基于5G通信的配網(wǎng)差動保護技術(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保護這類具有絕對選擇性的快速性保護方案替代傳統(tǒng)三段式電流保護。

文獻基于TD-LTE技術(shù)提出了電力無線專網(wǎng)遠程通信架構(gòu),可承擔(dān)配電自動化、配電監(jiān)測終端、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無線通信的自適應(yīng)分布式差動保護系統(tǒng),實現(xiàn)配電網(wǎng)的故障定位和隔離。指出5G對于配電網(wǎng)差動保護具有良好的適配性,可以成為配網(wǎng)差動保護新的數(shù)據(jù)通道。鑒于目前的技術(shù)達不到配電網(wǎng)快速保護的要求,本文采用了時延更低、帶寬更高的5G無線通信技術(shù),能有效推動無線差動保護在配電網(wǎng)中的應(yīng)用。

15G通信技術(shù)的特點

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

對于配電自動化,時延的要求小于10ms,文獻指出,基于4G通信的差動保護不同終端間的端到端時延達100ms,這一延時影響了電流差動保護的實際性能。5G通信的應(yīng)用場景uRLLC克服了穩(wěn)定性方面的缺陷,傳輸可靠性達99.999%,5G通信空中接口時延1ms,端到端時延約10ms,為配電網(wǎng)電流差動保護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)揮獨特優(yōu)勢。可將5G的eMBB、uRLLC和mMTC不同切片技術(shù)與各類業(yè)務(wù)分別對應(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)的典型場景及對應(yīng)各項需求如表1所示。

2配網(wǎng)差動保護實現(xiàn)的幾個關(guān)鍵技術(shù)

2.1配網(wǎng)差動保護數(shù)據(jù)同步研究

基于KCL比較線路兩側(cè)電流的大小,差動保護是線路保護中選擇性、靈敏性、速動性比較高的一種主保護。差動保護對于兩側(cè)的數(shù)據(jù)要求很高,否則電流采樣會產(chǎn)生誤差,導(dǎo)致誤動作,因此差動保護的核心問題是數(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、采樣時刻調(diào)整法、采樣時鐘校準(zhǔn)法、采樣序號調(diào)整法、外部同步信號法、基于參考向量同步法、基于故障信號同步法等。

采樣數(shù)據(jù)修正法由于需要對每一幀數(shù)據(jù)都進行時間扭轉(zhuǎn)修正,需測量通道延時,而5G通信的延遲并不穩(wěn)定精確,因此該方法不能滿足5G條件下差動保護的要求。采樣時刻調(diào)整法要求通信通道雙向延時一致,5G網(wǎng)絡(luò)采用的是非對等傳輸?shù)姆绞?無法滿足要求。采樣時鐘校準(zhǔn)法和采樣時刻調(diào)整法類似,現(xiàn)有的5G非對稱網(wǎng)絡(luò)無法滿足要求。

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

基于參考向量同步法,在線路較長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)變化及電氣量測量存在誤差,參考矢量進行同步對時的精度可能存在不穩(wěn)定性,但可以將參考矢量作為一個輔助同步的算法。

由上述分析可知,對于基于外部信號的同步方法,其精度主要取決于外部時鐘的性能而非通信信道的狀態(tài)。由于配電網(wǎng)對保護可靠性的要求低于輸電網(wǎng),加上外部時鐘設(shè)備的發(fā)展,基于外部信號的同步方法可以作為配電網(wǎng)電流差動保護采樣同步的主要方法。另外,如果進一步考慮保護的可靠性,可以采用基于參考電壓和故障信號的同步方法作為實現(xiàn)保護采樣同步的輔助方法。

2.2網(wǎng)絡(luò)通信延時研究

網(wǎng)絡(luò)延時的研究也是決定基于5G的配電網(wǎng)差動是否切實可行的關(guān)鍵因素:較大延時決定接收端需要更大的緩存保存對側(cè)的數(shù)據(jù),同時也會影響差動的實時性;較大延時也會導(dǎo)致保護終端差動數(shù)據(jù)計算的節(jié)奏控制的復(fù)雜性和無序狀態(tài)增加。研究結(jié)果將直接影響差動保護方案的選取和軟件架構(gòu)的搭建,因此對5G網(wǎng)絡(luò)通信延時的研究是非常有必要的。

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

圖1基于5G的保護方案架構(gòu)圖

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

通信延時測試方案如圖2所示,由于采用TCP/IP協(xié)議,統(tǒng)計時間中含有TCP/IP報文解析時間。

經(jīng)過10000次測試,統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表2所示,其中測試指標(biāo)7d1y如下式所示:

上述測試指標(biāo)和5G宣稱的端到端時延約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,因此保護設(shè)備采用Linux操作系統(tǒng),系統(tǒng)時鐘周期是10ms,對于差動保護這種實時性要求很高的任務(wù),時鐘顆粒度太粗糙,任務(wù)的響應(yīng)時間不可預(yù)測。此外,該時延還包括TCP/IP組包、解包的時間以及CPE本身的延時和5G網(wǎng)絡(luò)的延時。

在現(xiàn)有通信及解碼機制下,差動保護動作時延等于單向數(shù)據(jù)傳輸時延加保護算法固有時延,其中保護算法固有時延小于30ms,單向數(shù)據(jù)傳輸時延小于25ms,因此總時間應(yīng)小于60ms。若進一步優(yōu)化:

(1）采用嵌入式實時操作系統(tǒng),操作系統(tǒng)實時性強,時延準(zhǔn)確,能更好地滿足差動的需求。

(2）在Linux系統(tǒng)中采用增加實時性補丁的方式,提高調(diào)度的實時性。

(3）提升TCP/IP報文的組包和解包的速度,采用可編程門陣列(Fie1d-Programmab1eGateArray,FPGA）進行TCP/IP協(xié)議棧的開發(fā),這種模式可以避免因操作系統(tǒng)TCP/IP調(diào)度帶來的通信延遲,提高通信環(huán)節(jié)的實時性。

(4）在5G嵌入式模塊和保護設(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,采用IEC61850過程層協(xié)議傳輸?shù)闹悄茏冸娬镜膕V報文,延時小于10us,將來采用IEC61850過程層協(xié)議在MAC層進行數(shù)據(jù)通信的模式將是一個很好的探索。

2.3對時方法研究

配網(wǎng)差動保護需借助外部同步信號的輔助才能保證兩側(cè)采集量的同步,且外部時鐘應(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、成本高昂等問題。若采用現(xiàn)有的GPs裝置或者布置對時網(wǎng)絡(luò),難度大,且要考慮成本。

5G通信采用時分雙工制式將接收與傳送信道分離,同時為了減少上下行不一致造成的通信干擾,5G基站的空口時間偏差需做到小于3us。為使多點協(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信號的時間差不能超過循環(huán)前綴,根據(jù)第三代移動通信標(biāo)準(zhǔn)的要求,對于帶內(nèi)連續(xù)載波聚合,低頻信號基站的同步時間偏差需要降低到<260ns。為保證上述要求的實現(xiàn),5G網(wǎng)絡(luò)采用了高精度時間同步組網(wǎng)模型,如圖3所示。

圖35G高精度時間同步組網(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,以雙頻段受電離層影響延遲不同的原理,將基準(zhǔn)源的授時精度改進到30ns,并以國家高精度地面授時專用光纖網(wǎng)絡(luò)參考源作為同步校準(zhǔn)備份。

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

(3）同步接入高精度PTP以太網(wǎng)接口實現(xiàn)局間互聯(lián),根據(jù)衛(wèi)星授時和地面高精度授時信號進行基站時間的調(diào)整和校準(zhǔn)。5G空口300ns授時精度是提供給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間信息。如圖E所示,需要基站提供給CP8設(shè)備授時的能力,而CP8設(shè)備需要在獲取到基站同步時間后,對電力設(shè)備以差分E85口的形式提供PPs/IRIG-B對時,也可以基于網(wǎng)絡(luò)提供1588對時。

目前基站無線授時的相關(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/嵌入式模塊會規(guī)范化,這無疑給差動保護帶來更廣闊的推廣前景。

3示范工程及其結(jié)果

在新疆某10kV線路中進行相關(guān)線路保護裝置樣機的試點應(yīng)用,在配電室及變電站建設(shè)5GsA室內(nèi)站點,測試區(qū)域信號情況如圖5所示。

圖5變電站SA網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋測試結(jié)果

經(jīng)測試可知,變電站區(qū)域為電信sA網(wǎng)絡(luò),場強為-62.5dBm,信號質(zhì)量sINR為33.25dB,站內(nèi)信號覆蓋正常。同時,對下行速率和上行速率進行測試,由圖6可知,變電站內(nèi)sA網(wǎng)絡(luò)下行速率可達到1Gb/s,上行速率大于75Mb/s,速率正常,滿足需求。文中表2是本次時延測試的實際結(jié)果,參數(shù)與指標(biāo)對比,完全滿足要求。本次試點110kV甲站10kV線路,線路長度3.1km,在試驗方案中考慮到Ek采樣率的數(shù)據(jù)太大,現(xiàn)場試用了2k采樣和1.2k采樣的方案,實測發(fā)現(xiàn)1.2k采樣即可達到理想的效果,在5G通信延時滿足條件的情況下,可以在E0～60ms內(nèi)完成差動保護動作。

圖6變電站SA站點的速率測試結(jié)果

4結(jié)語

目前基于5G通信的配網(wǎng)差動相關(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。本文針對目前配網(wǎng)保護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通信條件的差動保護的算法,并對5G差動保護的幾個關(guān)鍵點一通道延時、對時方法、差動算法的選取做了進一步的分析和探討,本文的技術(shù)手段能夠有效推動無線差動保護在配電網(wǎng)中的應(yīng)用。