［彭海燕 郭釗杰 瞿水華］

1 引言

長期以來，配電網(wǎng)缺乏自動(dòng)化運(yùn)行控制和管理手段，難以及時(shí)掌控電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，電網(wǎng)的運(yùn)行長期處于“盲調(diào)”狀態(tài)。國家能源局提出在十三五規(guī)劃末期實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)自動(dòng)化覆蓋率達(dá)到95%以上，配網(wǎng)自動(dòng)化水平得到了大幅提高。為保證差動(dòng)保護(hù)的判斷準(zhǔn)確、啟動(dòng)及時(shí)，需盡量保證一組差動(dòng)電流為同一時(shí)刻采樣值，即需要嚴(yán)格保證差動(dòng)電流的時(shí)間同步，因此差動(dòng)保護(hù)對保護(hù)裝置DTU 之間的通信時(shí)延以及可靠性有較高要求，時(shí)延小于15 ms，時(shí)間同步精度：小于10 μ s，可靠性：大于99.999%。傳統(tǒng)的配電差動(dòng)保護(hù)在相鄰配電站的差動(dòng)保護(hù)裝置之間采用光纖專線傳輸，帶來鋪設(shè)光纖專線成本高，難度大等問題，無法滿足日益增多的接入需求。

5G 專網(wǎng)技術(shù)分別在R15 和R16 兩個(gè)版本定義了5G uRLLC（切片）、TSN 和5G LAN 的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，分步滿足電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)對通信時(shí)延的要求，及其電網(wǎng)嚴(yán)格的安全隔離需求。本文針對智能電網(wǎng)中的差動(dòng)保護(hù)場景的特點(diǎn)，簡要介紹5G uRLLC 切片、5GTSN、5GLAN、CPE 授時(shí)等關(guān)鍵技術(shù)，并結(jié)合現(xiàn)網(wǎng)場景進(jìn)行了切片驗(yàn)證，達(dá)到滿足電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)場景下配電站之間的可靠通信需求。

2 5G 專網(wǎng)技術(shù)概述

2.1 uRLLC 切片

5G 為了滿足三大應(yīng)用場景（eMBB/uRLLC/mMTC），在R15 定義了“切片技術(shù)”，能更好地滿足行業(yè)業(yè)務(wù)的安全性、可靠性和靈活性需求，可為行業(yè)虛擬出一個(gè)“無線專網(wǎng)”，如圖1 所示，一個(gè)uRLCC 專用切片實(shí)現(xiàn)可接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)絡(luò)和核心網(wǎng)全程專用網(wǎng)絡(luò)資源的分配，實(shí)現(xiàn)一個(gè)邏輯隔離的通道，進(jìn)行更高強(qiáng)度的安全隔離，定制化分配資源，相比于以往的移動(dòng)通信技術(shù)，5G 更適配行業(yè)發(fā)展需求。

圖1 電網(wǎng)端到端切片示意圖

2.2 5G TSN 網(wǎng)絡(luò)

R16 定義了5 G TSN（Time-Sensitive Network，時(shí)間敏 感網(wǎng)絡(luò)），目標(biāo)是構(gòu)建“確定性”的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)有界時(shí)延、低抖動(dòng)、高可靠性，解決音視頻的本地混編/合成、制造系統(tǒng)控制、電網(wǎng)/機(jī)器人控制的應(yīng)用問題。5G TSN 是3GPP 為滿足無線接入網(wǎng)絡(luò)支持應(yīng)用TSN 技術(shù)的確定性工業(yè)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的需求，3GPP 借鑒了IEEE 定義的TSN 標(biāo)準(zhǔn),定義了5G TSN 邏輯網(wǎng)橋的架構(gòu)，即將整個(gè)5G 網(wǎng)絡(luò)作為TSN 網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)橋，完成與TSN 網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)以及互聯(lián)互通[1～3]。

5G TSN 邏輯網(wǎng)橋架構(gòu)如圖2 所示，為了實(shí)現(xiàn)5G TSN邏輯網(wǎng)橋的功能，首先要實(shí)現(xiàn)5G 邏輯橋和TSN 網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步，5G 內(nèi)部節(jié)點(diǎn)UPF/NW-TT（Network-side TSN translator）從TSN 獲取時(shí)鐘同步消息并通過用戶面轉(zhuǎn)發(fā)給UE/DS-TT（Device-side TSN translator），從而實(shí)現(xiàn)UE/DS-TT 與TSN GM 之間的時(shí)間同步。此外，5G 系統(tǒng)內(nèi)，gNB 和UPF、UE 之間還需要提供基于5G 系統(tǒng)時(shí)鐘的高精度時(shí)間同步。5G 系統(tǒng)時(shí)間和TSN 系統(tǒng)時(shí)間之間，由UPF/NW-TT 和UE/DS-TT 進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

圖2 5G TSN 轉(zhuǎn)發(fā)架構(gòu)圖

其次，要實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)轉(zhuǎn)發(fā)，5G 網(wǎng)絡(luò)需要為TSN 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供確定性低時(shí)延流調(diào)度能力，通過3GPP 內(nèi)的QoS 調(diào)度（URLLC 的Delay Critical GBR）、緩存和抖動(dòng)消除功能實(shí)現(xiàn)TSN 網(wǎng)絡(luò)要求。

最后，為了實(shí)現(xiàn)5G 網(wǎng)絡(luò)適配TSN 的確定性傳輸，5G 系統(tǒng)需要與TSN 網(wǎng)絡(luò)間進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)協(xié)同，通過TSN 輔助參數(shù)（包括周期性，流方向，流的到達(dá)時(shí)間），輔助無線資源預(yù)留。

2.3 5G LAN

在現(xiàn)有的5G 專網(wǎng)應(yīng)用中，由于5G 原本不支持二層通信，需在端側(cè)和服務(wù)側(cè)對齊部署AR 路由器實(shí)現(xiàn)L3 與L2 轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)一對設(shè)備的點(diǎn)對點(diǎn)二層通信，這種方案有AR 額外成本開銷、組網(wǎng)和配置復(fù)雜、基于點(diǎn)對點(diǎn)專線通信模式，難以靈活擴(kuò)展和大量部署，CPE 需簽約固定IP等諸多弊端。

為此，R16 定義5G LAN，引入組管理、本地轉(zhuǎn)發(fā)和業(yè)務(wù)隧道3 個(gè)特性，支持極簡組網(wǎng)和組內(nèi)全互連二層通信，適用于構(gòu)建企業(yè)5G 云辦公、支持企業(yè)物聯(lián)網(wǎng) 的接入，節(jié)省企業(yè)園區(qū)的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和維護(hù)成本，允許限定的終端組在一個(gè)5G LAN 虛擬網(wǎng)絡(luò)內(nèi)進(jìn)行基于Ethernet 或IP 的點(diǎn)對點(diǎn)通信[4～6]。

5G LAN 的技術(shù)優(yōu)勢體現(xiàn)以下4 個(gè)方面。

（1）應(yīng)用不變，針對企業(yè)應(yīng)用中采用廣播或組播通信，無需重構(gòu)；

（2）拓?fù)洳蛔?，保持原有組網(wǎng)，保持組間隔離關(guān)系；

（3）配置不變，保持企業(yè)（固定）IP 分配，無需對接或修改配置；

（4）性能不變，最大程度保證時(shí)延抖動(dòng)、可靠性指標(biāo)。

在目前的3GPP R16 標(biāo)準(zhǔn)中，受限于現(xiàn)有5G TSN 架構(gòu)，2 個(gè)DTU 之間的TSN 業(yè)務(wù)流不支持在一個(gè)UPF 內(nèi)或2 個(gè)UPF 間互相轉(zhuǎn)發(fā)，即UPF 必須外接TSN 網(wǎng)絡(luò)，增加網(wǎng)絡(luò)的的復(fù)雜度和建設(shè)維護(hù)成本，額外增加了兩個(gè)DTU之，的時(shí)延、降低了傳輸可靠性?？梢钥紤]將5G LAN 和5G TSN 技術(shù)相結(jié)合。如圖3 所示，對臨近的DTU 進(jìn)行5G LAN 分組，通過5G 網(wǎng)絡(luò)提供的LAN service 功能完成點(diǎn)到點(diǎn)或者點(diǎn)到多點(diǎn)的通訊，進(jìn)一步降低通信時(shí)延。

圖3 基于5G TSN+5G LAN 的增強(qiáng)方案架構(gòu)

3 基于網(wǎng)絡(luò)切片的差動(dòng)保護(hù)技術(shù)

由于R16 的協(xié)議在2020 年9 月凍結(jié)，TSN 和5G LAN 技術(shù)還處于研發(fā)和測試階段，而網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)已經(jīng)具備商用條件，本文重點(diǎn)研究uRLLC 專用切片技術(shù)在南方電網(wǎng)配網(wǎng)電流差動(dòng)保護(hù)中的應(yīng)用情況，包括切片定制和測試、CPE 授時(shí)、端到端時(shí)延測試情況。

3.1 配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)的網(wǎng)絡(luò)需求

配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)的原理是基于基爾霍夫定律，通過計(jì)算線路兩端設(shè)備的電流矢量差來判斷線路運(yùn)行狀態(tài)。正常情況下，流過線路兩端的電流幅值相同、相位相反，矢量合為零；而在故障情況下，線路兩端流過的電流矢量和不再為零，利用這一特征可以快速識(shí)別線路故障。因其優(yōu)越的速動(dòng)性、靈敏性和選擇性而被廣泛應(yīng)用。

配電網(wǎng)電流差動(dòng)保護(hù)的信號(hào)同步要求主要包括兩方面：一是線路兩側(cè)的采樣時(shí)刻必須嚴(yán)格同步，具體要求為小于10 μs；二是差動(dòng)繼電器使用兩側(cè)相同時(shí)刻的采樣數(shù)據(jù)計(jì)算差動(dòng)電流，因此要求通信時(shí)延小于15 ms。

為達(dá)到上述網(wǎng)絡(luò)要求，傳統(tǒng)配電網(wǎng)中通過光纖網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，但存在建設(shè)周期長、成本投入高、運(yùn)維難度大等不足。4G 網(wǎng)絡(luò)終端間通信時(shí)延約100 ms，不能滿足配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)應(yīng)用的需求。5G 技術(shù)憑借低時(shí)延、高可靠、高安全、高精準(zhǔn)授時(shí)等特點(diǎn)，為配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)提供了全新的建設(shè)模式。[7～9]

3.2 URLLC 切片定制

面向配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)的應(yīng)用場景，本文設(shè)計(jì)了5G 智能電網(wǎng)組網(wǎng)方案，采用5G SA組網(wǎng)模式，通過部署5G基站、SPN 傳送網(wǎng)、SA 核心網(wǎng)、切片、邊緣計(jì)算，實(shí)現(xiàn)高可靠、低時(shí)延、高安全的5G 電力專網(wǎng)。端到端組網(wǎng)拓?fù)淙鐖D4所示。

圖4 端到端組網(wǎng)拓?fù)?/p>

不同的智能電網(wǎng)業(yè)務(wù)，需要不同的5G 網(wǎng)絡(luò)性能滿足其通信連接需求，配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)屬于安全生產(chǎn)I 區(qū)，對網(wǎng)絡(luò)的需求是低時(shí)延、高可靠、高隔離度、高安全。本文設(shè)計(jì)了差動(dòng)保護(hù)場景定制uRllc 切片，無線網(wǎng)采用RB資源預(yù)留、5Qi 優(yōu)先級(jí)保障技術(shù)、上行優(yōu)先調(diào)度，實(shí)現(xiàn)空口通道專享、接入優(yōu)先、調(diào)度優(yōu)先；傳輸網(wǎng)采用FlexE 技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)中開通端到端專用硬通道，避免傳輸擁塞；核心網(wǎng)采用下沉專享UPF，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)安全隔離。各層級(jí)網(wǎng)絡(luò)的切片定制情況如表1 所示。[10～14]

表1 網(wǎng)絡(luò)的切片定制情況表

3.3 精準(zhǔn)授時(shí)技術(shù)

基于5G 的電力系統(tǒng)時(shí)間同步方案包括基站與5G UE的時(shí)間同步和5G UE 與電力設(shè)備的時(shí)間同步兩部分，其中是基站與5G UE 的時(shí)間同步是指5G UE 通過空口從基站獲取到時(shí)鐘信息，5G UE 與電力設(shè)備的時(shí)間同步是指電力設(shè)備通過授時(shí)端口從5G UE 獲取到時(shí)鐘信息。

（1）基站與5G UE 的時(shí)間同步

根據(jù)3GPP TS 38.331 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，UE 在向基站獲取小區(qū) 的系統(tǒng)信息SI（System Information）過程中，系統(tǒng)消息塊 SIB9（SystemInformationBlocks）包含與GPS 時(shí)間和協(xié)調(diào) 世界時(shí)（UTC）相關(guān)的參數(shù)，如夏令時(shí)DayLightSaving-Time）、GPS時(shí)間和UTC之間的閏秒數(shù)偏移量（LeapSeconds）、UTC 和當(dāng)?shù)貢r(shí)間之間的偏差（LocalTimeOffset）和SFN 邊 界對應(yīng)的協(xié)調(diào)世界時(shí)（TimeInfoUTC）等參數(shù)。UE 可以使用該系統(tǒng)信息塊中提供的參數(shù)來獲得UTC，GPS 和本地時(shí)間，UE 可以將時(shí)間信息用于多種目的，例如協(xié)助GPS 初始化，以及同步UE 時(shí)鐘。

無線終端根據(jù)測量得到的延時(shí)誤差進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)補(bǔ)償和調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)無線終端和基站間的精確同步。

基于上述原理，5G 授時(shí)模組能夠根據(jù)授時(shí)信令中獲取的基站UTC 時(shí)間信息設(shè)為T（基站發(fā)送1SFN 幀的時(shí)刻，T1 插入SIB9 信令中廣播輸出）、終端和基站間的延時(shí)誤差值為t 和終端接收到系統(tǒng)幀頭標(biāo)記的本地時(shí)間為T2，計(jì)算得到絕對時(shí)間/終端本地時(shí)間的調(diào)整量；通過計(jì)算得時(shí)間偏差為T1+t-T2，然后調(diào)整時(shí)間偏差到本模塊時(shí)間系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)終端和基站時(shí)間的同步，終端同步方式如圖 5 所示。

圖5 終端同步示意圖

（2）UE 與DTU 的時(shí)間同步

5G UE 通過RS-485 線路接入電力設(shè)備對應(yīng)時(shí)鐘輸入接口，采用IRIG-B 碼（DC）方式對電力設(shè)備授時(shí)。IRIG-B 碼（DC）采用脈寬編碼方式，傳輸速率為1 幀/秒，每一幀的數(shù)據(jù)包含年、天、時(shí)、分、秒等信息。

IRIG-B 碼（DC）每一幀數(shù)據(jù)由100 個(gè)碼元組成，每個(gè)碼元的寬度為10 ms，碼元有3 種，分別為碼元“P”、碼元邏輯二進(jìn)制“1”和“0”。每幀從連續(xù)兩個(gè)8 ms 脈沖中的第2 個(gè)8 ms 脈沖的前沿開始標(biāo)志，分別為Pr，第0,1,…,99 碼元。在Pr 和P5 之間是BCD 字段，傳送的是BCD 碼格式的時(shí)間信息（包含秒、分、時(shí)、天4 種信息），個(gè)位在前十位在后。在P5 和P7 之間是CF 字段，實(shí)現(xiàn)控制功能，可根據(jù)實(shí)際使用時(shí)制定使用方法。在P8 和P9 之間是SBS 字段，是用二進(jìn)制表示的以秒為單位的時(shí)間信息。

電力設(shè)備通過IRIG-B 碼（DC）解模塊檢測出時(shí)間信息和對時(shí)脈沖，實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備的授時(shí)工作。[15～17]

4 應(yīng)用情況

4.1 外場測試環(huán)境搭建

為搭建外場測試環(huán)境，建設(shè)4 個(gè)5G 基站，GT-ZK 10 KV 線路的6 個(gè)環(huán)網(wǎng)柜的DTU（數(shù)據(jù)傳輸單元）通過電力CPE 接入5G 網(wǎng)絡(luò)，利用5G 網(wǎng)絡(luò)高精度授時(shí)和超低時(shí)延通信，實(shí)現(xiàn)差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)應(yīng)用端到端調(diào)通。組網(wǎng)架構(gòu)如圖6 所示。

圖6 差動(dòng)保護(hù)場景測試配置圖

4.2 5G 網(wǎng)絡(luò)精準(zhǔn)授時(shí)測試驗(yàn)證

5G 網(wǎng)絡(luò)精準(zhǔn)授時(shí)測試組網(wǎng)方案如圖7 所示，其測試方法如下。

圖7 精準(zhǔn)授時(shí)測試組網(wǎng)圖

（1）5G 基站通過空口分別給5G 電力CPE 授時(shí)，將CPE 接入示波器。

（2）示波器對應(yīng)接入1 路GPS 時(shí)鐘作為基準(zhǔn)信號(hào)，記錄CPE 輸出的時(shí)間，并計(jì)算CPE 和基準(zhǔn)時(shí)鐘的時(shí)間同步誤差值。

（3）將CPE 記錄的5G 無線基站的時(shí)間記為T1，將GPS 時(shí)間記為T2，授時(shí)精度誤差記T0，則

授時(shí)測試結(jié)果如圖8 所示，黃色曲線為無線基站到DTU 時(shí)間，通過PPS 信號(hào)接入示波器，粉色曲線為GPS 信 號(hào)，通過兩者在示波器上的偏差記錄同步精度，實(shí)際測量中，在近點(diǎn)和遠(yuǎn)點(diǎn)分別測試30 分鐘（2 000 次）。授時(shí)精度最大值4 375 ns，平均值392.3 ns，最小值234.5 ns，中位值404.8 ns。測試結(jié)果可滿足應(yīng)用場景的需求（小于 10 μs）。

圖8 示波器測試授時(shí)精度

4.3 差動(dòng)保護(hù)測試驗(yàn)證

通過5G 網(wǎng)絡(luò)承載DTU 之間的通信通路，實(shí)現(xiàn)差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)測通。具體測試方法如下。

（1）將2 個(gè)DTU 通過電力CPE 接入5G 網(wǎng)絡(luò)，打開差動(dòng)保護(hù)功能，2 個(gè)DTU 周期性向?qū)Ψ桨l(fā)送報(bào)文。

（2）CPE 通過5G 基站授時(shí)，確認(rèn)授時(shí)精度滿足要求，同時(shí)確認(rèn)基站間鏈路配置正常。

（3）連接DTU 設(shè)備進(jìn)行抓包，分3 組測試，記錄DTU 與相鄰DTU 之間通信的時(shí)延3 組數(shù)據(jù)。

根據(jù)被測DTU 抓包獲取的測試結(jié)果，時(shí)延曲線如圖9 所示，2 臺(tái)DTU 之間的最大通信時(shí)延在9 459～11 134μs 之間，滿足差動(dòng)保護(hù)場景端到端時(shí)延＜ 15 ms 的要求。

圖9 時(shí)延曲線圖

4.4 驗(yàn)證結(jié)論

上述外場測試驗(yàn)證的結(jié)果表明，5G SA 專網(wǎng)提供良好的精準(zhǔn)授時(shí)，以及超低時(shí)延的端到端連接，可滿足智能電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)的需求，適合在生產(chǎn)中復(fù)制推廣。

5 結(jié)語

綜上所述，5G SA 專網(wǎng)提供的精準(zhǔn)授時(shí)、基于uRLLC切片超低時(shí)延連接性能可滿足智能電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)的需求，有廣闊的推廣空間，后續(xù)隨著R16 網(wǎng)絡(luò)的成熟和商用，具有更多的技術(shù)選擇，5 G LAN 和TSN 技術(shù)能進(jìn)一步賦能電網(wǎng)的生產(chǎn)和運(yùn)營。

放眼發(fā)電、輸電、變電、配電、用電等電力全生產(chǎn)環(huán)節(jié)，5G 技術(shù)也將全面覆蓋，助力電力行業(yè)信息化、智能化改造升級(jí)。預(yù)計(jì)到2022 年，全國范圍內(nèi)將會(huì)有千萬以上的5G 電力終端投入使用，電力行業(yè)升級(jí)投資規(guī)模將達(dá)到百億以上，5G 智能電網(wǎng)將帶來極大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。