李文猛，仇勇，李朗

（國網(wǎng)電力科學研究院有限公司，江蘇 南京 211106）

0 引言

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

無線通信技術(shù)的出現(xiàn)為電流差動保護業(yè)務的數(shù)據(jù)交互提供了新的通道。相較于傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡，5G無線通信技術(shù)因其大帶寬、低時延的技術(shù)特點而能夠滿足差異化的業(yè)務需求。差動保護裝置通過客戶終端設備（customer premise equipment，CPE）接入5G無線網(wǎng)絡，進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)得到驗證[1]。目前對于5G無線網(wǎng)絡承載差動保護業(yè)務的安全性也進行了相關(guān)研究[2]。針對差動保護裝置以及差動電流數(shù)據(jù)的時間同步，有利用5G基站進行高精度授時的研究[3]，也有不利用外部時間源進行對時的同步技術(shù)研究[4]?，F(xiàn)階段的5G商用網(wǎng)絡存在如丟包率高，傳輸帶寬、時延及抖動受環(huán)境因素影響較大等問題，因此，設計一種新型5G冗余雙通道通信技術(shù)方案，同時使用兩家運營商（運營商A和運營商B）的5G無線網(wǎng)絡替代電力光纖專網(wǎng)來承載配電網(wǎng)電流差動保護業(yè)務，并在江蘇某市綜合能源服務中心對該方案進行了試驗驗證。試驗項目包括業(yè)務可靠性測試及5G無線網(wǎng)絡性能測試，最后對測試結(jié)果進行了比對分析。該方案為基于5G無線網(wǎng)絡承載配電網(wǎng)差動保護業(yè)務的研究提供了新的思路。

1 5G無線網(wǎng)絡差動保護應用分析

1.1 光纖電流差動保護

電流差動保護基本原理主要依據(jù)基爾霍夫電流定律：流向一個節(jié)點的電流之和為零[5]?；诠饫w通道的電流差動保護能夠?qū)崿F(xiàn)多端線路的差動保護。以最簡單的兩端線路為例，位于線路兩側(cè)的保護裝置只需將采集到的電流數(shù)據(jù)發(fā)送給對側(cè)裝置，對側(cè)裝置經(jīng)過數(shù)據(jù)同步處理后，即可用于差動保護計算。光纖通道的延時主要通過乒乓法原理測得[6]。電力光纖專網(wǎng)能夠滿足應用乒乓法原理的基礎條件為光纖通道時延穩(wěn)定和光纖通道上下行時延一致。典型的光纖差動保護裝置之間采用光纖直連的方式進行數(shù)據(jù)交互，并采用高級數(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[7-8]。

1.2 5G無線網(wǎng)絡差動保護

高級數(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)絡設備傳輸。IEC 61850-9-2標準作為另一個采樣值傳輸標準在智能變電站被廣泛采用。保護裝置之間可通過IEC61850-9-2標準收發(fā)SV報文，實時交互采樣值信息，理論上差動保護裝置也可通過該標準來實現(xiàn)線路差動保護。2012年發(fā)布的IEC 61850-90-5標準中對SV和GOOSE協(xié)議重新進行了定義，使其可以用UDP多播的方式實現(xiàn)路由功能。標準將可路由的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)絡技術(shù)被應用于配電網(wǎng)差動保護需要將差動保護裝置通過5G CPE接入到無線網(wǎng)絡中，并采用R-SV報文進行采樣數(shù)據(jù)交互以實現(xiàn)差動保護。采用5G無線網(wǎng)絡替代光纖直連后，差動保護裝置無法繼續(xù)通過乒乓法原理進行時間同步，只能通過R-SV報文中的時間戳來實現(xiàn)插值同步，這就要求保護裝置具有一致的絕對時標，因此必須采取可靠的對時方式[10]。

1.3 5G無線網(wǎng)絡差動保護安全性分析

利用5G無線公網(wǎng)承載配電網(wǎng)差動保護業(yè)務，面臨著被惡意攻擊的風險，而配電網(wǎng)本身也存在數(shù)據(jù)泄露的風險。基于5G無線網(wǎng)絡的配電網(wǎng)差動保護業(yè)務可能面臨的潛藏風險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備及硬件威脅、操作系統(tǒng)威脅及業(yè)務應用威脅等。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)對核心網(wǎng)攻擊、網(wǎng)絡功能服務的非授權(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延、抖動以及丟包率等網(wǎng)絡性能指標均有所下降，5G無線空口的介入也會引發(fā)配電網(wǎng)安全性問題。這些問題會對保護動作時間及系統(tǒng)穩(wěn)定性造成影響，也制約5G無線網(wǎng)絡承載差動保護業(yè)務的進一步推廣。

2 5G冗余雙通道設計及測試方案

在有線通信和無線通信系統(tǒng)中，冗余系統(tǒng)通常是對整體系統(tǒng)中的一些關(guān)鍵部件或功能進行重復的配置，以提高整套系統(tǒng)的安全性和可靠性。當其中一套系統(tǒng)發(fā)生故障時，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)定運行。

5G冗余雙通道設計及測試組網(wǎng)如圖1所示，2臺差動保護裝置分別被布置在江蘇某市綜合能源服務中心的兩間配電室內(nèi)，每臺差動保護裝置同時連接在兩家運營商的兩臺CPE上。差動保護裝置通過不同的CPE接入到兩家運營商的5G基站。5G無線網(wǎng)絡均為SA組網(wǎng)，由于兩家運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)絡組網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

圖1 5G差動保護組網(wǎng)

針對5G無線網(wǎng)絡差動保護安全性問題，方案中采用了國內(nèi)主流安全加密設備廠商的新型縱向加密認證網(wǎng)關(guān)對5G無線信道進行加密認證，以保證差動保護業(yè)務數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴Ｔ摽v向加密認證網(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)絡的路由器之間，用于安全區(qū)的廣域網(wǎng)邊界保護，可為本地安全區(qū)提供一個網(wǎng)絡屏障，同時為上下級控制系統(tǒng)之間的廣域網(wǎng)通信提供認證與加密服務，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C密性和完整性保護。本文采用新型百兆縱向認證網(wǎng)關(guān)接入無線網(wǎng)絡，加密網(wǎng)絡如圖2所示。

圖2 加密5G無線網(wǎng)絡

3 繼電保護功能及網(wǎng)絡性能測試

為驗證5G冗余雙通道通信技術(shù)承載配電網(wǎng)差動保護業(yè)務的可行性，以及縱向加密認證網(wǎng)關(guān)對網(wǎng)絡系統(tǒng)性能的影響，測試了5G單通道、5G冗余雙通道分別在加密和非加密條件下差動保護動作成功率以及5G無線網(wǎng)絡性能。

3.1 差動保護動作成功率

分別布置兩套繼電保護測試儀在兩個配電室內(nèi)，繼電保護測試儀通過北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（Beidou navigation satellite system，BDS）進行時間同步，測試儀輸出模擬量的時間準確度優(yōu)于1 μs，能夠保證輸出信號的時間準確性。通過兩套繼電保護測試儀分別在兩臺差動保護裝置二次側(cè)注入不平衡電流，試驗次數(shù)均為1 000次，觀察差動保護裝置是否動作。測試結(jié)果如表1所示。

表1 差動保護動作成功率

3.2 5G無線網(wǎng)絡性能

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

表2 5G無線網(wǎng)絡性能

4 測試結(jié)果分析

試驗結(jié)果表明5G冗余雙通道通信技術(shù)可以實現(xiàn)配電網(wǎng)差動保護。差動保護動作成功率測試結(jié)果顯示，當采用5G單通道承載差動保護業(yè)務時，兩家運營商在加密及非加密情況下，動作成功率均未達到100 %，而冗余雙通道的動作成功率均達到100%。保護動作失敗通常由強干擾引起。CPE及5G室分基站所在的配電房內(nèi)存在較強電場，會產(chǎn)生射頻電磁場輻射，而導線周圍常伴有工頻電場及工頻磁場，當有開關(guān)進行開合時，也會引起脈沖磁場。這些干擾都會影響5G無線信道，造成信道擁塞、傳輸時延陡增等現(xiàn)象。當采用冗余雙通道方案時，由于不同運營商的5G無線網(wǎng)絡設備工作在不同頻段，頻段間隔約為900 MHz，而配電房內(nèi)不存在寬帶的強干擾信號，因此當其中一個頻點受到干擾時，冗余通道的另外一個頻點能夠正常工作，確保差動保護動作正常執(zhí)行。

5G無線網(wǎng)絡性能測試方面，在非加密的網(wǎng)絡環(huán)境下，大字節(jié)（1400 B）流量測試均能夠達到兩家運營商為差動保護業(yè)務預留的吞吐量最大帶寬，而小字節(jié)（128 B）流量測試因為數(shù)據(jù)幀幀頭等其他開銷的原因，導致帶寬測試結(jié)果只有40 Mb/s，但仍然遠遠大于差動保護業(yè)務所需的最大帶寬。無線網(wǎng)絡時延測試在輕載工況下的時延（平均值、最大值和最小值）要稍微小于重載時的時延，但時延差距不大。運營商B網(wǎng)絡的時延結(jié)果在平均值和最大值方面要優(yōu)于運營商A網(wǎng)絡，但最小值比運營商A網(wǎng)絡稍大。

在加密的網(wǎng)絡環(huán)境下，由于系統(tǒng)中引入了百兆縱向認證網(wǎng)關(guān)，因此網(wǎng)絡最大帶寬將受限于加密認證網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)處理能力。在加密網(wǎng)絡環(huán)境中，運營商預留的帶寬資源無法被充分利用，但測試結(jié)果表明在經(jīng)過加密認證網(wǎng)關(guān)之后，帶寬仍能滿足差動保護業(yè)務所需的最大帶寬。

常規(guī)的繼電保護動作時間通常要求在100 ms以內(nèi)，而常規(guī)繼電保護的單向時延往往要求不大于20 ms。從時延測試結(jié)果可以看出，運營商A網(wǎng)絡在加密及非加密狀態(tài)下的時延結(jié)果接近，但運營商B網(wǎng)絡的時延結(jié)果在加密情況下要大于非加密的情況?？傮w來說，時延測試結(jié)果除運營商B在重載工況下的平均時延保持在40 ms左右以外，其他測試工況的時延平均值基本都能夠滿足差動保護業(yè)務通道單向時延優(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，時延測試的最大值波動很大（時延最大值達到秒級）。當出現(xiàn)偶發(fā)性強干擾的情況時，將導致無線信道帶寬變窄，時延抖動變大，甚至CPE掉線等情況，嚴重影響差動保護業(yè)務的可靠性。因此采用5G無線通信技術(shù)承載配電網(wǎng)差動保護業(yè)務時，需要對無線環(huán)境進行干擾監(jiān)測并且不斷提高無線設備的抗干擾能力，未來仍需要在終端、基站、承載網(wǎng)等層面進行性能改進和優(yōu)化。

5 結(jié)論

首先探討了光纖差動保護與5G無線網(wǎng)絡差動保護的技術(shù)特點，提出一種全新的5G冗余雙通道通信技術(shù)方案，同時采用兩家運營商的5G無線網(wǎng)絡替代光纖專網(wǎng)來承載配電網(wǎng)電流差動保護業(yè)務，使兩套5G無線網(wǎng)絡系統(tǒng)互為熱備，旨在解決傳統(tǒng)配電網(wǎng)保護存在的選擇性與速動性問題，同時提高配電網(wǎng)整體的安全可靠性。

選取江蘇某市綜合能源服務中心作為試點進行基于5G冗余雙通道技術(shù)的差動保護動作成功率和5G網(wǎng)絡性能試驗。通過對試驗數(shù)據(jù)進行分析，驗證了5G冗余雙通道通信技術(shù)承載配電網(wǎng)差動保護業(yè)務的可行性，為今后5G無線網(wǎng)絡在配電網(wǎng)差動保護的推廣應用提供數(shù)據(jù)參考與借鑒。