基于5G通信的继电保护技术研究
时间：2023-06-23 08:35:03 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
朱艳琴
（国网湖南省电力有限公司衡阳供电分公司，湖南 衡阳 421000）
随着能源互联网的建设和新能源的广泛应用，电网在结构与运行模式中越来越复杂化，调控模式的改变导致继电保护出现一些问题，其中存在的大量电力电子设备在使用过程中不断增加不确定性，导致了继电保护在电力系统中的调试、运行和维护越来越困难[1]。当电网拓扑复杂或需要多级合作时，增加的新能源渗透率会使电网频率及电压产生波动，调峰问题突出，以往的独立保护不能平衡速度和选择性要求，人们对电网自愈能力和供电可靠性的要求越来越高。传统的通信网络是建立在电力通信的基础上，存在着时滞、信号传输不稳定等问题。在智能电网的应用中，为提高继电保护的可靠性，就要严格保证差分电流时间同步，提升电力系统的信息和通信服务，可以采用延迟可测量采样时间调整法和双端同步采样法实现采样同步，降低电力信息和通信成本，避免故障[2,3]。
目前，通信技术主要包括微波通信、载波通信、光纤传输以及无线通信等。微波通信存在易受到干扰、稳定性差、传输能力小等问题；
载波通信存在设备容易老化、故障率高、抗干扰能力不强等问题。光纤通信具有较强的抗干扰能力、较强的信息传输能力和高传输效率，因此光纤通信使继电器电气保护装置可以实时获取更广泛的状态信息，加强对故障类型的识别，现已逐渐成为电力系统的主流通信方式。
电力系统的运行与社会的发展密切相关，电网覆盖范围广，对通信的可靠性、安全性要求较高。同时，电气工程涉及的设备与技术种类较多，继电保护的应用也更加广泛，对其通信功能的实时性与可靠性更加细致。目前，配电网光纤网络建设严重滞后，严重影响了供电的可靠性。不同的电力光纤通信设备和工具执行不同的配网标准，5G通信技术可以在长途通信、配网等领域发挥其优势。无线通信主要用于配电网，继电保护装置可以充分使用该技术实现同步的数据信号传递，降低延时，同时可以防止发生异常信道或传输，确保数据同步的精确性。
近年来，我国数字继电保护装置得到了前所未有的发展，从电力信息和通信技术的现状看，电力系统的保护装置不断完善，电力系统有线通信信道铺设困难和故障定位长远距离通信可靠性不足等问题也得到了解决。人工智能技术的广泛应用提升了系统的运作效率，有效解决高信道延迟、带宽不足、可靠性低的缺点，在我国的应用越来越广泛。与现有的4G专用网比较，5G通信技术在通信种类、精确度等方面有更高的精度，如有效判断继电保护装置存在的问题，确保高带宽、低延迟、低功耗以及高密度连接，明显优于4G无线专用网络，可以弥补传统方式存在的不足，因此在电力信息与通信方面具有更广阔的应用前景。在实际应用中，光纤通信网络建设成本高，但是通过智能技术的应用可以降低建设成本。例如，长途通信需要建立中继站，可以应用5G通信技术增强通信网络建设过程的可靠性，实现电力系统的综合监控[4]。
5G通信技术可以实现大带宽、长距离的通信，满足通信差分保护的需求，很好地改善继电保护纵向连接信道传输的数据内容的精确度。此外，电力电子设备通过继电保护装置与5G基站直接实现信息交互，包括差分保护所需的采样值，能够充分适应大数据传输的复杂拓扑结构，实现高性能保护功能。因此，需要研究当前数据同步技术在继电保护中的应用，提高电网继电保护水平，分析基于5G通信技术电网纵向连接保护方法，确保新形势下电网的安全可靠运行。站插值同步的应用场景是点传输模式、垂直差分保护和广域保护，该方式扩大通信通道来扩大信息采集，将单元数字输出直接合并到保护装置，降低系统的冗杂度，有效提高电网保护水平。
在智能电网的建设过程中，5G通信技术是最关键的环节，采用的主要保护技术是配电差分保护技术，通过网络切片模式可以构建业务的无线频谱，通过5G网络通信将大大节省电力公司通信网络建设成本，进而达到通信安全继电保护的需求，提高配网终端通信的可靠性和稳定性。无线频谱资源隔离可以分为物理隔离与逻辑隔离2种。其中，物理隔离主要通过频率复用技术来实现，而逻辑隔离通过分配信道资源完成。在物理隔离的工作状态下，企业成本虽然不高，但是在数据信息的传输速度和资源分配上也是较低的。逻辑隔离则是一种软隔离与硬隔离结合的技术，其中的核心是采用用户端口功能（User Port Function，UPF）等网络元件实现分发数据的直接传输，通过其中标签的作用实现识别定位，以此来实现虚拟网络中的软隔离。除此之外，无线网络部分具有专用的频谱资源和无线信道资源[5]。
为了确保数据采样时间的一致，同时考虑通信异常和相应的保护策略，提出了采样时间调整方法和5G通信技术时钟匹配要求，以实现无线侧网络切片，保证网络服务质量。当无线信号通信中断时，可能会导致保护错位或拒绝。对采样时间进行适当的调整，可以有效地实现电信号的同步。同时，2个纵向连接器的保护装置都会立即启动相应的保护功能。纵向保护的总体策略是纵向差动保护，当定时电路异常时，电气设备通过5G通信模块和无线基站可以获得同步信号，保证传输信道的性能指标满足配网通信的需要。
3.1 基于5G通信技术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，结合5G通信技术与边缘计算等技术，在同一接入环内要完成配网的安全信息互通，在汇聚环内要完成110 kV网络的安全信息互通，在主环内要完成220 kV网络的安全信息互通，如图1所示。
图1 信息传递的交互结构
通过纵联保护技术，电力信号的传递是由线路2边的点与点之间经过网络进行传递。在这种情况下，需要对信号进行加密处理，以防止窃电行为发生。基于此，提出一种新型的保护方案，在保证传输稳定性的前提下，结合边缘计算技术优化传输路由，减少传输延迟，增强系统稳定性。
采用重传保护来满足不同业务的延迟要求，提供具有边缘功能的特殊用户端口，实现移动边缘计算（Multi-access Edge Computing，MEC）。该方案可通过一个或多个节点进行传输。在对现有网络中所存在的问题分析后，UPF可以采用一种基于多跳路由协议的方法。对时延需求进行评估时，如果需要小于10 ms的网络侧时延，则推荐基站点的所在地设置UPF；
如果网络侧时延要求在10～20 ms，且传输距离不超过200 km，建议在核心设施的所在地安装UPF；
如果网络侧时延要求在20～30 ms，且传输距离不超过500 km，建议在省级核心所在地设置安装UPF。
为满足传输保护服务中确定性服务质量需求，分片分组网络采用了灵活以太网技术（Flex Etherent，FlexE）在时分复用链路基础上提供了端到端传输层管道，以实现低延迟、紧密隔离等特点。这一技术的应用使客户数据的存取与还原成为可能，运营资产管理（Operational Asset Management，OAM）信息被添加和删除，数据流被汇总。目前，5G网络测试中，当预规划被禁用时，2.6 GHz 新空口（New Radio，NR）每周期5 ms的平均延迟时间在无线电侧为11.3 ms，4.9 GHz NR每周期2.5 ms的平均延迟时间在无线电侧为7.7 ms。当启用预规划时，2.6 GHz NR和4.9 GHz NR的平均延迟时间分别为6 ms和4.7 ms，即比禁用预规划时的平均延迟时间高5.3 ms和4.7 ms，个分别缩短了5.3 ms和3 ms。目前，5G无线网络采用频率为2.6 GHz的设备，可以跨时间和频率资源块动态分配，实现无线网络分区。2020年，较为流行的2.6 GHz和4.9 GHz无线设备可以根据设备支持能力实现网络资源的静态分配，保证网络分区的服务质量。
3.2 基于5G连接的网络中继安全信息加密技术
网络通信中的分区主要通过隔离实现，相对于共享频谱，物理隔离在覆盖范围、覆盖效果、传输速率以及资源分配灵活性等方面普遍较差，频谱租赁成本也很高。逻辑隔离又有软隔离与硬隔离之分。在软隔离中采用了虚拟局域网标签与网段识别相结合的方法，因此无法在硬件和时隙层面实现隔离。硬隔离方案是基于Flex E技术的硬隔离方案，实现独占时隙功能。
在无线通信中，通常将信息加密方法划分为基于射频识别（Radio Frequency IDentification，RFID）、无线信道指纹、物理层挑战-响应机制、物理层水印与相互认证，并在此基础上提出了基于信息加密与解密等算法应用。研究显示，物理层安全技术还不够成熟，可靠性、成本以及引入延迟等原因造成性能还不足以达到高可靠性和高实时性等需求，因此应该选择更加成熟的技术。
用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）应用于基于5G中继进行安全信息交互与面向通用对象的变电站事件（Generic Object Oriented Substation Event，GOOSE），采样信息的通信服务（Sampled Value，SV）等智能变电站实时通信由于“无连接”而存在共性，不需要彼此建立通信。IEC 62351-6—2020中针对此类信息提出的安全措施需要尽可能少的计算，以便快速响应继电保护时间和采样值。在5G网络的数据传输方面，5G-AKA和EAP-AKA认证机制被用来提供网络和用户之间的相互认证，保证与信息互动的双方身份的合法性。
3.3 基于5G通信技术的电网纵联保护技术
5G通信技术具有高带宽、长距离连接等优点，能够有效提高纵向继电保护数据内容（包括差动保护要求采样值），但是5G通信技术会对已有纵向差动保护原理和纵向指令型保护同步基础（纵向间隔，浪涌阻断等保护）造成影响。
3.3.1 5G通信技术纵向保护适应电力系统的不同电压等级
目前，电压等级在110 kV以上的输电线路已经具备完善的光纤纵向和方向性差分保护，专用电力光纤网络链路的吞吐量、可靠性和链路延迟性能至少与5G技术相同，例如传统复用保护通道的延迟在2.5～3 ms，通道长度在40～60 km，2个方向的延迟差在0.03～0.05 ms。配电网络通常使用独立于连接的简单浪涌和电涌逻辑，但无法实现分段隔离。故障发生后有较长的中断效应和较长的电力恢复时间。配电网络有大量的连接端点，部署分散、光纤建设复杂且成本高。5G通信技术由于其快速部署、低成本、易于升级和扩展等优势，可以在长距离通信、新能源或分配网络中发挥重要作用。因此，5G纵向保护更适合在配网中推广和应用。
3.3.2 现有数据同步技术对5G通信技术纵联保护的适应性
已有数字变电站的同步方法有插值同步、基于时钟同步采样、延迟可测开关插值同步等，已有站间数据同步方法通常有采样时刻调整法、基于对时双重同步采样等。
站内插值同步有以下应用场景。如果过程层为点对点传输方式，则互联设备的输出数字采样值将直接发送给保护装置，且整个采样及传输链不会出现延迟不稳定性。在基于5G的纵联保护中，上行采样和本地采样需要同步，而5G网络中由于传输链路和传输距离造成的传输延迟的影响是不可忽视的，因此变电站插值同步技术不能直接用在纵联保护中，插值同步所需采样频率较高，对于设备性能和网络带宽都有较高要求。
基于时钟同步采样技术的变电站应用场景如下。耦合装置与保护装置之间的传输模式使用组网传输模式，采样值信号经以太网交换机向过程层总线进行传输，其传输延时并不平稳，故全站采样数据时间同步采用过程层耦合器供给，而间隔层保护装置仅需与采样序列号相匹配就能达到采样同步。
通过讨论基于5G通信、信息流架构和信息安全技术对不同继电保护性能特征的要求明确5G通信技术在继电保护中的潜在应用，并对5G通信技术在电力系统继电保护中的工程应用提出了建议。
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