基于5G通信的配网差动保护技术研究

引言

随着新能源并网占比的持续增加和系统中固态变压器等设备的大量使用,原有保护配置方案及整定原则受到了严峻的挑战:和传统的同步发电机组不同的是,分布式电源的故障特征由故障期间的控制策略决定,其故障电流水平低,持续提供故障电流能力弱,导致原有配电网三段式电流保护整定原则不可用。灵活分布式电源接入导致配电网从单端放射式网络演变为多电源网络,原有的配电网保护配置方案不能有效适应配电网结构的变化,配电网迫切需要以电流差动保护这类具有绝对选择性的快速性保护方案替代传统三段式电流保护。

文献基于TD-LTE技术提出了电力无线专网远程通信架构,可承担配电自动化、配电监测终端、电力用户信息采集及视频监控等业务。提出了一种基于4G无线通信的自适应分布式差动保护系统,实现配电网的故障定位和隔离。指出5G对于配电网差动保护具有良好的适配性,可以成为配网差动保护新的数据通道。鉴于目前的技术达不到配电网快速保护的要求,本文采用了时延更低、带宽更高的5G无线通信技术,能有效推动无线差动保护在配电网中的应用。

15G通信技术的特点

5G是一种全新的网络架构,能提供10Gb/s以上的带宽、毫秒级时延及超高密度连接,多角度、全方位提升了通信网性能。国际电信联盟(International Telecommunication Union,ITU）依据5G通信特点为其定义了三大场景:增强移动带宽(Enhanced Mobile Broadband,eMBB）、超高可靠低时延通信(Ultra-reliable and Low-Latency Communications,uRLLC）、大规模机器类通信(Massive Machine Type Com-munication,mMTC）。相对应ITU的三大场景,IMT2020提出了网络连接方面的连续广域覆盖、热点高容量、低时延高可靠和低功耗这四类场景。

对于配电自动化,时延的要求小于10ms,文献指出,基于4G通信的差动保护不同终端间的端到端时延达100ms,这一延时影响了电流差动保护的实际性能。5G通信的应用场景uRLLC克服了稳定性方面的缺陷,传输可靠性达99.999%,5G通信空中接口时延1ms,端到端时延约10ms,为配电网电流差动保护的配置提供了一种很有效的方法。从全业务通信网的研究聚焦至电力物联网的配用电环节通信业务,5G通信所具备的上述特性可以在配电通信网"最后一公里"的通信覆盖工作中发挥独特优势。可将5G的eMBB、uRLLC和mMTC不同切片技术与各类业务分别对应适用,这表明5G网络能够在智能电网通信网建设中发挥关键作用。电力物联网中通信业务的典型场景及对应各项需求如表1所示。

2配网差动保护实现的几个关键技术

2.1配网差动保护数据同步研究

基于KCL比较线路两侧电流的大小,差动保护是线路保护中选择性、灵敏性、速动性比较高的一种主保护。差动保护对于两侧的数据要求很高,否则电流采样会产生误差,导致误动作,因此差动保护的核心问题是数据同步。目前,数据同步方法有采样数据修正法、采样时刻调整法、采样时钟校准法、采样序号调整法、外部同步信号法、基于参考向量同步法、基于故障信号同步法等。

采样数据修正法由于需要对每一帧数据都进行时间扭转修正,需测量通道延时,而5G通信的延迟并不稳定精确,因此该方法不能满足5G条件下差动保护的要求。采样时刻调整法要求通信通道双向延时一致,5G网络采用的是非对等传输的方式,无法满足要求。采样时钟校准法和采样时刻调整法类似,现有的5G非对称网络无法满足要求。

外部同步信号法是利用外部GPs设备或其他设备输入的同步脉冲进行同步的方法,该方法满足采样的要求,但外部时钟故障导致两侧保护采样数据失步,则差动保护可能误动。

基于参考向量同步法,在线路较长且线路模型不精确的情况下,存在一定的同步精度误差。由于输电线路参数变化及电气量测量存在误差,参考矢量进行同步对时的精度可能存在不稳定性,但可以将参考矢量作为一个辅助同步的算法。

由上述分析可知,对于基于外部信号的同步方法,其精度主要取决于外部时钟的性能而非通信信道的状态。由于配电网对保护可靠性的要求低于输电网,加上外部时钟设备的发展,基于外部信号的同步方法可以作为配电网电流差动保护采样同步的主要方法。另外,如果进一步考虑保护的可靠性,可以采用基于参考电压和故障信号的同步方法作为实现保护采样同步的辅助方法。

2.2网络通信延时研究

网络延时的研究也是决定基于5G的配电网差动是否切实可行的关键因素:较大延时决定接收端需要更大的缓存保存对侧的数据,同时也会影响差动的实时性;较大延时也会导致保护终端差动数据计算的节奏控制的复杂性和无序状态增加。研究结果将直接影响差动保护方案的选取和软件架构的搭建,因此对5G网络通信延时的研究是非常有必要的。

配网保护装置要接入5G网络,需要借助5G电力通信终端,因此目前基于5G的保护方案如图1所示。

图1基于5G的保护方案架构图

保护装置通过5GCPE接入5G基站,然后通过5G基站接入核心网,CPE和保护装置的连接方式是网线,目前只能通过TCP/IP方式交互数据。

通信延时测试方案如图2所示,由于采用TCP/IP协议,统计时间中含有TCP/IP报文解析时间。

经过10000次测试,统计数据如表2所示,其中测试指标7d1y如下式所示:

上述测试指标和5G宣称的端到端时延约10ms的指标有差距,原因在于,目前设备和CPE之间的连接方式为网络接口,通过TCP/IP协议通信转发,TCP/IP需要系统调度,因此保护设备采用Linux操作系统,系统时钟周期是10ms,对于差动保护这种实时性要求很高的任务,时钟颗粒度太粗糙,任务的响应时间不可预测。此外,该时延还包括TCP/IP组包、解包的时间以及CPE本身的延时和5G网络的延时。

在现有通信及解码机制下,差动保护动作时延等于单向数据传输时延加保护算法固有时延,其中保护算法固有时延小于30ms,单向数据传输时延小于25ms,因此总时间应小于60ms。若进一步优化:

(1）采用嵌入式实时操作系统,操作系统实时性强,时延准确,能更好地满足差动的需求。

(2）在Linux系统中采用增加实时性补丁的方式,提高调度的实时性。

(3）提升TCP/IP报文的组包和解包的速度,采用可编程门阵列(Fie1d-Programmab1eGateArray,FPGA）进行TCP/IP协议栈的开发,这种模式可以避免因操作系统TCP/IP调度带来的通信延迟,提高通信环节的实时性。

(4）在5G嵌入式模块和保护设备之间采用基于MAC层的数据交互,基于MAC层的数据交互省去了TCP/IP环节的延时,采用IEC61850过程层协议传输的智能变电站的sV报文,延时小于10us,将来采用IEC61850过程层协议在MAC层进行数据通信的模式将是一个很好的探索。

2.3对时方法研究

配网差动保护需借助外部同步信号的辅助才能保证两侧采集量的同步,且外部时钟应用广泛、同步精度高、各种接口丰富,如果应用到配网中,存在区域分散、成本高昂等问题。若采用现有的GPs装置或者布置对时网络,难度大,且要考虑成本。

5G通信采用时分双工制式将接收与传送信道分离,同时为了减少上下行不一致造成的通信干扰,5G基站的空口时间偏差需做到小于3us。为使多点协作、载波聚合等站间协同技术拓展更广阔的应用前景,确保协同有效,5G技术要求接收不同同步采样点信号的时间差不能超过循环前缀,根据第三代移动通信标准的要求,对于带内连续载波聚合,低频信号基站的同步时间偏差需要降低到<260ns。为保证上述要求的实现,5G网络采用了高精度时间同步组网模型,如图3所示。

图35G高精度时间同步组网模型

图4基站和终端的同步方式

采用如下技术:

(1）基准源双频接收载波信号,以双频段受电离层影响延迟不同的原理,将基准源的授时精度改进到30ns,并以国家高精度地面授时专用光纤网络参考源作为同步校准备份。

(2）基于1588v2高精度时间同步技术优化时间同步网,分层次实现不同设备的时间同步精度,从而改善整体系统的对时水平。

(3）同步接入高精度PTP以太网接口实现局间互联,根据卫星授时和地面高精度授时信号进行基站时间的调整和校准。5G空口300ns授时精度是提供给5G网络基站的能力,在电力行业传统接口提供给终端设备使用,则需要CP8设备首先从基站获取时间信息。如图E所示,需要基站提供给CP8设备授时的能力,而CP8设备需要在获取到基站同步时间后,对电力设备以差分E85口的形式提供PPs/IRIG-B对时,也可以基于网络提供1588对时。

目前基站无线授时的相关标准并未有明确标准,具备相关功能的CP8设备/嵌入式模块尚未出现,但是随着5G技术的不断发展,相关CP8设备/嵌入式模块会规范化,这无疑给差动保护带来更广阔的推广前景。

3示范工程及其结果

在新疆某10kV线路中进行相关线路保护装置样机的试点应用,在配电室及变电站建设5GsA室内站点,测试区域信号情况如图5所示。

图5变电站SA网络信号覆盖测试结果

经测试可知,变电站区域为电信sA网络,场强为-62.5dBm,信号质量sINR为33.25dB,站内信号覆盖正常。同时,对下行速率和上行速率进行测试,由图6可知,变电站内sA网络下行速率可达到1Gb/s,上行速率大于75Mb/s,速率正常,满足需求。文中表2是本次时延测试的实际结果,参数与指标对比,完全满足要求。本次试点110kV甲站10kV线路,线路长度3.1km,在试验方案中考虑到Ek采样率的数据太大,现场试用了2k采样和1.2k采样的方案,实测发现1.2k采样即可达到理想的效果,在5G通信延时满足条件的情况下,可以在E0～60ms内完成差动保护动作。

图6变电站SA站点的速率测试结果

4结语

目前基于5G通信的配网差动相关研究较少,随着研究的不断深入,该技术必将不断得到完善。本文针对目前配网保护功能方面存在的不足,结合5G通信技术,提出了适用于5G通信条件的差动保护的算法,并对5G差动保护的几个关键点一通道延时、对时方法、差动算法的选取做了进一步的分析和探讨,本文的技术手段能够有效推动无线差动保护在配电网中的应用。