摘要： 針對(duì)現(xiàn)有差動(dòng)保護(hù)數(shù)據(jù)同步傳輸方法傳輸速率較低的問題，文章引用5G通信技術(shù)，提出配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)數(shù)據(jù)同步傳輸方法。文章先分析配電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸5G專網(wǎng)架構(gòu)，利用系統(tǒng)消息塊SIB9和TA 值完成5G終端、基站與差動(dòng)保護(hù)裝置的時(shí)間同步設(shè)計(jì)，然后以此為基礎(chǔ)，構(gòu)建信道抗干擾傳輸模型，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)數(shù)據(jù)同步傳輸，最后通過應(yīng)用對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證所提方法的先進(jìn)性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用所提方法，差動(dòng)保護(hù)數(shù)據(jù)傳輸速率均高于15.31 Mbit/s，優(yōu)于對(duì)比方法，實(shí)際應(yīng)用效果更佳。

關(guān)鍵詞：5G移動(dòng)通信技術(shù)；配電網(wǎng)；數(shù)據(jù)同步傳輸

中圖分類號(hào)：G642" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展與智能化水平的提升，配電網(wǎng)作為電能傳輸與分配的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)于保障電力供應(yīng)的可靠性至關(guān)重要。在配電網(wǎng)中，差動(dòng)保護(hù)作為一種重要的保護(hù)手段，通過比較被保護(hù)設(shè)備兩側(cè)的電流差值來判斷設(shè)備是否發(fā)生故障并采取相應(yīng)的保護(hù)措施，以其高可靠性和高選擇性成為廣泛應(yīng)用的保護(hù)手段。然而，隨著配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的日益復(fù)雜和分布式電源的廣泛接入，傳統(tǒng)差動(dòng)保護(hù)方法逐漸暴露出數(shù)據(jù)傳輸延遲、誤碼率高、同步性差等局限性，這些都限制了其在現(xiàn)代配電網(wǎng)中的應(yīng)用效果^［1-2］。傳統(tǒng)差動(dòng)保護(hù)方法面臨著線路鋪設(shè)困難、維護(hù)成本高、通信帶寬有限等問題，且有線通信方式難以滿足數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸和同步傳輸?shù)男枨螅瑢?dǎo)致差動(dòng)保護(hù)的準(zhǔn)確性和可靠性受到嚴(yán)重影響^［3］。為能有效解決這些問題，本文提出了一種基于5G通信技術(shù)的配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)數(shù)據(jù)同步傳輸方法。5G通信技術(shù)具有高帶寬、低時(shí)延和大連接數(shù)特性，可為配電網(wǎng)中的差動(dòng)保護(hù)數(shù)據(jù)傳輸提供高效、穩(wěn)定的通信通道。

1 配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)數(shù)據(jù)同步傳輸設(shè)計(jì)

1.1 5G終端、基站與差動(dòng)保護(hù)裝置的時(shí)間同步設(shè)計(jì)

圖1 配電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸5G專網(wǎng)架構(gòu)

本次應(yīng)用的配電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸5G專網(wǎng)架構(gòu)如圖1所示，主要由統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理、5G核心網(wǎng)、Unscented粒子濾波、思維進(jìn)化計(jì)算和5G基站等組成。在該網(wǎng)絡(luò)中，統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理能確保用戶基礎(chǔ)信息的一致性和安全性；5G核心網(wǎng)作為網(wǎng)絡(luò)核心，管理連接和會(huì)話；思維進(jìn)化計(jì)算提供邊緣計(jì)算服務(wù)；5G基站構(gòu)建通信傳輸網(wǎng)絡(luò)^［4］。為實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)數(shù)據(jù)的同步傳輸，須要先完成5G終端、基站與差動(dòng)保護(hù)裝置的時(shí)間同步。在5G系統(tǒng)中，系統(tǒng)消息塊SIB9通常是通過物理下行共享信道進(jìn)行傳輸?shù)摹；緯?huì)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)配置和需求，將包括SIB9在內(nèi)的系統(tǒng)信息封裝在無線資源控制消息中并通過無線信號(hào)傳輸給終端。本次應(yīng)用系統(tǒng)消息塊SIB9，結(jié)合時(shí)間提前量TA值，成功實(shí)現(xiàn)了5G終端、差動(dòng)保護(hù)裝置本地與基站側(cè)之間的高精度 時(shí)間同步設(shè)計(jì)，其過程如下：先解析時(shí)間信息，基于5G終端和差動(dòng)保護(hù)裝置從系統(tǒng)消息塊SIB9中提取時(shí)間信息，將其記為T0。然后計(jì)算傳播時(shí)延，其初始化時(shí)延是基于時(shí)間提前量TA推導(dǎo)基站到5G終端的傳播時(shí)延。其中，TA實(shí)質(zhì)為2倍的傳播時(shí)延，因此其計(jì)算公式如下：

T1=TA×TW2（1）

其中，TA為時(shí)間提前量；TW為子載波傳輸時(shí)延。

在連接狀態(tài)時(shí)會(huì)時(shí)延更新，因此須要對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，其調(diào)整后時(shí)延公式如下：

T2=NTA，old+（TA-31）TW2（2）

其中，NTA，old為舊時(shí)延調(diào)整值^［5］。

最后，結(jié)合參考時(shí)間T0和傳播時(shí)延T1、T2，計(jì)算終端側(cè)時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)對(duì)本地時(shí)鐘的修正，確保時(shí)間同步。

通過上述步驟，實(shí)現(xiàn)了5G終端、基站與差動(dòng)保護(hù)裝置之間的時(shí)間同步，為配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)數(shù)據(jù)同步傳輸提供基礎(chǔ)。

1.2 基于5G通信的數(shù)據(jù)同步傳輸設(shè)計(jì)

本文在完成5G終端、基站與差動(dòng)保護(hù)裝置之間的時(shí)間同步后，構(gòu)建信道抗干擾傳輸模型，完成5G通信的數(shù)據(jù)同步傳輸。為了簡(jiǎn)化信道模型，所有信道采用統(tǒng)一編碼模式，以避免碼分復(fù)用問題。

先定義5G通信傳輸架構(gòu)中的發(fā)射機(jī)集合A以及接收機(jī)集合B，可分別表示為A=｛a1，a2，...，an｝，B=｛b1，b2，...，bn｝。每個(gè)基站在特定子信道上的最大傳輸功率是固定的，基于協(xié)議干擾模型，綜合考慮接收機(jī)的接收功率與干擾功率閾值的關(guān)系來判斷是否存在顯著干擾。已知信道功率傳輸增益與發(fā)射機(jī)、接收機(jī)之間的距離及信道傳輸路徑損耗因子β相關(guān)^［6］。因此，本次設(shè)定為此信道功率傳輸增益，計(jì)算發(fā)射機(jī)an在子信道cn上的最大傳輸范圍，其表達(dá)公式如下：

Ran=PcanPcl^1β（3）

其中，β為信道傳輸路徑損耗因子；Pcan為an在信道c上的傳輸功率；Pcl為an在信道c上的傳輸損失功率^［7］。本次使用信噪比來評(píng)估鏈路質(zhì)量，計(jì)算鏈路數(shù)據(jù)傳輸速率，其計(jì)算公式如下：

v=wlog2（1+r）（4）

其中，w為鏈路帶寬；r為信噪比。

為管理同層通信信道間的干擾沖突，引入通信鏈路元組來標(biāo)識(shí)信道狀態(tài)信息，通過構(gòu)建信道沖突，識(shí)別可能產(chǎn)生干擾的鏈路組合。由此，可避免信道分配時(shí)產(chǎn)生的信道沖突，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高速傳輸。

2 實(shí)驗(yàn)論證

為檢測(cè)基于5G通信的配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)數(shù)據(jù)同步傳輸方法的有效性，本文以配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)設(shè)備作為研究對(duì)象。將本文設(shè)計(jì)的同步傳輸方法、基于信標(biāo)時(shí)序補(bǔ)償?shù)膫鬏敺椒ê突贚amb波的傳輸方法同時(shí)應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

本實(shí)驗(yàn)旨在對(duì)比數(shù)據(jù)同步傳輸方法的性能，故以傳輸速率為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境。實(shí)驗(yàn)主要利用C#實(shí)驗(yàn)用戶態(tài)的DS-dedupe系統(tǒng)，運(yùn)行環(huán)境為Microsoft Compact Framework3.5。其客戶端機(jī)器為Dell（R）Inspiron 620系列機(jī)，硬件中CPU配置為Intel（R）Core（TM）i3-21203.30，2 GB DDRIII內(nèi)存，運(yùn)行環(huán)境為Microsoft Windows 10旗艦版操作系統(tǒng)。本次通過Vivado2017.2 軟件中的行為級(jí)模擬進(jìn)行仿真驗(yàn)證，以此為基礎(chǔ)開展實(shí)驗(yàn)研究。

2.2 實(shí)驗(yàn)指標(biāo)

數(shù)據(jù)同步傳輸速率具體指的是在單位時(shí)間內(nèi)（通常為1 s）通過通信線路上傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)，其計(jì)算公式為：

V=tvnWlog2N（5）

其中，V為差動(dòng)保護(hù)數(shù)據(jù)傳輸速率；W為傳輸?shù)叫诺赖臄?shù)據(jù)量；t為電力數(shù)據(jù)在各個(gè)信道的傳輸時(shí)間；vn為數(shù)據(jù)在各個(gè)信道中的傳輸速度；N為數(shù)據(jù)的有效離散值。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過式（5）計(jì)算可得出3種方法的傳輸速率對(duì)比，結(jié)果如表1所示。

采用基于信標(biāo)時(shí)序補(bǔ)償?shù)膫鬏敺椒〞r(shí)，隨著實(shí)驗(yàn)測(cè)試次數(shù)的增加，傳輸速率逐漸增高，但整體增高程度較低，約為8.94 Mbit/s；采用基于Lamb波的傳輸方法時(shí)，隨著實(shí)驗(yàn)測(cè)試次數(shù)的增加出現(xiàn)快速增加的現(xiàn)象，但整體傳輸速率較低，約為8.02 Mbit/s；而采用本文傳輸方法時(shí)，隨著實(shí)驗(yàn)測(cè)試次數(shù)的增加傳輸速率逐漸增高，且其傳輸速率均高于15.31Mbit/s，相比基于信標(biāo)時(shí)序補(bǔ)償?shù)膫鬏敺椒?、基于Lamb波的傳輸方法分別提高了4.41Mbit/s、7.33Mbit/s。由此可證明，本文所提方法在傳輸速率方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，能夠滿足現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸對(duì)高效、可靠性的需求。

3 結(jié)語

隨著5G技術(shù)的不斷發(fā)展和電力系統(tǒng)的日益復(fù)雜化，將5G技術(shù)應(yīng)用于配電網(wǎng)差動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸中具有現(xiàn)實(shí)意義。本文通過深入分析5G技術(shù)的原理和特點(diǎn)，開展基于5G通信的配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)數(shù)據(jù)同步傳輸方法研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所提方法數(shù)據(jù)傳輸速率均高于15.31 Mbit/s，應(yīng)用效果較好。未來，隨著5G技術(shù)的不斷發(fā)展和配電網(wǎng)的持續(xù)優(yōu)化，基于5G通信的配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)數(shù)據(jù)同步傳輸方法將在電力系統(tǒng)中發(fā)揮更加重要的作用，為電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行提供保障。

參考文獻(xiàn)

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（編輯 沈 強(qiáng)編輯）

Study on the synchronous transmission method of differential protection data of

distribution network under 5G communication

QIAO" Dehai， LI" Xueliang， ZHANGnbsp; Tongtong

（Shandong Guowei Electric Power Engineering Co.， Ltd.， Liaocheng 252000， China）

Abstract： In view of the problem of low transmission rate of the existing differential protection data synchronous transmission method， this article uses 5G communication technology to carry out the synchronous transmission method of differential protection data of the distribution network. The method analyzes the distribution network data transmission of 5G private network architecture， uses the system message block SIB 9 and TA value to complete 5G terminal， base station and differential protection device time synchronization design， and then on this basis， builds the channel antiinterference

transmission model. The experimental results show that the transmission rate of the proposed method is higher than 15.31Mbit/s， better than the comparison method. The practical application effect is better.

Key words： 5G mobile communication technology; distribution network; synchronous data transmission