張路 張良武 譚金龍 王暢 高興

摘 要：差動(dòng)保護(hù)具有良好的可靠性、選擇性和速動(dòng)性，但差動(dòng)保護(hù)在配電網(wǎng)中仍未被廣泛使用。5G通信技術(shù)的發(fā)展，給以往需要光纖通信的電力系統(tǒng)差動(dòng)保護(hù)設(shè)計(jì)提供了新的思路。鑒于此，研究了5G客戶終端設(shè)備的通信時(shí)延，分析了5G技術(shù)下設(shè)備的對時(shí)同步能力，針對5G技術(shù)目前的缺點(diǎn)提出了優(yōu)化措施，得到了滿足5G通信條件的配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)設(shè)計(jì)所需達(dá)到的要求。

關(guān)鍵詞：5G通信;CPE設(shè)備;對時(shí)同步;配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)

0??? 引言

隨著新能源并網(wǎng)占比的持續(xù)增加和系統(tǒng)中固態(tài)變壓器等設(shè)備的大量使用，原有保護(hù)配置方案及整定原則受到了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)：和傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)組不同的是，分布式電源的故障特征由故障期間的控制策略決定，其故障電流水平低，持續(xù)提供故障電流能力弱，導(dǎo)致原有配電網(wǎng)三段式電流保護(hù)整定原則不可用[1]。靈活分布式電源接入導(dǎo)致配電網(wǎng)從單端放射式網(wǎng)絡(luò)演變?yōu)槎嚯娫淳W(wǎng)絡(luò)，原有的配電網(wǎng)保護(hù)配置方案不能有效適應(yīng)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的變化，配電網(wǎng)迫切需要以電流差動(dòng)保護(hù)這類具有絕對選擇性的快速性保護(hù)方案替代傳統(tǒng)三段式電流保護(hù)[2]。

文獻(xiàn)[3]基于TD-LTE技術(shù)提出了電力無線專網(wǎng)遠(yuǎn)程通信架構(gòu)，可承擔(dān)配電自動(dòng)化、配電監(jiān)測終端、電力用戶信息采集及視頻監(jiān)控等業(yè)務(wù)。文獻(xiàn)[4]提出了一種基于4G無線通信的自適應(yīng)分布式差動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的故障定位和隔離。文獻(xiàn)[5]指出5G對于配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)具有良好的適配性，可以成為配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)新的數(shù)據(jù)通道。鑒于目前的技術(shù)達(dá)不到配電網(wǎng)快速保護(hù)的要求，本文采用了時(shí)延更低、帶寬更高的5G無線通信技術(shù)，能有效推動(dòng)無線差動(dòng)保護(hù)在配電網(wǎng)中的應(yīng)用。

1??? 5G通信技術(shù)的特點(diǎn)

5G是一種全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，能提供10 Gb/s以上的帶寬、毫秒級時(shí)延及超高密度連接，多角度、全方位提升了通信網(wǎng)性能。國際電信聯(lián)盟（International Telecommunication Union，ITU）依據(jù)5G通信特點(diǎn)為其定義了三大場景：增強(qiáng)移動(dòng)帶寬（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）、超高可靠低時(shí)延通信（Ultra-reliable and Low-Latency Communications，uRLLC）、大規(guī)模機(jī)器類通信（Massive Machine Type Com-

munication，mMTC）。相對應(yīng)ITU的三大場景，IMT2020提出了網(wǎng)絡(luò)連接方面的連續(xù)廣域覆蓋、熱點(diǎn)高容量、低時(shí)延高可靠和低功耗這四類場景。

對于配電自動(dòng)化，時(shí)延的要求小于10 ms，文獻(xiàn)[6]指出，基于4G通信的差動(dòng)保護(hù)不同終端間的端到端時(shí)延達(dá)100 ms，這一延時(shí)影響了電流差動(dòng)保護(hù)的實(shí)際性能。5G通信的應(yīng)用場景uRLLC克服了穩(wěn)定性方面的缺陷，傳輸可靠性達(dá)99.999%，5G通信空中接口時(shí)延1 ms，端到端時(shí)延約10 ms，為配電網(wǎng)電流差動(dòng)保護(hù)的配置提供了一種很有效的方法。從全業(yè)務(wù)通信網(wǎng)的研究聚焦至電力物聯(lián)網(wǎng)的配用電環(huán)節(jié)通信業(yè)務(wù)，5G通信所具備的上述特性可以在配電通信網(wǎng)“最后一公里”的通信覆蓋工作中發(fā)揮獨(dú)特優(yōu)勢?？蓪?G的eMBB、uRLLC和mMTC不同切片技術(shù)與各類業(yè)務(wù)分別對應(yīng)適用，這表明5G網(wǎng)絡(luò)能夠在智能電網(wǎng)通信網(wǎng)建設(shè)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。電力物聯(lián)網(wǎng)中通信業(yè)務(wù)的典型場景及對應(yīng)各項(xiàng)需求如表1所示。

2??? 配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)實(shí)現(xiàn)的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)

2.1??? 配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)數(shù)據(jù)同步研究

基于KCL比較線路兩側(cè)電流的大小，差動(dòng)保護(hù)是線路保護(hù)中選擇性、靈敏性、速動(dòng)性比較高的一種主保護(hù)。差動(dòng)保護(hù)對于兩側(cè)的數(shù)據(jù)要求很高，否則電流采樣會產(chǎn)生誤差，導(dǎo)致誤動(dòng)作，因此差動(dòng)保護(hù)的核心問題是數(shù)據(jù)同步。目前，數(shù)據(jù)同步方法有采樣數(shù)據(jù)修正法、采樣時(shí)刻調(diào)整法、采樣時(shí)鐘校準(zhǔn)法、采樣序號調(diào)整法、外部同步信號法、基于參考向量同步法、基于故障信號同步法等。

采樣數(shù)據(jù)修正法由于需要對每一幀數(shù)據(jù)都進(jìn)行時(shí)間扭轉(zhuǎn)修正，需測量通道延時(shí)，而5G通信的延遲并不穩(wěn)定精確，因此該方法不能滿足5G條件下差動(dòng)保護(hù)的要求。采樣時(shí)刻調(diào)整法要求通信通道雙向延時(shí)一致，5G網(wǎng)絡(luò)采用的是非對等傳輸?shù)姆绞剑瑹o法滿足要求。采樣時(shí)鐘校準(zhǔn)法和采樣時(shí)刻調(diào)整法類似，現(xiàn)有的5G非對稱網(wǎng)絡(luò)無法滿足要求。

外部同步信號法是利用外部GPS設(shè)備或其他設(shè)備輸入的同步脈沖進(jìn)行同步的方法[7]，該方法滿足采樣的要求，但外部時(shí)鐘故障導(dǎo)致兩側(cè)保護(hù)采樣數(shù)據(jù)失步，則差動(dòng)保護(hù)可能誤動(dòng)。

基于參考向量同步法，在線路較長且線路模型不精確的情況下，存在一定的同步精度誤差。由于輸電線路參數(shù)變化及電氣量測量存在誤差，參考矢量進(jìn)行同步對時(shí)的精度可能存在不穩(wěn)定性，但可以將參考矢量作為一個(gè)輔助同步的算法。

由上述分析可知，對于基于外部信號的同步方法，其精度主要取決于外部時(shí)鐘的性能而非通信信道的狀態(tài)。由于配電網(wǎng)對保護(hù)可靠性的要求低于輸電網(wǎng)，加上外部時(shí)鐘設(shè)備的發(fā)展，基于外部信號的同步方法可以作為配電網(wǎng)電流差動(dòng)保護(hù)采樣同步的主要方法。另外，如果進(jìn)一步考慮保護(hù)的可靠性，可以采用基于參考電壓和故障信號的同步方法作為實(shí)現(xiàn)保護(hù)采樣同步的輔助方法。

2.2??? 網(wǎng)絡(luò)通信延時(shí)研究

網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的研究也是決定基于5G的配電網(wǎng)差動(dòng)是否切實(shí)可行的關(guān)鍵因素：較大延時(shí)決定接收端需要更大的緩存保存對側(cè)的數(shù)據(jù)，同時(shí)也會影響差動(dòng)的實(shí)時(shí)性;較大延時(shí)也會導(dǎo)致保護(hù)終端差動(dòng)數(shù)據(jù)計(jì)算的節(jié)奏控制的復(fù)雜性和無序狀態(tài)增加。研究結(jié)果將直接影響差動(dòng)保護(hù)方案的選取和軟件架構(gòu)的搭建，因此對5G網(wǎng)絡(luò)通信延時(shí)的研究是非常有必要的。

配網(wǎng)保護(hù)裝置要接入5G網(wǎng)絡(luò)，需要借助5G電力通信終端，因此目前基于5G的保護(hù)方案如圖1所示。