黨博 黨寧軍

摘要：5G網(wǎng)絡(luò)能夠提供高帶寬和低延遲服務(wù)，已經(jīng)在能源、交通、制造和醫(yī)療保健等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。文章專注于智能電網(wǎng)中的電力保護系統(tǒng)的應(yīng)用及其5G業(yè)務(wù)需求，分析了2種常用電網(wǎng)保護系統(tǒng)的優(yōu)缺點。在此基礎(chǔ)上，文章提出了一種基于5G網(wǎng)絡(luò)的移動邊緣計算架構(gòu)，該架構(gòu)可有效地降低電網(wǎng)中的差動保護延遲，提高系統(tǒng)可靠性。系統(tǒng)計算架構(gòu)能夠為智能電網(wǎng)的發(fā)展奠定一定的理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：5G網(wǎng)絡(luò)；智能電網(wǎng)；電網(wǎng)保護系統(tǒng)；差動保護；移動邊緣計算

中圖分類號：TM76? 文獻標(biāo)志碼：A

0 引言

為適應(yīng)社會日益增長的能源需求，并促進與其他能源的雙向流動，電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)已經(jīng)逐漸從傳統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)演變?yōu)榉植际浇Y(jié)構(gòu)［1］。分布式結(jié)構(gòu)主要包括：分布式能源、先進的計量基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、微電網(wǎng)等。分布式電力系統(tǒng)的核心任務(wù)是以合理的成本提供高服務(wù)質(zhì)量的安全電力供應(yīng)［2］。這就要求該系統(tǒng)能夠處理更多的分布式能源的雙向分配，以及因能源集成而導(dǎo)致的電網(wǎng)電能質(zhì)量波動問題。

第五代移動網(wǎng)絡(luò)（Fifth Generation of Mobile Networks， 5G）能夠提供高帶寬和低延遲服務(wù)［3］。國際電信聯(lián)盟將5G通信業(yè)務(wù)分為3類：增強型移動寬帶、海量鏈接的機器通信和超可靠低延遲通信（Ultra-Reliable Low-Latency Communications， URLLC）［4］。其中，URLLC的特點是為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)、遠程手術(shù)和智能交通系統(tǒng)等關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用提供低延遲和超高可靠性的服務(wù)［5］。這項服務(wù)有望解決無線技術(shù)在帶寬、延遲和可靠性等方面的挑戰(zhàn)。智能配電網(wǎng)中URLLC解決方案的另外一個特點是，可以輕松連接更多設(shè)備，而無需依賴光纖布線，并且新的變電站和微電網(wǎng)可以快速安裝并集成到電網(wǎng)中。因此，5G解決方案可以降低支出和運營成本。

1 電網(wǎng)保護系統(tǒng)在5G中的應(yīng)用

保護系統(tǒng)是電網(wǎng)系統(tǒng)中最為重要的子系統(tǒng)之一，其作用是避免由于故障而導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰，從而確保電網(wǎng)安全［6］。該系統(tǒng)對通信速度和可靠性要求較高。保護系統(tǒng)需要可靠的端到端通信。使用通信介質(zhì)部署這種具有嚴(yán)格端到端延遲要求的關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用，光纖網(wǎng)絡(luò)通常被認為是目前最優(yōu)的解決方案。使用支持URLLC的5G系統(tǒng)來部署保護系統(tǒng)，能夠有效節(jié)省成本并具有較強的靈活性。

1.1 智能分布式饋線自動化保護

智能分布式饋線自動化是一種分布式自動化應(yīng)用，其功能主要包括：故障定位、隔離和服務(wù)恢復(fù)等，它通過局部斷電來提高電網(wǎng)的可靠性［7］。通常，在端到端通信網(wǎng)絡(luò)中，有一組分布式控制器單元或智能電子設(shè)備傳遞面向通用對象的變電站消息。

圖1為一個基于5G網(wǎng)絡(luò)的用于故障定位、隔離和恢復(fù)應(yīng)用的智能饋線自動化保護框架。饋線環(huán)主單元的每一端都有一個簡易斷開裝置［8］。智能電子設(shè)備與鄰近的設(shè)備交換關(guān)于饋線保護狀態(tài)的消息。當(dāng)某段饋線發(fā)生故障時，直連的智能電子設(shè)備可自動檢測并隔離該饋線故障。同時，將有關(guān)故障和所采取的操作消息更新后發(fā)送給其他設(shè)備。面向故障定位、隔離和恢復(fù)應(yīng)用的5G網(wǎng)絡(luò)用于饋線環(huán)中智能電子設(shè)備以及控制中心之間的通信。

1.2 差動保護

在配電網(wǎng)中，線路差動繼電器通常用于保護一次和二次變電站之間的饋線。線路差動保護要求在遠端之間共享瞬時電流值。它具有故障阻抗小、故障電流大的特點，可作為內(nèi)部大故障的快速運行單元保護［9］。

基于5G網(wǎng)絡(luò)的差動保護框架如圖2所示。配電終端單元2周期性地向配電終端單元1和配電終端單元3發(fā)送采樣電流值。同時，配電終端單元2也接收來自配電終端單元1和3的電流值，并計算同時從配電終端單元1和3采樣的電流差。正常工作時，差動電流應(yīng)為0。但是，如果超過設(shè)定的閾值，配電終端單元2將關(guān)閉1和2之間的電源線以隔離故障。

與圖1所示的框架相比，差動保護對上行帶寬、可用性、時延、抖動、丟包等要求最高。此外，差動保護要求產(chǎn)生連續(xù)的上行流量采樣值，因此，要求在保護方案的整個生命周期內(nèi)通信通道始終可用。而在智能饋線自動化保護框架中，當(dāng)饋線發(fā)生故障時，只有少量數(shù)據(jù)進行周期性交換，數(shù)據(jù)速率略高。

2 差動保護的5G延遲估計

5G延遲指的是端到端延遲，確定延遲時間最重要的是確定差動保護方案中涉及的延遲需求。

第一，需要確定的參數(shù)是差動保護方案的業(yè)務(wù)執(zhí)行時長。該參數(shù)取決于約定或公用電網(wǎng)拓撲配置預(yù)先確定的差動保護業(yè)務(wù)要求。在確定服務(wù)執(zhí)行時間時，通常遵循主電網(wǎng)差動保護的技術(shù)規(guī)范和配電網(wǎng)共同保護的技術(shù)規(guī)范。例如，假設(shè)為配電自動化系統(tǒng)隔離故障預(yù)留的最大業(yè)務(wù)執(zhí)行時間為300 ms。為了縮小停電范圍，防止交換機運行故障，交換機下游故障必須在150 ms內(nèi)隔離。因此，實際的服務(wù)執(zhí)行持續(xù)時間估計為120 ms，剩余時間為30 ms。

第二，要確定的參數(shù)是保護方案成功運行所涉及的業(yè)務(wù)處理持續(xù)時間。業(yè)務(wù)處理持續(xù)時間取決于參與保護操作的所有硬件設(shè)備。它通常包括采樣處理時間、邏輯判斷時間、繼電器動作時間和開關(guān)跳閘時間。

3 面向差動保護的移動邊緣計算架構(gòu)

移動邊緣計算是一種新的架構(gòu)模式，它在移動網(wǎng)絡(luò)邊緣提供云計算資源和功能，并以無線方式接入網(wǎng)內(nèi)運行，因此更接近設(shè)備和終端用戶。它可以支持需要超低延遲服務(wù)的應(yīng)用。移動邊緣計算架構(gòu)使計算密集型和延遲敏感型應(yīng)用能夠在靠近終端用戶的地方執(zhí)行。本文提出了一種面向差動保護的移動邊緣計算架構(gòu)，如圖3所示。

該框架由連接到基站的移動邊緣計算服務(wù)器組成，這些服務(wù)器能夠存儲和計算資源，可以實現(xiàn)邊緣緩存和邊緣計算等服務(wù)。每個配電終端單元使用移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)與移動邊緣計算服務(wù)器上的應(yīng)用程序交換通信消息服務(wù)。移動邊緣計算應(yīng)用程序可使配電終端單元能夠接收請求消息。從圖3可以看出，配電終端單元-1和配電終端單元-2包含移動邊緣計算應(yīng)用程序，并且具有與安裝在電力線上的物理設(shè)備相同的功能。當(dāng)前測量值作為低延遲信息流在物理配電終端單元和虛擬配電終端單元之間發(fā)送。在移動邊緣計算服務(wù)器內(nèi)部，虛擬配電終端單元將交換消息。當(dāng)超過設(shè)定的閾值時，虛擬配電終端單元中的差動保護邏輯將被觸發(fā)。然后，由此產(chǎn)生的跳閘動作向下傳遞到物理設(shè)備，最后通過定義的通信接口隔離故障。

本文根據(jù)保護方案中涉及的保護設(shè)備之間的地理關(guān)系以及正在部署的蜂窩結(jié)構(gòu)，進一步提出了3種不同的移動邊緣計算架構(gòu)，如圖4（a）—4（c）所示。

在圖4（a）中，配電終端單元距離很近。它們共用一個基站和移動邊緣計算服務(wù)器。虛擬配電終端單元無縫地交換消息，這樣通信就不需要經(jīng)過5G核心網(wǎng)。這種類型的部署通?？捎糜诔鞘械谋Ｗo區(qū)。圖4（b）中多個移動邊緣計算服務(wù)器可通過有線或無

圖4 3種不同的移動邊緣計算架構(gòu)（a）共享一個通用的移動邊緣計算服務(wù)器；（b）通過有線或無線連接不同的邊緣計算服務(wù)器，；（c） 通過核心網(wǎng)絡(luò)的不同邊緣計算服務(wù)器

線網(wǎng)絡(luò)相互通信。通過這種方式，可以向基站地理半徑以外的配電終端單元發(fā)送電流值。在這種情況下，由于移動邊緣計算服務(wù)器之間具有高可靠的連接，因此通信也無需通過5G核心網(wǎng)絡(luò)。這適用于配電終端單元之間距離相對較遠的保護區(qū)。圖4（c）中2個配電終端單元之間的通信通過5G核心網(wǎng)。適用于距離較遠且需要通過核心網(wǎng)路由的保護區(qū)域。

由于差動保護方案的服務(wù)可在終端設(shè)備附近提供，因此面向差動保護的移動邊緣計算架構(gòu)可降低保護方案的延遲。此外，由于終端設(shè)備之間的距離較短，消耗的資源也較少，因此該方案的可靠性也得到了提高。

4 結(jié)語

保護系統(tǒng)是保障電網(wǎng)正常運行的重要環(huán)節(jié)，其對通信速度和可靠性要求較高。本文結(jié)合5G的高速率、超大連接、超低時延等特點，提出了一種面向差動保護的移動邊緣計算架構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合不同的保護范圍，進一步提出了3種不同的移動邊緣計算架構(gòu)，它們均能有效降低電網(wǎng)中差動保護的延遲，提高系統(tǒng)可靠性。

參考文獻

［1］于洋，王同文，謝民，等.基于5G組網(wǎng)的智能分布式配電網(wǎng)保護研究與應(yīng)用［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2021（8）：16-23.

［2］周柏青.基于HHT算法的分布式電力系統(tǒng)狀態(tài)自動監(jiān)測方法［J］.南京工程學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2022（2）：85-90.

［3］劉曉江.5G賦能電力系統(tǒng)的應(yīng)用研究［J］.計算機與網(wǎng)絡(luò)，2022（22）：63-66.

［4］趙宏大，王哲，朱銘霞，等.5G通信技術(shù)在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用［J］.南方電網(wǎng)技術(shù)，2020（8）：9-17.

［5］董春利，王莉.5G無線技術(shù)和蜂窩架構(gòu)分析［J］.電子測試，2022（13）：99-101.

［6］王宇，董添，姜姝宇，等.基于新型電力系統(tǒng)保護的多層防御模型［J］.科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2023（6）：53-56，62.

［7］凌萬水，劉東，陸一鳴，等.基于IEC61850的智能分布式饋線自動化模型［J］.電力系統(tǒng)自動化，2012（6）：90-95.

［8］梁子龍，李曉悅，鄒榮慶，等.基于5G通信智能分布式饋線自動化應(yīng)用［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2021（7）：24-30.

［9］王李，張?zhí)S朝.基于5G電力專網(wǎng)新型電力系統(tǒng)配網(wǎng)差動保護業(yè)務(wù)應(yīng)用［J］.通信與信息技術(shù)，2022（增刊1）：91-95.

（編輯 李春燕編輯）

Design of smart grid protection system based on 5G network

Dang? Bo， Dang? Ningjun

（Northwest Engineering Corporation Limited， Xian 710065，China）

Abstract： 5G networks can provide high bandwidth and low latency services， and have been widely used in energy， transportation， manufacturing， and healthcare. This paper focuses on the application of power protection systems in smart grids and their 5G service requirements， and analyzes the advantages and disadvantages of 2 commonly used power grid protection systems. Based on this， a mobile edge computing architecture based on 5G networks is proposed， and the framework can effectively reduce the delay of differential protection in the power grid and improve system reliability. It can lay a certain theoretical foundation for the development of smart grid.

Key words： 5G networks; smart grid; grid protection system; differential protection; mobile edge computing