5 G冗余雙通道通信技術(shù)在配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)中的應(yīng)用研究

李文猛，仇勇，李朗

（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司，江蘇 南京 211106）

0 引言

電流差動(dòng)保護(hù)技術(shù)因其具有良好的選擇性與速動(dòng)性而被廣泛應(yīng)用于輸電線路主保護(hù)，將電流差動(dòng)保護(hù)應(yīng)用于配電網(wǎng)線路保護(hù)，能夠提高配電網(wǎng)處理多端線路故障的能力，同時(shí)也能解決配電網(wǎng)繼電保護(hù)選擇性低等問題。傳統(tǒng)的線路電流差動(dòng)保護(hù)主要依靠電力光纖專網(wǎng)承載，而目前大多數(shù)配電網(wǎng)線路尚未鋪設(shè)光纖，以致電流差動(dòng)保護(hù)技術(shù)在配電網(wǎng)中尚未被大規(guī)模應(yīng)用。

無線通信技術(shù)的出現(xiàn)為電流差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)交互提供了新的通道。相較于傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)，5G無線通信技術(shù)因其大帶寬、低時(shí)延的技術(shù)特點(diǎn)而能夠滿足差異化的業(yè)務(wù)需求。差動(dòng)保護(hù)裝置通過客戶終端設(shè)備（customer premise equipment，CPE）接入5G無線網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而取代電力光纖專網(wǎng)作為通信介質(zhì)的基本路線已經(jīng)得到驗(yàn)證[1]。目前對(duì)于5G無線網(wǎng)絡(luò)承載差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)的安全性也進(jìn)行了相關(guān)研究[2]。針對(duì)差動(dòng)保護(hù)裝置以及差動(dòng)電流數(shù)據(jù)的時(shí)間同步，有利用5G基站進(jìn)行高精度授時(shí)的研究[3]，也有不利用外部時(shí)間源進(jìn)行對(duì)時(shí)的同步技術(shù)研究[4]?，F(xiàn)階段的5G商用網(wǎng)絡(luò)存在如丟包率高，傳輸帶寬、時(shí)延及抖動(dòng)受環(huán)境因素影響較大等問題，因此，設(shè)計(jì)一種新型5G冗余雙通道通信技術(shù)方案，同時(shí)使用兩家運(yùn)營商（運(yùn)營商A和運(yùn)營商B）的5G無線網(wǎng)絡(luò)替代電力光纖專網(wǎng)來承載配電網(wǎng)電流差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)，并在江蘇某市綜合能源服務(wù)中心對(duì)該方案進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)項(xiàng)目包括業(yè)務(wù)可靠性測(cè)試及5G無線網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試，最后對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)分析。該方案為基于5G無線網(wǎng)絡(luò)承載配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)的研究提供了新的思路。

1 5G無線網(wǎng)絡(luò)差動(dòng)保護(hù)應(yīng)用分析

1.1 光纖電流差動(dòng)保護(hù)

電流差動(dòng)保護(hù)基本原理主要依據(jù)基爾霍夫電流定律：流向一個(gè)節(jié)點(diǎn)的電流之和為零[5]?；诠饫w通道的電流差動(dòng)保護(hù)能夠?qū)崿F(xiàn)多端線路的差動(dòng)保護(hù)。以最簡單的兩端線路為例，位于線路兩側(cè)的保護(hù)裝置只需將采集到的電流數(shù)據(jù)發(fā)送給對(duì)側(cè)裝置，對(duì)側(cè)裝置經(jīng)過數(shù)據(jù)同步處理后，即可用于差動(dòng)保護(hù)計(jì)算。光纖通道的延時(shí)主要通過乒乓法原理測(cè)得[6]。電力光纖專網(wǎng)能夠滿足應(yīng)用乒乓法原理的基礎(chǔ)條件為光纖通道時(shí)延穩(wěn)定和光纖通道上下行時(shí)延一致。典型的光纖差動(dòng)保護(hù)裝置之間采用光纖直連的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，并采用高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議作為通信協(xié)議。該協(xié)議是面向比特流的同步鏈路層傳輸協(xié)議，具有傳輸透明、高效、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)[7-8]。

1.2 5G無線網(wǎng)絡(luò)差動(dòng)保護(hù)

高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議作為鏈路層傳輸協(xié)議不能直接通過5G無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備傳輸。IEC 61850-9-2標(biāo)準(zhǔn)作為另一個(gè)采樣值傳輸標(biāo)準(zhǔn)在智能變電站被廣泛采用。保護(hù)裝置之間可通過IEC61850-9-2標(biāo)準(zhǔn)收發(fā)SV報(bào)文，實(shí)時(shí)交互采樣值信息，理論上差動(dòng)保護(hù)裝置也可通過該標(biāo)準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)線路差動(dòng)保護(hù)。2012年發(fā)布的IEC 61850-90-5標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)SV和GOOSE協(xié)議重新進(jìn)行了定義，使其可以用UDP多播的方式實(shí)現(xiàn)路由功能。標(biāo)準(zhǔn)將可路由的SV協(xié)議定義為R-SV，將可路由的GOOSE協(xié)議定義為R-GOOSE[9]。

5G無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)被應(yīng)用于配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)需要將差動(dòng)保護(hù)裝置通過5G CPE接入到無線網(wǎng)絡(luò)中，并采用R-SV報(bào)文進(jìn)行采樣數(shù)據(jù)交互以實(shí)現(xiàn)差動(dòng)保護(hù)。采用5G無線網(wǎng)絡(luò)替代光纖直連后，差動(dòng)保護(hù)裝置無法繼續(xù)通過乒乓法原理進(jìn)行時(shí)間同步，只能通過R-SV報(bào)文中的時(shí)間戳來實(shí)現(xiàn)插值同步，這就要求保護(hù)裝置具有一致的絕對(duì)時(shí)標(biāo)，因此必須采取可靠的對(duì)時(shí)方式[10]。

1.3 5G無線網(wǎng)絡(luò)差動(dòng)保護(hù)安全性分析

利用5G無線公網(wǎng)承載配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)，面臨著被惡意攻擊的風(fēng)險(xiǎn)，而配電網(wǎng)本身也存在數(shù)據(jù)泄露的風(fēng)險(xiǎn)?；?G無線網(wǎng)絡(luò)的配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)可能面臨的潛藏風(fēng)險(xiǎn)主要包括終端安全性問題、接入網(wǎng)安全性問題以及核心網(wǎng)安全性問題。終端安全性問題主要有設(shè)備及硬件威脅、操作系統(tǒng)威脅及業(yè)務(wù)應(yīng)用威脅等。接入網(wǎng)安全性問題主要有空口信道威脅、接入與認(rèn)證威脅及空口密鑰泄露等。核心網(wǎng)安全性問題主要有核心網(wǎng)非授權(quán)訪問、終端側(cè)對(duì)核心網(wǎng)攻擊、網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)的非授權(quán)或越權(quán)訪問及能力開放安全威脅等。

采用5G無線網(wǎng)絡(luò)作為傳輸通道替代光纖專網(wǎng)之后，數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠骄鶗r(shí)延、抖動(dòng)以及丟包率等網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)均有所下降，5G無線空口的介入也會(huì)引發(fā)配電網(wǎng)安全性問題。這些問題會(huì)對(duì)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間及系統(tǒng)穩(wěn)定性造成影響，也制約5G無線網(wǎng)絡(luò)承載差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)的進(jìn)一步推廣。

2 5G冗余雙通道設(shè)計(jì)及測(cè)試方案

在有線通信和無線通信系統(tǒng)中，冗余系統(tǒng)通常是對(duì)整體系統(tǒng)中的一些關(guān)鍵部件或功能進(jìn)行重復(fù)的配置，以提高整套系統(tǒng)的安全性和可靠性。當(dāng)其中一套系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，冗余系統(tǒng)作為熱備系統(tǒng)，能夠保證整體系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

5G冗余雙通道設(shè)計(jì)及測(cè)試組網(wǎng)如圖1所示，2臺(tái)差動(dòng)保護(hù)裝置分別被布置在江蘇某市綜合能源服務(wù)中心的兩間配電室內(nèi)，每臺(tái)差動(dòng)保護(hù)裝置同時(shí)連接在兩家運(yùn)營商的兩臺(tái)CPE上。差動(dòng)保護(hù)裝置通過不同的CPE接入到兩家運(yùn)營商的5G基站。5G無線網(wǎng)絡(luò)均為SA組網(wǎng)，由于兩家運(yùn)營商采用了相同的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，圖1中只展示一套5G無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

圖1 5G差動(dòng)保護(hù)組網(wǎng)

針對(duì)5G無線網(wǎng)絡(luò)差動(dòng)保護(hù)安全性問題，方案中采用了國內(nèi)主流安全加密設(shè)備廠商的新型縱向加密認(rèn)證網(wǎng)關(guān)對(duì)5G無線信道進(jìn)行加密認(rèn)證，以保證差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。該縱向加密認(rèn)證網(wǎng)關(guān)通常部署在電力監(jiān)控系統(tǒng)的內(nèi)部局域網(wǎng)與電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的路由器之間，用于安全區(qū)的廣域網(wǎng)邊界保護(hù)，可為本地安全區(qū)提供一個(gè)網(wǎng)絡(luò)屏障，同時(shí)為上下級(jí)控制系統(tǒng)之間的廣域網(wǎng)通信提供認(rèn)證與加密服務(wù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C(jī)密性和完整性保護(hù)。本文采用新型百兆縱向認(rèn)證網(wǎng)關(guān)接入無線網(wǎng)絡(luò)，加密網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

圖2 加密5G無線網(wǎng)絡(luò)

3 繼電保護(hù)功能及網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試

為驗(yàn)證5G冗余雙通道通信技術(shù)承載配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)的可行性，以及縱向加密認(rèn)證網(wǎng)關(guān)對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能的影響，測(cè)試了5G單通道、5G冗余雙通道分別在加密和非加密條件下差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作成功率以及5G無線網(wǎng)絡(luò)性能。

3.1 差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作成功率

分別布置兩套繼電保護(hù)測(cè)試儀在兩個(gè)配電室內(nèi)，繼電保護(hù)測(cè)試儀通過北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Beidou navigation satellite system，BDS）進(jìn)行時(shí)間同步，測(cè)試儀輸出模擬量的時(shí)間準(zhǔn)確度優(yōu)于1 μs，能夠保證輸出信號(hào)的時(shí)間準(zhǔn)確性。通過兩套繼電保護(hù)測(cè)試儀分別在兩臺(tái)差動(dòng)保護(hù)裝置二次側(cè)注入不平衡電流，試驗(yàn)次數(shù)均為1 000次，觀察差動(dòng)保護(hù)裝置是否動(dòng)作。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作成功率

3.2 5G無線網(wǎng)絡(luò)性能

兩家運(yùn)營商搭建的5G無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相同，但是提供的信道資源卻有所差異。運(yùn)營商A核心網(wǎng)為差動(dòng)保護(hù)專線分配了100 Mb/s的帶寬，而運(yùn)營商B核心網(wǎng)則為差動(dòng)保護(hù)專線分配了210 Mb/s的帶寬。分別將兩套網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試儀連接到圖2中兩臺(tái)Vxlan設(shè)備的千兆以太網(wǎng)端口上，并向?qū)Χ税l(fā)送數(shù)據(jù)流量，數(shù)據(jù)流從測(cè)試儀1發(fā)往測(cè)試儀2為上行數(shù)據(jù)鏈路，數(shù)據(jù)流從測(cè)試儀2發(fā)往測(cè)試儀1為下行數(shù)據(jù)鏈路，數(shù)據(jù)包大小分別設(shè)置1 400 B、128 B，測(cè)試時(shí)長設(shè)置為180 s。在測(cè)得網(wǎng)絡(luò)最大帶寬結(jié)果后，再分別測(cè)試無線網(wǎng)絡(luò)在重載（最大帶寬80%負(fù)載流量）和輕載（最大帶寬20%負(fù)載流量）兩種工況下的無線信道時(shí)延，數(shù)據(jù)包大小同樣分別設(shè)置為1400 B和128 B，測(cè)試時(shí)長設(shè)置為180 s。網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試儀通過BDS進(jìn)行時(shí)間同步，兩臺(tái)網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試儀之間的時(shí)間差小于1 μs能夠保證信道時(shí)延測(cè)試的準(zhǔn)確性。5G無線網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 5G無線網(wǎng)絡(luò)性能

4 測(cè)試結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果表明5G冗余雙通道通信技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)。差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作成功率測(cè)試結(jié)果顯示，當(dāng)采用5G單通道承載差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)時(shí)，兩家運(yùn)營商在加密及非加密情況下，動(dòng)作成功率均未達(dá)到100 %，而冗余雙通道的動(dòng)作成功率均達(dá)到100%。保護(hù)動(dòng)作失敗通常由強(qiáng)干擾引起。CPE及5G室分基站所在的配電房內(nèi)存在較強(qiáng)電場(chǎng)，會(huì)產(chǎn)生射頻電磁場(chǎng)輻射，而導(dǎo)線周圍常伴有工頻電場(chǎng)及工頻磁場(chǎng)，當(dāng)有開關(guān)進(jìn)行開合時(shí)，也會(huì)引起脈沖磁場(chǎng)。這些干擾都會(huì)影響5G無線信道，造成信道擁塞、傳輸時(shí)延陡增等現(xiàn)象。當(dāng)采用冗余雙通道方案時(shí)，由于不同運(yùn)營商的5G無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備工作在不同頻段，頻段間隔約為900 MHz，而配電房內(nèi)不存在寬帶的強(qiáng)干擾信號(hào)，因此當(dāng)其中一個(gè)頻點(diǎn)受到干擾時(shí)，冗余通道的另外一個(gè)頻點(diǎn)能夠正常工作，確保差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作正常執(zhí)行。

5G無線網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試方面，在非加密的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，大字節(jié)（1400 B）流量測(cè)試均能夠達(dá)到兩家運(yùn)營商為差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)預(yù)留的吞吐量最大帶寬，而小字節(jié)（128 B）流量測(cè)試因?yàn)閿?shù)據(jù)幀幀頭等其他開銷的原因，導(dǎo)致帶寬測(cè)試結(jié)果只有40 Mb/s，但仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)所需的最大帶寬。無線網(wǎng)絡(luò)時(shí)延測(cè)試在輕載工況下的時(shí)延（平均值、最大值和最小值）要稍微小于重載時(shí)的時(shí)延，但時(shí)延差距不大。運(yùn)營商B網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延結(jié)果在平均值和最大值方面要優(yōu)于運(yùn)營商A網(wǎng)絡(luò)，但最小值比運(yùn)營商A網(wǎng)絡(luò)稍大。

在加密的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，由于系統(tǒng)中引入了百兆縱向認(rèn)證網(wǎng)關(guān)，因此網(wǎng)絡(luò)最大帶寬將受限于加密認(rèn)證網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)處理能力。在加密網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，運(yùn)營商預(yù)留的帶寬資源無法被充分利用，但測(cè)試結(jié)果表明在經(jīng)過加密認(rèn)證網(wǎng)關(guān)之后，帶寬仍能滿足差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)所需的最大帶寬。

常規(guī)的繼電保護(hù)動(dòng)作時(shí)間通常要求在100 ms以內(nèi)，而常規(guī)繼電保護(hù)的單向時(shí)延往往要求不大于20 ms。從時(shí)延測(cè)試結(jié)果可以看出，運(yùn)營商A網(wǎng)絡(luò)在加密及非加密狀態(tài)下的時(shí)延結(jié)果接近，但運(yùn)營商B網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延結(jié)果在加密情況下要大于非加密的情況?？傮w來說，時(shí)延測(cè)試結(jié)果除運(yùn)營商B在重載工況下的平均時(shí)延保持在40 ms左右以外，其他測(cè)試工況的時(shí)延平均值基本都能夠滿足差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)通道單向時(shí)延優(yōu)于20 ms的技術(shù)要求。但是受配電房內(nèi)電磁干擾等其他不確定因素的影響，時(shí)延測(cè)試的最大值波動(dòng)很大（時(shí)延最大值達(dá)到秒級(jí)）。當(dāng)出現(xiàn)偶發(fā)性強(qiáng)干擾的情況時(shí)，將導(dǎo)致無線信道帶寬變窄，時(shí)延抖動(dòng)變大，甚至CPE掉線等情況，嚴(yán)重影響差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)的可靠性。因此采用5G無線通信技術(shù)承載配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)時(shí)，需要對(duì)無線環(huán)境進(jìn)行干擾監(jiān)測(cè)并且不斷提高無線設(shè)備的抗干擾能力，未來仍需要在終端、基站、承載網(wǎng)等層面進(jìn)行性能改進(jìn)和優(yōu)化。

5 結(jié)論

首先探討了光纖差動(dòng)保護(hù)與5G無線網(wǎng)絡(luò)差動(dòng)保護(hù)的技術(shù)特點(diǎn)，提出一種全新的5G冗余雙通道通信技術(shù)方案，同時(shí)采用兩家運(yùn)營商的5G無線網(wǎng)絡(luò)替代光纖專網(wǎng)來承載配電網(wǎng)電流差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)，使兩套5G無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)互為熱備，旨在解決傳統(tǒng)配電網(wǎng)保護(hù)存在的選擇性與速動(dòng)性問題，同時(shí)提高配電網(wǎng)整體的安全可靠性。

選取江蘇某市綜合能源服務(wù)中心作為試點(diǎn)進(jìn)行基于5G冗余雙通道技術(shù)的差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作成功率和5G網(wǎng)絡(luò)性能試驗(yàn)。通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，驗(yàn)證了5G冗余雙通道通信技術(shù)承載配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)的可行性，為今后5G無線網(wǎng)絡(luò)在配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)的推廣應(yīng)用提供數(shù)據(jù)參考與借鑒。