氏距离示意图如图1所示。

图1 两端电流序列采样点间的欧氏距离Fig.1 Euclidean distance between sampling points of current sequences at both ends

线路两端电流序列Im和In的数据窗长度T0均为5 个采样点，按采样序号对齐两序列的各个采样点Ini、Imj，计算各点间的欧氏距离dij：

通 常 ，有 min {Di(j-1)，D(i-1)j，D(i-1)(j-1)}=D(i-1)(j-1)成立，又由于D11=d11，故DTW 算法正常时的计算路径为从d11到dT0T0的主对角线，如图2 所示。距离值DT0T0为两序列采样点间欧氏距离的累加和，表征了两序列的波形相似度，DT0T0越小，两序列越相似。

图2 DTW 算法计算路径Fig.2 Calculation path of DTW algorithm

设两端电流流向线路区内为正，取Im和-In计算DTW 差 动 量Dcd，取Im和In计 算DTW 制 动 量Dzd，则常规DTW 差动保护动作判据［16］为：

式中：Dop为阈值；K为制动系数，K∈[0.4，1]，本文K取0.5。

Dcd表 征 了Im和-In的 波 形 相 似 度，Dzd表 征 了Im和In的波形相似度。发生区外故障时，Im和-In波形基本相同，Dcd较小，Dzd较大。发生区内故障时，通常Dcd较大，Dzd较小。

若 令T0=1，则Dcd=|Im+In|，Dzd=|Im-In|，常规DTW 差动保护动作判据可改写为：

式（4）与传统电流差动保护在形式上相吻合，这说明DTW 差动保护反映的是各端电流序列在同一数据窗内所有采样点的总体特性。

DTW 算法计算dij的过程忽略了同序号采样点在绝对采样时刻上的差异，把时间同步误差Δt转化为幅值误差，并进一步通过式（2）中的最小值函数削弱这种误差带来的影响，使得常规DTW 差动保护在原理上就具有一定的抗同步误差特性。

1.2 多点T 接场景下的DTW 差动保护

对于多点T 接场景，设线路总端数为q，任意组合 各 端 电 流 为Imulti，i，i=1，2，…，q，把 电 流 分 为 两组，对每组组内的端电流进行累加，可以得到满足KCL 定律的两个目标序列I1和I2。

在把多端电流转化为I1和I2两个目标序列后，利用I1和I2可构造多点T 接线路DTW 差动保护动作判据：

式中：Dcd，multi和Dzd，multi分别为多端T 接线路DTW 差动量和制动量。

若I1和I2都是由多个端电流累加而成，则I1和I2的抗数据丢包性能会有明显提高，各端电流的同步误差对I1和I2造成的影响在求和后也会被削弱。

1.3 实用数据处理技术

为提高在两端及多点T 接线路中DTW 差动保护动作判据的实用性，需针对5G 通信中的数据丢包误码问题和短窗下DTW 波形振荡问题，研究实用数据处理技术。

1.3.1 应对数据丢包及误码问题的数据处理技术

图1 中n端的差动保护装置在做差动保护计算时需要m端的电流数据。在用5G 通信通道传输m端电流数据至n端的过程中，报文可能发生丢包或误码。若n端收到的报文采样序号不连续，存在某帧报文缺失，且在之后的连续多个中断内均未收到该帧报文，则判断该帧报文丢失；若收到的报文未通过循环冗余校验（CRC）码校验，则判断该帧报文误码。

设m端的采样数据Im3在传输到n端的过程中发生丢包或误码，则n端在做DTW 计算时，可能有如下不等式成立：

此时n端的DTW 算法计算路径会变为折线，如图2 中红色虚线所示，该路径与5G 通信传输正常时经过主对角线的情况相比，两序列相似度值D55变大。

为提高两序列的波形相似度，减小D55，在n端做DTW 计算时，可用前一个有效采样数据Im2代替Im3，记为I'm3，以应对数据丢包和误码的问题：

在引入式（7）的替代处理方法后，图1 中的d23缩短为d'23，D55变小，DTW 差动保护的抗数据丢包性能得到了进一步提升。在短窗下，与用零值替代Im3的方法［16］相比，替代处理方法在电流峰谷值附近所引入的DTW 计算误差更小，基本不影响保护的可靠性。与插值算法相比，替代处理方法所需的采样频率更低。另外，虽然DTW 算法可以计算数据窗长度T0不相等的两序列间的波形相似度，但由于多点T 接场景需要各端电流T0相等以便求和，引入替代处理方法可确保DTW 差动保护在多点T 接场景下的可靠性。

1.3.2 抑制短窗下DTW 波形振荡的数据处理技术

在交流系统中，常规DTW 差动保护的数据窗长度通常不短于一个工频周期［19-20］，保护的计算量和数据存储量较大。若选择小于20 ms 的短窗，则在电流过零点附近，dij较小，Dcd和Dzd较小；在电流峰谷值附近，dij较大，Dcd和Dzd较大。

记每周期采样点数为T，如图3 所示，此时故障电流峰谷值和过零点会间隔出现，前后相距约T/4，Dcd和Dzd波形的极大值和极小值也会间隔出现，前后也相距约T/4。记F=Dcd-KDzd，F为DTW 计算值，则短窗下F也会出现较大幅度的振荡，不利于阈值的整定。区外故障情况详见附录A 图A1。

图3 常规DTW 差动保护发生区内三相接地故障Fig.3 Conventional DTW differential protection with internal three-phase grounding fault

针对上述短窗下DTW 波形振荡的问题，提出了一种基于DTW 均值的短窗算法，即先选择电流极值与过零点附近相距ΔT个采样间隔的2 个采样点，ΔT约为T/8 到3T/8，求取两点处的Dcd和Dzd，分别计算两点处Dcd的平均值Dcd，mean和两点处Dzd的平均值Dzd，mean，并用Dcd，mean代替式（3）中的Dcd，用Dzd，mean代替Dzd，再进行保护计算。

Dcd，mean、Dzd，mean在k点的表达式为：

短窗算法减小了DTW 差动保护在短窗下的波形振荡幅度，为保护阈值的选取保留了较大裕度，提升了短窗下DTW 差动保护的可靠性。

与数据窗取工频周期相比，短窗下保护对dij矩阵的计算量从T2减小到了T20，对电流数据的存储量从6T减小到了6(T0+ΔT)。在多点T 接场景中，上述效果比较明显。

2 基于动态响应传输模式的流量控制技术

2.1 动态响应传输模式

保护装置间若采用光纤通信方式，彼此一般会实时收发包含当前采样点信息的报文。在5G 通信条件下，保护装置间如果仍按此实时传输模式收发采样数据，5G 流量的消耗量会很大。

为了控制5G 流量消耗，本文提出以下保护数据的动态响应传输模式：

1）保护未启动时，本端保护装置实时采集本端三相相电流，每隔100 ms 向其余各端发送1 帧心跳报文，以监视配电网线路及保护通道的状态。心跳报文的内容根据监视的需求而确定。

2）在保护启动后，由于计算每个Dcd和Dzd都需各端T0+ΔT个采样数据，为不影响保护的动作速度，利用5G 通信的大带宽特性，在各端保护装置间瞬时传输DTW 启动报文。DTW 启动报文中每相均须包含当前采样点及其之前的共计T0+ΔT个相电流数据。在收到其余端的DTW 启动报文后，各端保护装置可立即进行保护计算。

3）在DTW 启动报文传输结束后，各端保护装置间传输实时报文，实时收发保护数据，直至保护装置整组复归。实时报文内需包含当前采样点的三相相电流数据。

4）其他状态下，保护装置不对外发送保护数据。

2.2 带宽需求及流量控制效果分析

考虑到差动保护对数据传输实时性的高要求，5G 通信采用用户数据报协议（UDP）帧格式传输保护数据。在UDP 帧格式下，心跳报文和实时报文的帧长均为190 B 左右，DTW 启动报文的帧长约为250 B。取采样频率为1.2 kHz，为确保DTW 启动报文能在一个采样间隔0.833 ms 内传输完毕，5G 保护通道的带宽应不小于2.4 Mbit/s。由于5G 通信在承载继电保护业务时拥有50 Mbit/s 以上的带宽，所以5G 通信可以满足动态响应传输模式下保护对带宽的需求。

如表1 所示，若采用实时传输模式，两台保护装置间单向通信所需5G 月流量约为550 GB。而若采用本文的动态响应传输模式，流量主要由心跳报文产生，5G 月流量仅为5 GB 左右，不到实时传输模式的1%。

表1 2 种5G 通信传输模式对比结果Table 1 Comparison results of two kinds of 5G communication transmission modes

3 差动保护整体实现方案

基于5G 通信的有源配电网线路差动保护整体实现方案如图4 所示。

图4 基于5G 通信的有源配电网线路差动保护整体方案Fig.4 Overall scheme of line differential protection for active distribution network based on 5G communication

方案的具体流程如下：

1）线路正常运行时，各端保护均未启动，各端保护装置间每隔100 ms 相互发送心跳报文。

2）当本端基于相电流突变量或零负序分量的启动判据满足时，保护启动，本端立即向其余端发信并发送DTW 启动报文。然后，各端保护装置间传输实时报文，实时收发保护数据。

3）当本端基于相电流或零序电流的DTW 动作判据有F大于Dop成立，且本端收到其余端启动信号时，本端差动保护动作；否则，差动保护不动作。

4）在收到其余各端报文后，若本端装置检测出有个别报文丢失，或有个别报文CRC 码校验报错，则采用替代处理方法和浮动门槛应对。若短窗内发生丢包或误码的报文总数超过N，则短时闭锁差动保护。N的取值与采样频率和短窗长有关，本文N取3。

动态响应传输模式是一种故障后触发数据实时传输的通信模式，需分析该模式对保护速动性的影响。实际上，无论是传统电流差动保护，还是DTW差动保护，在构成完整的差动保护动作逻辑时，为防止电流互感器断线时保护误动等问题的发生，除需满足本侧差动保护动作方程外，都还需接收其余各侧的启动信号。

对于实时传输模式，各侧差动保护动作方程实时给出判定结果。若本侧动作方程满足的时刻ta1早于其余侧启动信号到达的时刻tb1，则差动保护依据时刻tb1来出口跳闸信号。若在其余侧启动信号到达时，本侧动作方程仍未满足，则差动保护依据时刻ta1来出口跳闸信号。

对于动态响应传输模式，对侧的DTW 启动报文和启动信号会同时到达本侧。若此时本侧的动作方程已经满足，则差动保护依据启动信号到达的时刻tb2来出口跳闸信号。若此时本侧的动作方程仍未满足，则差动保护依据动作方程满足的时刻ta2来出口跳闸信号。

由 于ta1与ta2、tb1与tb2分 别 相 同，在 故 障 条 件 相同时，动态响应传输模式下的保护动作速度与实时传输模式下的完全相同，动态响应传输模式不会影响保护的动作速度。

4 仿真验证

用PSCAD/EMTDC 搭建如图5 所示的双端供电多支路10 kV 配电网，采用小电流接地方式。

图5 配电网模型示意图Fig.5 Schematic diagram of distribution network model

m端 交 流 电 源 相 位 超 前h端30°，DG 为 分 布 式光伏发电，额定容量均为1 MV·A，负荷容量均为(0.8+j0.3)MV·A。节点n处馈出的多点T 接区段各端线路长1.5 km，其余配线长3 km，正序阻抗z1=(0.1+j0.28)Ω/km，零 序 阻 抗z0=(0.24+j1.1)Ω/km。

在图5 所示配电网中，线路mn两端均为系统电源，对于多点T 接区段，一端为系统电源，一端为DG 或负荷。现以上述两个区段为例，分别对改进后基于相电流和零序电流的DTW 差动保护动作判据在图5 中不同故障位置处发生三相接地短路、两相接地短路、两相短路、单相接地短路和单相经10 Ω过渡电阻接地短路共5 种故障进行仿真。仿真采用4 kHz 采样频率，短窗长T0及算法间隔ΔT均为3T/16，ΔT=T0=3T/16。

4.1 两端线路场景的仿真分析

两端线路场景下，设置m端发生丢包，n端数据落后m端0 或3 ms。仿真结果见表2 和附录B。

表2 两端线路场景下的仿真结果Table 2 Simulation results in scenario with two-end line

5G 通信下保护数据的丢包率约为0.005%［12］，短窗内有2 个及以上采样点丢失为极端情况。与短窗内发生分散性丢包相比，连续性丢包下替代处理所引入的误差更大，故仿真考虑了连续多点丢包的情况。仿真结果表明，当采样频率为4 kHz，短窗长T0及算法间隔ΔT均为3T/16 时，若对端电流发生连续3 点丢包，且两端电流存在3 ms 同步误差，保护仍能可靠识别故障。

4.2 多点T 接场景的仿真分析

多点T 接场景下，设置DG 端发生丢包，系统端数据落后其余各端0 或3 ms，且I1=ITn+ITDG，I2=ITload1+ITload2。仿真结果见表3 和附录C。

表3 多点T 接场景下的仿真结果Table 3 Simulation results in scenario with multi-node T-connection

仿真结果表明，在多点T 接场景下，若I1和I2均由多个端电流累加而成，则改进后的DTW 差动保护可适应个别端电流存在同步误差或数据丢包的情况，与两端线路场景相比，其抗同步误差性能和抗数据丢包性能会更好，动作速度会更快。

5 装置研制与测试

为验证所提方案的有效性，研制了5G 差动保护装置，并在5G NSA 组网模式、单基站环境下进行测试。5G 网络平均端到端时延约为12 ms，时延抖动约为±4 ms。装置采样频率为1.2 kHz。基于相电流的DTW 差动保护实用判据的测试结果如表4和表5 所示。通过设置丢包发生在电流极值点和过零点附近，可得发生区外故障时最大的DTW 计算值F。5G 差动保护装置及5G 客户终端设备详见附录D 图D1，部分录波详见附录D 图D2。

表4 窗长及间隔均为T/8 时的测试结果Table 4 Test results when window length and interval are both T/8

表5 窗长及间隔均为T/4 时的测试结果Table 5 Test results when window length and interval are both T/4

测试结果表明，在测试条件下，若对端电流发生连续3 点丢包且两端电流存在3 ms 同步误差，所提方案仍能可靠识别区内外故障。

6 结语

选择5G 通信作为保护通道将有助于配电网线路差动保护的推广。本文以DTW 差动保护和基于动态响应传输模式的流量控制技术为基础，提出了基于5G 通信的有源配电网线路差动保护的整体实用化解决方案。该方案提高了保护的抗数据丢包性能，减小了保护的计算量和存储量，降低了对装置硬件性能的要求，显著减少了5G 流量，为5G 通信技术应用于有源配电网线路差动保护提供了一种实用化的思路。所研制的5G 差动保护装置已在工程中应用。

目前基于5G 通信的继电保护终端设备主要通过公网传输保护数据，保护数据的同步需要外部时钟。为提高继电保护业务在5G 网络环境下的安全性和可靠性，后续将进一步在5G 通信信息安全和不依赖外部时钟的数据同步技术等方面展开研究。

附录见本刊网络版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），扫英文摘要后二维码可以阅读网络全文。