基于5G 切片網(wǎng)絡(luò)的配電網(wǎng)差動保護(hù)研究*

鄭利斌，陳文彬，甄 巖，高 建，李大鵬，苑佳楠

（北京智芯微電子科技有限公司，北京 102246）

0 引言

隨著產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展和人們生活質(zhì)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(wǎng)的運(yùn)行安全，縮短故障停電時間。電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)通過廣泛接入和全面感知實現(xiàn)電網(wǎng)末端配用電設(shè)備的實時可靠控制，最終實現(xiàn)能源生產(chǎn)和消費(fèi)的信息互通共享。其中，無線網(wǎng)絡(luò)在電力物聯(lián)網(wǎng)中具有不可或缺的地位，5G 應(yīng)用場景與電力物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展高度契合，并在基站、通信網(wǎng)絡(luò)等方面具有先天資源優(yōu)勢，有力支撐配電網(wǎng)的深入發(fā)展[1-3]。

目前配電網(wǎng)的差動保護(hù)業(yè)務(wù)對通信時延要求苛刻，要求保護(hù)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(dǎo)致配網(wǎng)差動保護(hù)終端之間的通信高度依賴光纖，而光纖敷設(shè)難度大、成本高，且點(diǎn)多面廣、布局分散，還具有一定限制性。此外，光纖無法精準(zhǔn)運(yùn)用差動保護(hù)技術(shù)，線路故障隔離存在盲點(diǎn)，且無法滿足日益增多的接入需求，不利于差動保護(hù)在配電網(wǎng)的推廣應(yīng)用[4,5]。包括4G 在內(nèi)的傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)通信無法滿足電網(wǎng)控制類業(yè)務(wù)安全隔離和差異化網(wǎng)絡(luò)需求，配電網(wǎng)差動保護(hù)業(yè)務(wù)的通信通道難題因而成為電力通信網(wǎng)的關(guān)鍵痛點(diǎn)之一。

文獻(xiàn)[6]提出了基于4G 無線通信的自適應(yīng)分布式差動保護(hù)系統(tǒng)，它利用電力無線專網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)配電自動化終端與主站通信，同時結(jié)合IEEE 1588協(xié)議保證時鐘同步，但其中的保護(hù)精度及響應(yīng)特性還需進(jìn)一步驗證。文獻(xiàn)[7]利用直流線路故障暫態(tài)特性，提出基于直流線路兩端的電流和、差計算相關(guān)系數(shù)，構(gòu)造判據(jù)特征量的方法，但此方法未系統(tǒng)分析通信方式和兩端電流同步變化成分。文獻(xiàn)[8]研究了一種基于動態(tài)時間規(guī)劃的電流差動保護(hù)判據(jù)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(jié)點(diǎn)進(jìn)行匹配計算，計算量極大，導(dǎo)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(wǎng)無線通信技術(shù)及電力無線專網(wǎng)通信技術(shù)存在帶寬小、時延高、穩(wěn)定性不足等問題，使無線通信技術(shù)難以適用于實際配電網(wǎng)生產(chǎn)控制業(yè)務(wù)。

因此，針對如何發(fā)揮5G 低時延、大連接特性的問題，本文研究適用于配電網(wǎng)的5G 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，提出基于邊緣計算的區(qū)域相關(guān)系數(shù)算法，并以分布式數(shù)據(jù)傳輸單元（Data Transfer Unit，DTU）為依托，提出公共單元網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，構(gòu)建低時延、同步的5G 通道，實現(xiàn)DTU 公共單元間的故障信息聯(lián)動與邊緣計算快速處理，為配電網(wǎng)更為精準(zhǔn)、更為智能化地故障定位和隔離恢復(fù)提供支撐。

1 配電網(wǎng)5G 切片技術(shù)

1.1 切片原型系統(tǒng)

5G 技術(shù)作為4G 技術(shù)的演進(jìn)，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(shù)（Device to Device，D2D）、密集網(wǎng)絡(luò)及新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實現(xiàn)超低時延、超高帶寬、海量接入的通信網(wǎng)絡(luò)，主要定義了增強(qiáng)型移動寬帶、海量物聯(lián)網(wǎng)通信以及超高可靠與低時延通信3 大應(yīng)用場景。

電力物聯(lián)網(wǎng)的配用電環(huán)節(jié)相關(guān)業(yè)務(wù)種類多，如配電自動化、用電信息采集、施工作業(yè)管控等電力業(yè)務(wù)的應(yīng)用場景各不相同，對通信網(wǎng)絡(luò)的帶寬、時延及安全性的要求也各有差異。結(jié)合應(yīng)用場景，引入網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，在同一個物理基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)上劃分多個互相隔離的虛擬網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)，將網(wǎng)絡(luò)中的各類物理資源抽象成虛擬資源，并基于指定的網(wǎng)絡(luò)功能和特定的接入網(wǎng)技術(shù)，按需構(gòu)建端到端的邏輯網(wǎng)絡(luò)，提供一種或多種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)[9]。

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(shù)為基礎(chǔ)形成針對所有場景的解決方案。此外，當(dāng)前無線技術(shù)創(chuàng)新也呈現(xiàn)多元化發(fā)展趨勢，除了新型多址技術(shù)，超密集組網(wǎng)、新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等也被認(rèn)為是5G 的主要技術(shù)方向，均能夠在5G主要技術(shù)場景中發(fā)揮關(guān)鍵作用[10,11]。針對電力物聯(lián)網(wǎng)多樣化、需求差異化的特征，設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)切片總體架構(gòu)如圖1 所示。該架構(gòu)基于基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，通過頂層的編排及業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)來進(jìn)行切片的部署和統(tǒng)一管理，結(jié)合端到端切片管理架構(gòu)、質(zhì)量保證技術(shù)和資源調(diào)度技術(shù)，實現(xiàn)各域子切片管理技術(shù)的協(xié)同，以及切片需求指標(biāo)的分解、回饋、更新及測量等功能，構(gòu)建不同的業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)切片。在總體架構(gòu)中，一個端到端服務(wù)化網(wǎng)絡(luò)切片包含滿足特定服務(wù)需求所需要的網(wǎng)絡(luò)功能微服務(wù)模塊及相關(guān)資源，并基于網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)實現(xiàn)切片配置、切片管理等應(yīng)用。

圖1 面向電力物聯(lián)網(wǎng)的5G 切片總體架構(gòu)

1.2 時間同步技術(shù)

無線網(wǎng)絡(luò)場景下的時間同步是電力物聯(lián)網(wǎng)終端控制與協(xié)同工作的必要條件。常見的信號同步方法主要有基于數(shù)據(jù)通道的同步方法和基于全球定位系統(tǒng)同步時鐘的同步方法。其中，基于數(shù)據(jù)通道的同步方法包括采樣時刻調(diào)整法、采樣數(shù)據(jù)修正法和時鐘校正法，其中，采樣時刻調(diào)整法應(yīng)用較多?；谌蚨ㄎ幌到y(tǒng)同步時鐘的同步方法則采用全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）進(jìn)行時鐘同步。

本文將電力系統(tǒng)中所有設(shè)備、用戶的信息和數(shù)據(jù)全時空連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)上下貫通。時間同步機(jī)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(chǔ)是精準(zhǔn)時間協(xié)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(guān)注的重點(diǎn)，關(guān)系到終端之間差動保護(hù)的可靠性和穩(wěn)定性，本文采用時間偏差時間同步校準(zhǔn)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(fā)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T1，終端設(shè)備接收下行消息的起始時刻為T2，終端設(shè)備發(fā)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T3，基站接收終端發(fā)送的時間單元的時刻為T4。

T2與T1的關(guān)系式為：

式中：tDL為第一下行消息的時延；t0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(shè)備發(fā)送第一下行信息，并將基站發(fā)送給終端的第一下行消息的時間單元的起始時刻T1發(fā)送給終端設(shè)備，終端對下行消息進(jìn)行解碼，從中獲取基站發(fā)送給終端的第一下行消息的時間單元的起始時刻T1，并記錄接收所述第一下行消息的時間單元的起始時刻T2。

終端設(shè)備發(fā)送給基站的第一上行消息的時間單元的起始時刻T3與基站接收終端發(fā)送的第一上行消息的時間單元的起始時刻T4的關(guān)系公式為：

式中：tUL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tUL=tDL。

根據(jù)上述4 個時刻計算終端設(shè)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(jù)所得終端時間與基站時間的時間偏差t0，對終端設(shè)備時間進(jìn)行調(diào)整，完成基站與終端設(shè)備之間的一次時間同步。

2 自適應(yīng)相關(guān)系數(shù)算法

相關(guān)系數(shù)是用來反映變量之間相關(guān)程度的統(tǒng)計指標(biāo)，在配電保護(hù)環(huán)節(jié)體現(xiàn)出測量點(diǎn)之間的采集數(shù)據(jù)差異。先對原來各組變量進(jìn)行主成分分析，得到新的線性關(guān)系的綜合指標(biāo)，再通過綜合指標(biāo)之間的線性相關(guān)系數(shù)來研究原各組變量間的相關(guān)關(guān)系。以兩變量與各自平均值的離差為基礎(chǔ)，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(guān)程度[14,15]。

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X={x1,x2,…,xn},Y={y1,y2,…,yn}。設(shè)序列A與B的相關(guān)系數(shù)為S，其計算方式為：

表1 相關(guān)系數(shù)與保護(hù)策略的對應(yīng)關(guān)系

需要進(jìn)一步指出的是，相關(guān)系數(shù)接近于1 的程度與數(shù)據(jù)組數(shù)n相關(guān)，當(dāng)n較小時，相關(guān)系數(shù)的波動較大，對有些樣本相關(guān)系數(shù)的絕對值易接近于1；當(dāng)n較大時，相關(guān)系數(shù)的絕對值容易偏小，特別是當(dāng)n=2 時，相關(guān)系數(shù)的絕對值總為1。因此在樣本容量n較小時，僅憑相關(guān)系數(shù)較大就判定變量x與y之間有密切的線性關(guān)系是不妥當(dāng)?shù)?。在剔除差異極大的離群點(diǎn)后，經(jīng)過n次（n足夠大，1 000 點(diǎn)以上）有效計算后，可更加平穩(wěn)準(zhǔn)確地預(yù)測保護(hù)啟動策略，避免因為采集、通信過程中的數(shù)據(jù)誤報引起的差動保護(hù)誤操作。

3 實驗驗證與結(jié)果分析

3.1 分布式DTU 差動保護(hù)安裝部署結(jié)構(gòu)

DTU 公共單元通過過程層交換機(jī)5G-CPE 接入5G 網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)端到端差動通信，并基于時間偏差時間同步校準(zhǔn)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(shù)據(jù)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(xiàn)環(huán)網(wǎng)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(hù)安裝部署結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 分布式DTU 安裝部署結(jié)構(gòu)

分布式DTU 安裝部署結(jié)構(gòu)中，在分布式DTU范圍內(nèi)，公共單元與間隔單元1 ∶N連接，通過本地有線網(wǎng)保持通信，間隔單元發(fā)起差動保護(hù)故障信息共享。公共單元與公共單元間，通過5G 通信差動聯(lián)動，實現(xiàn)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(yuǎn)程通信模塊保持通信，上報相關(guān)業(yè)務(wù)信息和數(shù)據(jù)。

3.2 時延分析

針對控制保護(hù)業(yè)務(wù)對時延的要求，通過公共單元的4G、5G通信方式，進(jìn)行端到端通信的時延測試，其中5G 測試中，將非獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)和本文的切片獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)方式進(jìn)行對比。時延測試數(shù)據(jù)如圖4 所示。

圖4 端到端時延測試數(shù)據(jù)

通過基于5G 的差動保護(hù)業(yè)務(wù)場景測試，得到端到端時延測試數(shù)據(jù)，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(wǎng)絡(luò)延時穩(wěn)定可控的情況下，由于獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)和非獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)之間切換，等同于異系統(tǒng)切換，增加的切換時延約70 ms，所以5G 非獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)測試端到端時延平均為105.42 ms，最大210 ms。而采用獨(dú)立切片網(wǎng)絡(luò)，5G 網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立于4G 網(wǎng)絡(luò)，5G 與4G 僅在核心網(wǎng)級互通，互聯(lián)簡單，經(jīng)過測試可以得到，測試時延90%控制在15 ms 以內(nèi)，95%控制在20 ms 以內(nèi)，可以更好地滿足配電網(wǎng)業(yè)務(wù)在及時、可靠、靈活上的要求，同時5G 核心網(wǎng)及承載網(wǎng)切片隔離，滿足為電網(wǎng)建設(shè)虛擬專網(wǎng)、定制化隔離的需求。

3.3 系統(tǒng)保護(hù)響應(yīng)分析

基于本文的5G 切片獨(dú)立組網(wǎng)及自適應(yīng)相關(guān)系數(shù)算法，研究驗證基于該方法的差動保護(hù)響應(yīng)時間及響應(yīng)可靠性。由于信號采集或傳輸導(dǎo)致電氣信號誤差，在短時間內(nèi)達(dá)到保護(hù)的啟動值，設(shè)定此刻的差動計算響應(yīng)輸入值為1，在開關(guān)保護(hù)延時后系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)動作。模擬驗證響應(yīng)的輸入值如表2 所示。

表2 差動計算響應(yīng)輸入值參數(shù)設(shè)定

將表2 的輸入值作為分布式DTU 差動保護(hù)系統(tǒng)的原始激勵，對比傳統(tǒng)時延方式的控制策略與本文的電氣參數(shù)相關(guān)系數(shù)方式下，系統(tǒng)保護(hù)動作的運(yùn)行狀態(tài)情況如圖5 所示。

圖5 保護(hù)狀態(tài)響應(yīng)

從圖中可以看出，傳統(tǒng)控制策略在有保護(hù)激勵的情況下，線路開關(guān)發(fā)生響應(yīng)動作，激勵結(jié)束后，系統(tǒng)啟動重合閘，線路恢復(fù)。而基于自適應(yīng)相關(guān)系數(shù)算法的統(tǒng)計學(xué)特點(diǎn)，其分析的是兩組數(shù)據(jù)的相關(guān)性，避免了單一數(shù)據(jù)或局部數(shù)據(jù)誤差引起的誤操作，防止系統(tǒng)發(fā)生抖動影響供電的穩(wěn)定性，該方法只有在60分鐘后，輸入?yún)?shù)出現(xiàn)連續(xù)差動保護(hù)啟動信號，才輸出保護(hù)動作。本文方法兼顧信號穩(wěn)定性和系統(tǒng)響應(yīng)速度，實現(xiàn)故障隔離保護(hù)。

4 結(jié)語

配電網(wǎng)業(yè)務(wù)是電力物聯(lián)網(wǎng)的重要環(huán)節(jié)，線路區(qū)段或設(shè)備應(yīng)具備故障判斷及精準(zhǔn)定位功能，快速隔離故障區(qū)段或設(shè)備。本文針對差動保護(hù)業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)通道瓶頸，研究了配電設(shè)備差動保護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)，提出了適用于配電網(wǎng)業(yè)務(wù)的5G 切片網(wǎng)絡(luò)原型，構(gòu)建了以分布式DTU 的公共單元為節(jié)點(diǎn)、多DTU 聯(lián)動的快速響應(yīng)系統(tǒng)。此外，基于公共單元的邊緣計算能力，提出自適應(yīng)相關(guān)系數(shù)算法，通過統(tǒng)計數(shù)據(jù)的動態(tài)調(diào)節(jié)完成電氣參數(shù)的分析對比，避免了誤差數(shù)據(jù)的干擾引起的誤動作，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

基于5G 通信技術(shù)的差動保護(hù)，有助于解決光纖通信保護(hù)盲點(diǎn)和海量接入的問題，提高配電網(wǎng)故障定位和精準(zhǔn)隔離的時效性和準(zhǔn)確性，提升配電物聯(lián)網(wǎng)的智能化水平。下一步研究可探索建立適應(yīng)配電網(wǎng)差動保護(hù)業(yè)務(wù)的實際多節(jié)點(diǎn)交互協(xié)作方案，提升配電終端智能自治能力。