阅读说明：本技术 一种基于5g通信的配网分布式dtu差动保护系统 (Distribution network distributed DTU differential protection system based on 5G communication ) 是由 杜东威 徐东林 强卫 于宙宙 李超 钱彬 姚光 马鹏 严强 梅嵩民 王翔 卢海 于 2020-11-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于5G通信的配网分布式DTU差动保护系统,包括环网单元,所述环网单元包括基于配网的分布式DTU,所述分布式DTU包括DTU公共单元和DTU间隔单元,所述DTU公共单元集成北斗/GPS功能,对外提供微妙级误差的PPS秒脉冲同步总线,所述DTU间隔单元接入同步总线,不同的所述DTU间隔单元通过过程层交换机、5G CPE接入5G基站,组成端到端通信的5G过程层网络。该系统基于配网分布式DTU产品设计,依靠5G的高可靠低时延通信特性,采用基于北斗/GPS秒脉冲的同步算法,通过IEC61850标准的SV/GOOSE协议实现端到端的数据传输,依靠分相电流纵差保护原理实现基于5G无线网络的快速差动保护功能。(The invention discloses a 5G communication-based distribution network distributed DTU differential protection system, which comprises a ring network unit, wherein the ring network unit comprises a distribution network-based distributed DTU, the distributed DTU comprises a DTU public unit and a DTU interval unit, the DTU public unit integrates the Beidou/GPS function and provides a PPS second pulse synchronization bus with microsecond errors for the outside, the DTU interval unit is accessed into the synchronization bus, and different DTU interval units are accessed into a 5G base station through a process layer switch and a 5G CPE to form a 5G process layer network with end-to-end communication. The system is based on distribution network distributed DTU product design, relies on high-reliability low-time-delay communication characteristics of 5G, adopts a synchronization algorithm based on Beidou/GPS second pulse, realizes end-to-end data transmission through an SV/GOOSE protocol of IEC61850 standard, and relies on a split-phase current longitudinal differential protection principle to realize a rapid differential protection function based on a 5G wireless network.)

一种基于5G通信的配网分布式DTU差动保护系统

技术领域

本发明涉及电力配电网无线差动保护技术领域，尤其涉及需要实现无线差动 保护的配电网电缆线路的一种基于5G通信的配网分布式DTU差动保护系统。

背景技术

国家规划纲要指出“积极推进第五代移动通信(5G)和超宽带关键技术研究， 启动5G商用”，由此奠定了国内5G发展的基石。5G定义的eMBB(增强型移动 宽带)、mMTC(海量机器类通信)、URLLC(高可靠低时延通信)三大应用场景， 为不同行业、不同业务提供了差异化定制的可能。

差动保护具有快速动作的特性，并且能够实现很好的保护选择性，在专用光 纤通道环境下已有长期稳定的运行经验，但是配电网点多面广，线路拓扑复杂多 变，建设专用光纤通道从经济性和可行性上均存在较大困难。基于4G无线通信 的差动保护在低时延和高可靠性上尚无法提供可靠支撑，但是5G切片技术为提 供高可靠低时延的无线网络环境提供了支撑，为实现基于5G无线网络的差动保 护提供了可能。基于此需求，发明了一种基于5G通信的配网分布式DTU差动保 护系统。

发明内容

本发明的目的是在5G无线网络环境下实现差动保护功能，针对需要实现差 动保护功能，而有又无法建设有线光纤环境的配电网场景提供解决方案。基于配 网分布式DTU产品设计，依靠5G的高可靠低时延通信特性，采用基于北斗/GPS 秒脉冲的同步算法，通过IEC61850标准的SV/GOOSE协议实现端到端的数据传输， 依靠分相电流纵差保护原理实现基于5G无线网络的快速差动保护功能。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

基于5G通信的配网分布式DTU差动保护系统，包括环网单元，所述环网单 元包括基于配网的分布式DTU，所述分布式DTU包括DTU公共单元和DTU间隔单 元，所述DTU公共单元集成北斗/GPS功能，对外提供微妙级误差的PPS秒脉冲 同步总线，所述DTU间隔单元接入同步总线，不同的所述DTU间隔单元通过过程 层交换机、5G CPE接入5G基站，组成端到端通信的5G过程层网络。

进一步的，所述DTU间隔单元与DTU间隔单元之间采用IEC61850标准的 SV/GOOSE协议实现端到端的数据传输。基于DTU间隔单元之间传输的原始采样 值，所述DTU间隔单元通过同步调整算法实时计算差动电流。

进一步的，所述PPS秒脉冲同步总线基于北斗/GPS，可实现不同的所述环网 单元DTU间隔单元的采样同步。

进一步的，本系统将过程层网络中的所有DTU间隔单元基于北斗/GPS秒脉 冲作为同步基准信号，同步命令由主机发起，基于乒乓原理来实现同步采样，具 体流程如下：

1)主机在PPS秒脉冲到达时刻下发同步命令，报文中包括本侧发送时标 (Tml)；

2)从机接收到主机下发的同步命令报文后，提取Tm1时标，同时计算当前 时刻(Tn2)距离上一个PPS秒脉冲发生时刻(Tn1)的时间差(td1)，从机结 合Tm1、Tn1、td1进行延时校核，校核同步命令通过后，发送同步应答确认报文 至主机；

4)主机接收从机的同步应答确认报文，并记录接收时刻(Tm2)，同时计算 延时(td2)，延时校核通过后下发同步成功命令至从机，并在下一个PPS秒脉 冲到达时刻开始采样同步；

5)从机接收主机的同步成功命令，并记录时刻(Tn4)，同时计算延时(td3)， 延时校核通过后，在下一个PPS秒脉冲到达时刻开始采样同步。

除上述外，所述系统采用分相电流纵差保护原理，分相电流纵差保护由差动 速断保护和比率差动保护两个元件组成，并且这两个元件可分别可以独立投退，设置为差动电流，为制动电流，式中为被保护 线路两端的电流相量，并采用如下方程：

公式一中：I_dset为差流速断门槛。

比率差动判据为：

公式二中：I_dz为稳态量比率差动门槛定值，按躲开正常运行时的最大不平 衡电流整定，其取值范围一般在(0.3～0.5)I_n；k为稳态量比率差动比率值， 可以固定取0.6。

本发明的有益效果为：

1.提供了基于5G无线网络的差动保护解决方案，改变了传统差动保护必须 铺设专用光纤通道的限制性要求，大大节约了投资建设成本。

2.为需要实现差动保护功能的配电网提供了另外一种新型解决方案，借助 于差动保护可以实现线路故障的快速选择性保护，解决了以往配网线路必须依靠 级差配合来实现选择性的问题。

3.为5G通信在配电网的应用提供了一个有效解决方案，为行业提供了可以 面向5G差动保护应用的产品设计理念和应用方案。

附图说明

图1为本发明提出的一种基于5G通信的配网分布式DTU差动保护系统的示 意图。

图2为本发明提出的一种基于5G通信的配网分布式DTU差动保护系统的5G 差动保护采样同步算法示意图。

图3为本发明提出的一种基于5G通信的配网分布式DTU差动保护系统的5G 分相电流纵差保护原理示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。

如图1所示，基于分布式DTU实现配网环网线路的5G差动保护，整个系统 由同步总线、过程层网络、5G端到端网络三大部分组成。DTU公共单元接入北斗 /GPS网络，提供微妙级PPS同步脉冲信号输出，DTU间隔单元从同步总线获取同 步信号，实现各个间隔单元的采样调整与同步，不同环网单元之间的DTU间隔单 元实现微妙级采样同步。环网单元内部的过程层网络由5G CPE级联过程层交换 机实现，DTU间隔单元接入过程层交换机。5G网络由不同环网单元之间5G CPE 接入5G核心网，实现环网单元之间的5G通信。

DTU间隔单元支持基于IEC61850的SV和GOOSE协议，通过过程层网络、5G 网络实现环网单元之间的采样值和开关量信息交互，基于分相电流纵差实现电缆 线路的无线差动保护功能。

实现基于5G通信的无线差动保护，装置间的同步技术是关键。只有实现了 全线装置的采样同步，才能在不同无线网络时延工况下实现正确的数据同步调 整，才能保证后续保护算法的准确性。

如图2所示，本方案将过程层网络中的所有DTU间隔单元基于北斗/GPS秒 脉冲作为同步基准信号，同步命令由主机发起，基于乒乓原理来实现同步采样， 具体流程如下：

1)主机在PPS秒脉冲到达时刻下发同步命令，报文中包括本侧发送时标 (Tm1)；

2)从机接收到主机下发的同步命令报文后，提取Tm1时标，同时计算当前 时刻(Tn2)距离上一个PPS秒脉冲发生时刻(Tn1)的时间差(td1)，从机结 合Tm1、Tn1、td1进行延时校核，校核同步命令通过后，发送同步应答确认报文 至主机；

4)主机接收从机的同步应答确认报文，并记录接收时刻(Tm2)，同时计算 延时(td2)，延时校核通过后下发同步成功命令至从机，并在下一个PPS秒脉 冲到达时刻开始采样同步；

5)从机接收主机的同步成功命令，并记录时刻(Tn4)，同时计算延时(td3)， 延时校核通过后，在下一个PPS秒脉冲到达时刻开始采样同步。

关于上述流程中的延时校核，是指任何一方接收报文距离上一PPS秒脉冲必 须在一个秒脉冲间隔之内，若超过一个秒脉冲间隔，则校核方负责发送同步失败 信息至另一方，此时同步失败，并闭锁相关保护逻辑，并在下一个同步周期内重 新请求同步。在5G高可靠低时延通信(URLLC)的切片技术支撑下，1秒的时间 窗足以支撑装置之间完成采样同步。

分相电流纵差保护是基于装置之间传输原始采样值，装置通过同步调整算法 实时计算差流。本方案基于IEC61850标准的SV协议实现端到端的采样值传输。 分相电流纵差保护由差动速断保护和比率差动保护两个元件组成，并且这两个元 件可分别独立投退。

如图3所示，图中坐标为差动电流，为制动电流， 式中为被保护线路两端的电流相量(规定两侧电流的正方向都是由母线 流向线路)。阴影区为保护动作区，其中I_dset以上为差动速断保护动作区，其他 部分为比率差动保护动作区。

公式一中：I_dset为差流速断门槛。

比率差动判据为：

公式二中：I_dz为稳态量比率差动门槛定值，按躲开正常运行时的最大不平 衡电流整定，其取值范围一般在(0.3～0.5)I_n；k为稳态量比率差动比率值， 可以固定取0.6。