王一淳，李壯壯，閻 妍，王 濤

（1.國(guó)網(wǎng)揚(yáng)州供電公司，江蘇 揚(yáng)州 225000；2.國(guó)家電網(wǎng)有限公司技術(shù)學(xué)院分公司，山東 濟(jì)南 250002）

0 引言

隨著分布式發(fā)電的大規(guī)模入網(wǎng)以及固態(tài)變壓器等設(shè)備在電力系統(tǒng)的大量應(yīng)用，傳統(tǒng)的繼電保護(hù)整定原則和成套配置面臨重大挑戰(zhàn)［1］。與發(fā)電廠的廠用發(fā)電機(jī)相比，分布式電源故障的特點(diǎn)因控制策略不同而發(fā)生改變，出現(xiàn)了故障電流降低、故障電流連續(xù)性變?nèi)醯刃绿攸c(diǎn)，傳統(tǒng)的三段式電流保護(hù)不再適用。隨著分布式電源的接入，配電網(wǎng)由以前的放射式結(jié)構(gòu)向多電源環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，這使得原有的配電網(wǎng)保護(hù)配置成套方案不能適應(yīng)新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。電流差動(dòng)保護(hù)無(wú)需進(jìn)行時(shí)限級(jí)差配合，解決了時(shí)限級(jí)差配合導(dǎo)致的上級(jí)保護(hù)延時(shí)的問(wèn)題。因此，在多電源網(wǎng)絡(luò)中，為提高系統(tǒng)的保護(hù)性能和可靠性，亟需采用電流差動(dòng)保護(hù)技術(shù)［2］。

差動(dòng)保護(hù)的通信方式包括導(dǎo)引線通信、微波通信、電力載波通信和光纖通道通信等。目前，基于光纖通道的通信方式設(shè)置簡(jiǎn)單，能夠精準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)、隔離故障，具有較好的抗過(guò)渡電阻能力，系統(tǒng)的運(yùn)行方式及潮流不會(huì)對(duì)其運(yùn)行產(chǎn)生影響，因此得到廣泛應(yīng)用。然而，光纖差動(dòng)保護(hù)也存在建設(shè)周期長(zhǎng)、敷設(shè)成本高、使用頻率低、施工難度大等缺點(diǎn)，這些因素制約著光纖差動(dòng)保護(hù)的規(guī)?；占芭c發(fā)展。

第五代移動(dòng)通信技術(shù)具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如大帶寬、多連接、低延時(shí)、高可靠性等［3-4］，它可以從源頭上處理配電網(wǎng)保護(hù)選擇性不好和可靠性差的問(wèn)題，而無(wú)需新增保護(hù)設(shè)備或通信光纜，這為配電網(wǎng)保護(hù)信息交互提供了新的路徑。5G 通信技術(shù)的高性能和靈活性能夠在配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)中發(fā)揮重要作用，有效提高系統(tǒng)效率和可靠性。

本文概述了5G 通信承載差動(dòng)保護(hù)的核心技術(shù)，在具體應(yīng)用中分析5G通信應(yīng)用于配電網(wǎng)保護(hù)的可行性，通過(guò)全面評(píng)估5G技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍、通信帶寬和數(shù)據(jù)安全等，分析其在實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題，從而推動(dòng)配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)技術(shù)不斷改進(jìn)和發(fā)展。

1 差動(dòng)保護(hù)對(duì)通信通道的要求

電流差動(dòng)保護(hù)通過(guò)關(guān)注線路首末兩端的電流變化來(lái)判別是否在保護(hù)區(qū)內(nèi)發(fā)生故障，其對(duì)信息傳輸通道的要求較高，需要保障通道傳輸速率、通道安全性、通道可靠性和通道時(shí)延。結(jié)合實(shí)際情況，通道應(yīng)當(dāng)滿足帶寬超過(guò)2 Mbps、時(shí)延小于15 ms、可靠性大于或等于99.999%、安全等級(jí)為Ⅰ區(qū)等條件，才能確保差動(dòng)保護(hù)的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和可靠性。

2 5G通信技術(shù)

2.1 5G通信技術(shù)概況

5G 通信是新型的蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)，可以帶來(lái)0.1?1 Gbps 的應(yīng)用體驗(yàn)速度、幾十吉比特每秒的峰值頻率、毫秒量級(jí)的兩端時(shí)延、99.999%的超高穩(wěn)定性，針對(duì)不同行業(yè)對(duì)終端互聯(lián)提出的各種要求，設(shè)定了三大應(yīng)用場(chǎng)景，真正實(shí)現(xiàn)了“萬(wàn)物互聯(lián)”［5］。5G 技術(shù)將為人類社會(huì)提供更高速、更安全的網(wǎng)絡(luò)以及更多智能化應(yīng)用的可能，對(duì)于社會(huì)經(jīng)濟(jì)和創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展都具有重要意義。

2.2 5G通信承載差動(dòng)保護(hù)的核心技術(shù)

5G 通信定義了3個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景，其中，超可靠低時(shí)延通信（ultra-reliable low-latency communications，uRLLC）專門服務(wù)于物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，將用戶的上行、下行時(shí)延均控制在0.5 ms以內(nèi)［6］，這與差動(dòng)保護(hù)對(duì)通信的高可靠性和低時(shí)延要求基本吻合。uRLLC 能夠承載配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)相關(guān)工作的核心技術(shù)包括移動(dòng)邊緣計(jì)算（mobile edge computing，MEC）、網(wǎng)絡(luò)切片、獨(dú)立組網(wǎng)（standalone，SA）等。

2.2.1 獨(dú)立組網(wǎng)

5G New Radio 是指第五代移動(dòng)通信技術(shù)的無(wú)線空中接口，也被稱為新空中接口。5G Core 指的是第五代移動(dòng)通信技術(shù)的核心網(wǎng)部分。4G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)所規(guī)定的空中接口與核心網(wǎng)必須共同演進(jìn)，而5G 網(wǎng)絡(luò)不同，允許新空中接口與核心網(wǎng)分別進(jìn)行演進(jìn)，形成了獨(dú)立組網(wǎng)與非獨(dú)立組網(wǎng)兩種組網(wǎng)方式。

從技術(shù)的實(shí)施角度進(jìn)行分析，SA 是最優(yōu)組網(wǎng)方式。SA 采用的加密算法更成熟，對(duì)用戶隱私信息的保密性更強(qiáng)、可靠性更高。然而，考慮到節(jié)約投資，現(xiàn)階段4G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在通過(guò)非獨(dú)立組網(wǎng)方式向5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)轉(zhuǎn)變，具體的網(wǎng)絡(luò)性能還需要進(jìn)一步在實(shí)踐中證明，以檢驗(yàn)其網(wǎng)絡(luò)性能和可行性。

2.2.2 邊緣計(jì)算技術(shù)

在傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)中，所有的信息都要經(jīng)過(guò)核心網(wǎng)進(jìn)行傳輸，而MEC 把部分用戶功能放置到邊緣云進(jìn)行計(jì)算，減少了核心網(wǎng)的工作，縮短了通信時(shí)間。通俗來(lái)講，MEC就像是計(jì)算機(jī)的內(nèi)存條，用來(lái)減少CPU 的計(jì)算壓力。在配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)中，可以通過(guò)下沉技術(shù)減少數(shù)據(jù)的傳輸距離來(lái)降低通信時(shí)延，以滿足配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)的低時(shí)延要求。

2.2.3 網(wǎng)絡(luò)切片

網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的核心是將5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行切片化處理，得到多個(gè)碎片化的網(wǎng)絡(luò)部分，包括核心網(wǎng)子切片、無(wú)線子切片及承載子切片，如圖1所示。每個(gè)切片都可以根據(jù)不同的客戶需求和業(yè)務(wù)環(huán)境進(jìn)行配置，形成彼此毫無(wú)關(guān)聯(lián)的邏輯網(wǎng)絡(luò)，更好地滿足各類用戶的不同要求。另外，網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)能夠使網(wǎng)絡(luò)資源被使用的頻率大大增加，使網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商在建設(shè)方面所投入的資金更少。通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整切片的資源分配，可以根據(jù)實(shí)時(shí)的用戶需求情況來(lái)分配網(wǎng)絡(luò)資源，避免資源的浪費(fèi)。

圖1 網(wǎng)絡(luò)切片示意圖

2.2.4 大規(guī)模多進(jìn)多出技術(shù)和波束成形技術(shù)

大規(guī)模多進(jìn)多出（multiple-in multipleout，MIMO）技術(shù)及波束成形技術(shù)是5G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中重要的技術(shù)手段，可以顯著提高網(wǎng)絡(luò)容量和頻譜效率。大規(guī)模MIMO 技術(shù)利用多根天線形成天線陣列，通過(guò)同步處理和信號(hào)傳輸，能夠在同一時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更多用戶的信息收發(fā)［7］。相比于4G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)受到8 根天線的限制，大規(guī)模MIMO 技術(shù)能夠支撐擁有大于或等于128 根天線的5G 基站，使得移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的容量增加幾十倍，在信號(hào)傳輸方面實(shí)現(xiàn)數(shù)十倍的頻譜效率和能量效率增益。

波束成形技術(shù)通過(guò)控制天線陣列中的天線發(fā)射特定方向的電磁波來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)調(diào)整天線，該技術(shù)能夠?qū)⑺l(fā)射的電磁波變成較窄的一束，并將能量按照特定的指向傳輸?shù)侥┒耍軌蛟黾有盘?hào)的傳輸距離，提高信號(hào)在傳輸過(guò)程中的抗干擾能力。波束成形技術(shù)可利用多條天線進(jìn)行超大量信息的傳輸，從而顯著提高頻譜利用率。因此，大規(guī)模MIMO 技術(shù)和波束成形技術(shù)的應(yīng)用使得5G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)具有更高的容量、頻譜效率和能量效率，為實(shí)現(xiàn)更快速、更可靠的無(wú)線通信提供了有力支持。

2.3 5G通信應(yīng)用于配電網(wǎng)保護(hù)的可行性分析

5G 通信在可靠性、時(shí)延、安全性和速率等方面能夠滿足配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)對(duì)通道的要求。在合理站間距的前提下，利用網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，5G 通信可以應(yīng)用到配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)中，替代傳統(tǒng)的光纖通信。

2.3.1 通道時(shí)延分析

電力系統(tǒng)出現(xiàn)的故障發(fā)展速度快，繼電保護(hù)根據(jù)線路兩端的運(yùn)行狀態(tài)來(lái)判斷是否有故障發(fā)生，因此發(fā)生故障時(shí)保護(hù)要快速動(dòng)作將故障切除。一般情況下，保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間應(yīng)小于80 ms，信息傳輸?shù)臅r(shí)延應(yīng)小于15 ms。將5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與4G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的性能進(jìn)行對(duì)比，4G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在系統(tǒng)無(wú)負(fù)荷的前提下的時(shí)延大概為40 ms，不能滿足保護(hù)的時(shí)延條件要求。而通過(guò)移動(dòng)邊緣計(jì)算技術(shù)，5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)時(shí)延小于10 ms，符合保護(hù)的時(shí)延條件要求。

2.3.2 安全性分析

為使繼電保護(hù)能夠可靠動(dòng)作，要保證通信網(wǎng)絡(luò)有較強(qiáng)的抗干擾能力，并且能夠防止惡意攻擊。5G通信網(wǎng)絡(luò)作為信息傳輸通道，電力控制系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)切片在連接時(shí)需要橫向隔離和縱向加密認(rèn)證，對(duì)操作人員和接入設(shè)備進(jìn)行授權(quán)管理，外部人員訪問(wèn)時(shí)需要通過(guò)密碼驗(yàn)證才能建立通信連接，因此5G 通信網(wǎng)絡(luò)可以保證電網(wǎng)運(yùn)行的安全性。

3 基于5G通信的配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)的應(yīng)用

3.1 配電網(wǎng)5G差動(dòng)保護(hù)經(jīng)典應(yīng)用架構(gòu)

5G 差動(dòng)保護(hù)通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸情況來(lái)判斷通道的信息傳輸速度是否符合要求、是不是有著延遲時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、失步丟幀、數(shù)據(jù)幀順序錯(cuò)亂、誤碼等情況，從而確保數(shù)據(jù)交互的實(shí)時(shí)性。如果發(fā)現(xiàn)通信異常狀態(tài)，應(yīng)迅速閉鎖保護(hù)裝置，防止保護(hù)誤動(dòng)作。如果檢測(cè)出線路發(fā)生故障，首先判別是區(qū)內(nèi)故障還是區(qū)外故障。如果是保護(hù)區(qū)內(nèi)發(fā)生故障，應(yīng)立即斷開(kāi)相應(yīng)斷路器。

3.2 配電網(wǎng)5G差動(dòng)保護(hù)推廣需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題

在配電網(wǎng)保護(hù)領(lǐng)域應(yīng)用5G 通信技術(shù)時(shí)，需要解決以下問(wèn)題。

3.2.1 時(shí)延抖動(dòng)問(wèn)題

差動(dòng)保護(hù)要求信息傳輸?shù)臅r(shí)延較小。但是5G通信容易采集到周圍環(huán)境信息，從而影響通信性能，所以存在著時(shí)延抖動(dòng)問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，差動(dòng)保護(hù)單向平均時(shí)延達(dá)到8?9 ms，但最大時(shí)延偶發(fā)達(dá)到90 ms以上。通過(guò)優(yōu)化基站配置可以降低時(shí)延抖動(dòng)，但最大時(shí)延仍然高達(dá)60 ms。因此，以后仍需對(duì)保護(hù)終端、承載網(wǎng)、基站等部分進(jìn)行改進(jìn)。

3.2.2 同步問(wèn)題

差動(dòng)保護(hù)同時(shí)采集線路兩端的電流，但5G 網(wǎng)絡(luò)的傳輸途徑不固定，環(huán)境、流量等都會(huì)影響傳輸速度，這導(dǎo)致兩側(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)綄?duì)端的時(shí)間不一致。目前采用的方法是北斗授時(shí)，為了使采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綄?duì)端不產(chǎn)生時(shí)差，可以考慮使用5G 基站對(duì)終端進(jìn)行無(wú)線授時(shí)，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3.2.3 持續(xù)連接問(wèn)題

配電網(wǎng)保護(hù)需要持續(xù)運(yùn)行，并實(shí)時(shí)發(fā)送模擬量信息。如何持續(xù)滿足帶寬資源需求，保證5G 通信模塊在任何條件下都能穩(wěn)定運(yùn)行，以滿足配電網(wǎng)保護(hù)對(duì)通信的要求，是實(shí)際工程中需要解決的問(wèn)題。因此，將5G 通信技術(shù)應(yīng)用于配電網(wǎng)領(lǐng)域時(shí)，要進(jìn)一步研究和解決這些問(wèn)題，以確保可靠、穩(wěn)定和安全的通信環(huán)境，為配電網(wǎng)保護(hù)提供有效的支持。

4 結(jié)語(yǔ)

本文從可靠性、時(shí)延、傳輸速度等角度分析了5G 通信在配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)中應(yīng)用的可行性，梳理了5G 通信適用于差動(dòng)保護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)。分析表明，5G 通信的功能及特點(diǎn)完全滿足配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)對(duì)通道的要求，能夠代替光纖成為配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)的新型信息傳輸通道。目前，一些機(jī)構(gòu)正在進(jìn)行5G 配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)試點(diǎn)，總體來(lái)看依然處于初期。本文分析了5G 通信規(guī)模化應(yīng)用于配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)需要突破的技術(shù)瓶頸，為下一步研究指明了方向。