基于5G的配電網(wǎng)繼電保護應(yīng)用研究
一、關(guān)鍵詞
5G專網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)切片、繼電保護
二、發(fā)起公司和主要聯(lián)系人聯(lián)系方式
中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司河北省分公司，王世如，18603210019
聯(lián)通雄安產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)有限公司，張湘雨，18617968889
國網(wǎng)河北電力有限公司，耿少博，17703217900
四、測試床項目目標(biāo)和概述
“基于 5G 的配電網(wǎng)繼電保護應(yīng)用研究”主要拓展 5G 通信技術(shù)在繼電保護領(lǐng)域的應(yīng)用，實現(xiàn)面向分布式源荷“即插即用”的自適應(yīng)差動保護、多電壓等級配電網(wǎng)協(xié)同高速自愈控制、面向配電網(wǎng)二次設(shè)備的實時在線監(jiān)控和面向配電網(wǎng)二次作業(yè)的移動智能運維。
1研究面向分布式源荷“即插即用”的自適應(yīng)差動保護
研究基于 5G 的配電網(wǎng)雙端、多端差動和自適應(yīng)差動通道組網(wǎng)技術(shù)，突破 5G 通信背景下繼電保護信息交互、同步、加密技術(shù)瓶頸，實現(xiàn)基于 5G 的配電網(wǎng)高魯棒性保護技術(shù)。
2研究多電壓等級配電網(wǎng)協(xié)同高速自愈控制
研究基于 5G 的高可靠性配電網(wǎng)分布式拓?fù)渥R別和高速自愈技術(shù)，突破多電壓等級電網(wǎng)逐級配合自愈控制技術(shù)瓶頸，實現(xiàn)適應(yīng)雙花瓣、雙環(huán)、單環(huán)、鏈?zhǔn)降冉泳€形式的供電高速自恢復(fù)。
3研究面向配電網(wǎng)二次設(shè)備的實時在線監(jiān)控
研究基于 5G 的配電網(wǎng)高集成化設(shè)備二次信息在線監(jiān)控技術(shù)， 破解配電網(wǎng)實時監(jiān)視控制通信條件技術(shù)與經(jīng)濟兼顧難題，實現(xiàn)雄安新區(qū)配電網(wǎng)的二次設(shè)備在線監(jiān)控。
4研究面向配電網(wǎng)二次作業(yè)的移動智能運維
研究基于 5G 技術(shù)的移動式二次系統(tǒng)數(shù)字化驗收和可視化運維技術(shù)，突破高數(shù)據(jù)密度、高關(guān)聯(lián)性三維移動作業(yè)支撐技術(shù)瓶頸，實現(xiàn)基于 5G 的配電網(wǎng)二次運維工單化、移動化、智能化。
(一) 測試床應(yīng)用場景
雄安新區(qū)110kV蔣莊、110kV臨河、110kV奧威變電站和35kV鄚州、35kV古州、35kV劇村、35kV王莊變電站以及35kV容東移動站新配置5G差動保護及自愈設(shè)備，實現(xiàn)基于5G通信的35kV線路（兩端、三端）差動保護，實現(xiàn)110kV臨河站、蔣莊站和奧威站站域備自投、基于5G通信的35kV劇村站和王莊站區(qū)域備自投功能以及高低壓不同等級的變電站之間上下級備自投協(xié)同優(yōu)化功能。同時部署主站端在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)智能故障分析等高級功能。
(二) 測試床重點技術(shù)
（1）數(shù)據(jù)同步技術(shù)
光纖差動保護采用專用光纖或復(fù)用2M光纖通道，路由相同且收發(fā)延時一致，采用乒乓法原理進行數(shù)據(jù)同步，不依賴外部時鐘同步。而5G差動保護采用5G網(wǎng)絡(luò)，通道延遲抖動較大，傳輸延時不固定，上下行通道延時不一致，需要采用類似變電站內(nèi)組網(wǎng)SV采用的基于對時同步下的數(shù)據(jù)傳輸和采樣插值同步方案。當(dāng)前階段，5G無線終端CPE不支持對時輸出，只能采用外部時鐘同步，通過外部授時系統(tǒng)（北斗和GPS授時）實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步，配置如圖5-1所示。
圖5-1 基于5G通信的配電網(wǎng)線路差動保護配置
（2）省流量技術(shù)
當(dāng)配網(wǎng)線路發(fā)生故障時，由于不涉及電網(wǎng)穩(wěn)定問題，配網(wǎng)線路差動保護沒必要像主網(wǎng)那樣嚴(yán)格要求差動保護在30ms內(nèi)動作出口。考慮到配網(wǎng)過流保護時間定值級差不小于0.3s，綜合權(quán)衡5G通信流量收費和保護動作速度，配網(wǎng)5G差動保護完全可以采用省流量模式，只要保證差動保護在0.2s內(nèi)隔離故障即可。
試點工程的省流量技術(shù)的方案是由電流突變量元件、過流元件、零序元件等組成故障識別模塊，判斷是否發(fā)生了故障。在沒有發(fā)生故障時，采用1秒一次的握手報文，傳輸一些與保護有關(guān)的開關(guān)量信號，同時用于檢測5G網(wǎng)絡(luò)通斷狀態(tài)并及時報警。當(dāng)發(fā)生故障時，故障識別模塊一旦檢測到故障，則開始傳輸高流量的模擬量采樣數(shù)據(jù)，并進行差動計算。與正常傳輸模式相比，省流量模式在動作時間上會稍慢上幾個ms，這個多出來的延遲就是從故障發(fā)生到保護故障識別模塊判斷出故障之間的間隔。
在省流量模式下，如果一個月不發(fā)生故障，則流量可以控制在1G以下，月通信費用非常低。采用省流量模式后，如果發(fā)生一次故障按照10s整組來算，流量消耗在5MB左右。即使一個月有多次故障，消耗的流量也很有限。
（3）基于5G通信的備自投技術(shù)
功能描述 | 說明 | |
110kV備自投方式1 | 高電源1主供，當(dāng)電源1失電時，自投電源2 | |
110kV備自投方式2 | 高電源2主供，當(dāng)電源2失電時，自投電源1 | |
110kV備自投方式3 | 高電源1、2分別主供，當(dāng)電源1失電時，自投內(nèi)橋 | |
110kV備自投方式4 | 高電源1、2分別主供，當(dāng)電源2失電時，自投內(nèi)橋 | |
35kV備自投方式1 | 中電源1主供，當(dāng)電源1失電時，自投電源2 | |
35kV備自投方式2 | 中電源2主供，當(dāng)電源2失電時，自投電源1 | |
35kV備自投方式3 | 中電源1、2分別主供，當(dāng)電源1失電時，自投分段 | |
35kV備自投方式4 | 中電源1、2分別主供，當(dāng)電源2失電時，自投分段 |
（4）基于5G通信的差動保護技術(shù)
突破5G通信背景下繼電保護信息交互、同步技術(shù)瓶頸，開發(fā)基于5G通信模式的差動保護功能，縱聯(lián)差動線路保護采樣數(shù)據(jù)發(fā)送至對側(cè)，站內(nèi)CPE終端通過無線網(wǎng)絡(luò)和附近5G基站進行信息交互，而5G基站數(shù)據(jù)同在核心網(wǎng)傳輸，通過核心網(wǎng)—5G基站—CPE終端的網(wǎng)絡(luò)傳輸方式完成縱聯(lián)差動保護端到端、多端數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)故障快速切除。
（5）基于5G通信的多電壓等級配電網(wǎng)協(xié)同高速自愈技術(shù)
在物理層上以現(xiàn)有硬件平臺為基礎(chǔ)，增加5G信號接收模塊，裝置與模塊之間采用串口或網(wǎng)線連接；在規(guī)約層采用符合IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的R-SV、R-GOOSE協(xié)議或TCP/IP協(xié)議傳輸電氣量采樣計算值數(shù)據(jù)，實現(xiàn)基于5G通信的線路差動保護和多電壓等級協(xié)同的高速自愈。
（6）面向?qū)ο髮崟r數(shù)據(jù)庫技術(shù)
采用了自主研發(fā)的面向?qū)ο髮崟r數(shù)據(jù)庫，滿足了電力系統(tǒng)模型描述要求，在數(shù)據(jù)庫中不僅描述了設(shè)備屬性，還描述了電力系統(tǒng)對象之間的關(guān)系。實時數(shù)據(jù)庫達(dá)到了內(nèi)存級的訪問效率；實時數(shù)據(jù)庫提供了方便擴容和擴展工具，可以滿足未來應(yīng)用功能不斷擴展的需要，用戶可以完成應(yīng)用模型升級，增加自己開發(fā)的新功能；能夠自動完成各個節(jié)點間的數(shù)據(jù)同步
（7）在線應(yīng)用擴展技術(shù)
各應(yīng)用按照分布式建模，每個應(yīng)用都是由各自的數(shù)據(jù)庫、畫面和應(yīng)用程序組成，可不依賴于其它應(yīng)用而獨立運行。系統(tǒng)提供配置管理中心，只要具備權(quán)限，在任意節(jié)點可以在線配置各種應(yīng)用，包括應(yīng)用的進程、數(shù)據(jù)庫等。
（8）分布式應(yīng)用技術(shù)
采用分布式應(yīng)用設(shè)計，應(yīng)用由數(shù)據(jù)庫和程序組成，由數(shù)據(jù)庫主本同步系統(tǒng)所有部署該應(yīng)用的節(jié)點，當(dāng)數(shù)據(jù)庫主本故障或者程序故障時，其中一個備用節(jié)點會立刻上升為值班節(jié)點，這樣即使系統(tǒng)只剩下一個節(jié)點在運行，都能保證應(yīng)用正常工作。
（9）多機協(xié)同運行技術(shù)
應(yīng)用可以根據(jù)需要自由分布到各個計算機節(jié)點。通過分布在各個節(jié)點的應(yīng)用數(shù)據(jù)庫版本校核機制，實現(xiàn)各個節(jié)點和值班機的自動同步，徹底解決了分布式系統(tǒng)數(shù)據(jù)不一致問題。多臺服務(wù)器工作時，任意一臺服務(wù)器故障，應(yīng)用功能會自動轉(zhuǎn)移到其他服務(wù)器，整個系統(tǒng)功能不受影響，大大提高了系統(tǒng)的運行可靠性。
（10） 一體化維護技術(shù)
變電站模型與子站一體化維護。采用南網(wǎng)103規(guī)約，子站建立一、二次設(shè)備模型，前置機通過通訊直接從子站召喚并自動建立相關(guān)模型。子站模型改變后，僅需進行簡單的召喚操作即可。
電網(wǎng)廠站圖形畫面與EMS一體化維護。采用FTP自動更新EMS系統(tǒng)提供的畫面，畫面采用SVG標(biāo)準(zhǔn)格式；實現(xiàn)了SVG畫面中的一次設(shè)備與子站模型中的一次設(shè)備自動和手動匹配，匹配信息自動用于更新操作中。裝置圖形模板技術(shù)實現(xiàn)了裝置畫面的免維護。召喚并導(dǎo)入模型、召喚并導(dǎo)入SVG圖等幾步操作就可以完成所有維護工作，既方便、又快速準(zhǔn)確。
（11）5G關(guān)鍵技術(shù)及全新網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)概述
傳統(tǒng)移動通信升級換代以多址技術(shù)為主線，5G技術(shù)創(chuàng)新來源將更豐富：5G系統(tǒng)將會構(gòu)建在以大規(guī)模天線、先進編碼、新型多址、新型多載波、新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等為核心的技術(shù)體系之上，全面滿足2020年及未來的5G技術(shù)需求，下圖展示了5G無線幾大關(guān)鍵技術(shù)及全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。架構(gòu)的角度看，4G的架構(gòu)是扁平化的，每一層都是固定的。MIMO主要是2T2R或4T4R。5G架構(gòu)可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)需要進行分布式或集中式部署。MIMO主要為Massive MIMO 64T64R和32T32R。5G網(wǎng)絡(luò)切片（Network Slicing）是指在同一網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上，將5G SA架構(gòu)的物理網(wǎng)絡(luò)劃分為多個端到端、虛擬的、隔離的（物理隔離/邏輯隔離）、按需定制的專用邏輯網(wǎng)絡(luò)，每個虛擬網(wǎng)絡(luò)具備不同的功能特點，以滿足電力對網(wǎng)絡(luò)能力的不同要求（時延、帶寬、連接數(shù)等）。
(三) 技術(shù)創(chuàng)新性及先進性
創(chuàng)新性：
（1）針對5G通信延時及抖動相較于光纖通信要遜色的缺點，提出擴大差動保護采樣緩存區(qū)及采樣數(shù)據(jù)同步的方法。采樣緩存區(qū)存儲數(shù)據(jù)的大小可根據(jù)實測5G通道的最大延時設(shè)置值來自動調(diào)整，當(dāng)經(jīng)最大延時設(shè)置值后還未收到對側(cè)采樣值傳輸報文時，會產(chǎn)生通道超時報警。采用GPS或北斗授時，對采樣值傳輸報文標(biāo)記絕對時標(biāo)及采樣序號，從而實現(xiàn)差動保護所需采樣數(shù)據(jù)的同步。
（2）針對5G通信丟包率要比光纖通信高的問題，提出采樣值數(shù)據(jù)冗余發(fā)送的方案，避免由于通信丟包導(dǎo)致的差動保護閉鎖。
（3）基于5G通信實現(xiàn)了同一電壓等級的手拉手串供變電站之間的區(qū)域備自投功能，解決了就地備自投無法實現(xiàn)遠(yuǎn)方自投功能的問題。
（4）基于5G通信實現(xiàn)了不同電壓等級的上下級變電站之間的上下級備自投優(yōu)化配合關(guān)系，下級備自投動作時間定值在不考慮跟上級配合的情況下可以實現(xiàn)自動配合，確保上級備自投動作時下級備自投不會越級動作，而且在上級備自投動作不成功的情況下能夠加速下級備自投動作，從而縮短下級變電站失電的時間。
（5）基于5G通信的保信系統(tǒng)，通過把保信子站配置到調(diào)度端，節(jié)約了常規(guī)通信模式下的保信子站裝置數(shù)量。
先進性：
（1）國內(nèi)首個 SA 架構(gòu)電力示范工程的5G環(huán)境部署應(yīng)用
部署搭建國內(nèi)首個 SA 模式電力工程網(wǎng)絡(luò)，研發(fā)完成 5G 差動保護及自愈系統(tǒng)，在雄安電網(wǎng) 2 個 110 千伏變電站供電區(qū)完成實用化調(diào)試部署。
（2）國內(nèi)首次面向分布式源荷“即插即用”的自適應(yīng)差動保護示范應(yīng)用
完成基于 5G 的配電網(wǎng)雙端、多端自適應(yīng)差動保護技術(shù)研究，在國內(nèi)首次實現(xiàn)基于 5G 的開放型配電網(wǎng)二次免改造源荷接入示范應(yīng)用，契合能源互聯(lián)網(wǎng)多能互補發(fā)展特征，有效支撐源網(wǎng)荷儲協(xié)調(diào)互動，滿足配電網(wǎng)對靈活多變的保護技術(shù)需求，節(jié)約投資40%，效率提升70%以上。
（3）國內(nèi)首次實現(xiàn)跨多電壓等級高速協(xié)同自愈控制示范應(yīng)用
完成基于 5G 的配電網(wǎng)分布式自愈高速配合技術(shù)研究，在國內(nèi)首次部署適應(yīng) 110 千伏至 10 千伏電網(wǎng)各種接線形式的高速自愈系統(tǒng)，契合能源互聯(lián)網(wǎng)泛在互聯(lián)發(fā)展特征，大幅提升各級電網(wǎng)安全保障協(xié)同能力，供電恢復(fù)時間縮短至1s。
(四) 測試床解決方案架構(gòu)
工程系統(tǒng)架構(gòu)如下圖所示：
圖5-1 工程系統(tǒng)架構(gòu)
各變電站的線路差動保護裝置需要接對時信號，實現(xiàn)基于5G通信的差動保護采樣數(shù)據(jù)同步。主要實現(xiàn)以下差動保護功能：
1）實現(xiàn)35kV蔣古線兩側(cè)差動保護功能。
2）實現(xiàn)35kV蔣鄚線（T接）三側(cè)差動保護功能。
3）實現(xiàn)35kV臨鄚線兩側(cè)差動保護功能。
4）實現(xiàn)35kV奧劇線（T接）三側(cè)差動保護功能。
5）實現(xiàn)35kV奧王線兩側(cè)差動保護功能。
6）實現(xiàn)35kV劇王線兩側(cè)差動保護功能。
六、預(yù)期成果
基于5G通信的自愈功能：
1）滄州部分四個站自愈功能
110kV蔣莊站站域備自投，包含了110kV側(cè)備自投（兩進線開關(guān)互投以及橋開關(guān)自投）和35kV側(cè)備自投（兩變中開關(guān)互投以及分段開關(guān)自投），本站的110kV側(cè)橋開關(guān)自投和35kV側(cè)分段自投存在優(yōu)化配合關(guān)系。
110kV臨河站站域備自投，包含了110kV側(cè)備自投（兩進線開關(guān)互投以及橋開關(guān)自投）和35kV側(cè)備自投（兩變中開關(guān)互投以及分段開關(guān)自投），本站的110kV側(cè)橋開關(guān)自投和35kV側(cè)分段自投存在優(yōu)化配合關(guān)系。
35kV古州站的備自投，實現(xiàn)35kV側(cè)兩條進線互為備投功能。
35kV鄚州站的備自投，實現(xiàn)35kV側(cè)兩條進線互為備投功能。
滄州地區(qū)工程基于5G通信主要實現(xiàn)上下級備自投動作時間的優(yōu)化配合關(guān)系，110kV蔣莊站備自投與35kV古州站備自投有優(yōu)化配合關(guān)系；110kV蔣莊站備自投、110kV臨河站備自投分別與35kV鄚州站備自投有優(yōu)化配合關(guān)系。
2）保定部分四個站自愈功能
110kV奧威站站域備自投（從原有過程層網(wǎng)絡(luò)獲取GOOSE開入和SV輸入，常規(guī)出口），包含了110kV側(cè)備自投（三進線的擴大內(nèi)橋主接線）和35kV側(cè)備自投（兩變中開關(guān)互投以及分段開關(guān)自投），本站的110kV側(cè)橋開關(guān)自投和35kV側(cè)分段自投存在優(yōu)化配合關(guān)系。
35kV劇村站的備自投和35kV王莊站的備自投配合實現(xiàn)區(qū)域備自投功能，譬如圖2-1中所示運行方式，若35kV奧劇線發(fā)生故障失電，35kV劇村站備自投跳本站321開關(guān)，35kV王莊站備自投合本站311開關(guān)。
保定部分工程基于5G通信既實現(xiàn)上下級備自投（110kV奧威站的站域備自投與35kV劇村站和35kV王莊站的區(qū)域備自投）動作時間的優(yōu)化配合關(guān)系，又實現(xiàn)了35kV劇村站和35kV王莊站之間的區(qū)域備自投。
3）二次設(shè)備在線監(jiān)測
依托雄安地區(qū)高度發(fā)達(dá)的5G網(wǎng)絡(luò)，將配電網(wǎng)二次設(shè)備（保護裝置等）的全景信息通過5G網(wǎng)絡(luò)直接與調(diào)度端配電網(wǎng)二次設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)主站進行數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)“主-端”信息直傳的新通信模式，如圖2-1所示。采取這種方案，既可避免傳統(tǒng)模式中經(jīng)站端轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)導(dǎo)致的信息損耗、降低時延，又能實現(xiàn)二次設(shè)備信息的“即裝即用”。
在二次設(shè)備（保護裝置等）參數(shù)中增加“主-端”通信模式的IP、掩碼、網(wǎng)關(guān)、路由等設(shè)置，即可進行主站與二次設(shè)備之間正常的以太網(wǎng)通信。
二次設(shè)備全景在線監(jiān)測信息包含：工作電壓、裝置溫度、保護測量、裝置參數(shù)、保護定值、裝置信息、運行時鐘、當(dāng)前狀態(tài)、遙測、以及錄波等文件數(shù)據(jù)。二次設(shè)備與調(diào)度端主站采用電力系統(tǒng)廣泛使用的通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)交互。從主站端可實時查看二次設(shè)備的運行狀態(tài)和設(shè)備工況，并可根據(jù)工作需求，實時調(diào)整二次設(shè)備的運行情況。
在主站端針對二次設(shè)備全景信息，可實現(xiàn)以下基本和高級的功能：
基本功能：
1) 模型維護
2) 前置通訊
3) 保護信息過濾
4) 事件記錄及告警
5) 定值管理功能
6) 可視化運行監(jiān)視
7) 故障錄波數(shù)據(jù)管理和分析
8) 統(tǒng)計報表功能
9) 運行環(huán)境監(jiān)測
高級功能：
1) 保護遠(yuǎn)方控制
2) 智能故障分析
3) 故障信息自動歸檔
4) Web發(fā)布
(二) 商業(yè)價值
當(dāng)前雄安新區(qū)已進入大規(guī)模建設(shè)階段，舊電網(wǎng)、過渡電網(wǎng)、新電網(wǎng)“三網(wǎng)”交織，電網(wǎng)拆、改、建工程交叉紛雜，建設(shè)期的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)弱化、施工外破停電風(fēng)險與高供電可靠性形成了新的矛盾，迫切需要通過技術(shù)創(chuàng)新來緩解這一突出外在形勢。未來雄安電網(wǎng)在管理模式上將以專業(yè)化、集約化、平臺化運作為核心，以數(shù)字化運維、智能化管控為突破，依據(jù)電力系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)特性， 實施多電壓等級扁平化、多專業(yè)集約化的“大二次”管理，先進的管理模式亟需電網(wǎng)裝備在技術(shù)上進行升級和拓展。由此可見，新技術(shù)、新模式的研究應(yīng)用已經(jīng)成為了支撐服務(wù)雄安電網(wǎng)建設(shè)發(fā)展的剛性需求。
雄安新區(qū) 5G 網(wǎng)絡(luò)的部署全覆蓋，為打造新業(yè)態(tài)下的配電網(wǎng)“三道防線”提供了多元技術(shù)融合應(yīng)用的“試驗田”。國網(wǎng)河北電力以“基于 5G 的配電網(wǎng)繼電保護應(yīng)用研究”為突破口，廣泛對接設(shè)備供應(yīng)商以及 5G 網(wǎng)絡(luò)運營商等產(chǎn)研單位，深度分析繼電保護和5G 通信技術(shù)的高度融合可行性，結(jié)合雄安電網(wǎng)過渡期間對繼電保護技術(shù)靈活多變的需求，加速配電網(wǎng)繼電保護無線化、數(shù)字化、智能化創(chuàng)新升級，為 5G 源荷差動和自愈技術(shù)的推廣應(yīng)用打造雄安“樣板間”。
運營商的移動網(wǎng)絡(luò)具備覆蓋范圍廣、接入便捷靈活的特點，結(jié)合5G的切片和MEC技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)的無線、承載、核心為用戶提供了端到端、高可靠的專屬通道，實現(xiàn)與公眾業(yè)務(wù)安全可靠隔離。在滿足通信質(zhì)量的同時，大幅度降低建網(wǎng)成本。經(jīng)河北電力實際測試，節(jié)約投資40%，效率提升70%以上，項目的經(jīng)濟效益顯著。
中國聯(lián)通已經(jīng)在全國大規(guī)模布站建設(shè)，經(jīng)過現(xiàn)網(wǎng)測試，證明了其成熟穩(wěn)定可靠，目前已經(jīng)實現(xiàn)全國大部分地市級城市的全覆蓋，為該項目的推廣發(fā)展提供了網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。示范工程的差動保護采用UDP/IP協(xié)議，數(shù)據(jù)采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的SV和GOOSE格式封裝在UDP報文中傳輸。SV報文傳輸電流采樣值，其傳輸機制為固定高頻率傳輸。GOOSE報文傳輸開關(guān)量信號，其傳輸機制為數(shù)據(jù)有變化時短延時（t1=2ms）迅速重傳，正常時采用心跳延時（t0=1000ms）傳輸。上述兩種報文傳輸協(xié)議已經(jīng)在傳統(tǒng)的繼電保護項目大量采用，運行的可靠性經(jīng)歷住了考驗。本次項目僅對底層承載方式根據(jù)5G特性進行小幅度改進，在項目的先進性、成熟度、推廣復(fù)雜度上取得了很好的平衡，有利于解決方案的大規(guī)模推廣。
同時，該項目的實施，大幅提升了各級電網(wǎng)安全保障協(xié)同能力，供電恢復(fù)時間縮短至1s，項目的社會價值顯著。
（一）物理平臺
1、基于5G通信的備自投功能平臺
（1） 110kV側(cè)備自投
110kV變電站的110kV側(cè)備自投邏輯同常規(guī)邏輯，特殊之處在于，當(dāng)110kV側(cè)備自投動作時會產(chǎn)生暫停本站35kV側(cè)備自投動作的命令，避免35kV側(cè)備自投失配而越級動作。
（2） 35kV側(cè)備自投
110kV變電站的35kV側(cè)備自投，在收到110kV側(cè)備自投發(fā)送的暫停命令的情況下，35kV側(cè)備自投邏輯暫時不動作，當(dāng)暫停命令消失時，如果35kV側(cè)還是失電，說明110kV側(cè)備自投動作不成功，則加速35kV側(cè)備自投動作；如果35kV側(cè)不再失電，說明110kV側(cè)備自投動作成功，35kV側(cè)備自投無需動作。如果沒有收到110kV側(cè)備自投發(fā)送的暫停命令，說明110kV側(cè)不失電，故障點在110kV主變上，此時35kV側(cè)備自投可按常規(guī)邏輯動作。
（3） 區(qū)域備自投功能
考慮到上下級備自投動作時間的優(yōu)化配合，備自投每種方式的跳閘時間定值設(shè)置兩個：跳閘時間定值1和跳閘時間定值2。其中，跳閘時間定值1用于跟上級備自投動作時間配合，跳閘時間定值2用于跟本級主供線路的保護跳閘+重合閘時間配合。
2、繼電保護信息系統(tǒng)
建設(shè)繼電保護及故障信息管理系統(tǒng)（簡稱保護信息管理系統(tǒng)）的目的在于提高調(diào)度系統(tǒng)信息化、智能化的總體水平，使二次裝置運行、管理的各個環(huán)節(jié)“可控、在控”，實現(xiàn)繼電保護專業(yè)管理現(xiàn)代化，從整體上提升電網(wǎng)調(diào)度運行管理水平。建成的繼電保護及故障信息管理系統(tǒng)應(yīng)能在正常和電網(wǎng)故障時，采集、處理各種二次裝置信息，并充分利用這些信息，為繼電保護運行、管理服務(wù)，為實現(xiàn)繼電保護裝置狀態(tài)檢修提供前提條件，為分析、處理電網(wǎng)故障提供支持。繼電保護及故障信息管理系統(tǒng)，是一個繼電保護運行、管理的技術(shù)支持系統(tǒng)，同時又是一個電網(wǎng)故障時的信息支持、輔助分析和決策系統(tǒng)。在電網(wǎng)正常情況下，對二次設(shè)備的運行參數(shù)及工況進行實時在線采集和監(jiān)視，及時發(fā)現(xiàn)裝置異常情況；在電網(wǎng)故障時，能快速采集現(xiàn)場二次設(shè)備的動作情況，對信息進行提煉、挖掘、智能分析，自動生成故障分析報告，并將裝置的實際動作情況和分析報告自動快速推送給電網(wǎng)管理人員，從而提高判斷故障、處理故障的準(zhǔn)確率和速度，實現(xiàn)快速恢復(fù)電網(wǎng)，減少事故損失。
3、5G專網(wǎng)系統(tǒng)平臺
現(xiàn)有行業(yè)無線專網(wǎng)的實現(xiàn)方式主要基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)、Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)、專有頻段 LTE 局域網(wǎng)。其中，窄帶物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備移動性受限，不方便實際應(yīng)用；工業(yè)級 Wi-Fi 由于技術(shù)原理的限制，導(dǎo)致穩(wěn)定性和安全性較差，無法滿足實際行業(yè)需求；LTE 專有頻段終端模組在實際應(yīng)用中需要定制開發(fā)，無規(guī)模化優(yōu)勢，會導(dǎo)致成本非常高；此外，部分無線專網(wǎng)使用非 3GPP 標(biāo)準(zhǔn)，限制頗多、技術(shù)更新緩慢，跟不上行業(yè)應(yīng)用的演進。5G 專網(wǎng)具有大帶寬、廣連接、低時延、安全性高等諸多優(yōu)勢。同時，5G 專網(wǎng)具備適用部署區(qū)域化、網(wǎng)絡(luò)需求個性化、行業(yè)應(yīng)用場景化等特點。所謂部署區(qū)域化，是指5G專網(wǎng)服務(wù)的部署范圍可根據(jù)區(qū)域設(shè)計，可面向封閉式的使用場景，如制造業(yè)園區(qū)、港口、礦山等；網(wǎng)絡(luò)需求個性化，是指對時延要求嚴(yán)苛、可靠性要求高、上行速率需求高、數(shù)據(jù)安全和隔離要求嚴(yán)格等，5G 專網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)切片、邊緣計算、NFV/SDN 實現(xiàn)園區(qū)網(wǎng)絡(luò)靈活部署；行業(yè)應(yīng)用場景化，是指5G網(wǎng)絡(luò)將為不同的行業(yè)場景就近部署算力并提供能力開放。5G 專網(wǎng)可與現(xiàn)有 IT 網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)兼容互通，網(wǎng)絡(luò)能力、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也將不斷演進升級。最后，對于多數(shù)企業(yè)重要的一點是，5G 公網(wǎng)與專網(wǎng)的融合部署可縮短建設(shè)周期，進而大大降低成本。
（二）軟件平臺
1、保信子站
1）方案設(shè)計
保信子站用于多種繼電保護裝置、錄波器及其它裝置與調(diào)度主站、當(dāng)?shù)乇Ｗo工程師站之間的通信轉(zhuǎn)接及規(guī)約轉(zhuǎn)換。它通過多種類型的標(biāo)準(zhǔn)通信接口來溝通保護、數(shù)據(jù)采集和故障錄波器等裝置與調(diào)度端或當(dāng)?shù)乇Ｗo工程師站之間的信息聯(lián)系，并對保護信息、故障波形加以保存，以供歷史查詢和故障分析之用。
保信子站的軟件結(jié)構(gòu)如下圖所示。
圖4?2 保信子站軟件結(jié)構(gòu)
保信子站的子系統(tǒng)功能列表
序號 | 子系統(tǒng) | 主要功能 |
1 | 實時庫子系統(tǒng) | 負(fù)責(zé)保存由對下規(guī)約采集到的數(shù)據(jù)和對上規(guī)約下發(fā)的部分控制數(shù)據(jù)，所有通信裝置的所有動態(tài)數(shù)據(jù)都將保存在實時庫中。 |
2 | 歷史庫子系統(tǒng) | 周期性地轉(zhuǎn)存實時庫的數(shù)據(jù)作為歷史數(shù)據(jù)，作為高級應(yīng)用的數(shù)據(jù)來源。 |
3 | 對上規(guī)約子系統(tǒng) | 負(fù)責(zé)與主站通訊，包括：與61850主站通訊，建立全站的61850模型；與103后臺通訊，建立全站的103模型；通過101、104、CDT、DNP等對上規(guī)約與主站進行通訊。響應(yīng)主站的數(shù)據(jù)問答 請求，并將主站控制命令下發(fā)到對下單元。 |
4 | 對下規(guī)約子系統(tǒng) | 負(fù)責(zé)與站內(nèi)裝置通訊，包括：對下連接61850裝置；對下連接103裝置；連接以Modbus、102等小規(guī)約通訊的裝置。采集數(shù) 據(jù)轉(zhuǎn)存到實時數(shù)據(jù)庫，并轉(zhuǎn)發(fā)對下的控制命令。 |
5 | PMU子系統(tǒng) | 負(fù)責(zé)采集并轉(zhuǎn)發(fā)站內(nèi)的實時量測數(shù)據(jù)，采集周期控制在10～100ms之間。 |
6 | 視頻轉(zhuǎn)發(fā)子系統(tǒng) | 負(fù)責(zé)接收并轉(zhuǎn)發(fā)視頻采集終端上送的實時視頻數(shù)據(jù)，經(jīng)過編碼、 壓縮等處理后，轉(zhuǎn)發(fā)給主站端的視頻監(jiān)控中心。 |
7 | GPS時鐘同步子系統(tǒng) | 負(fù)責(zé)通過網(wǎng)絡(luò)、B碼、差分、串口等多種方式實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)時間的接收解析同步，并負(fù)責(zé)向站內(nèi)保護測控和智能設(shè)備進行標(biāo)準(zhǔn)時 間的同步發(fā)布。 |
8 | 雙機冗余子系統(tǒng) | 負(fù)責(zé)管理雙機冗余配置時的兩側(cè)主備關(guān)系處理。實現(xiàn)雙機熱備 用，兩側(cè)數(shù)據(jù)同步，自動切換等功能。 |
9 | 開入開出子系統(tǒng) | 負(fù)責(zé)采集裝置的開入狀態(tài)，并負(fù)責(zé)根據(jù)裝置的狀態(tài)信息設(shè)置開 出量的值。 |
10 | 人機界面子系統(tǒng) | 負(fù)責(zé)人機交互管理，實現(xiàn)通過指示燈、液晶顯示、鍵盤操作、外部組態(tài)調(diào)試工具來完成的運行狀態(tài)監(jiān)視、通信報文監(jiān)視、參 數(shù)設(shè)置、工程配置、診斷分析等人機交互功能。 |
11 | 邏輯子系統(tǒng) | 負(fù)責(zé)復(fù)合信號的編輯和解析、遙控閉鎖邏輯等邏輯運算。 |
12 | 高級應(yīng)用子系統(tǒng) | 根據(jù)需求實現(xiàn)部分高級應(yīng)用的功能，如VQC、小電流接地選線 等。 |
2、保信主站
1）體系結(jié)構(gòu)
保護信息管理系統(tǒng)由統(tǒng)一應(yīng)用支撐平臺和基于該平臺一體化設(shè)計開發(fā)的保護信息管理應(yīng)用組成。系統(tǒng)采用了分布式、可擴展、可異構(gòu)的體系架構(gòu)，應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫可在各個計算機節(jié)點上進行靈活配置，而無需對應(yīng)用程序進行修改。整個系統(tǒng)可以由安裝不同操作系統(tǒng)的計算機組成，系統(tǒng)功能可根據(jù)用戶需求方便地進行擴展，最大程度滿足用戶對系統(tǒng)靈活性和可伸縮性的要求。
用于各級調(diào)度和超高壓局繼電保護和故障錄波器運行管理，為及時準(zhǔn)確處理電網(wǎng)事故提供信息支持、輔助分析與決策參考。
保護信息管理系統(tǒng)的體系架構(gòu)如下圖所示。
保護信息管理系統(tǒng)的體系架構(gòu)
(一) 與AII總體架構(gòu)的關(guān)系
參考 AII 總體架構(gòu)設(shè)計，本驗證示范平臺對照符合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)泛在的無線連接需求，采用5G 新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究和部署來支撐工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展。本驗證示范平臺對照滿足 AII 安全體系和 AII 數(shù)據(jù)體系目標(biāo)框架。
(二) AII安全（可選）
本驗證示范平臺將遵循工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟提供的安全體系, 將和 AII 安全組密切合作，邀請安全組成員參加驗證示范平臺項目評審。本驗證示范平臺的安全機制：
通過5G切片+MEC的形式打造高質(zhì)量的5G網(wǎng)絡(luò)，切片實現(xiàn)5G傳輸管道的隔離，MEC實現(xiàn)數(shù)據(jù)本地化處理，無需上傳到上層核心網(wǎng)或者是Internet外網(wǎng)。5G SA網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)端到端QoS或切片技術(shù)，為基于5G的分布式能源監(jiān)控系統(tǒng)提供一張時延和帶寬有保障的，與網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)據(jù)隔離的虛擬專有網(wǎng)絡(luò)，從無線基站、傳輸?shù)胶诵木W(wǎng)用戶面和控制面端到端共享網(wǎng)絡(luò)，通過切片技術(shù)，為用戶提供具有特定SLA保障的邏輯專網(wǎng)。
（1） 切片安全
5G網(wǎng)絡(luò)切片是基于無線接入網(wǎng)、承載網(wǎng)與核心網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，以及網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)構(gòu)建的一個面向不同業(yè)務(wù)特征的邏輯網(wǎng)絡(luò)。運營商可以為不同行業(yè)應(yīng)用在共享的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上通過能力開放、智能調(diào)度、安全隔離等技術(shù)分別構(gòu)建彼此隔離的5G網(wǎng)絡(luò)切片，提供差異化的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。
網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)有利于構(gòu)建以運營商為中心的開放網(wǎng)絡(luò)生態(tài)，充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的潛力，拓展新的收入來源。同時，對于垂直行業(yè)而言，網(wǎng)絡(luò)切片也有利于大大降低專網(wǎng)的建設(shè)和運營成本，并且可以借助網(wǎng)絡(luò)切片靈活的性能彈縮優(yōu)勢，快速滿足動態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)需求。網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的應(yīng)用是電信網(wǎng)絡(luò)的一次重大變革，為電信網(wǎng)絡(luò)和行業(yè)應(yīng)用的深度融合奠定了堅實基礎(chǔ)。區(qū)別于傳統(tǒng)物理專網(wǎng)的私有性與封閉性，5G網(wǎng)絡(luò)切片是建立在共享資源之上的虛擬化專用網(wǎng)絡(luò)，切片安全除了提供傳統(tǒng)移動網(wǎng)絡(luò)安全機制之外（例如接入認(rèn)證、接入層和非接入層信令和數(shù)據(jù)的加密與完整性保護等），還需要提供網(wǎng)絡(luò)切片之間端到端安全隔離機制。
（2） MEC邊緣計算安全
在MEC安全策略方面，MEC能力實現(xiàn)數(shù)據(jù)本地化處理，保障數(shù)據(jù)安全性，其中的UPF網(wǎng)元下沉，也可降低網(wǎng)絡(luò)時延，支撐低時延高可靠業(yè)務(wù)。MEC邊緣云安全滿足等保2.0標(biāo)準(zhǔn)安全通用要求、云計算安全擴展要求，構(gòu)建“一個中心、三重防護”的技術(shù)架構(gòu)，保障MEC邊緣云通信網(wǎng)絡(luò)安全、區(qū)域邊界安全、計算環(huán)境安全。
MEC的安全防護繼承了電信云數(shù)據(jù)中心的安全防護手段，包括云化的基礎(chǔ)設(shè)施加固，以及虛擬化的網(wǎng)絡(luò)安全服務(wù)等。同時，針對MEC面臨的全新安全挑戰(zhàn)，還需要從多個方面進行針對性的加固。
1)基礎(chǔ)設(shè)施加固
物理安全：根據(jù)不同業(yè)務(wù)場景，MEC節(jié)點可部署在邊緣數(shù)據(jù)中心、無人值守的站點機房，甚至靠近用戶的現(xiàn)場。由于處于相對開放的環(huán)境中，MEC設(shè)備更易遭受物理性破壞，需要與場所的提供方一起，共同評估和保障基礎(chǔ)設(shè)施的物理安全，引入門禁、環(huán)境監(jiān)控等安全措施；對于MEC設(shè)備，還需要加強自身防盜、防破壞方面的結(jié)構(gòu)設(shè)計，對設(shè)備的I/O接口、調(diào)試接口進行控制。此外MEC節(jié)點還必須具備在嚴(yán)苛、惡劣物理環(huán)境下的持續(xù)工作能力。
平臺安全：針對部署在運營商控制較弱區(qū)域的MEC節(jié)點，需要引入安全加固措施，加強平臺管理安全、數(shù)據(jù)存儲和傳輸安全，在需要時引入可信計算等技術(shù)，從系統(tǒng)啟動到上層應(yīng)用，逐級驗證，構(gòu)建可信的MEC平臺。為保證更高的可用性，同質(zhì)化的MEC之間可以建立起“MEC資源池”，相互之間提供異地災(zāi)備能力，當(dāng)遇到不可抗的外部事件時，可以快速切換到其他MEC，保證業(yè)務(wù)的連續(xù)性。
網(wǎng)絡(luò)安全：MEC連接了多重外部網(wǎng)絡(luò)，傳統(tǒng)的邊界防御、內(nèi)外部認(rèn)證、隔離與加密等防護技術(shù)，需要繼續(xù)在MEC中使用。從MEC平臺內(nèi)部來看，MEC被劃為不同的功能域，如管理域、核心網(wǎng)域、基礎(chǔ)服務(wù)域（位置業(yè)務(wù)/CDN等）、第三方應(yīng)用域等，彼此之間需要劃分到不同安全域，引入各種虛擬安全能力，實現(xiàn)隔離和訪問控制。同時需要部署入侵檢測技術(shù)、異常流量分析、反APT等系統(tǒng)，對惡意軟件、惡意攻擊等行為進行檢測，防止威脅橫向擴展。此外，基于邊緣分布式的特點，可以在多個MEC節(jié)點部署檢測點，相互協(xié)作實現(xiàn)對惡意攻擊的檢測。
(三) 詳細(xì)清單（可選）
? 現(xiàn)場級：
? IT 網(wǎng)絡(luò)接入：智能網(wǎng)關(guān)/交換機/路由器；
? 無線接入：5G 基站、5G 終端；
? 平臺層：繼電保護信息系統(tǒng)、MEC自服務(wù)平臺、5G專網(wǎng)服務(wù)平臺
(四) 風(fēng)險模型（可選）
研究基于 5G 網(wǎng)絡(luò)切片的安全防護方案，構(gòu)建專屬核心網(wǎng)配合專屬UPF、MEC的網(wǎng)絡(luò)安全管理拓?fù)洌治鲭姎饬俊㈤_關(guān)量等信息泄露對保護判據(jù)的影響，對受攻擊程度進行分類，對應(yīng)制定安全隔離措施。
(五) 安全聯(lián)系人
中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司河北省分公司，王世如，18603210019
(六) 與已存在AII測試床的關(guān)系
AII 現(xiàn)沒有 5G 網(wǎng)絡(luò)相關(guān)測試床，也沒有電力行業(yè)相關(guān)測試床。
九、交付件
（1）基于5G通信，實現(xiàn)了35kV線路差動保護功能，包括兩端差動保護和三端差動保護。
（2）基于5G通信，既實現(xiàn)了同一電壓等級的手拉手串供變電站之間的區(qū)域備自投功能，又實現(xiàn)了不同電壓等級的上下級變電站之間的上下級備自投優(yōu)化配合關(guān)系。
（3）基于5G通信的保信系統(tǒng)，通過把保信子站配置到調(diào)度端，避免在每個變電站均配置保信子站，從而節(jié)約了保信子站裝置配置數(shù)量并減少了相關(guān)運維工作量。
（4）基于MEC建立一張5G電力專網(wǎng)，通過端到端MEC+Qos提供一張時延和帶寬有保障的、與公網(wǎng)用戶數(shù)據(jù)隔離且具有特定SLA保障的的邏輯專網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)切片、邊緣計算、NFV/SDN 實現(xiàn)園區(qū)網(wǎng)絡(luò)靈活部署，按網(wǎng)絡(luò)需求制定業(yè)務(wù)切片，保證上行速率、高可靠、低時延的同時，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)不出園區(qū)的安全和隔離要求。
（5）基于5G SA基站的架構(gòu)，完成5G信號連續(xù)覆蓋的前提下，利于減少建站投資并且降低網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度。由于NSA需借助4G無線空口（NSA無線錨點在4G），但現(xiàn)有的4G核心網(wǎng)架構(gòu)和4G空口卻無法滿足5G對于時延和傳輸可靠性的要求。
測試床初期僅限于現(xiàn)有的合作伙伴使用，示范平臺成熟后向聯(lián)盟中企業(yè)及社會開放
十二、 部署，操作和訪問使用
驗證示范平臺部署在雄安新區(qū)。初期將開放給項目參與單位開展技術(shù)試驗，待成熟后向更多的合作伙伴開放。
預(yù)計約為850萬
2020年5月～6月，需求分析，各合作方溝通確認(rèn)示范項目具體需求
2020年6月～9月，完成相關(guān)策略研究，相關(guān)樣機研制和系統(tǒng)搭建
2020年10月～12月，完成方案研究，結(jié)合新區(qū)示范應(yīng)用
2021年1月～6月，完成智能運維方案研究，結(jié)合新示范區(qū)應(yīng)用
2021年6月～12月，總結(jié)項目成果，形成國際領(lǐng)先、可推廣的應(yīng)用
聲明
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