5G在配电网继电保护中的应用

1、    5g在配电网继电保护中的应用    穆艳妮摘 要：随着风电、光伏等新能源的大量应用，电网规模不断扩大、结构日趋复杂，特高压交直流间耦合日益紧密，大量电力电子设备的不断应用使得电网对故障的承受能力日渐降低，继电保护的性能要求也愈发严苛。当电网拓扑结构复杂或需要多级配合时，传统相互独立的保护无法兼顾速动性和选择性要求，现有电力通信技术已逐渐无法满足电力系统的发展需求，因此必须研究适用于继电保护领域的新型电力信息交互通信技术。关键词：5g;纵联保护;通信异常;继电保护引言：长期以来，配电网继电保护主要依靠本地信息进行故障判别，上下游通过定值整定和时间级

2、差进行配合，故障切除时间长，且不适应存在分布式电源的情形。借助完善的通信手段，上下游保护能够交换更多的信息，构成纵联保护甚至区域保护，可以大幅提高继电保护性能，缩短故障切除时间。在光纤通信基础设施覆盖率低的地区，5g通信以其高速率、大容量、低时延的特性，引起了继电保护工作者的高度关注。然而无线通信的不确定性，需要继电保护本身做一些适应性的改变，通信接口的标准化也亟待解决。1 5g通信承载差动保护的关键技术1.1urllc场景概述urllc场景是5g通信定义的三个应用场景之一，主要面向物联网业务，具有高可靠、低延时的特点。urllc场景对时延的要求是用户面上行、下行时延目标均为0.5ms，对可靠

3、性的要求是用户面时延1ms内传送32字节包的可靠性为99.999%，与差动保护对纵联通道的要求基本一致。为了保证urllc场景对低时延和可靠性的严格要求，5g通信从提高空口传输效率、优化信道编码、扩充无线帧结构、优化网络架构、减少中间传输节点数量等多方面进行了针对性设计。urllc场景承载配电网差动保护业务所应用的关键技术主要包括：sa独立组网、mec边缘计算、网络切片、频谱和天线技术、空口子帧结构等。1.2sa独立组网5gnr的全称为5gnewradio，也称为新空中接口，5gnr是相对于5gcore核心网来说的。4g网络要求空中接口和核心网必须统一演进，而5g网络将其分开，5gnr和5gc

4、ore可以各自独立演进，由此带来了sa独立组网和nsa非独立组网两种方式。在技术层面上，sa独立组网是最佳的选择，但考虑节约投资的原因，现有庞大的4g网络可采用nsa非独立组网方式逐步向5g演进。对比sa和nsa两种组网方式，sa独立组网支持mec边缘计算、网络切片等技术，具备更强的加密算法、更安全的隐私设置、更低的网络延时和更高的可靠性。理论上sa独立组网相较于nsa非独立组网更适合配电网差动保护业务的实施，具体网络性能还需要进一步验证。1.3mec边缘计算5g核心网相较4g核心网而言，重新定义为核心网和mec（mobileedgecomputing）边缘计算两部分。mec将原有核心网的部分

5、用户面功能下沉至边缘云计算，改变了原有通信必须全部经过核心网传输的方式，提供了一种在mec进行计算和传输的服务，能够有效地降低通信延时，降低核心网流量负担。mec的思想类似于计算机的内存和缓存，将常用的信息存储在mec，或者将特有的信息经过mec进行快速转发，能够降低用户的通信延时。用户平面功能（userplanefunction，upf）是mec系统的重要组成网元，主要用于处理数据在边缘网络的分发导流。在配电网差动保护的应用中，使用upf下沉技术能够进一步缩短传输路径，降低差动保护的通信延时。配电网差动保护在使用mec边缘计算和upf下沉技术时，通信数据传输路径可直接通过upf导流，不必再经

6、过核心网，可进一步降低延时。2基于5g通信的继电保护信息交互技术2.1基于5g通信的电网继电保护通信性能需求基于5g通信的纵联保护的报文格式、网络带宽、通道时延、通道稳定性应满足现有继电保护技术的需求。5g通信网络传输tcp/ip协议网络层报文，其核心为tcp和udp协议。纵联保护纵联信息现有光纤传输模式和udp协议类似，属于非“面向连接”报文，信息的发送和接收无需两端先建立连接和对话确认。考虑到现有光纤传输模式的延续性，基于5g通信的电网继电保护信息交互报文类型宜优先采用udp报文。整个通信帧除应用数据外共有58字节，加上udp报文前导码8字节，帧间距12字节，共78字节。应用数据按照传输数

7、据较多纵联差动保护装置考虑，传输信息包括三相电流采样值或相量值、三相电压采样值或相量值、地址码、采样序号或时标和应用层加密的数字认证字段，考虑一定备用扩展裕度，纵联通道的设计报文长度小于170字节。工程应用中纵联通道的发送采样值的频率大部分为1200帧/s，因此单个装置占用5g带宽小于1.65mbps。2.2基于5g通信的电网继电保护信息流架构结合不同电压等级电力线路的地理距离和5g通信网络的接入环、汇聚环、核心环的覆盖范围，应用边缘计算技术，配电网实现保护信息的交互宜在同一接入环完成，110kv电力网络的保护信息交互宜在汇聚环完成，220kv电力网络的保护信息交互宜在核心环完成。联保护技术中

8、，线路两侧点对点通过网络传输电力信息。保护装置通过安装所在地基站无线连接至5g接入环;采用网络切片技术实现虚拟专用网络、专用带宽，保证传输稳定性;采用边缘计算技术，实现传输路由最优，缩短传输延时，提升稳定性。针对核心网，为满足继电保护传输时延要求，专网切片中应当提供专用的具备边缘计算功能（mec）的用户端口功能（upf）用于接入和转发数据流量。根据时延需求估算，当网络侧时延要求10ms及以下时，建议部署upf在普通汇聚或基站点机房;网络侧时延要求为1020ms时，建議部署upf在传输距离不超过200km的骨干汇聚机房或城域核心机房;网络侧时延要求为2030ms时，建议部署upf在传输距离不超过

9、500km的城域核心或省中心机房。针对传输网，为满足继电保护业务具备确定性服务质量的承载要求，切片分组网络（spn）引入灵活以太网（flexe）技术和分段路由技术（sr-tp），在转发层面提供基于时分链路的端到端传输管道，具有低时延、透明传输、硬隔离等特征。可实现客户数据的接入/恢复、增加/删除操作维护管理（oam）信息、数据流的交叉连接，以及监控和保护等功能。2.3基于5g通信的电网继电保护信息加密技术电网业务作为5g通信网络中的一部分业务，一般是通过网络切片方式实现业务之间的无线频谱资源的隔离，进而满足继电保护通信安全性的要求。无线频谱资源的隔离可以分为物理隔离和逻辑隔离。物理隔离方式的覆

10、盖范围、覆盖效果、传输速度、资源分配灵活性通常不如共享频谱，并且频谱租赁代价极为高昂;且逻辑隔离方式也分为软隔离和硬隔离技术，其中，软隔离通过虚拟局域网（vlan）标签与网络切片标识的映射实现隔离，无法做到硬件、时隙层面的隔离;硬隔离方案基于灵活以太网（flexe）技术实现独占时隙的特性。结束语：本文介绍了5gurllc场景实现低延时、高可靠通信的关键技术，分析了差动保护采用5g通信时的技术难点，提出了一种基于5g通信的配电网差动保护实现方案，验证了5g通信技术承载配电网差动保护业务的可行性。基于5g通信的差动保护性能可以满足配电网对保护的要求。参考文献：1吴丽莎，罗涛，王淋漓，李超，江俊宝.5g技术在配电网中的应用展望j.科技风，2019（28）：102.2吕玉祥，杨阳，