基于5G的配网保护技术研究及应用

赵 刚，程 鹏，范荣琴，左 奎

（1.国网巢湖市供电公司，安徽 巢湖 238000；2.天地电研（北京）科技有限公司，北京 102206）

0 引 言

5G通信技术有大带宽、低时延、高可靠、实时、可控、灵活以及经济等特性，5G网络可为差动保护等业务提供10 ms以内的超低时延传输、小于1 μs的精确授时功能。随着5G切片和时间敏感网络（Time Sensitive Networking，TSN）等技术的成熟，通过5G切片网络，可实现端到端的安全通信。基于5G的配网保护业务能够实现配电网故障快速隔离，是未来有效提升配电网运行水平、精准控制的技术手段。

1 现状分析

配网保护种类分为过流保护、零序保护、电压保护、差动保护以及网络拓扑保护等，其中涉及到信息交互的只有差动保护和网络拓扑保护。

1.1 差动保护

配网差动保护使用电缆与间隔电流互感器连接完成电流采样，通过网线与客户前置设备（Customer Premise Equipment，CPE）以网口连接，采用用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）/互联网协议（Internet Protocol，IP）报文协议。同时需接入B码对时信号，可以由CPE设备提供，或由独立的对时装置提供，对时接口可采用485电口或光纤口。发生故障后通过控制电缆作用间隔断路器进行保护跳闸，保护动作信息通过控制电缆以硬接点遥信方式传至二次终端，二次终端通过网线连接光网络单元（Optical Network Unit，ONU），最终ONU通过光纤以IEC104规约报文传送至配电自动化主站。

1.2 网络拓扑保护

网络拓扑保护是利用配网保护装置间的横向通信，相互传递过流标记、过流方向标记等信号，从而准确定位故障点，且无需考虑配网多级开关的级差配合。

2 建设原则与方案

2.1 建设原则

对于电缆线路的故障处理，应采用集中型馈线自动化与开关站/环网室/环网单元（以下简称开关站）出线电流保护配合方式。

对于供电可靠性有特殊要求的电缆线路的故障处理，可采用智能分布式馈线自动化或光纤差动保护方式。

对于架空线路的故障处理，推荐采用合闸速断式馈线自动化与分支线电流保护配合方式。

对于架空线路的故障处理，也可采用继电保护级差配合方式

2.2 典型线路案例

2.2.1 总体改造原则

本次改造采用原数据传输单元(Data Transfer Unit，DTU)屏内改造方式进行，不停电作业。改造前应充分勘查现场原DTU内各间隔的位置，以及各间隔的二次回路，做好二次回路隔离的详细措施。5G保护采用保护绕组电流互感器（Current Transformer，CT）,原就地保护装置改接至测量绕组CT并将跳闸改投信号，由5G保护对故障线路进行跳闸。检测5G保护出口+机构的整体动作时间，要求控制在100 ms以内，改造完成后相应的变电站线路均投入0.2 s延时。5G保护各间隔二次回路检查，出口跳闸回路检查至跳闸节点。5G保护的纵联保护功能调试，5G保护与主站联调。

2.2.2 改造方案

本次初步选定4个开闭所，线路网架连接如图1所示，图1中并未将开闭所内所有的出线间隔尽数绘出，仅为示意。4个开闭所均为单母分段接线，#2总所和#3总所均有3条进线，图1中均假定Ⅱ母有2条进线。

图1 网架结构示意图

#1～#4总开闭所的间隔数（不含分段）分别为26，19，17和17，而南瑞继保公司的智能分布式配电终端PCS-9721S-NB最多接入8个间隔，对于#1～#3总所而言，即使2段母线分别配置1台PCS-9721S-NB，依然无法将全部间隔接入，故仅接入进线和分段间隔的电流和开关控制信号（开关位置和分合闸线圈），以及母线电压信号。

具体的改造内容如下：

（1）新增一面智能分布式配电终端柜；

（2）将进线间隔（#1总所和#4总所有2路进线，#2和#3总所有3路进线）和分段间隔的电流和开关控制信号（开关位置和分合闸线圈）接入新增柜内，原进线间隔和分段间隔的保护装置停用；

（3）两段母线PT信号接入新增柜内；

（4）若要投入简易母线保护，还需将各出线保护装置的过流动作信号接入新增柜内，同时各出线间隔的速断保护均须投入。

2.2.3 通信方案

子站间横向通信：通过5G公网建立通信，为相邻通信子站DTU之间横向的GOOSE报文通信。目前已将VPN的封包功能集成到DTU内，因此直接可以通过DTU外接CPE的方式接入5G网络，从而实现数据的传输。开闭所#1与#2、#2与#3、#3与#4之间要互相通信，#2终端通过轮播方式与#1、#3进行一点对多点的5G无线通信。GOOSE报文通信每帧报文220 Byte，相邻终端的数据报文每隔5 s发送一帧，时延要求不大于50 ms。

子站与主站纵向通信：子站DTU需要将数据上送至配电自动化主站系统，目前DTU设备基于101规约采用了串口通信。由于终端设备只支持通过串口转4G的方式进行传输，因此DTU与配电自动化主站之间的数据沿用原有4G网络进行传输，经过安全接入区接入配电自动化主站系统。

2.2.4 成效分析

假定系统运行方式如图2所示，#1～#4总所之间为单环网串供接线，本次改造的主干线以相对较粗的线表示，#3总所的3号开关为主干线联络开关，此外#2总所的2号开关以及#3总所的2号开关亦为联络开关，但不在本次改造范围内，假定其均为分位，不对主干线路供电。同时假定简易母线保护均投入。

图2 系统运行方式图

若改造后的DTU全部投跳闸，与改造前的故障处理效果相比，除了缩小了停电范围（改造前一旦有线路故障，首先由变电站10 kV出线开关跳闸，将造成整条线路失电），还将故障隔离时间由10 s左右缩短至100 ms之内。

3 结 论

配网保护化建设应采取先试点后推广的方式，将配网保护化工作贯穿规划、设计、建设、运行、检修各环节。通过运行的各项指标和实际保护动作情况来检验建设成效，不断迭代完善配网保护化建设和运维成效。最终实现提高区域供电可靠性，提升配网设备运维水平，减少配网故障造成的停电影响。