基于5G通信的配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)技術(shù)研究

引言

隨著新能源并網(wǎng)占比的持續(xù)增加和系統(tǒng)中固態(tài)變壓器等設(shè)備的大量使用,原有保護(hù)配置方案及整定原則受到了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn):和傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)組不同的是,分布式電源的故障特征由故障期間的控制策略決定,其故障電流水平低,持續(xù)提供故障電流能力弱,導(dǎo)致原有配電網(wǎng)三段式電流保護(hù)整定原則不可用。靈活分布式電源接入導(dǎo)致配電網(wǎng)從單端放射式網(wǎng)絡(luò)演變?yōu)槎嚯娫淳W(wǎng)絡(luò),原有的配電網(wǎng)保護(hù)配置方案不能有效適應(yīng)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的變化,配電網(wǎng)迫切需要以電流差動(dòng)保護(hù)這類(lèi)具有絕對(duì)選擇性的快速性保護(hù)方案替代傳統(tǒng)三段式電流保護(hù)。

文獻(xiàn)基于TD-LTE技術(shù)提出了電力無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)遠(yuǎn)程通信架構(gòu),可承擔(dān)配電自動(dòng)化、配電監(jiān)測(cè)終端、電力用戶信息采集及視頻監(jiān)控等業(yè)務(wù)。提出了一種基于4G無(wú)線通信的自適應(yīng)分布式差動(dòng)保護(hù)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的故障定位和隔離。指出5G對(duì)于配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)具有良好的適配性,可以成為配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)新的數(shù)據(jù)通道。鑒于目前的技術(shù)達(dá)不到配電網(wǎng)快速保護(hù)的要求,本文采用了時(shí)延更低、帶寬更高的5G無(wú)線通信技術(shù),能有效推動(dòng)無(wú)線差動(dòng)保護(hù)在配電網(wǎng)中的應(yīng)用。

15G通信技術(shù)的特點(diǎn)

5G是一種全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),能提供10Gb/s以上的帶寬、毫秒級(jí)時(shí)延及超高密度連接,多角度、全方位提升了通信網(wǎng)性能。國(guó)際電信聯(lián)盟(International Telecommunication Union,ITU）依據(jù)5G通信特點(diǎn)為其定義了三大場(chǎng)景:增強(qiáng)移動(dòng)帶寬(Enhanced Mobile Broadband,eMBB）、超高可靠低時(shí)延通信(Ultra-reliable and Low-Latency Communications,uRLLC）、大規(guī)模機(jī)器類(lèi)通信(Massive Machine Type Com-munication,mMTC）。相對(duì)應(yīng)ITU的三大場(chǎng)景,IMT2020提出了網(wǎng)絡(luò)連接方面的連續(xù)廣域覆蓋、熱點(diǎn)高容量、低時(shí)延高可靠和低功耗這四類(lèi)場(chǎng)景。

對(duì)于配電自動(dòng)化,時(shí)延的要求小于10ms,文獻(xiàn)指出,基于4G通信的差動(dòng)保護(hù)不同終端間的端到端時(shí)延達(dá)100ms,這一延時(shí)影響了電流差動(dòng)保護(hù)的實(shí)際性能。5G通信的應(yīng)用場(chǎng)景uRLLC克服了穩(wěn)定性方面的缺陷,傳輸可靠性達(dá)99.999%,5G通信空中接口時(shí)延1ms,端到端時(shí)延約10ms,為配電網(wǎng)電流差動(dòng)保護(hù)的配置提供了一種很有效的方法。從全業(yè)務(wù)通信網(wǎng)的研究聚焦至電力物聯(lián)網(wǎng)的配用電環(huán)節(jié)通信業(yè)務(wù),5G通信所具備的上述特性可以在配電通信網(wǎng)"最后一公里"的通信覆蓋工作中發(fā)揮獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。可將5G的eMBB、uRLLC和mMTC不同切片技術(shù)與各類(lèi)業(yè)務(wù)分別對(duì)應(yīng)適用,這表明5G網(wǎng)絡(luò)能夠在智能電網(wǎng)通信網(wǎng)建設(shè)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。電力物聯(lián)網(wǎng)中通信業(yè)務(wù)的典型場(chǎng)景及對(duì)應(yīng)各項(xiàng)需求如表1所示。

2配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)實(shí)現(xiàn)的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)

2.1配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)數(shù)據(jù)同步研究

基于KCL比較線路兩側(cè)電流的大小,差動(dòng)保護(hù)是線路保護(hù)中選擇性、靈敏性、速動(dòng)性比較高的一種主保護(hù)。差動(dòng)保護(hù)對(duì)于兩側(cè)的數(shù)據(jù)要求很高,否則電流采樣會(huì)產(chǎn)生誤差,導(dǎo)致誤動(dòng)作,因此差動(dòng)保護(hù)的核心問(wèn)題是數(shù)據(jù)同步。目前,數(shù)據(jù)同步方法有采樣數(shù)據(jù)修正法、采樣時(shí)刻調(diào)整法、采樣時(shí)鐘校準(zhǔn)法、采樣序號(hào)調(diào)整法、外部同步信號(hào)法、基于參考向量同步法、基于故障信號(hào)同步法等。

采樣數(shù)據(jù)修正法由于需要對(duì)每一幀數(shù)據(jù)都進(jìn)行時(shí)間扭轉(zhuǎn)修正,需測(cè)量通道延時(shí),而5G通信的延遲并不穩(wěn)定精確,因此該方法不能滿足5G條件下差動(dòng)保護(hù)的要求。采樣時(shí)刻調(diào)整法要求通信通道雙向延時(shí)一致,5G網(wǎng)絡(luò)采用的是非對(duì)等傳輸?shù)姆绞?無(wú)法滿足要求。采樣時(shí)鐘校準(zhǔn)法和采樣時(shí)刻調(diào)整法類(lèi)似,現(xiàn)有的5G非對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)無(wú)法滿足要求。

外部同步信號(hào)法是利用外部GPs設(shè)備或其他設(shè)備輸入的同步脈沖進(jìn)行同步的方法,該方法滿足采樣的要求,但外部時(shí)鐘故障導(dǎo)致兩側(cè)保護(hù)采樣數(shù)據(jù)失步,則差動(dòng)保護(hù)可能誤動(dòng)。

基于參考向量同步法,在線路較長(zhǎng)且線路模型不精確的情況下,存在一定的同步精度誤差。由于輸電線路參數(shù)變化及電氣量測(cè)量存在誤差,參考矢量進(jìn)行同步對(duì)時(shí)的精度可能存在不穩(wěn)定性,但可以將參考矢量作為一個(gè)輔助同步的算法。

由上述分析可知,對(duì)于基于外部信號(hào)的同步方法,其精度主要取決于外部時(shí)鐘的性能而非通信信道的狀態(tài)。由于配電網(wǎng)對(duì)保護(hù)可靠性的要求低于輸電網(wǎng),加上外部時(shí)鐘設(shè)備的發(fā)展,基于外部信號(hào)的同步方法可以作為配電網(wǎng)電流差動(dòng)保護(hù)采樣同步的主要方法。另外,如果進(jìn)一步考慮保護(hù)的可靠性,可以采用基于參考電壓和故障信號(hào)的同步方法作為實(shí)現(xiàn)保護(hù)采樣同步的輔助方法。

2.2網(wǎng)絡(luò)通信延時(shí)研究

網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的研究也是決定基于5G的配電網(wǎng)差動(dòng)是否切實(shí)可行的關(guān)鍵因素:較大延時(shí)決定接收端需要更大的緩存保存對(duì)側(cè)的數(shù)據(jù),同時(shí)也會(huì)影響差動(dòng)的實(shí)時(shí)性;較大延時(shí)也會(huì)導(dǎo)致保護(hù)終端差動(dòng)數(shù)據(jù)計(jì)算的節(jié)奏控制的復(fù)雜性和無(wú)序狀態(tài)增加。研究結(jié)果將直接影響差動(dòng)保護(hù)方案的選取和軟件架構(gòu)的搭建,因此對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)通信延時(shí)的研究是非常有必要的。

配網(wǎng)保護(hù)裝置要接入5G網(wǎng)絡(luò),需要借助5G電力通信終端,因此目前基于5G的保護(hù)方案如圖1所示。

圖1基于5G的保護(hù)方案架構(gòu)圖

保護(hù)裝置通過(guò)5GCPE接入5G基站,然后通過(guò)5G基站接入核心網(wǎng),CPE和保護(hù)裝置的連接方式是網(wǎng)線,目前只能通過(guò)TCP/IP方式交互數(shù)據(jù)。

通信延時(shí)測(cè)試方案如圖2所示,由于采用TCP/IP協(xié)議,統(tǒng)計(jì)時(shí)間中含有TCP/IP報(bào)文解析時(shí)間。

經(jīng)過(guò)10000次測(cè)試,統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表2所示,其中測(cè)試指標(biāo)7d1y如下式所示:

上述測(cè)試指標(biāo)和5G宣稱的端到端時(shí)延約10ms的指標(biāo)有差距,原因在于,目前設(shè)備和CPE之間的連接方式為網(wǎng)絡(luò)接口,通過(guò)TCP/IP協(xié)議通信轉(zhuǎn)發(fā),TCP/IP需要系統(tǒng)調(diào)度,因此保護(hù)設(shè)備采用Linux操作系統(tǒng),系統(tǒng)時(shí)鐘周期是10ms,對(duì)于差動(dòng)保護(hù)這種實(shí)時(shí)性要求很高的任務(wù),時(shí)鐘顆粒度太粗糙,任務(wù)的響應(yīng)時(shí)間不可預(yù)測(cè)。此外,該時(shí)延還包括TCP/IP組包、解包的時(shí)間以及CPE本身的延時(shí)和5G網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)。

在現(xiàn)有通信及解碼機(jī)制下,差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)延等于單向數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延加保護(hù)算法固有時(shí)延,其中保護(hù)算法固有時(shí)延小于30ms,單向數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延小于25ms,因此總時(shí)間應(yīng)小于60ms。若進(jìn)一步優(yōu)化:

(1）采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性強(qiáng),時(shí)延準(zhǔn)確,能更好地滿足差動(dòng)的需求。

(2）在Linux系統(tǒng)中采用增加實(shí)時(shí)性補(bǔ)丁的方式,提高調(diào)度的實(shí)時(shí)性。

(3）提升TCP/IP報(bào)文的組包和解包的速度,采用可編程門(mén)陣列(Fie1d-Programmab1eGateArray,FPGA）進(jìn)行TCP/IP協(xié)議棧的開(kāi)發(fā),這種模式可以避免因操作系統(tǒng)TCP/IP調(diào)度帶來(lái)的通信延遲,提高通信環(huán)節(jié)的實(shí)時(shí)性。

(4）在5G嵌入式模塊和保護(hù)設(shè)備之間采用基于MAC層的數(shù)據(jù)交互,基于MAC層的數(shù)據(jù)交互省去了TCP/IP環(huán)節(jié)的延時(shí),采用IEC61850過(guò)程層協(xié)議傳輸?shù)闹悄茏冸娬镜膕V報(bào)文,延時(shí)小于10us,將來(lái)采用IEC61850過(guò)程層協(xié)議在MAC層進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的模式將是一個(gè)很好的探索。

2.3對(duì)時(shí)方法研究

配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)需借助外部同步信號(hào)的輔助才能保證兩側(cè)采集量的同步,且外部時(shí)鐘應(yīng)用廣泛、同步精度高、各種接口豐富,如果應(yīng)用到配網(wǎng)中,存在區(qū)域分散、成本高昂等問(wèn)題。若采用現(xiàn)有的GPs裝置或者布置對(duì)時(shí)網(wǎng)絡(luò),難度大,且要考慮成本。

5G通信采用時(shí)分雙工制式將接收與傳送信道分離,同時(shí)為了減少上下行不一致造成的通信干擾,5G基站的空口時(shí)間偏差需做到小于3us。為使多點(diǎn)協(xié)作、載波聚合等站間協(xié)同技術(shù)拓展更廣闊的應(yīng)用前景,確保協(xié)同有效,5G技術(shù)要求接收不同同步采樣點(diǎn)信號(hào)的時(shí)間差不能超過(guò)循環(huán)前綴,根據(jù)第三代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)的要求,對(duì)于帶內(nèi)連續(xù)載波聚合,低頻信號(hào)基站的同步時(shí)間偏差需要降低到<260ns。為保證上述要求的實(shí)現(xiàn),5G網(wǎng)絡(luò)采用了高精度時(shí)間同步組網(wǎng)模型,如圖3所示。

圖35G高精度時(shí)間同步組網(wǎng)模型

圖4基站和終端的同步方式

采用如下技術(shù):

(1）基準(zhǔn)源雙頻接收載波信號(hào),以雙頻段受電離層影響延遲不同的原理,將基準(zhǔn)源的授時(shí)精度改進(jìn)到30ns,并以國(guó)家高精度地面授時(shí)專(zhuān)用光纖網(wǎng)絡(luò)參考源作為同步校準(zhǔn)備份。

(2）基于1588v2高精度時(shí)間同步技術(shù)優(yōu)化時(shí)間同步網(wǎng),分層次實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備的時(shí)間同步精度,從而改善整體系統(tǒng)的對(duì)時(shí)水平。

(3）同步接入高精度PTP以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)局間互聯(lián),根據(jù)衛(wèi)星授時(shí)和地面高精度授時(shí)信號(hào)進(jìn)行基站時(shí)間的調(diào)整和校準(zhǔn)。5G空口300ns授時(shí)精度是提供給5G網(wǎng)絡(luò)基站的能力,在電力行業(yè)傳統(tǒng)接口提供給終端設(shè)備使用,則需要CP8設(shè)備首先從基站獲取時(shí)間信息。如圖E所示,需要基站提供給CP8設(shè)備授時(shí)的能力,而CP8設(shè)備需要在獲取到基站同步時(shí)間后,對(duì)電力設(shè)備以差分E85口的形式提供PPs/IRIG-B對(duì)時(shí),也可以基于網(wǎng)絡(luò)提供1588對(duì)時(shí)。

目前基站無(wú)線授時(shí)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)并未有明確標(biāo)準(zhǔn),具備相關(guān)功能的CP8設(shè)備/嵌入式模塊尚未出現(xiàn),但是隨著5G技術(shù)的不斷發(fā)展,相關(guān)CP8設(shè)備/嵌入式模塊會(huì)規(guī)范化,這無(wú)疑給差動(dòng)保護(hù)帶來(lái)更廣闊的推廣前景。

3示范工程及其結(jié)果

在新疆某10kV線路中進(jìn)行相關(guān)線路保護(hù)裝置樣機(jī)的試點(diǎn)應(yīng)用,在配電室及變電站建設(shè)5GsA室內(nèi)站點(diǎn),測(cè)試區(qū)域信號(hào)情況如圖5所示。

圖5變電站SA網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋測(cè)試結(jié)果

經(jīng)測(cè)試可知,變電站區(qū)域?yàn)殡娦舠A網(wǎng)絡(luò),場(chǎng)強(qiáng)為-62.5dBm,信號(hào)質(zhì)量sINR為33.25dB,站內(nèi)信號(hào)覆蓋正常。同時(shí),對(duì)下行速率和上行速率進(jìn)行測(cè)試,由圖6可知,變電站內(nèi)sA網(wǎng)絡(luò)下行速率可達(dá)到1Gb/s,上行速率大于75Mb/s,速率正常,滿足需求。文中表2是本次時(shí)延測(cè)試的實(shí)際結(jié)果,參數(shù)與指標(biāo)對(duì)比,完全滿足要求。本次試點(diǎn)110kV甲站10kV線路,線路長(zhǎng)度3.1km,在試驗(yàn)方案中考慮到Ek采樣率的數(shù)據(jù)太大,現(xiàn)場(chǎng)試用了2k采樣和1.2k采樣的方案,實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)1.2k采樣即可達(dá)到理想的效果,在5G通信延時(shí)滿足條件的情況下,可以在E0～60ms內(nèi)完成差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。

圖6變電站SA站點(diǎn)的速率測(cè)試結(jié)果

4結(jié)語(yǔ)

目前基于5G通信的配網(wǎng)差動(dòng)相關(guān)研究較少,隨著研究的不斷深入,該技術(shù)必將不斷得到完善。本文針對(duì)目前配網(wǎng)保護(hù)功能方面存在的不足,結(jié)合5G通信技術(shù),提出了適用于5G通信條件的差動(dòng)保護(hù)的算法,并對(duì)5G差動(dòng)保護(hù)的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)一通道延時(shí)、對(duì)時(shí)方法、差動(dòng)算法的選取做了進(jìn)一步的分析和探討,本文的技術(shù)手段能夠有效推動(dòng)無(wú)線差動(dòng)保護(hù)在配電網(wǎng)中的應(yīng)用。