引言

隨著新能源并網占比的持續(xù)增加和系統(tǒng)中固態(tài)變壓器等設備的大量使用,原有保護配置方案及整定原則受到了嚴峻的挑戰(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,導致原有配電網三段式電流保護整定原則不可用。靈活分布式電源接入導致配電網從單端放射式網絡演變?yōu)槎嚯娫淳W絡,原有的配電網保護配置方案不能有效適應配電網結構的變化,配電網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技術提出了電力無線專網遠程通信架構,可承擔配電自動化、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。提出了一種基于4G無線通信的自適應分布式差動保護系統(tǒng),實現配電網的故障定位和隔離。指出5G對于配電網差動保護具有良好的適配性,可以成為配網差動保護新的數據通道。鑒于目前的技術達不到配電網快速保護的要求,本文采用了時延更低、帶寬更高的5G無線通信技術,能有效推動無線差動保護在配電網中的應用。

15G通信技術的特點

5G是一種全新的網絡架構,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性能。國際電信聯盟(International Telecommunication Union,ITU）依據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ITU的三大場景,IMT2020提出了網絡連接方面的連續(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)務通信網的研究聚焦至電力物聯網的配用電環(huán)節(jié)通信業(yè)務,5G通信所具備的上述特性可以在配電通信網"最后一公里"的通信覆蓋工作中發(fā)揮獨特優(yōu)勢?？蓪?G的eMBB、uRLLC和mMTC不同切片技術與各類業(yè)務分別對應適用,這表明5G網絡能夠在智能電網通信網建設中發(fā)揮關鍵作用。電力物聯網中通信業(yè)務的典型場景及對應各項需求如表1所示。

2配網差動保護實現的幾個關鍵技術

2.1配網差動保護數據同步研究

基于KCL比較線路兩側電流的大小,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。差動保護對于兩側的數據要求很高,否則電流采樣會產生誤差,導致誤動作,因此差動保護的核心問題是數據同步。目前,數據同步方法有采樣數據修正法、采樣時刻調整法、采樣時鐘校準法、采樣序號調整法、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。

采樣數據修正法由于需要對每一幀數據都進行時間扭轉修正,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。采樣時刻調整法要求通信通道雙向延時一致,5G網絡采用的是非對等傳輸的方式,無法滿足要求。采樣時鐘校準法和采樣時刻調整法類似,現有的5G非對稱網絡無法滿足要求。

外部同步信號法是利用外部GPs設備或其他設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,但外部時鐘故障導致兩側保護采樣數據失步,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)。由于配電網對保護可靠性的要求低于輸電網,加上外部時鐘設備的發(fā)展,基于外部信號的同步方法可以作為配電網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保護采樣同步的輔助方法。

2.2網絡通信延時研究

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

配網保護裝置要接入5G網絡,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,CPE和保護裝置的連接方式是網線,目前只能通過TCP/IP方式交互數據。

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

經過10000次測試,統(tǒng)計數據如表2所示,其中測試指標7d1y如下式所示:

上述測試指標和5G宣稱的端到端時延約10ms的指標有差距,原因在于,目前設備和CPE之間的連接方式為網絡接口,通過TCP/IP協議通信轉發(fā),TCP/IP需要系統(tǒng)調度,因此保護設備采用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,時鐘顆粒度太粗糙,任務的響應時間不可預測。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網絡的延時。

在現有通信及解碼機制下,差動保護動作時延等于單向數據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,單向數據傳輸時延小于25ms,因此總時間應小于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協議棧的開發(fā),這種模式可以避免因操作系統(tǒng)TCP/IP調度帶來的通信延遲,提高通信環(huán)節(jié)的實時性。

(4）在5G嵌入式模塊和保護設備之間采用基于MAC層的數據交互,基于MAC層的數據交互省去了TCP/IP環(huán)節(jié)的延時,采用IEC61850過程層協議傳輸的智能變電站的sV報文,延時小于10us,將來采用IEC61850過程層協議在MAC層進行數據通信的模式將是一個很好的探索。

2.3對時方法研究

配網差動保護需借助外部同步信號的輔助才能保證兩側采集量的同步,且外部時鐘應用廣泛、同步精度高、各種接口豐富,如果應用到配網中,存在區(qū)域分散、成本高昂等問題。若采用現有的GPs裝置或者布置對時網絡,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。為使多點協作、載波聚合等站間協同技術拓展更廣闊的應用前景,確保協同有效,5G技術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,根據第三代移動通信標準的要求,對于帶內連續(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,5G網絡采用了高精度時間同步組網模型,如圖3所示。

圖35G高精度時間同步組網模型

圖4基站和終端的同步方式

采用如下技術:

(1）基準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絡參考源作為同步校準備份。

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

(3）同步接入高精度PTP以太網接口實現局間互聯,根據衛(wèi)星授時和地面高精度授時信號進行基站時間的調整和校準。5G空口300ns授時精度是提供給5G網絡基站的能力,在電力行業(yè)傳統(tǒng)接口提供給終端設備使用,則需要CP8設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設備授時的能力,而CP8設備需要在獲取到基站同步時間后,對電力設備以差分E85口的形式提供PPs/IRIG-B對時,也可以基于網絡提供1588對時。

目前基站無線授時的相關標準并未有明確標準,具備相關功能的CP8設備/嵌入式模塊尚未出現,但是隨著5G技術的不斷發(fā)展,相關CP8設備/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示范工程及其結果

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

圖5變電站SA網絡信號覆蓋測試結果

經測試可知,變電站區(qū)域為電信sA網絡,場強為-62.5dBm,信號質量sINR為33.25dB,站內信號覆蓋正常。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sA網絡下行速率可達到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果,參數與指標對比,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采樣率的數據太大,現場試用了2k采樣和1.2k采樣的方案,實測發(fā)現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內完成差動保護動作。

圖6變電站SA站點的速率測試結果

4結語

目前基于5G通信的配網差動相關研究較少,隨著研究的不斷深入,該技術必將不斷得到完善。本文針對目前配網保護功能方面存在的不足,結合5G通信技術,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,本文的技術手段能夠有效推動無線差動保護在配電網中的應用。