孫陽盛，涂 崎，趙中華，黃震宇，趙永森，李 坤

基于5G及IEC61850的韌性配網故障信息智能傳輸技術研究

孫陽盛1，涂 崎1，趙中華2，黃震宇1，趙永森3，李 坤3

(1.國網上海市電力公司，上海 200122；2.東方電子股份有限公司，山東 煙臺 264000；3.山東大學，山東 濟南 250061)

現有城市配電網，尤其是在負荷密集區(qū)域，具有大量的10 kV開關站。但是現有配電網系統(tǒng)缺乏對10 kV開關站設備的有效監(jiān)管能力，嚴重阻礙城市韌性配電網的建設。為此，提出了基于5G及IEC61850的韌性配網故障信息智能傳輸技術方案。該方案通過基于態(tài)勢感知的保護設備自動發(fā)現識別技術自動識別感知開關站內網絡變化。通過基于IEC61850通信的二次設備自動配置接入技術自動發(fā)現并配置保護裝置。通過基于IEC61850的面向對象的立體數據模型到扁平化數據模型的免配置轉換技術快速準確地實現電網保護故障信息主站與子站之間的信息轉換與共享。通過基于5G網絡的高速實時業(yè)務傳輸技術實現信息的高速、實時、可靠傳輸。搭建系統(tǒng)測試環(huán)境對該技術方案進行測試并在試點站進行試運行。結果表明該技術方案能夠按需及時獲取設備實時運行狀態(tài)和重要動作信息，實現了對10 kV開關站的有效監(jiān)管。

5G；IEC61850；免配置；態(tài)勢感知；動態(tài)初始化；數據轉換

0 引言

近年來，隨著全球氣候的變化，臺風、冰災等極端天氣頻發(fā)，對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行造成嚴重的威脅[1-4]。電力系統(tǒng)的安全關乎國家安全和社會經濟的穩(wěn)定。作為與用戶密切相關的配電網，其極端天氣應對能力的提高對災害事故的抵御、人們生產生活的保障具有重要意義。為此，建設韌性配電網至關重要[5-8]。

文獻[9-10]對電力系統(tǒng)韌性的相關概念進行了介紹。韌性配電網是能夠全面、快速、準確感知配電網的運行態(tài)勢，對各類擾動作出主動預判與積極預備、主動防御，快速恢復重要電力負荷，并能自我學習和持續(xù)提升的電網[11-12]。

上海市發(fā)布的《上海市推進城市安全發(fā)展的工作措施》指出，上海電網將逐步開展世界一流城市韌性配電網的建設工作。然而上海10 kV開關站數量巨大且過于分散，缺乏有效的監(jiān)管技術手段，影響故障處置及供電恢復的速度，嚴重制約了韌性配電網的建設。

為提高配電網的自動識別與監(jiān)控能力，文獻[13-14]討論了IEC61850標準在配電網自動化中的應用，并基于此對配電終端進行建模。文獻[15-20]對IEC61850標準在配電自動化系統(tǒng)中的應用做了進一步的深入研究。IEC61850標準在配電自動化系統(tǒng)中的逐漸成熟，有效解決了配電網終端設備的監(jiān)控問題、主站系統(tǒng)信息交互問題等[21-22]，為韌性配電網的建設奠定堅實的基礎。但是IEC61850標準是變電站的標準規(guī)約。針對變電站內設備的改變，IEC61850標準的SCD、CID等文件需要人工更改。當IEC61850標準引入配電網后，隨著配電網結構越來越復雜、規(guī)模越來越龐大以及各設備節(jié)點的變化逐漸頻繁，手工更改文件越來越繁瑣，誤差逐漸增大。

針對上述問題，本文提出了基于5G及IEC61850的韌性配網故障信息智能傳輸技術方案。該技術方案通過基于態(tài)勢感知的保護設備自動發(fā)現識別技術將自動識別技術與電力故障信息系統(tǒng)進行無縫連接；通過基于IEC61850通信的保護設備免配置接入技術建立保護裝置即插即用、源端維護的免配置、自動化通信體系；通過基于IEC61850的面向對象立體數據到扁平化數據的免配置轉換技術實現子站與主站信息轉換共享；通過基于5G網絡的高速實時業(yè)務傳輸技術實現主子站的信息傳輸。最后本文通過測試及試運行驗證了本方案的有效性。

1 基于5G及IEC61850的韌性配網故障信息智能傳輸技術

1.1 基于態(tài)勢感知的保護設備自動發(fā)現識別

態(tài)勢感知覆蓋感知(感覺)、理解和預測3個層次，是一種基于環(huán)境的、動態(tài)的、整體的洞悉安全風險的能力；是以安全大數據為基礎，從全局視角提升對安全威脅的發(fā)現識別、理解分析、響應處置能力的一種方式。在大規(guī)模網絡環(huán)境中，對能夠引起網絡態(tài)勢發(fā)生變化的安全要素進行獲取、理解、顯示并預測未來的發(fā)展趨勢，可以快速發(fā)現網絡變化并對目標進行識別，可以提供全面的網絡安全保障。利用態(tài)勢感知技術可以檢測目標機是否在線、端口開放情況、偵測運行的服務類型及版本信息、偵測操作系統(tǒng)與設備類型等信息。

網絡環(huán)境下使用設備發(fā)現功能是一種比較常見的手段。其通過ARP、TCP、UDP、ICMP、PING等協(xié)議的操作功能，采用基于全協(xié)議棧掃描方式，主動發(fā)現目前網絡內存在的網絡節(jié)點，對于預配置的工作方式可以提供一種更加便捷的工作手段。本文將其與IEC61850通信結合使用，提出基于態(tài)勢感知的保護設備自動發(fā)現識別技術。其路線如圖1所示。

圖1 基于態(tài)勢感知的保護設備自動發(fā)現識別技術路線圖

該技術對現有的10 kV開關站的典型情況進行分析，針對幾種具體類型的保護裝置，根據運行功能、操作系統(tǒng)的不同，獲取自動發(fā)現設備的信息；通過態(tài)勢評估、預測方法，結合10 kV開關站的數量及分布情況，并考慮站內運行情況，針對增補、改擴建的實際情況，通過ARP、TCP、UDP、ICMP、PING等協(xié)議的操作功能，采用基于全協(xié)議棧掃描方式，主動發(fā)現目前網絡內存在的網絡節(jié)點；通過對開關站內各類設備自動識別技術、設備屬性自動挖掘判斷技術、多源資產信息的比對和去重技術等與主站系統(tǒng)聯動，實現資產信息的主動上送、統(tǒng)一維護等功能。

該技術通過發(fā)現、自動感知網絡情況的變化，對新增網絡節(jié)點進行自動識別、自動讀取，能夠避免人為參與的錯誤；將自動識別與電力故障信息系統(tǒng)進行無縫聯接，充分發(fā)揮、利用已有的網絡技術為電力系統(tǒng)自動化提供支撐作用。

1.2 基于IEC61850通信的保護設備免配置接入

大量10 kV開關站接入保護裝置的調試過程復雜、配置過程較多、運行檢修難度明顯增加；設備改造涉及系統(tǒng)配置文件的修改和驗證，調試時間長，停電影響范圍大，現場檢修困難；開關站系統(tǒng)配置文件缺乏技術管控手段，存在配置文件錯誤導致保護不正確動作的風險。此外，IEC 61850標準的系統(tǒng)配置文件配置過程復雜，難以掌握，從而帶來許多運維問題[23]。

為此，本文在IEC61850的基礎上開發(fā)一種基于自動發(fā)現、自動配置，達到保護裝置即插即用的免配置、自動化通信體系。

該體系的技術路線如圖2所示。

圖2 基于IEC61850通信的保護設備免配置接入技術路線圖

該技術體系針對現有繼電保護故障信息子站的實現流程進行重新實現。本技術首先通過IEC61850的文件服務實時獲取保護裝置的模型文件，根據Q/GDW 396中對保護裝置模型的約定，通過邏輯設備(LD)“PROT”識別出保護設備；通過修改IEC 61850的初始化方式，由啟動時的初始化升級為動態(tài)初始化，實現模型的在線解析；通過實時解析模型文件建立數據樹，通過解析數據集建立數據點庫，通過讀取數據樹各節(jié)點值初始化數據庫屬性建立本地數據庫，同時通知主站有配置變化信息，等待主站的配置數據召喚命令，更新主站側的數據庫，達到保護裝置免配置接入的目的。

該技術體系取消了系統(tǒng)配置工具和SCD的配置，使用CID文件模型動態(tài)初始化技術達到了IEC61850的保護設備免配置接入的目的；能夠有效地節(jié)約資源、控制成本、提高效率，有利于韌性配電網的建設。

1.3 基于IEC61850的面向對象立體數據到扁平化數據的轉換

IEC61850標準原屬于變電站自動化系統(tǒng)，而配電網主站主要使用IEC60870標準。IEC 61850引入配電網自動化系統(tǒng)中，導致基于電網繼電保護故障信息主站和繼電保護故障信息子站為兩套異構的自動化系統(tǒng)。兩套系統(tǒng)在建模過程分別遵照各自領域的技術標準，其中子站為面向對象的數據，而主站需要的為線性化數據，兩者之間存在差異。

為此，本文對IEC60870、IEC61850和MMS的配置文件、報文結構及傳輸機制、數據及服務的映射進行研究。IEC61850采用的面向對象的數據結構，其最外層結構為服務器，包含設備所有的功能，其下包含多個邏輯設備，每一個邏輯設備包含一組有關聯的邏輯節(jié)點，每一個邏輯節(jié)點表示物理設備內的某一項功能，包含多個數據，每一個數據由多個數據屬性組成。其中數據集中的數據成員為外部主要關心的數據。IEC60870-5-104采用的是線性數據結構，IEC104是IEC101的網絡化運行，它的應用規(guī)約數據單元APDU由啟動字符、APDU長度、控制域及應用服務數據單元ASDU組成，其中ASDU采用IEC101的ASDU，網絡層及傳輸層采用TCP/IP協(xié)議。它的優(yōu)點是數據傳輸實時性好，可靠性高。在有配置工具參與的情況下，IEC61850的數據轉換配置文件是由配置工具完成。配置文件主要對各個IEC61850的數據路徑如何向本地數據庫映射做了指定，子站作為IEC61850的客戶端采集并解析間隔層設備通過IEC61850上送的數據，根據預配置的配置文件寫入本地數據庫，供IEC104協(xié)議使用，完成不同結構數據的轉換轉發(fā)。其中需要進行轉換的數據主要包括數據集中的遙測、遙信、保護動作告警，定值、壓板等和數據集之外的遙控、遙調，文件類數據不需要轉換。IEC61850采用報告服務來傳輸需要采集的數據，采集到本地并經過本地數據轉換后，再通過IEC104中的專用ASDU將這些數據上送給主站，完成數據的采集與轉發(fā)。

本文對納入電網調控管理范圍的所有設備進行統(tǒng)一分類，對IED模型文件進行詳細深入的功能分析和系統(tǒng)功能分類，設計出一種電網繼電保護故障信息主站和繼電保護故障信息子站之間數據免配置點表通信的方法。其技術路線如圖3所示。對于子站IEC61850客戶端接入的多個保護設備，每一個保護設備作為獨立的IED進行數據轉換。根據Q/GDW 396中對保護裝置數據集的約定，將各數據集映射至本地不同數據類型，如數據集名為dsAin和dsRelayAin中的數據映射為遙測、數據集名為dsDin和dsRelayDin中的數據映射為遙信、數據集名為dsTripInfo和dsAlarm中的數據映射為保護動作告警、數據集名為dsSetting中的數據映射為定值、數據集名為dsRelayEna中的數據映射為壓板等，將功能約束為CO的節(jié)點映射為遙控等。將IED中的數據集順序號映射至主子站協(xié)議IEC103中的組號，將數據集中的數據集成員在本數據集中的順序號映射至組號中的條目號，每一數據點的數據屬性通過IEC 61850模型樹上功能約束CF的節(jié)點自動獲得。

圖3 基于IEC61850的面向對象立體數據到扁平化數據的免配置轉換技術路線圖

該方法可以將IEC61850面向對象的數據和IEC60870-5-104面向點的線性數據進行快速、準確的自動轉換，并實現對主子站的免配置通信，對節(jié)約資源、控制成本、提高工作效率、提高供電可靠性具有積極的意義。

1.4 基于5G網絡的高速實時業(yè)務傳輸

配電網中設備節(jié)點多，IEC 61850的配置文件數量多、容量大，因此亟需大容量、大帶寬的通信方式。此外，上海地區(qū)臺風較多，配電網受其影響嚴重。因此配電網中的信息指令等需要低延時、高速率的通信方式進行傳輸。

5G技術作為新一代的無線傳輸技術，具有大帶寬、低時延、大接入容量的特點。目前3GPP組織定稿的R15和R16兩個版本的標準明確了大帶寬和低延時兩種業(yè)務場景的5G應用。根據R15版本規(guī)定，5G在1 ms的時延內傳輸32字節(jié)的誤碼率不超過0.001%，即其傳輸單字節(jié)的誤碼率在10-7左右[24-25]。URLLC場景下5G空口時延為1 ms，端到端時延在10 ms以內[26]。5G的帶寬最低可以達到百兆赫茲，其接入容量可達每平方千米100萬臺設備[24]。

為此，本文對5G的組網方案和實際業(yè)務傳輸的可靠性、實時性等關鍵性技術指標進行研究，提出基于5G網絡的高速實時業(yè)務傳輸技術方案。

5G的組網方式有兩種，分別是SA(獨立組網)和NSA(非獨立組網)。其中獨立組網時，無線使用5G無線，核心網使用5G核心網，此架構為5G的終極形態(tài)[27]。經過測試，本技術方案選擇了SA獨立組網方式，在實驗室周邊開通了5G低時延切片專網，將實驗室周圍的6個基站納入切片網絡，切片網絡采用N41頻段，帶寬為100 MHz，采用TDD時分雙工通信模式，網絡切片技術可以為配網故障信息傳輸業(yè)務提供高可靠、高安全和高速的通信信道。針對配網業(yè)務特點，本技術方案選擇了通信運營商的ToB模式，使用UPF(用戶面功能)下沉方式，將專網的用戶信息配置于SMF內，通過用戶識別，指定最近的UPF完成數據流的轉發(fā)。從實際情況來看，此方案可以滿足配網故障信息傳輸的要求。

對于5G網絡下業(yè)務傳輸的可靠性、實時性問題，在以上組網方案下，本技術方案采用差動保護裝置作為典型裝置進行了5G通信下可靠性、實時性研究。

5G通信方式下做的主要研究工作有：1) 同步算法，傳統(tǒng)光差的乒乓同步算法在接收與發(fā)送時延相同的前提下使用；5G傳輸時延具有不確定性，無法保證收發(fā)時延一致，需解決同步問題?；谛l(wèi)星授時技術實現遠方同步，是目前相對更可靠、更實用的同步方式。2) 對時，5G技術帶來的精準授時功能，能夠實現授時精度在微秒級水平，R16標準的到來已將精度進一步縮小至10 ns；可滿足保護需求，是配電網的理想方案。3) 流量控制，目前的5G商用模式，依然秉持按流量計費的方式，對于長期運行的設備來說，流量是個不容忽視的問題，實際方案的選擇對于長期運行的經濟性指標起著重要的作用。4) 網絡安全，5G豐富的安全架構及切片專網能夠保證用戶身份的合法性；基于邊緣計算的數據傳輸能力，使網絡數據不出區(qū)域，降低了入侵的風險。

對5G通信方式下的關鍵技術進行研究：1) 同步原理，采樣數據中攜帶時間標記，基于統(tǒng)一時間源進行插值同步，裝置底層采用統(tǒng)一的計時方式，計時精度可小于10 μs。2) 通道數據統(tǒng)計，針對5G網絡通道的質量，研究了通道時延、誤碼等情況，最小時延為8.5 ms、最大時延為160 ms、平均時延為16.2 ms，誤碼率小于0.001%。3) 網絡流量方案，差動數據對采樣頻率的需求并不高，每秒1000點的采樣頻率可以滿足差動保護需求，每秒單向流量最高可以達到78 KB/s，每天雙向流量最高可以達到12 GB，每月雙向流量最高可以達到372 GB。4) 流量實時控制技術，正常狀態(tài)下，僅傳送心跳幀，1 s內連續(xù)傳送2個周波采樣值，保持實時同步，完成差流計算，可實時進行差流異常告警處理，此模式下流量消耗為全流量的4%，大幅提升經濟性。從實際情況來看，可靠性、實時性可以滿足配網故障信息傳輸的要求。

綜上所述，本文所提基于5G及IEC61850的韌性配網故障信息智能傳輸技術方案由4部分組成，其技術路線如圖4所示。本技術方案通過基于態(tài)勢感知的保護設備自動發(fā)現識別技術對新增網絡節(jié)點信息進行自動識別、自動讀??；通過基于IEC61850通信的保護設備免配置接入技術實現保護裝置即插即用、源端維護免配置、通信自動化；通過基于IEC61850的面向對象立體數據到扁平化數據的免配置轉換技術，實現電網繼電保護故障信息主站和繼電保護故障信息子站數據進行快速、準確的信息轉換共享，最后通過基于5G網絡的高速實時業(yè)務傳輸技術實現電網繼電保護故障信息主站和繼電保護故障信息子站之間信息智能高速實時傳輸。

圖4 基于5G及IEC61850的韌性配網故障信息智能傳輸技術路線圖

2 實驗測試

2.1 保護故障信息系統(tǒng)測試環(huán)境搭建

圖5 10 kV繼電保護故障信息系統(tǒng)測試環(huán)境搭建示意圖

保護仿真測試系統(tǒng)通過導入SCD/CID模型文件模擬IEC61850保護裝置的站控層數據交互行為，可仿真30臺以上IED裝置MMS輸出，可用于系統(tǒng)測試過程中基本通信接入與普通對點等項目。

主站系統(tǒng)為符合上海市調要求的10 kV繼電保護故障信息主站系統(tǒng)(以下簡稱主站系統(tǒng))。系統(tǒng)基于獨立組網交換機實現與各子站裝置的通信，實現相關配網保護裝置的設備監(jiān)視、設備采樣及故障信息采集與處理功能。時間同步裝置為整個測試環(huán)境提供對時功能，站控層設備及主站系統(tǒng)采用 NTP 對時。整個測試系統(tǒng)涉及的繼電保護裝置、子站裝置、主站系統(tǒng)均需要滿足上海市調發(fā)布的10 kV繼電保護故障信息系統(tǒng)技術規(guī)范要求的樣機或系統(tǒng)。

2.2 開關站設備增補、變更測試

實驗環(huán)境下，新增一臺保護裝置并配置合法網絡地址，接入MMS局域網交換機，通過子站管理工具可以觀察到子站裝置在2 min內能自動發(fā)現新的保護裝置上線并讀取保護裝置的CID模型文件，完成保護裝置的自動建模和IEC61850接入，同時子站主動向主站發(fā)送配置變更信號并等待主站的配置數據召喚命令來完成保護裝置的接入。

運行過程中，修改其中一臺保護裝置的模型文件，通過子站管理工具可以觀察到子站裝置能夠在配置變更后2 min內發(fā)現保護裝置的配置變更，并完成本地模型文件更新、自動重新建模和IEC61850接入裝置工作，同時主動向主站發(fā)送配置變更信號，等待主站的配置數據召喚命令，完成修改配置后保護裝置的接入。與傳統(tǒng)人工配置方式相比，區(qū)別如表1所示。

表1 增補、變更方式比較

實驗結果表明，對于開關站保護設備增補、配置變更的情況，子站可以在2 min內自動發(fā)現并更新子站側模型，完成保護設備的接入，同時子站能夠主動向主站發(fā)送設備配置變更信號。而傳統(tǒng)方式下的設備增補、配置變更通信接入因為需要人工修改配置，完成時間在1～2 h不等，并且需要線下通知主站更新配置。由此可以看出，使用本文所提方案時的工作效率有了極大提高。

2.3 保護設備接入測試

對于新接入或配置發(fā)生變化的保護設備，通過子站管理工具可以檢查保護裝置數據的正確性，通過保護裝置面板人工修改正常運行的保護定值區(qū)及保護定值，通過子站管理工具可以獲取變更的保護定值區(qū)及保護定值。通過試驗儀給保護裝置輸入電流/電壓，通過子站管理工具可以獲取保護裝置的模擬量。通過試驗儀改變保護裝置的狀態(tài)量輸入信號，通過子站管理工具可以獲取保護裝置的狀態(tài)量變位事件。通過試驗儀使保護裝置產生新的錄波文件，通過子站管理工具可以獲取保護裝置新的錄波文件列表及錄波文件內容。人工關閉保護裝置電源或拔出保護裝置的網線，通過子站管理工具可以實時顯示保護裝置的通信狀態(tài)。

實驗結果證明，對于子站自動發(fā)現并接入的保護設備，保護設備的定值、定值區(qū)、設備采樣、實時事件、實時錄波、通信狀態(tài)等數據可以在1 min內完成數據的本地映射，并可以正常傳輸，滿足開關站的數據采集要求。

2.4 主站與子站信息轉換測試

對于新接入或配置發(fā)生變化的保護設備，通過主站管理工具可以檢查保護裝置數據的正確性。人工修改保護裝置的保護定值區(qū)，主站可以獲取修改后的保護定值區(qū)。人工修改保護裝置的保護定值，主站可以獲取修改后的保護定值。通過保護試驗儀更改保護裝置的采樣信息，主站可以獲取最新的保護采樣值。通過試驗儀輸入故障電流、電壓、使保護產生故障輸出，主站可以獲取最新的事件信息。通過試驗儀輸入故障電流、電壓、使保護產生故障錄波文件，主站可以獲取最新的錄波文件列表及錄波文件內容。人工關閉保護裝置電源或拔出保護裝置的網線，主站可以實時反映保護裝置的通信狀態(tài)。人工變更保護裝置的模型文件，主站可以自動識別模型文件的更新并下載文件。人工變更子站裝置的CPU、內存、硬盤的使用狀態(tài)，主站可以實時獲取子站裝置的運行狀態(tài)信息。與傳統(tǒng)人工配置方式相比，有以下區(qū)別，如表2所示。

表2 信息轉換方式比較

實驗結果證明，對于保護設備的定值、定值區(qū)、設備采樣、事件信息、錄波信息、保護裝置通信狀態(tài)、子站裝置運行狀態(tài)等數據，本文所提技術方案可以在1 min內完成數據向主站的映射，并可以正常傳輸，滿足主站的數據采集要求。同時，因采用了自動數據轉換的技術，所以本方案大大降低了人工參與出錯的概率。

2.5 5G網絡信息傳輸測試

基于5G的繼電保護故障信息系統(tǒng)測試環(huán)境搭建如圖6所示，站端配置和主站端配置與2.1節(jié)相同，保信子站與保信主站之間通過5G網絡通信。5G模塊與子站裝置獨立配置，便于進行場地布置與業(yè)務管理，5G通道與站內通信實現了物理隔離與業(yè)務獨立，同時可實現雙通道配置。切片網絡采用N41頻段，帶寬100 MHz，采用TDD時分雙工通信模式，選用運營商的ToB模式和UPF(用戶面功能)下沉方式，將專網的用戶信息配置于SMF內，通過用戶識別，指定最近的UPF完成數據流的轉發(fā)。

圖6 基于5G的繼電保護故障信息系統(tǒng)測試環(huán)境搭建示意圖

為驗證5G獨立組網模式下的網絡帶寬及延時能否滿足配網故障信息傳輸的應用要求，本試驗分別進行了傳統(tǒng)網絡連接、單基站測試及多基站測試等不同場景下的功能和性能測試。

5G數據發(fā)送時延測試，在保護裝置側用試驗儀觸發(fā)過流I段保護動作信號，在子站側監(jiān)視信號轉發(fā)時間，在主站側監(jiān)視信號接收時間，對5G數據發(fā)送時延作了統(tǒng)計，并與常規(guī)連接方式作比較。做多組試驗，數據發(fā)送時延統(tǒng)計如表3所示。

表3 數據發(fā)送時延統(tǒng)計

5G數據發(fā)送流量測試，測試錄波文件傳輸流量較大的情況，在保護裝置側用試驗儀觸發(fā)產生故障錄波文件，錄波文件大小約為1 M，在子站側監(jiān)視文件數據收發(fā)時間，在主站側監(jiān)視文件數據的接收時間，對5G發(fā)送文件數據完成時間作了統(tǒng)計，并與常規(guī)連接方式作比較。做多組試驗，發(fā)送時間統(tǒng)計如表4所示。

圖7為5G網絡信息傳輸測試圖片。

實驗結果表明，對于子站接入的保護設備，保護設備的定值、定值區(qū)、設備采樣、實時事件、實時錄波、通信狀態(tài)等數據均可正常傳輸到主站。正常5G通信時，通道單向時延大部分集中在10～ 20 ms，對于偶爾網絡不好的情況存在長延時的現象，但是在規(guī)范要求傳輸時間范圍之內，可以滿足配網故障信息的實時傳輸要求。而在大流量數據傳輸時，受限于主子站協(xié)議中文件傳輸長度與發(fā)送機制，5G傳輸文件與直連方式所需時間相差不大，5G傳輸略慢，但對于文件和配置信息等類型的數據實時性要求不高，因此5G通信可以滿足配網故障信息傳輸的要求。

表4 發(fā)送文件時間統(tǒng)計

圖7 5G網絡信息傳輸測試圖片

3 現場試運行測試

試點為上海浦東某10 kV開關站。圖8為試點站內運行情況圖片。

圖8 試點站內運行情況圖

本現場站內通信采用了以太網上的IEC61850通信，受限于試運行現場周圍的運營商基站通信情況，保信子站與保信主站采用數據網專網通信與5G通信相結合的雙通道配置，保證主子站通信的可靠性，5G作為輔助通信手段，主要是為了驗證方案的可行性。在此基礎上對保護設備自動發(fā)現識別、IEC61850通信的保護設備免配置接入、IEC61850結構化數據向IEC60870線性數據的自動轉換及5G網絡信息傳輸技術進行驗證?；诒炯夹g方案所開發(fā)的保護裝置已于該試點站運行5個月，目前運行正常。保護設備的定值、定值區(qū)、設備采樣、事件信息、錄波信息、保護裝置通信狀態(tài)、子站裝置運行狀態(tài)等數據均可正常上送主站。

與常規(guī)方式各項功能對比如表5所示。

表5 功能比較

對于各項數據的傳輸效率，數據由數據源端保護裝置到遠方保信主站端的傳輸時間如表6所示。

表6 數據傳輸效率比較

由此可見，本文所提技術方案在保證功能正常的前提下，可以有效解決數量龐大的開關站保護裝置信息上送方式復雜、配置繁瑣、運維難度大的問題，并且能夠簡化安裝調試流程，提高運維效率。

4 結論

本文針對目前10 kV開關站位置分散、保護設備部署量大、安裝調試配置繁瑣、通信形式多樣化、運維困難、改擴建工作嚴重依賴廠家人員等方面的問題，提出了基于5G及IEC61850的韌性配網故障信息智能傳輸技術方案。本技術方案主要分為以下4部分：針對10 kV開關站的增補、改擴建情況，提出基于態(tài)勢感知的保護設備自動發(fā)現識別技術；針對10 kV開關站接入保護裝置的調試和維護工作復雜、繁瑣，提出基于IEC61850通信的保護設備免配置接入技術；針對電網繼電保護故障信息主站和保信子站為兩套異構的自動化系統(tǒng)且數據模型存在較大差異，提出基于IEC61850的面向對象立體數據到扁平化數據的自動轉換技術；針對配電網中IEC61850配置文件數量多、容量大，進行信息傳遞不易，提出基于5G網絡的高速實時業(yè)務傳輸方案。最后通過搭建10 kV繼電保護故障信息系統(tǒng)測試環(huán)境以及在上海浦東某10 kV開關站進行試運行，驗證了本文所提技術方案的可靠性，利于上海市“韌性電網”配網建設。

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Intelligent transmission technology of fault information in a resilient distribution network based on 5G and IEC61850

SUN Yangsheng1, TU Qi1, ZHAO Zhonghua2, HUANG Zhenyu1, ZHAO Yongsen3, LI Kun3

(1. State Grid Shanghai Electric Power Company, Shanghai 200122, China; 2. Dongfang Electronics Co., Ltd., Yantai 264000, China; 3. Shandong University, Jinan 250061, China)

The existing urban distribution network, especially in load-intensive areas, has a large number of 10 kV switching stations. However, the existing distribution network system lacks the effective supervision ability for 10 kV switching station equipment, and this seriously hinders the construction of a resilient urban distribution network. Therefore this paper proposes an intelligent transmission technology scheme for the fault information of a ductile distribution network based on 5G and IEC61850. In this scheme, the network changes in the sensing switch station are automatically identified by the automatic discovery and identification technology of protection equipment based on situational awareness. The protection device is automatically discovered and configured by the automatic configuration and access technology of secondary equipment based on IEC61850 communication. The information conversion and sharing between the master and slave stations of the power grid protection fault information are quickly and accurately realized by the configuration-free conversion technology from the object-oriented stereo data model based on IEC61850 to the flat data model. High-speed, real-time and reliable transmission of information is realized by the technology based on the 5G network. A system test environment is built to test the technical scheme and run it at the test station. The results show that the technical scheme can obtain real-time operational status in a timely fashion and important action information of the equipment on demand, and realize the effective supervision of 10 kV switching stations.

5G; IEC61850; configuration free; situational awareness; dynamic initialization; data conversion

10.19783/j.cnki.pspc.220182

國家自然科學基金面上項目資助(51677108)；上海市電力公司科技項目資助(520900200082)

This work is supported by the General Program of National Natural Science Foundation of China (No. 51677108).

2022-02-15；

2022-05-13

孫陽盛(1978—)，男，碩士，高級工程師，研究方向為電力系統(tǒng)及其自動化；E-mail: sunyangsheng@sh.sgcc. com.cn

涂 崎(1975—)，男，碩士，高級工程師，研究方向為電力系統(tǒng)及其自動化；E-mail: tuq@sh.sgcc.com.cn

趙中華(1983—)，男，通信作者，碩士，工程師，研究方向為電力系統(tǒng)及其自動化。E-mail: 99485393@qq.com

(編輯 周金梅)