基于 5G 切片網絡的配電網差動保護研究

摘　要：

隨著以新能源為主體的新型電力系統的發展，傳統的配電網保護難以滿足堅強配電網的建設需求及自愈要求，因此結合 5G 網絡的特點，研究了適用于配電網的 5G 網絡切片技術，以提高通信的實時性；提出了基于邊緣計算的相鄰區域自適應相關系數算法，以提高數據分析的穩定性；以分布式數據傳輸單元（Data Transfer Unit，DTU）為依托，提出了公共單元網絡架構，構建了低時延、同步的 5G 通道，實現 DTU 公共單元間的故障信息聯動與邊緣計算快速處理，為配電網更為精準、更為智能化的故障定位和隔離恢復提供支撐。

內容目錄：

1 配電網 5G 切片技術

1.1 切片原型系統

1.2 時間同步技術

2 自適應相關系數算法

3 實驗驗證與結果分析

3.1 分布式 DTU 差動保護安裝部署結構

3.2 時延分析

3.3 系統保護響應分析

4 結 語

隨著產業技術的發展和人們生活質量的提高，社會對于供用電的可靠性也有了更高的要求，因此需要確保配電網的運行安全，縮短故障停電時間。電力物聯網建設通過廣泛接入和全面感知實現電網末端配用電設備的實時可靠控制，最終實現能源生產和消費的信息互通共享。其中，無線網絡在電力物聯網中具有不可或缺的地位，5G 應用場景與電力物聯網發展高度契合，并在基站、通信網絡等方面具有先天資源優勢，有力支撐配電網的深入發展。

目前配電網的差動保護業務對通信時延要求苛刻，要求保護裝置之間實時快速通信，之前只有光纖能夠滿足這種高要求，導致配網差動保護終端之間的通信高度依賴光纖，而光纖敷設難度大、成本高，且點多面廣、布局分散，還具有一定限制性。此外，光纖無法精準運用差動保護技術，線路故障隔離存在盲點，且無法滿足日益增多的接入需求，不利于差動保護在配電網的推廣應用。包括 4G 在內的傳統的無線網絡通信無法滿足電網控制類業務安全隔離和差異化網絡需求，配電網差動保護業務的通信通道難題因而成為電力通信網的關鍵痛點之一。

文獻 [6] 提出了基于 4G 無線通信的自適應分布式差動保護系統，它利用電力無線專網技術，實現配電自動化終端與主站通信，同時結合 IEEE 1588協議保證時鐘同步，但其中的保護精度及響應特性還需進一步驗證。文獻 [7] 利用直流線路故障暫態特性，提出基于直流線路兩端的電流和、差計算相關系數，構造判據特征量的方法，但此方法未系統分析通信方式和兩端電流同步變化成分。文獻 [8]研究了一種基于動態時間規劃的電流差動保護判據計算方法，但是由于此算法需要對大量路徑及這些路徑中的所有節點進行匹配計算，計算量極大，導致計算時間過長，在一定程度上影響動作時間。此外，已有公網無線通信技術及電力無線專網通信技術存在帶寬小、時延高、穩定性不足等問題，使無線通信技術難以適用于實際配電網生產控制業務。

因此，針對如何發揮 5G 低時延、大連接特性的問題，本文研究適用于配電網的 5G 網絡切片技術，提出基于邊緣計算的區域相關系數算法，并以分布式數據傳輸單元（Data Transfer Unit，DTU）為依托，提出公共單元網絡架構，構建低時延、同步的 5G 通道，實現 DTU 公共單元間的故障信息聯動與邊緣計算快速處理，為配電網更為精準、更為智能化地故障定位和隔離恢復提供支撐。

１配電網 5G 切片技術

1.1 切片原型系統

5G 技術作為 4G 技術的演進，它利用超高頻段、新型多天線、同時同頻全雙工、終端直通技術（Device to Device，D2D）、密集網絡及新型網絡架構實現超低時延、超高帶寬、海量接入的通信網絡，主要定義了增強型移動寬帶、海量物聯網通信以及超高可靠與低時延通信 3 大應用場景。

電力物聯網的配用電環節相關業務種類多，如配電自動化、用電信息采集、施工作業管控等電力業務的應用場景各不相同，對通信網絡的帶寬、時延及安全性的要求也各有差異。結合應用場景，引入網絡切片技術，在同一個物理基礎網絡上劃分多個互相隔離的虛擬網絡，通過網絡虛擬化技術，將網絡中的各類物理資源抽象成虛擬資源，并基于指定的網絡功能和特定的接入網技術，按需構建端到端的邏輯網絡，提供一種或多種網絡服務。

面對多樣化場景的極端差異化性能需求，5G很難像以往一樣以某種單一技術為基礎形成針對所有場景的解決方案。此外，當前無線技術創新也呈現多元化發展趨勢，除了新型多址技術，超密集組網、新型網絡架構等也被認為是 5G 的主要技術方向，均能夠在 5G 主要技術場景中發揮關鍵作用。針對電力物聯網多樣化、需求差異化的特征，設計的網絡切片總體架構如圖 1 所示。該架構基于基礎設施網絡，通過頂層的編排及業務支撐系統來進行切片的部署和統一管理，結合端到端切片管理架構、質量保證技術和資源調度技術，實現各域子切片管理技術的協同，以及切片需求指標的分解、回饋、更新及測量等功能，構建不同的業務網絡切片。在總體架構中，一個端到端服務化網絡切片包含滿足特定服務需求所需要的網絡功能微服務模塊及相關資源，并基于網絡功能虛擬化技術實現切片配置、切片管理等應用。

圖 1 面向電力物聯網的 5G 切片總體架構

1.2 時間同步技術

無線網絡場景下的時間同步是電力物聯網終端控制與協同工作的必要條件。常見的信號同步方法主要有基于數據通道的同步方法和基于全球定位系統同步時鐘的同步方法。其中，基于數據通道的同步方法包括采樣時刻調整法、采樣數據修正法和時鐘校正法，其中，采樣時刻調整法應用較多。基于全球定位系統同步時鐘的同步方法則采用全球定位系統（Global Positioning System，GPS）進行時鐘同步。

本文將電力系統中所有設備、用戶的信息和數據全時空連接，實現數據上下貫通。時間同步機制和流程如圖 2 所示。其中基站之間的高精度時間同步的基礎是精準時間協議（Precision Time Protocol，PTP）的報文同步與同步時間戳交互 [12,13]。而針對終端之間的時間同步是本文關注的重點，關系到終端之間差動保護的可靠性和穩定性，本文采用時間偏差時間同步校準方法。

圖 2 時間同步流程

如圖 2 所示，時間同步流程中，基站發送給終端的第一下行消息（Cell-specific Reference Signal，CRS）時間單元的起始時刻為，終端設備接收下行消息的起始時刻為，終端設備發送給基站的第一上行消息（Sounding Reference Signal，SRS）時間單元的起始時刻為，基站接收終端發送的時間單元的時刻為。

與 的關系式為：

式中：為第一下行消息的時延；為終端時間與基站時間的時間偏差。

以第一下行消息為例，基站給終端設備發送第一下行信息，并將基站發送給終端的第一下行消息的時間單元的起始時刻 發送給終端設備，終端對下行消息進行解碼，從中獲取基站發送給終端的第一下行消息的時間單元的起始時刻 ，并記錄接收所述第一下行消息的時間單元的起始時刻 。

終端設備發送給基站的第一上行消息的時間單元的起始時刻 與基站接收終端發送的第一上行消息的時間單元的起始時刻 的關系公式為：

式中：為第一上行消息的時延。

理論上第一上行消息時延與第一下行消息時延相等，即。

根據上述 4 個時刻計算終端設備與基站間的時間偏差：

第一下行消息為參考信號 CRS 或其他同步信號，第一上行消息為探測參考信號 SRS 或其他同步信號。根據所得終端時間與基站時間的時間偏差，對終端設備時間進行調整，完成基站與終端設備之間的一次時間同步。

２自適應相關系數算法

相關系數是用來反映變量之間相關程度的統計指標，在配電保護環節體現出測量點之間的采集數據差異。先對原來各組變量進行主成分分析，得到新的線性關系的綜合指標，再通過綜合指標之間的線性相關系數來研究原各組變量間的相關關系。以兩變量與各自平均值的離差為基礎，按積差方法計算，并與兩個離差平方相乘的開方值對比反映兩變量之間的相關程度 。

給定兩個長度相同的序列 X 和 Y，兩者長度均為n，這兩個序列分別為。設序列 A 與 B 的相關系數為 S，其計算方式為：

式中：分別為序列 X 和 Y 的平均值；代表變量隨時間變化的樣本序列。相關系數 S 取值在0 到 1 之間。相關系數 S 在 1 到 0.6 之間代表 X 和 Y 之間正相關或負相關，在 0.3 到 0 之間表示 X 和 Y 之間不相關。相關系數反映到物理系統就是終端設備采集數據的差異，需進行對應的保護措施，相關系數與保護策略之間的對應關系如表 1 所示。

表 1 相關系數與保護策略的對應關系

需要進一步指出的是，相關系數接近于 1 的程度與數據組數 n 相關，當 n 較小時，相關系數的波動較大，對有些樣本相關系數的絕對值易接近于 1；當 n 較大時，相關系數的絕對值容易偏小，特別是當 n=2 時，相關系數的絕對值總為 1。因此在樣本容量 n 較小時，僅憑相關系數較大就判定變量 x 與 y 之間有密切的線性關系是不妥當的。在剔除差異極大的離群點后，經過 n 次（n 足夠大，1 000 點以上）有效計算后，可更加平穩準確地預測保護啟動策略，避免因為采集、通信過程中的數據誤報引起的差動保護誤操作。

３實驗驗證與結果分析

3.1 分布式 DTU 差動保護安裝部署結構

DTU 公共單元通過過程層交換機 5G-CPE 接入5G 網絡，實現端到端差動通信，并基于時間偏差時間同步校準方法提高時鐘同步精度。間隔單元就地完成電氣和線損測量，并將故障數據上報至公共單元，由公共單元計算差動電流，判斷故障情況，實現環網單元母線故障、主干線故障的選擇性快速動作，完成就地決策并與主站通信。差動保護安裝部署結構如圖 3 所示。

圖 3 分布式 DTU 安裝部署結構

分布式 DTU 安裝部署結構中，在分布式 DTU范圍內，公共單元與間隔單元 1 ∶ N 連接，通過本地有線網保持通信，間隔單元發起差動保護故障信息共享。公共單元與公共單元間，通過 5G 通信差動聯動，實現故障信息的交互與共享。公共單元與配電主站間，通過原光纖或 5G 遠程通信模塊保持通信，上報相關業務信息和數據。

3.2 時延分析

針對控制保護業務對時延的要求，通過公共單元的 4G、5G 通信方式，進行端到端通信的時延測試，其中 5G 測試中，將非獨立網絡和本文的切片獨立網絡方式進行對比。時延測試數據如圖 4 所示。

圖 4 端到端時延測試數據

通過基于 5G 的差動保護業務場景測試，得到端到端時延測試數據，5G 電力切片通信時延由 4G的接近分鐘級縮短到毫秒級。在網絡延時穩定可控的情況下，由于獨立網絡和非獨立網絡之間切換，等同于異系統切換，增加的切換時延約 70 ms，所以5G 非獨立網絡測試端到端時延平均為 105.42 ms，最大 210 ms。而采用獨立切片網絡，5G 網絡獨立于 4G 網絡，5G 與 4G 僅在核心網級互通，互聯簡單，經過測試可以得到，測試時延 90% 控制在 15 ms 以內，95% 控制在 20 ms 以內，可以更好地滿足配電網業務在及時、可靠、靈活上的要求，同時 5G 核心網及承載網切片隔離，滿足為電網建設虛擬專網、定制化隔離的需求。

3.3 系統保護響應分析

基于本文的 5G 切片獨立組網及自適應相關系數算法，研究驗證基于該方法的差動保護響應時間及響應可靠性。由于信號采集或傳輸導致電氣信號誤差，在短時間內達到保護的啟動值，設定此刻的差動計算響應輸入值為 1，在開關保護延時后系統進行保護動作。模擬驗證響應的輸入值如表 2 所示。

表 2 差動計算響應輸入值參數設定

將表 2 的輸入值作為分布式 DTU 差動保護系統的原始激勵，對比傳統時延方式的控制策略與本文的電氣參數相關系數方式下，系統保護動作的運行狀態情況如圖 5 所示。

圖 5 保護狀態響應

從圖中可以看出，傳統控制策略在有保護激勵的情況下，線路開關發生響應動作，激勵結束后，系統啟動重合閘，線路恢復。而基于自適應相關系數算法的統計學特點，其分析的是兩組數據的相關性，避免了單一數據或局部數據誤差引起的誤操作，防止系統發生抖動影響供電的穩定性，該方法只有在 60 分鐘后，輸入參數出現連續差動保護啟動信號，才輸出保護動作。本文方法兼顧信號穩定性和系統響應速度，實現故障隔離保護。 

４結 語

配電網業務是電力物聯網的重要環節，線路區段或設備應具備故障判斷及精準定位功能，快速隔離故障區段或設備。本文針對差動保護業務的數據通道瓶頸，研究了配電設備差動保護系統架構，提出了適用于配電網業務的 5G 切片網絡原型，構建了以分布式 DTU 的公共單元為節點、多 DTU 聯動的快速響應系統。此外，基于公共單元的邊緣計算能力，提出自適應相關系數算法，通過統計數據的動態調節完成電氣參數的分析對比，避免了誤差數據的干擾引起的誤動作，提高了系統的穩定性。基于 5G 通信技術的差動保護，有助于解決光纖通信保護盲點和海量接入的問題，提高配電網故障定位和精準隔離的時效性和準確性，提升配電物聯網的智能化水平。下一步研究可探索建立適應配電網差動保護業務的實際多節點交互協作方案，提升配電終端智能自治能力。

引用本文：鄭利斌 , 陳文彬 , 甄巖 , 等 . 基于 5G 切片網絡的配電網差動保護研究 [J]. 通信技術 ,2022,55(4):533-538.