CN114039328A - 一种基于5g通信的纵联电流差动保护装置及其应用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于5G通信的纵联电流差动保护装置及其应用方法，涉及配电网继电保护技术领域。包括：两个纵联差动保护单元、一个外部授时系统和一个5G通信单元，所述纵联差动保护单元包括：开关、采样装置、保护装置、对时装置和CPE装置，运用5G通信技术实现保护通信业务的随需接入和灵活组网，采用CPE装置实现了数据的无线传输，通过外部授时系统，解决了5G通信中存在的演示不稳定的问题，利用各装置之间对等通信交互，实现了数十毫秒故障区段定位、百毫秒的非故障区域自愈恢复，减少了停电范围和时间。

Description

一种基于5G通信的纵联电流差动保护装置及其应用方法
技术领域
本发明涉及配电网继电保护技术领域，特别涉及一种基于5G通信的纵联电流差动保护装置及其应用方法。
背景技术
配电网由架空线路、电缆、杆塔、配电变压器、隔离开关、无功补偿器及一些附属设施组成，属于电力系统的核心部分。由于配电网线路复杂、各类元器件众多，易受内外界因素的干扰而发生故障进而导致电力系统不稳定运行。继电保护作为保障配电网安全稳定运行的重要手段之一，通过对电力系统中发生的故障或异常情况进行检测，从而发出报警信号或直接将故障部分进行隔离、切除。输电线路纵联保护作为重要的继电保护方式，将输电线两端的保护装置纵向联系起来，将各端的信息传送到对端进行比较判别，以确定故障是在区内还是保护区外，实现被保护线路故障有选择性地无时限切除。
近年来，随着光纤通信技术的发展，光纤纵联保护逐渐替代了传统电流纵联差动保护，该方式以可靠稳定的光纤传输通道保证了线路电流幅值、相位的可靠传输，成为了当前主流的纵联保护方式。随着配电网络不断延伸扩容、拓扑结构日趋复杂，过流保护在复杂配电网中出现的配合困难、选择性差、快速性弱等问题日益严重，由定值适应性差而导致保护越级动作风险现象十分突出，对配电网继电保护提出了更高要求。光纤纵联保护因采用有线通信方式存在布线困难、组网复杂、维护成本高的问题，难以满足复杂配电网日益增长的继电保护需求。因此有必要针对配电网继电保护需求改善配电网的继电保护能力，本发明提出基于5G通信的配网电流差动保护方法，针对性解决目前过流保护的不足和光纤通信方式存在的铺设、组网困难及成本过高的问题。
目前，通过5G网络对时的纵联差动保护系统是采用人机交互模块来进行界面操作和参数设置，以及通过第一打时标模块和第二打时标模块硬件打时标的报文进行时钟同步，如文献1：专利《基于5G网络对时的纵联差动保护测试装置及其应用方法》(CN112202520A，李辉)。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中所存在的目前过流保护中存在配合困难、选择性差、快速性弱和光纤通信方式存在的铺设、组网困难及成本过高的不足，提供一种基于5G通信的纵联电流差动保护装置及其应用方法。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种基于5G通信的纵联电流差动保护装置，包括：
两个纵联差动保护单元、一个外部授时系统和一个5G通信单元，所述纵联差动保护单元包括：开关、采样装置、保护装置、对时装置和CPE装置；
所述采样装置与所述保护装置通信连接，所述保护装置与所述CPE装置通信连接，两个所述纵联差动保护单元的所述CPE装置之间通过5G通信单元无线通信连接，所述开关与所述采样装置连接，所述对时装置与所述保护装置通信连接，所述外部授时系统与所述对时装置通信连接；
所述采样装置用于实时采集线路电流和电压数据；
所述保护装置用于接收所述采样装置采集的所述线路电流和电压数据，将所述线路电流和电压数据传输给所述CPE装置，并用于接收所述CPE装置互传后的所述线路电流和电压数据，实时监测差流值和差动允许信号；
所述CPE装置用于接收所述线路电流和电压数据，并将所述线路电流和电压数据进行互传；
所述对时装置用于通过所述外部授时系统进行时钟同步。
采用上述技术方案，运用5G通信技术实现保护通信业务的随需接入和灵活组网，采用CPE装置实现了数据的无线传输，通过外部授时系统，解决了5G通信中存在的演示不稳定的问题，利用各装置之间对等通信交互，实现了数十毫秒故障区段定位、百毫秒的非故障区域自愈恢复，减少了停电范围和时间。
作为本发明的优选方案，所述外部授时系统包括两个天线和一个北斗/GPS同步卫星。
采用上述技术方案，实现了同步卫星实时对两个纵联差动保护单元的对时装置进行对时，实现数据通道的同步。
作为本发明的优选方案，所述5G通信单元包括两个5G基站和一个核心网。
一种基于5G通信的纵联电流差动保护装置的应用方法，包括以下步骤：
步骤一：通信改造升级，将原来的光纤通信技术替换为5G无线通信技术；
步骤二：对所述纵联电流差动保护装置进行现场调试与运营，调试完成后启动所述纵联电流差动保护装置；
步骤三：所述对时装置通过外部授时系统进行时钟同步，所述采样装置实时采集线路电流和电压数据，将采集到的所述线路电流和电压数据传输给所述保护装置；
步骤四：所述保护装置接收到所述线路电流和电压数据，再将所述线路电流数据和电压数据传输给所述CPE装置；
步骤五：所述CPE装置接收到所述线路电流和电压数据，所述CPE装置之间再进行所述线路电流和电压数据的互传；
步骤六：所述CPE装置接收到互传后的所述线路电流和电压数据，将所述线路电流和电压数据传输给所述保护装置；
步骤七：所述保护装置接收到互传后的所述线路电流和电压数据后，所述保护装置实时监测差流值和差动允许信号；
步骤八：所述保护装置监测到所述差流值大于定值和所述差动允许信号时，所述保护装置差动保护动作，所述开关跳闸，同时所述保护装置生成动作日志和预报警信息，所述定值根据电网现场的运行状态，通过工作人员手动或网络下发定值清单到所述保护装置。
采用上述技术方案，运用5G通信技术实现保护通信业务的随需接入和灵活组网，采用CPE装置实现了数据的无线传输，通过外部授时系统，解决了5G通信中存在的演示不稳定的问题，利用各装置之间对等通信交互，实现了数十毫秒故障区段定位、百毫秒的非故障区域自愈恢复，减少了停电范围和时间，提高了配网自动化、智能化水平，有效的解决了复杂配电网中配合困难、选择性差、快速性弱、因定值适应性差而导致保护越级动作的问题，解决了光纤铺设成本过高、维护困难、通信距离有限的不足。
作为本发明的优选方案，所述步骤一还包括通信安全设计，所述通信安全设计使用三层安全防护配置，包括：
第一层安全防护：在所述CPE装置中使用IP、MAC地址绑定，拒绝无关设备接入与访问；
第二层安全防护：在所述纵联电流差动保护装置中的5G基站到核心网的通道上搭建电力专用私密传输通道；
第三层安全防护：利用防火墙进行IP地址和端口过滤。
采用上述技术方案，保障了站间数据私密传输，防止信息泄露，同时也保障了核心网的安全运行并阻止了非法入侵。
作为本发明的优选方案，所述步骤三还包括误动作控制，所述误动作控制包括同步故障造成的所述误动作控制和所述线路电流和电压数据的采样值误码造成的所述误动作控制。
作为本发明的优选方案，所述同步故障造成的所述误动作控制，根据差动保护动作时间,执行差动保护闭锁。
作为本发明的优选方案，所述差动保护时间计算公式为：
t＝t0+Tb+t1+Tdly+t2
其中，t0为故障发生到保护整组启动时间，Tb为差动数据缓存时间，t1为收到采样数据到计算出差动条件的时间，Tdly为通道延迟的时间，t2为收到两侧允许信号到保护动作的时间。
作为本发明的优选方案，所述采样值误码造成的误动作控制，根据所述采样值的丢帧率，执行差动保护锁闭。
作为本发明的优选方案，所述步骤五还包括：所述CPE装置采用用户数据报协议报文传输，通过控制UDP-SV报文传输频率，仅在所述纵联差动保护装置启动后激活所述用户数据报协议报文。
采用上述技术方案，能够有效降低通信数据量消耗。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.运用5G通信技术实现保护通信业务的随需接入和灵活组网，采用CPE装置实现了数据的无线传输，通过外部授时系统，解决了5G通信中存在的演示不稳定的问题，利用各装置之间对等通信交互，实现了数十毫秒故障区段定位、百毫秒的非故障区域自愈恢复，减少了停电范围和时间，提高了配网自动化、智能化水平，有效的解决了复杂配电网中配合困难、选择性差、快速性弱、因定值适应性差而导致保护越级动作的问题，解决了光纤铺设成本过高、维护困难、通信距离有限的不足。
2.通过通信安全设计，保障了站间数据私密传输，防止信息泄露，同时也保障了核心网的安全运行并阻止了非法入侵。
3.采用用户数据报协议报文，并且仅在所述纵联差动保护装置启动后激活所述用户数据报协议报文，能够有效降低通信数据量消耗。
附图说明
图1为本发明实施例1所述的一种纵联电流差动保护装置的结构图；
图2为本发明实施例1所述的一种纵联电流差动保护装置的纵联电流保护单元和外部授时系统的结构图；
图3为本发明实施例1所述的一种纵联电流差动保护装置的5G通信单元结构图；
图4为本发明实施例1所述的一种纵联电流差动保护装置的动作时间构成示意图；
图5为本发明实施例2所述的一种纵联电流差动保护装置的应用方法的步骤流程图；
图中标记：1-采集装置，2-保护装置，3-对时装置，4-天线，5-同步卫星，6-CPE装置，7-5G基站，8-开关。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
如图1所示，纵联电流差动保护装置包括两个纵联差动保护单元、一个外部授时系统和一个5G通信单元7；
如图2所示，所述纵联差动保护单元包括：开关8、采样装置1、保护装置2、对时装置3和CPE装置6；
如图2所示，所述采样装置1与所述保护装置2通信连接，所述保护装置2与所述CPE装置6通信连接，两个所述纵联差动保护单元的所述CPE装置6之间通过5G通信单元7无线通信连接，所述开关8与所述采样装置1连接，所述对时装置3与所述保护装置2通信连接，所述外部授时系统与所述对时装置3通信连接。
所述采样装置1用于实时采集线路电流和电压数据；
所述保护装置2用于接收所述采样装置1采集的所述线路电流和电压数据，并将所述线路电流和电压数据传输给所述CPE装置6，并用于接收所述CPE装置互传后的所述线路电流和电压数据，实时监测差流值和差动允许信号；
所述CPE装置6用于接收所述线路电流和电压数据，将所述线路电流和电压数据进行互传；
所述对时装置3用于通过所述外部授时系统进行时钟同步。
具体的，所述CPE装置通过串口/485实现与所述保护装置之间的数据交换。
如图2所示，所述外部授时系统包括两个天线4和一个北斗/GPS同步卫星5。
采用上述技术方案，实现了同步卫星实时对两个纵联差动保护单元的对时装置进行对时，实现数据通道的同步。
如图3所示，所述5G通信单元包括两个5G基站和一个核心网。
实施例2
如图4所示，一种基于5G通信的纵联电流差动保护装置的应用方法，包括以下步骤：
步骤一：通信改造升级，将原来的光纤通信技术替换为5G无线通信技术；
步骤二：对所述纵联电流差动保护装置进行现场调试与运营，调试完成后启动所述纵联电流差动保护装置；
步骤三：所述对时装置通过外部授时系统进行时钟同步，所述采样装置实时采集线路电流和电压数据，将采集到的所述线路电流和电压数据传输给所述保护装置；
步骤四：所述保护装置接收到所述线路电流和电压数据，再将所述线路电流数据和电压数据传输给所述CPE装置；
步骤五：所述CPE装置接收到所述线路电流和电压数据，所述CPE装置之间再进行所述线路电流和电压数据的互传；
步骤六：所述CPE装置接收到互传后的所述线路电流和电压数据，将所述线路电流和电压数据传输给所述保护装置；
步骤七：所述保护装置接收到互传后的所述线路电流和电压数据后，所述保护装置实时监测差流值和差动允许信号；
步骤八：所述保护装置监测到所述差流值大于定值和所述差动允许信号时，所述保护装置差动保护动作，所述开关跳闸，同时所述保护装置生成动作日志和预报警信息，所述定值根据电网现场的运行状态，通过工作人员手动或网络下发定值清单到所述保护装置。
所述步骤一还包括通信安全设计，所述通信安全设计使用三层安全防护配置，包括：
第一层安全防护：在所述CPE装置中使用IP、MAC地址绑定，拒绝无关设备接入与访问；
第二层安全防护：在所述纵联电流差动保护装置中的5G基站到核心网的通道上搭建电力专用私密传输通道(APN)；
第三层安全防护：利用防火墙进行IP地址和端口过滤。
采用上述技术方案，保障了站间数据私密传输，防止信息泄露，同时也保障了核心网的安全运行并阻止了非法入侵。
所述步骤三还包括误动作控制，所述误动作控制包括同步故障造成的所述误动作控制和所述线路电流和电压数据的采样值误码造成的所述误动作控制。
所述同步故障造成的所述误动作控制，如图4所示，根据差动保护动作时间,执行差动保护闭锁。
所述差动保护时间计算公式为：
t＝t0+Tb+t1+Tdly+t2
其中，t0为故障发生到保护整组启动时间，Tb为差动数据缓存时间，t1为收到采样数据到计算出差动条件的时间，Tdly为通道延迟的时间，t2为收到两侧允许信号到保护动作的时间。
本实施例中，Tb设置为80ms(取决于实测时NSA组网下5G最大时延70ms)，平均时延25ms，所以保护动作时间约为130ms。保护动作时间主要取决于5G通道质量和平均时延，2020年10月将正式启用SA独立组网5G网络(本地核心网)，届时动作时间将缩减为65ms(Tb＝20ms，Tdly＝10ms)。
所述采样值误码造成的误动作控制，根据所述采样值的丢帧率，执行差动保护锁闭。
所述步骤五还包括：所述CPE装置采用用户数据报协议报文传输，通过控制UDP-SV报文传输频率，仅在所述纵联差动保护装置启动后激活所述用户数据报协议报文。
本实施例采用的省流量模式，按所述纵联电流差动保护装置月均启动100次计算，计算测试结果如表1所示：
Figure BDA0003331948200000101
表1单台CPE装置最大宽度及月均流量计算表
所述纵联电流差动保护装置启动时，按没有100次持续10S计算GOOSE增量和省流模式时SV增量；
所述全流量模式，月均流量＝SV报文流量+GOOSE常速月流量+启动时GOOSE增量；
所述省流量模式，月均流量＝GOOSE常速月流量+启动时GOOSE和SV增量。
采用上述技术方案，能够有效降低通信数据量消耗。
采用上述技术方案，运用5G通信技术实现保护通信业务的随需接入和灵活组网，采用CPE装置实现了数据的无线传输，通过外部授时系统，解决了5G通信中存在的演示不稳定的问题，利用各装置之间对等通信交互，实现了数十毫秒故障区段定位、百毫秒的非故障区域自愈恢复，减少了停电范围和时间，提高了配网自动化、智能化水平，有效的解决了复杂配电网中配合困难、选择性差、快速性弱、因定值适应性差而导致保护越级动作的问题，解决了光纤铺设成本过高、维护困难、通信距离有限的不足。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于5G通信的纵联电流差动保护装置，包括：两个纵联差动保护单元、一个外部授时系统和一个5G通信单元，所述纵联差动保护单元包括：开关，其特征在于，所述纵联差动保护单元还包括：采样装置、保护装置、对时装置和CPE装置；
所述采样装置与所述保护装置通信连接，所述保护装置与所述CPE装置无线通信连接，两个所述纵联差动保护单元的所述CPE装置之间通过5G通信单元通信连接，所述开关与所述采样装置连接，所述对时装置与所述保护装置通信连接，所述外部授时系统与所述对时装置通信连接；
所述采样装置用于实时采集线路电流和电压数据；
所述保护装置用于接收所述采样装置采集的所述线路电流和电压数据，将所述线路电流和电压数据传输给所述CPE装置，并用于接收所述CPE装置互传后的所述线路电流和电压数据，实时监测差流值和差动允许信号；
所述CPE装置用于接收所述线路电流和电压数据，并将所述线路电流和电压数据进行互传；
所述对时装置用于通过所述外部授时系统进行时钟同步。
2.根据权利要求1所述的一种基于5G通信的纵联差动保护装置，其特征在于，所述外部授时系统包括两个天线和一个同步卫星。
3.根据权利要求1所述的一种基于5G通信的纵联差动保护装置，其特征在于，所述5G通信单元包括两个5G基站和一个核心网。
4.一种基于权利要求1-3中任意一项所述的基于5G通信的纵联电流差动保护装置的应用方法，其特征在于，所述应用方法包括以下步骤：
步骤一：通信改造升级，将原来的光纤通信技术替换为5G无线通信技术；
步骤二：对所述纵联电流差动保护装置进行现场调试与运营，调试完成后启动所述纵联电流差动保护装置；
步骤三：所述对时装置通过外部授时系统进行时钟同步，所述采样装置实时采集线路电流和电压数据，将采集到的所述线路电流和电压数据传输给所述保护装置；
步骤四：所述保护装置接收到所述线路电流和电压数据，再将所述线路电流数据和电压数据传输给所述CPE装置；
步骤五：所述CPE装置接收到所述线路电流和电压数据，所述CPE装置之间再进行所述线路电流和电压数据的互传；
步骤六：所述CPE装置接收到互传后的所述线路电流和电压数据，将所述线路电流和电压数据传输给所述保护装置；
步骤七：所述保护装置接收到互传后的所述线路电流和电压数据后，所述保护装置实时监测差流值和差动允许信号；
步骤八：所述保护装置监测到所述差流值大于定值和所述差动允许信号时，所述保护装置差动保护动作，所述开关跳闸，同时所述保护装置生成动作日志和预报警信息。
5.根据权利要求4所述的一种基于5G通信的纵联电流差动保护方法，其特征在于，所述步骤一还包括通信安全设计，所述通信安全设计使用三层安全防护配置，包括：
第一层安全防护：在所述CPE装置中使用IP、MAC地址绑定，拒绝无关设备接入与访问；
第二层安全防护：在所述纵联电流差动保护装置中的5G基站到核心网的通道上搭建电力专用私密传输通道；
第三层安全防护：利用防火墙进行IP地址和端口过滤。
6.根据权利要求4所述的一种基于5G通信的纵联电流差动保护装置的应用方法，其特征在于，所述步骤三还包括误动作控制，所述误动作控制包括同步故障造成的所述误动作控制和所述线路电流和电压数据的采样值误码造成的所述误动作控制。
7.根据权利要求6所述的一种基于5G通信的纵联电流差动保护装置的应用方法，其特征在于，所述同步故障造成的所述误动作控制，根据差动保护动作时间,执行差动保护闭锁。
8.根据权利要求7所述的一种基于5G通信的纵联电流差动保护装置的应用方法，所述差动保护时间计算公式为：
t＝t0+Tb+t1+Tdly+t2
其中，t0为故障发生到保护整组启动时间，Tb为差动数据缓存时间，t1为收到采样数据到计算出差动条件的时间，Tdly为通道延迟的时间，t2为收到两侧允许信号到保护动作的时间。
9.根据权利要求6所述的一种基于5G通信的纵联电流差动保护装置的应用方法，其特征在于，所述采样值误码造成的误动作控制，根据所述采样值的丢帧率，执行差动保护锁闭。
10.根据权利要求4所述的一种基于5G通信的纵联电流差动保护装置的应用方法，其特征在于，所述步骤五还包括：所述CPE装置采用用户数据报协议报文传输，通过控制UDP-SV报文传输频率，仅在所述纵联差动保护装置启动后激活所述用户数据报协议报文。
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