黄新民 吴玉兰
国网乌鲁木齐供电公司 新疆乌鲁木齐市 830000
摘要：近年来，我国的智能化建设的发展迅速，5G通信技术具有大带宽、低时延、高可靠性、服务化网络架构等优势，被认为是解决智能电网、智能交通、工业4.0等控制类应用场景通信需求的新型无线通信技术。从配电网精准控制保护业务底层原理出发，通过分析保护装置差动电流触发故障隔离控制指令机制、保护业务规约报文与传输模式、装置热稳定性等，精确定义配电网差动保护业务通信模式、传输带宽、接收时延、时间同步和网络安全防护等通信需求；结合5G通信技术最新标准化进程，开展面向配电网差动保护业务端到端网络组网方案、安全认证等方面的设计，并通过承载实验验证了方案的技术可行性。
关键词：5G配电网;差动保护;安全防护;策略研究
引言
配电网是国家经济和社会发展的重要公共基础设施，其基本任务是保障国家的经济发展和人民的生活质量。目前，分布式配电、柔性负载接入和电力在供需互动中的渗透性日益增强，使配电网的故障特征发生了重大变化。这给配电网的安全可靠运行带来了新的挑战。此外，配电网分布广泛，拓扑复杂，中性点接地方式多样。
1基于5G配电网差动保护架构
目前，配电网的保护可以通过过电流保护、差动保护和基于goose的网络拓扑保护来实现，以过电流切除差动保护为主。均通过光纤连接。现阶段，10kV线路站内开关站I段设置水平差没有最优解决方案，10kV城市电网线路故障区域的快速、最小隔离是不可能实现的。随着配电网规模的不断扩大和拓扑结构的日益复杂，在配电网协调性差、选择性差、速度慢的复杂配电网中，过电流保护的整定变得越来越重要。此外，配电网和通信网覆盖范围广，终端覆盖率高，设备安装数量多，运行条件复杂，光纤通信线路受到市政工程的严重破坏。大量的使用缺陷和繁重的缺陷处理任务。此外，10kV配电网的新投产，导致通信接入网频繁变化，对网络结构产生了重大影响，使得光纤敷设困难且成本高昂。基于5G便携式配电网的差动保护不仅具有经济效益，而且是实施国家数字新基础设施的具体举措。
2配电网电流差动保护原理及通信需求分析
为实现配电网电流差动纵联保护，电流差动保护装置在线路两端采集同时刻电流电气量的测量值（包含电流幅值、相位波形等），并通过通信通道传输到对端，各端保护装置通过比较两端当前电流电气量来决定是否应动作跳闸。具体而言，就是当电流差值超过整定值时判定为内部故障，生成继电器跳闸信号控制断路器跳开，从而实现故障的精确定位和快速隔离。当保护线路正常运行或出现外部故障时，上文假设动作电流为零。实际在外部故障或正常运行时，动作电流往往不等于零，该种差流被称为不平衡电流。产生不平衡电流的原因有：（1）线路对地电容存在泄漏电流，在线路空载或者轻载时，穿越性制动电流很小，该电容电流可以构成导致保护跳闸的动作电流，降低弱穿越电流条件下电容电流的影响。（2）两端电流测量的互感器器件由于不同厂家产品的制造工艺差别，导致变比、工作特性不一致，因此需要考虑制动系数因素。（3）两端差动保护装置分别独立完成电流电气量的测量与采样，需要保证两端保护装置时间同步，从而确保在相同时刻获得采样值。同步误差导致的电流采样值不相等也会产生不平衡电流，严重时会引起保护误动作。如无特别说明，本文忽略电容电流以及互感器制造工艺导致的不平衡电流的影响。下面结合电流差动保护原理深入分析其对通信网络性能的具体需求。在通信带宽需求方面，根据IEC61850-9-2SV（采样值）通信规约，SV报文传输电流、电压瞬时值。
保护装置将电流互感器测量的每回路单相电流模拟值以4kHz频率采样获得离散值，采样时间间隔为250μs，每个电流周期波（工频50Hz，周期波占用时长20ms）内包含80个采样点；保护装置将一次采样获得的80个采样点通过重采样、插值获得用于传输的24个电气采样点，重采样点时间间隔为833μs，每个重采样点量化编码为8字节数字值。
3差动保护数据同步方法
3.1实施步骤
基于配电网模型计算获得数据传输时延后，DTU具有高精度守时功能，即使外部B码源消失也能够保持相当长时间的精度，获得等间隔采样数据。由于差动保护两端采用相同的采样节拍，数据时间间隔相对固定，利用计算得到传输时延，插值重新获得同步序列后，以序列号作为两端数据同步参考。步骤1：主站获取配电网网络的基本参数信息，建立配电网拓扑模型。步骤2：DTU获取配电网线路的实时量测参数。步骤3：差动保护两侧装置通过5G终端CPE发送采样值信息。步骤4：主站接收到数据后，依据步骤1建立的配电网数学模型，利用接收数据推导出描述差动保护另一侧电流值的计算值。步骤5：数据接收侧计算本侧电流数据与计算值的时间差，通过插值方式对本侧采样值数据进行处理，完成两侧采样值报文的同步与序列匹配。步骤6：获得序列匹配后，根据序列完成后续采样值数据的同步，进行差动保护动作。步骤7：故障发生后或线路两侧保护装置重启后，返回步骤2重新获得同步序列。
3.2数据处理流程
以M侧作为数据计算侧、N侧作为数据对比侧，当M侧的采样值报文序列号x通过5G传输到主站时，中间由于5G传输已延迟了t1，此时到达N侧的采样值报文序号在y+2与y+3之间；M侧报文到达后，主站根据配电网模型计算出x报文采样值对应的N侧计算值，获得与N侧实时采样值的时间差，并根据该时间差对N侧数据向前插值获得新的对应同步序列。此后，虽然5G通道传输时延t2，t3不相等，但是依然可以依靠其对应的序列值x+1，x+2找到N侧插值同步后的序列采样点1和2。但主站建立的配电网模型仅在线路故障未发生时有效，当线路发生故障或装置重启后需要重新同步。
3.3向应用提供5G安全能力
1)统一认证框架(EAP)，适配多种安全凭证和认证方式，并且认证能力开放(AKMA)能为第三方提供认证服务和安全通道。2)二次认证，即在用户接入网络时所做认证(被称为“主认证”)之后为接入特定业务建立数据通道而进行的认证。例如，当5G网络用于为高保障业务系统提供通信时，用户通过接入认证后并不能直接与业务系统建立连接，而是利用业务相关的信任凭据与用户终端进行认证，并在认证通过的情况下才允许5G网络为用户建立与业务系统之间的通信链路。二次认证的实质是为构建在5G网络之上的第三方应用提供“5G接入认证+第三方应用认证”的双重认证机制，从而提升应用的接入安全性。3)应用认证与密钥管理，通过用户身份SUPI加密，提升隐私保护能力，其对称算法密钥长度延长至256bit;4)差异化安全保护，即用户面按需保护。5)安全能力开放，让运营商网络安全能力深入地渗透到第三方业务生态环境中。
结语
本文介绍了一种基于5G通信技术的配电网差动保护数据同步方法。首先结合5G通信的技术指标分析了其可行性，接着分析了如何根据建立的配电网模型计算数据相位时间差，并给出了所提方法的具体同步过程。所提方法结合了插值同步方法与序号同步方法的特点，可以有效避开5G传输的通道时延抖动，不依赖同步源，当两侧数据同步在一个交流周期内的误差条件下时，系统依然可以正常工作。试验结果表明，该方法可以有效实现配电网在5G通信下的数据同步。
参考文献
［1］潘本仁，王和春，张妍，等．含分布式电源的主动配电网重构策略研究［J］．电力系统保护与控制，2020，48(15):102－107．
［2］白加林，高昌培，王宇恩，等．基于数据源共享的广域智能保护及控制系统研究与应用［J］．电力系统保护与控制，2016，44(18):157－162．