(南京國電南自電網(wǎng)自動化有限公司,南京 211153)
隨著高滲透率有源配電網(wǎng)建設的推進,傳統(tǒng)配電網(wǎng)的三段式保護已很難滿足保護的靈敏性與選擇性要求,而電流差動縱聯(lián)保護則顯示出其適應性[1-2]。差動保護高度依賴兩端數(shù)據(jù)的同步且有較大的數(shù)據(jù)量交互,傳統(tǒng)的差動保護以光纖作為通信通道,然而隨著配電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大,光纖通道的敷設難度與代價日益增大。近年來,無線通信技術更新迭代、發(fā)展迅速,尤其是5G 通信網(wǎng)絡具有高可靠、低時延和高帶寬等優(yōu)點[3],將其應用于配電網(wǎng)的差動保護數(shù)據(jù)傳輸,為配電網(wǎng)建設提供了新的發(fā)展方向。
目前,5G 通信商用剛起步,將5G 應用于配電網(wǎng)差動保護數(shù)據(jù)傳輸尚處于嘗試階段。G.Wikstr?m等人[4]采用5G 通信實現(xiàn)配電網(wǎng)線路差動保護;呂玉祥、王常玲等人[5-6]對5G 通信實現(xiàn)配電網(wǎng)線路差動保護等場景進行了應用方案研究與探索。而針對消除5G 通信中時延抖動對差動保護數(shù)據(jù)同步帶來的影響,黃福全等人[7]提出了動態(tài)時間規(guī)劃算法,但該方法計算量大且涉及到保護判據(jù)修改,工程應用難度較大;王廷凰等人[8]提出利用同一時鐘B 碼信號獲得數(shù)據(jù)同步的方法,但該方法依賴同步時鐘源信號,在特殊條件下系統(tǒng)將無法工作。因此,5G 通信在配電網(wǎng)差動保護應用中如何消除時延抖動、實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步還需繼續(xù)深入研究。
本文分析了5G 通信相關參數(shù)對于配電網(wǎng)差動保護的適用性,根據(jù)簡單配電網(wǎng)模型分析了如何獲得數(shù)據(jù)傳輸時延的計算,提出了一種基于5G 傳輸?shù)呐潆娋W(wǎng)差動保護數(shù)據(jù)同步方法,結合傳統(tǒng)的插值方法與序號同步方法,利用接收的數(shù)據(jù)通過模型推導出時延進行插值,獲得新的序號排列從而完成數(shù)據(jù)同步。通過試驗驗證了所提數(shù)據(jù)同步方法的有效性。
傳輸時延將影響到差動保護的速動性與可靠性,傳輸時延過大則很難滿足保護出口的時間要求[9-12]。在電力行業(yè)相關規(guī)范中,一般要求配電網(wǎng)的保護動作出口時間在60 ms 內(nèi)??紤]到裝置內(nèi)數(shù)據(jù)處理與繼電器出口等時延,則通信時延要求在30 ms 以內(nèi)。而對于差動保護通信的可靠性要求與傳統(tǒng)光纖傳輸一致[13-16]。通信流量按照交流每個周期取24 個采樣點,每幀報文長度100 Byte計算,則至少需要帶寬960 kB/s,考慮通信帶寬裕度以及冗余發(fā)送需求,則需要帶寬2 MB/s 以上。
通過與中興公司合作,開展了5G 端到端通信的相關測試,基于中興提供的CPE(用戶駐地設備)完成了裝置組網(wǎng)測試,測試結果如表1 所示。盡管平均時延在15 ms 左右,但時延抖動較大,有近20%超過60 ms 的情況,對于配電網(wǎng)差動保護數(shù)據(jù)同步而言是個巨大挑戰(zhàn)。在進行專用網(wǎng)絡切片與邊緣計算等網(wǎng)絡優(yōu)化后,能夠獲得更好的傳輸性能,傳輸時延抖動能夠控制在20 ms 以內(nèi),這也為本文的數(shù)據(jù)同步方法提供了可能。
表1 性能測試結果
智能配電網(wǎng)按控制方式可分為就地型與集中型。以集中型為例,如圖1 所示,DTU(配電網(wǎng)終端設備)完成對開關設備的位置信號、電壓電流等數(shù)據(jù)的采集與計算,通過5G 終端模塊CPE 與主站之間建立5G 通信聯(lián)系,完成數(shù)據(jù)上傳與命令執(zhí)行。主站需存儲網(wǎng)絡的全部拓撲信息,獲取所有節(jié)點信息后,由主站進行數(shù)據(jù)處理、故障識別與命令發(fā)送。
圖1 配電網(wǎng)拓撲
圖1 中,M 段、N 段在正常運行時,可由π型等值電路或Bergeron 線路模型描述;當線路中有故障發(fā)生時,則其故障網(wǎng)絡模型如圖2 所示。
圖2 區(qū)內(nèi)故障網(wǎng)絡模型
圖2 中:Uf為故障分量虛擬電源;IM1,IN1分別為保護區(qū)段M 端、N 端電流的故障分量;逆變類DG(分布式電源)等值為電流源與阻抗并聯(lián)的電路;ZM為故障點到母線間線路的阻抗;ZN為故障點到分布式電源的等值阻抗。
當線路未發(fā)生故障時,對于圖1 中的M 段、N 段,由Bergeron 頻域模型知,若線路中M,N兩點間沒有其他分支回路,則可由其中一點的電壓電流計算出另一點的電壓電流。考察M 點和N點的電壓電流關系可知:
式中:UM和IM分別為線路首端M 點的電壓和電流;UN2和IN2分別為計算得到的N 點的電壓和電流;L0為線路長度;Zc和γ 分別為線路的波阻抗和傳播系數(shù),并有:
式中:R,L 和C 分別為線路單位長度的電阻、電感和電容;ω 為工頻角頻率。
在數(shù)據(jù)同步情況下,根據(jù)式(1)計算得到的N 點電壓、電流應與N 點測得的電壓、電流相同;如果兩側數(shù)據(jù)不同步,N 點數(shù)據(jù)超前M 點,則有:
利用線路M 側的電壓、電流計算得到N 側的電壓、電流,并與N 側的電壓、電流測量值進行比較,如采用電流差動保護,則有IN/IN2=ejωΔt,即可利用式(3)得到兩側數(shù)據(jù)的時間差Δt。
基于配電網(wǎng)模型計算獲得數(shù)據(jù)傳輸時延后,DTU 具有高精度守時功能,即使外部B 碼源消失也能夠保持相當長時間的精度,獲得等間隔采樣數(shù)據(jù)。由于差動保護兩端采用相同的采樣節(jié)拍,數(shù)據(jù)時間間隔相對固定,利用計算得到傳輸時延,插值重新獲得同步序列后,以序列號作為兩端數(shù)據(jù)同步參考。具體實施步驟如圖3 所示。
步驟1:主站獲取配電網(wǎng)網(wǎng)絡的基本參數(shù)信息,建立配電網(wǎng)拓撲模型。
步驟2:DTU 獲取配電網(wǎng)線路的實時量測參數(shù)。
步驟3:差動保護兩側裝置通過5G 終端CPE 發(fā)送采樣值信息。
步驟4:主站接收到數(shù)據(jù)后,依據(jù)步驟1 建立的配電網(wǎng)數(shù)學模型,利用接收數(shù)據(jù)推導出描述差動保護另一側電流值的計算值。
步驟5:數(shù)據(jù)接收側計算本側電流數(shù)據(jù)與計算值的時間差,通過插值方式對本側采樣值數(shù)據(jù)進行處理,完成兩側采樣值報文的同步與序列匹配。
圖3 數(shù)據(jù)同步流程
步驟6:獲得序列匹配后,根據(jù)序列完成后續(xù)采樣值數(shù)據(jù)的同步,進行差動保護動作。
步驟7:故障發(fā)生后或線路兩側保護裝置重啟后,返回步驟2 重新獲得同步序列。
圖4 所示為數(shù)據(jù)同步的過程示意,以M 側作為數(shù)據(jù)計算側、N 側作為數(shù)據(jù)對比側,當M 側的采樣值報文序列號x 通過5G 傳輸?shù)街髡緯r,中間由于5G 傳輸已延遲了t1,此時到達N 側的采樣值報文序號在y+2 與y+3 之間;M 側報文到達后,主站根據(jù)配電網(wǎng)模型計算出x 報文采樣值對應的N 側計算值,獲得與N 側實時采樣值的時間差,并根據(jù)該時間差對N 側數(shù)據(jù)向前插值獲得新的對應同步序列。此后,雖然5G 通道傳輸時延t2,t3不相等,但是依然可以依靠其對應的序列值x+1,x+2 找到N 側插值同步后的序列采樣點1 和2。但主站建立的配電網(wǎng)模型僅在線路故障未發(fā)生時有效,當線路發(fā)生故障或裝置重啟后需要重新同步。
圖4 數(shù)據(jù)同步的過程示意
為考證所提數(shù)據(jù)同步方法及實現(xiàn)方案的可行性,基于某單位最新研制的低壓保護終端平臺,開發(fā)了基于5G 通信數(shù)據(jù)同步方法的電流差動保護樣機,對裝置組網(wǎng)后的5G 通信能力、數(shù)據(jù)同步能力和保護性能進行了綜合測試(見圖5)。試驗沿用保護裝置原有的保護算法,僅改變數(shù)據(jù)傳輸通道,由主站模擬發(fā)送交流采樣報文,DTU 收到正確校驗的采樣值報文后,計算獲得通信時延。
圖5 試驗場景
試驗中,配電網(wǎng)輸電線路總長度L0=20 km;輸電線路電氣參數(shù)R=0.105 Ω/km,L=1.258 mH/km,C=0.28 mF/km,ω=100π。
采樣值報文按照24 點/交流周期的頻率發(fā)送,統(tǒng)計1 s 時間DTU 收到的報文計算時延,結果如圖6 所示。
試驗結果顯示:區(qū)域自組網(wǎng)基于5G 通信技術的差動保護通信時延小于18 ms,誤碼率優(yōu)于10-8,綜合性能基本達到現(xiàn)有移動通信最高水平,完全滿足差動保護技術要求,測試結果與理論分析基本吻合??紤]到試驗裝置保護出口時間小于30 ms,在主站差動保護啟動后,配電網(wǎng)線路兩端保護跳閘時間小于50 ms,最大程度地減少了故障停電范圍和停電時間,進一步提高了配電網(wǎng)運行可靠性。
圖6 報文時延計算值
本文介紹了一種基于5G 通信技術的配電網(wǎng)差動保護數(shù)據(jù)同步方法。首先結合5G 通信的技術指標分析了其可行性,接著分析了如何根據(jù)建立的配電網(wǎng)模型計算數(shù)據(jù)相位時間差,并給出了所提方法的具體同步過程。所提方法結合了插值同步方法與序號同步方法的特點,可以有效避開5G 傳輸?shù)耐ǖ罆r延抖動,不依賴同步源,當兩側數(shù)據(jù)同步在一個交流周期內(nèi)的誤差條件下時,系統(tǒng)依然可以正常工作。試驗結果表明,該方法可以有效實現(xiàn)配電網(wǎng)在5G 通信下的數(shù)據(jù)同步。