（南京國電南自電網(wǎng)自動(dòng)化有限公司，南京 211153）

0 引言

隨著高滲透率有源配電網(wǎng)建設(shè)的推進(jìn)，傳統(tǒng)配電網(wǎng)的三段式保護(hù)已很難滿足保護(hù)的靈敏性與選擇性要求，而電流差動(dòng)縱聯(lián)保護(hù)則顯示出其適應(yīng)性[1-2]。差動(dòng)保護(hù)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(dòng)保護(hù)以光纖作為通信通道，然而隨著配電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，光纖通道的敷設(shè)難度與代價(jià)日益增大。近年來，無線通信技術(shù)更新迭代、發(fā)展迅速，尤其是5G 通信網(wǎng)絡(luò)具有高可靠、低時(shí)延和高帶寬等優(yōu)點(diǎn)[3]，將其應(yīng)用于配電網(wǎng)的差動(dòng)保護(hù)數(shù)據(jù)傳輸，為配電網(wǎng)建設(shè)提供了新的發(fā)展方向。

目前，5G 通信商用剛起步，將5G 應(yīng)用于配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)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(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)線路差動(dòng)保護(hù)；呂玉祥、王常玲等人[5-6]對(duì)5G 通信實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)線路差動(dòng)保護(hù)等場景進(jìn)行了應(yīng)用方案研究與探索。而針對(duì)消除5G 通信中時(shí)延抖動(dòng)對(duì)差動(dòng)保護(hù)數(shù)據(jù)同步帶來的影響，黃福全等人[7]提出了動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)劃算法，但該方法計(jì)算量大且涉及到保護(hù)判據(jù)修改，工程應(yīng)用難度較大；王廷凰等人[8]提出利用同一時(shí)鐘B 碼信號(hào)獲得數(shù)據(jù)同步的方法，但該方法依賴同步時(shí)鐘源信號(hào)，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(dòng)保護(hù)應(yīng)用中如何消除時(shí)延抖動(dòng)、實(shí)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(guān)參數(shù)對(duì)于配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)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(shí)延的計(jì)算，提出了一種基于5G 傳輸?shù)呐潆娋W(wǎng)差動(dòng)保護(hù)數(shù)據(jù)同步方法，結(jié)合傳統(tǒng)的插值方法與序號(hào)同步方法，利用接收的數(shù)據(jù)通過模型推導(dǎo)出時(shí)延進(jìn)行插值，獲得新的序號(hào)排列從而完成數(shù)據(jù)同步。通過試驗(yàn)驗(yàn)證了所提數(shù)據(jù)同步方法的有效性。

1 5G 通信的應(yīng)用

1.1 配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)通信性能指標(biāo)

傳輸時(shí)延將影響到差動(dòng)保護(hù)的速動(dòng)性與可靠性，傳輸時(shí)延過大則很難滿足保護(hù)出口的時(shí)間要求[9-12]。在電力行業(yè)相關(guān)規(guī)范中，一般要求配電網(wǎng)的保護(hù)動(dòng)作出口時(shí)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(shí)延，則通信時(shí)延要求在30 ms 以內(nèi)。而對(duì)于差動(dòng)保護(hù)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(gè)周期取24 個(gè)采樣點(diǎn)，每幀報(bào)文長度100 Byte計(jì)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。

1.2 5G 通信性能測試

通過與中興公司合作，開展了5G 端到端通信的相關(guān)測試，基于中興提供的CPE（用戶駐地設(shè)備）完成了裝置組網(wǎng)測試，測試結(jié)果如表1 所示。盡管平均時(shí)延在15 ms 左右，但時(shí)延抖動(dòng)較大，有近20%超過60 ms 的情況，對(duì)于配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)數(shù)據(jù)同步而言是個(gè)巨大挑戰(zhàn)。在進(jìn)行專用網(wǎng)絡(luò)切片與邊緣計(jì)算等網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化后，能夠獲得更好的傳輸性能，傳輸時(shí)延抖動(dòng)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(jié)果

2 配電網(wǎng)數(shù)據(jù)分析

2.1 配電網(wǎng)拓?fù)渑c模型分析

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(shè)備）完成對(duì)開關(guān)設(shè)備的位置信號(hào)、電壓電流等數(shù)據(jù)的采集與計(jì)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(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的全部拓?fù)湫畔?，獲取所有節(jié)點(diǎn)信息后，由主站進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、故障識(shí)別與命令發(fā)送。

圖1 配電網(wǎng)拓?fù)?/p>

圖1 中，M 段、N 段在正常運(yùn)行時(shí)，可由π型等值電路或Bergeron 線路模型描述；當(dāng)線路中有故障發(fā)生時(shí)，則其故障網(wǎng)絡(luò)模型如圖2 所示。

圖2 區(qū)內(nèi)故障網(wǎng)絡(luò)模型

圖2 中：Uf為故障分量虛擬電源；IM1，IN1分別為保護(hù)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(diǎn)到母線間線路的阻抗；ZN為故障點(diǎn)到分布式電源的等值阻抗。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延計(jì)算

當(dāng)線路未發(fā)生故障時(shí)，對(duì)于圖1 中的M 段、N 段，由Bergeron 頻域模型知，若線路中M，N兩點(diǎn)間沒有其他分支回路，則可由其中一點(diǎn)的電壓電流計(jì)算出另一點(diǎn)的電壓電流?？疾霱 點(diǎn)和N點(diǎn)的電壓電流關(guān)系可知：

式中：UM和IM分別為線路首端M 點(diǎn)的電壓和電流；UN2和IN2分別為計(jì)算得到的N 點(diǎn)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(jì)算得到的N 點(diǎn)電壓、電流應(yīng)與N 點(diǎn)測得的電壓、電流相同；如果兩側(cè)數(shù)據(jù)不同步，N 點(diǎn)數(shù)據(jù)超前M 點(diǎn)，則有：

利用線路M 側(cè)的電壓、電流計(jì)算得到N 側(cè)的電壓、電流，并與N 側(cè)的電壓、電流測量值進(jìn)行比較，如采用電流差動(dòng)保護(hù)，則有IN/IN2=ejωΔt，即可利用式（3）得到兩側(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間差Δt。

3 差動(dòng)保護(hù)數(shù)據(jù)同步方法

3.1 實(shí)施步驟

基于配電網(wǎng)模型計(jì)算獲得數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延后，DTU 具有高精度守時(shí)功能，即使外部B 碼源消失也能夠保持相當(dāng)長時(shí)間的精度，獲得等間隔采樣數(shù)據(jù)。由于差動(dòng)保護(hù)兩端采用相同的采樣節(jié)拍，數(shù)據(jù)時(shí)間間隔相對(duì)固定，利用計(jì)算得到傳輸時(shí)延，插值重新獲得同步序列后，以序列號(hào)作為兩端數(shù)據(jù)同步參考。具體實(shí)施步驟如圖3 所示。

步驟1：主站獲取配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的基本參數(shù)信息，建立配電網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ汀?/p>

步驟2：DTU 獲取配電網(wǎng)線路的實(shí)時(shí)量測參數(shù)。

步驟3：差動(dòng)保護(hù)兩側(cè)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(xué)模型，利用接收數(shù)據(jù)推導(dǎo)出描述差動(dòng)保護(hù)另一側(cè)電流值的計(jì)算值。

步驟5：數(shù)據(jù)接收側(cè)計(jì)算本側(cè)電流數(shù)據(jù)與計(jì)算值的時(shí)間差，通過插值方式對(duì)本側(cè)采樣值數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，完成兩側(cè)采樣值報(bào)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(jìn)行差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。

步驟7：故障發(fā)生后或線路兩側(cè)保護(hù)裝置重啟后，返回步驟2 重新獲得同步序列。

3.2 數(shù)據(jù)處理流程

圖4 所示為數(shù)據(jù)同步的過程示意，以M 側(cè)作為數(shù)據(jù)計(jì)算側(cè)、N 側(cè)作為數(shù)據(jù)對(duì)比側(cè)，當(dāng)M 側(cè)的采樣值報(bào)文序列號(hào)x 通過5G 傳輸?shù)街髡緯r(shí)，中間由于5G 傳輸已延遲了t1，此時(shí)到達(dá)N 側(cè)的采樣值報(bào)文序號(hào)在y+2 與y+3 之間；M 側(cè)報(bào)文到達(dá)后，主站根據(jù)配電網(wǎng)模型計(jì)算出x 報(bào)文采樣值對(duì)應(yīng)的N 側(cè)計(jì)算值，獲得與N 側(cè)實(shí)時(shí)采樣值的時(shí)間差，并根據(jù)該時(shí)間差對(duì)N 側(cè)數(shù)據(jù)向前插值獲得新的對(duì)應(yīng)同步序列。此后，雖然5G 通道傳輸時(shí)延t2，t3不相等，但是依然可以依靠其對(duì)應(yīng)的序列值x+1，x+2 找到N 側(cè)插值同步后的序列采樣點(diǎn)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(shí)有效，當(dāng)線路發(fā)生故障或裝置重啟后需要重新同步。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

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(shí)現(xiàn)方案的可行性，基于某單位最新研制的低壓保護(hù)終端平臺(tái)，開發(fā)了基于5G 通信數(shù)據(jù)同步方法的電流差動(dòng)保護(hù)樣機(jī)，對(duì)裝置組網(wǎng)后的5G 通信能力、數(shù)據(jù)同步能力和保護(hù)性能進(jìn)行了綜合測試（見圖5）。試驗(yàn)沿用保護(hù)裝置原有的保護(hù)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(bào)文，DTU 收到正確校驗(yàn)的采樣值報(bào)文后，計(jì)算獲得通信時(shí)延。

圖5 試驗(yàn)場景

試驗(yàn)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(bào)文按照24 點(diǎn)/交流周期的頻率發(fā)送，統(tǒng)計(jì)1 s 時(shí)間DTU 收到的報(bào)文計(jì)算時(shí)延，結(jié)果如圖6 所示。

試驗(yàn)結(jié)果顯示：區(qū)域自組網(wǎng)基于5G 通信技術(shù)的差動(dòng)保護(hù)通信時(shí)延小于18 ms，誤碼率優(yōu)于10-8，綜合性能基本達(dá)到現(xiàn)有移動(dòng)通信最高水平，完全滿足差動(dòng)保護(hù)技術(shù)要求，測試結(jié)果與理論分析基本吻合。考慮到試驗(yàn)裝置保護(hù)出口時(shí)間小于30 ms，在主站差動(dòng)保護(hù)啟動(dòng)后，配電網(wǎng)線路兩端保護(hù)跳閘時(shí)間小于50 ms，最大程度地減少了故障停電范圍和停電時(shí)間，進(jìn)一步提高了配電網(wǎng)運(yùn)行可靠性。

圖6 報(bào)文時(shí)延計(jì)算值

5 結(jié)語

本文介紹了一種基于5G 通信技術(shù)的配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)數(shù)據(jù)同步方法。首先結(jié)合5G 通信的技術(shù)指標(biāo)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(jì)算數(shù)據(jù)相位時(shí)間差，并給出了所提方法的具體同步過程。所提方法結(jié)合了插值同步方法與序號(hào)同步方法的特點(diǎn)，可以有效避開5G 傳輸?shù)耐ǖ罆r(shí)延抖動(dòng)，不依賴同步源，當(dāng)兩側(cè)數(shù)據(jù)同步在一個(gè)交流周期內(nèi)的誤差條件下時(shí)，系統(tǒng)依然可以正常工作。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可以有效實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)在5G 通信下的數(shù)據(jù)同步。