韩 伟，张 峰，蔡得雨，苏家楠，李晓辉
（1.国网河南省电力公司电力科学研究院 智能变电站检测技术实验室，河南 郑州 450000；2.西安电子科技大学广州研究院，广东 广州 510000）
0 引言
随着智能电网技术的发展和人们生活质量的提高，电网各类终端的信息采集与传输需求日渐增长，社会对于供用电的可靠性也有了更高的要求，因此需要确保配电网的运行安全以及配电网保护信息的实时交互，从而缩短故障排查时间。城市配电网过流保护需要准确快速排查故障范围。为了保证主变电站安全运行，线路开关需要设置快断保护，但很难快速准确排查故障范围；此外，随着配电网的拓扑结构越来越复杂，配电网呈现出多终端、多段、多电源的特点[1]，在复杂的配电网中，过流保护值不能很好地匹配配电网的拓扑结构，造成保护值设置困难，故障范围不断扩大。例如，当图1 实箭头位置出现故障时，故障点的高级保护可能会在虚箭头位置出现误判，造成超越跳闸，从而导致停电范围的扩大。
图1 配电网电流保护原理
在配电网中应用差动保护可以快速定位和隔离故障点，减小停电范围。这不仅提高了电源的可靠性，而且使得保护整定只需要避免不平衡电流，且不受运行方式、负载电流等因素的影响。差动保护装置在配电网中的应用是利用间隔电流传感器和电缆连接励磁电流采样，连接通信设备的网络端口，采用UDP/IP 消息实时通信[2]，独立时间同步装置提供时间一致的信息。保护动作信息通过硬接触远程信令传输到二级终端，然后通过网络电缆及二级终端传输到监控系统，最后以协议中的消息形式传输到自动配电站。
差动保护对通信的性能指标有更高的需求。差动保护装置在线路两侧排查故障区域，其需要使用无线通信通道与相邻的差动保护装置交换电流、电压等信息，这种通道称为纵联通道[3]。纵联通道的性能直接影响到差动保护采样同步技术的快速性和可靠性，4G 网络在时延、可靠性及耦合性等方面无法满足配电网纵联通道的性能要求，因此业界考虑通过采用5G 网络来提供差动保护的时延保障。
目前，5G 通信技术已进入大规模商用阶段，即将成为电力通信技术的重要组成部分，这是智能电网发展的必然趋势。与传统的通信技术相比，5G 通信在带宽和速度上具有明显的优势。4G 通信技术的网络传输速率峰值为150 Mb/s，而5G 通信技术的网络传输速率峰值超过这一峰值约10 倍，网络传输速率为1.5 Gb/s。同时，5G 通信技术可以有效地控制网络延迟。参考文献[4]表明，基于4G 通信的差动保护终端之间的同步精度小于10 μs，终端之间的信息传输时延约为100 ms。这种延时水平影响了差动保护在配电网中的应用。5G 通信的传输延时在15 ms 以内，可以很好地满足差动保护的要求。
5G 网络切片与多接入边缘计算（Multi-access Edge Computing，MEC）的融合技术为配电网差动保护的通信通道建设提供了多种解决办法[5]。网络切片与MEC 的融合满足了业务在差异化和确定性服务、高安全隔离和自管理自维护的要求。配电网保护装置在确定故障点时无需将数据传输到通信链路相对较远的数据采集与监视控制系统进行处理，而只需要传输到MEC 节点。这不仅缩短了整体反应时间，同时改进了保护装置通常“先跳闸后自愈恢复”的习惯。
文献[6]利用馈线两端的电流分量通过比较差动电流和抑制电流来区分配电网的故障间隔，从而达到故障识别的目的，该方案主要考虑的是当前信息的收集，对纵联通道通信的描述较少。文献[7]解决了常见的设计约束和距离驱动的应用要求，为差动保护的实际开发提供了依据，但是没有研究差分器件通信问题。文献[8]提出了电流差动保护可靠性的算法支持，以减少暂态条件下非常规跳闸现象的重复发生，并采用数字抑制原理和非周期分量块原理改进了电流互感器饱和暂态模式下的可靠性问题，为光纤通道的差动保护可靠性提供了有力的算法支持。
在上述研究的基础上，文献[9-12]展开了5G 在配电网差动保护的应用。文献[9]分析了5G 通信中同步算法实现的难点，提出了一种基于定时消息交换的5G 无线边缘绝对时间同步方案，设计了定时信息的帧结构，实现了本地时钟频率偏移和相位偏移的联合估计。文献[10]建立了一个带保护方案的小型配电网模型，通过仿真验证了差动保护的灵敏度，隔离了线路中最小的故障部分，但仍不能解决继电器之间的通信问题。文献[11]全面提供了5G 时间敏感网络环境中的时间同步解决方案的端到端分析。文献[12]构建了基于动态时间规划算法的差动保护判据，很大程度上解决了5G 通信数据传输和时延抖动的不确定性。但是在优化通信资源方面，5G MEC 技术在配电网络通信性能优化方面更具竞争力。
本文提出了一种基于5G MEC+SCADA 的配电网差动保护纵联通道的解决方案，通过MEC 和数据采集与监视控制系统（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）联合计算差动保护任务。SCADA 是一个由软件和硬件元素组成的系统，允许工业组织在本地或远程位置控制工业过程以及通过人机界面软件直接与传感器、阀门、泵、电机等设备进行交互。保证了时间同步任务使纵联链路缩短，在MEC 接入任务负载过多时，SCADA 分担MEC 的处理任务。对于根据电流同步信息情况排查故障区域这一目的，可以达到利益最大化。
具体主要贡献概述如下：
1）对差动保护通信和计算模型的时延等性能指标进行了分析。在配电网采取避障时间的最大阈值下，结合保护装置的反应时间等，具体分析预留给通信的时间，并且结合5G MEC 技术分析模型的通信和计算模型。以上的性能指标确保纵联链路的指标可以达到预期效果。
2）对MEC 和SCADA 联合处理保护任务进行分析，结合配电网的实际需要提出了流水线式的任务卸载方案。以纵联链路最小时延为目标，根据约束条件，满足1）中的时延性能要求，并通过仿真验证本文的实验方案。
1 系统模型
本部分主要介绍通信模型、计算模型、可靠性要求以及时间同步技术。
1.1 5G MEC+SCADA 差动保护方案
如图2 所示，数据传输单元（Data Transfer Unit，DTU）完成保护功能[13]，包括收集间隔模拟信息和断路器位置，将线路两侧保护装置、区间电流互感器和断路器连接起来，双方通过5G 的用户驻地设备（Customer Premise Equipment，CPE）连接到5G 网络，实时接收另一方电流、电压等状态量数据。保护控制信息通道采用区间DTU 通过CPE 终端接入5G 网络，并在核心网中部署CPE 路由，实现DTU 的交互。
图2 5G MEC+SCADA 差动保护模型
由于本文主要研究差动保护的纵联通道时延优化问题，因此将与CPE 相连的DTU 和差动保护装置组视为一个整体，后文统称为电力终端。基站与电力终端进行互通包括两个方面：一方面，每个电力终端的时钟信号统一；另一方面，电力终端将保护数据与时钟信号对齐。以单个配电网区域为一个单元，区域内的5G 基站采用GPS 或北斗定时。5G 基站定时后，精确的时钟信号被发送到每个CPE，CPE接收到时钟信号后，通过RS 485或光纤与DTU 连接，保证了区域内各保护装置时钟信号的同步，避免由于GPS 信号差导致外部时钟定时不同步的风险，减少了保护装置的维护工作量。
1.2 通信与计算模型
若要根据设备能力求解时延最优方案，需要分析纵联通道的通信和计算模型。在配电网链路中，每个差动保护装置到基站之间、基站到SCADA 之间均为独立同分布（i,i,d）瑞利信道[14]。接入链路从差动保护装置n到基站s的信道增益为gn,s，电力终端n到基站s、基站s到SCADA 设备c之间的信噪比为：
式中：S={1,2,…,S}和N={1,2,…,N}分别表示电力终端和基站的集合；pn和pn,s分别表示电力终端和基站的发射功率。因此基站s和电力终端n的传输速率为：
式中B为带宽。
电力终端n到基站s的传输延迟和计算延迟分别表示为：
1.3 配电网时延要求
结合配电网网络和硬件环境，差动保护的总时延TΣ可以表示为：
式中：Ts表示采样时间，由采样频率和利用的采样点个数决定；Td表示保护装置处理数据时间；Tt表示数据包传输需要的时间；Tc表示通信通道延时，与通信距离和通信介质有关，即为本文主要优化时延；Tr表示保护出口继电器延时时间，且Td+Tr一般固定在15 ms以内。
电压跌落是指在某一时刻电压的幅值突然偏离正常工作范围，经很短的一段时间后又恢复到正常水平的现象。为尽量减小电压跌落对敏感负荷的影响，配电网故障应急处理上限[15]需控制在150 ms。根据配电网硬件设备指标，断路器的延时一般为30～40 ms，熄弧时间在10 ms 左右，因此纵联通道的信息交互时间应该在100 ms之内。保护装置在故障后主要与基站有n次信息交互，则通信通道单向时延应该小于等于。基站与差动装置的上下行交互一般为3 次，在误差允许范围内，保护通信通道单向时延应该控制在20 ms 以内。
2 5G MEC+SCADA 协同计算方案
本文提出MEC+SCADA 联合优化的任务卸载方案，以最大限度地减少5G 边缘计算和差动保护设备间的传输时延，本方案允许根据当前的SCADA 和MEC 计算能力合理规划卸载策略。在配电网背景中，由于差动保护装置没有独立计算能力，计算任务需要卸载到MEC 或者有更长计算链路的SCADA 完成。如果MEC 接入的计算任务过多，造成执行队列拥塞，则需要一定程度牺牲通信成本。在线路发生故障时，非故障地区停电的可能性大大降低，采用5G 模式的云边协作机制，可有效减轻数据传输和处理压力，并确保系统的灵活性和实时性。
2.1 问题模型
将差动保护任务卸载到何处将直接影响任务最终的完成时间。两个差动保护装置根据电流差值，通过通信交换信息进而确定故障点位置并跳开故障点两端开关，为本文主要研究的差动保护任务。将差动保护任务卸载决策定义为x={xn,xn,s},∀n∈N,s∈S，xnIn(xn∈[0,1])代表卸载到与基站直连的边缘服务器n的一部分。根据上述模型描述，(1-xn)In(xn∈[0,1])代表卸载到SCADA 的任务部分。MEC+SCADA 联合优化策略如图3 所示。
图3 MEC+SCADA 联合优化策略
基于上述卸载决策，边缘计算服务器n和SCADA设备c任务量大小分别建模为：
与数据量建模情况对应，基站n和SCADA 设备c所需的计算资源分别建模为：
根据1.1 节对差动保护通信和计算模型的问题描述，边缘端n和SCADA设备c的传输和计算时延分别为：
电力终端n总延迟时间可以表示为：
因此，所有电力终端的总过程延时为：
从求解最低时延出发，结合计算能力和时延约束，可以将联合计算任务描述为：
由于计算资源分配、传输功率分配、发送功率分配之间存在耦合关系，因此该问题为一个非凸问题，应将其转化为凸优化问题，便于求解。
2.2 问题求解
为了求解P1，引入一组变量表述总延迟时间：
上述变量满足：
将An代入P1，将该问题进一步转化为凸优化问题，引入松弛变量[16]不等式关系可以用下面形式进行重写：
将不等式进行一阶泰勒展开得到：
代入变量条件写为SOC 约束[17]，定义如下：
an,2,an,3,an,4等变量重复上述步骤，P1 被转化为凸优化问题。
设定初始松弛以及足够小的误差容限满足ε＞0。
设定初始第i=1 组松弛变量求解minAi，重复i=i+1，求解第i组松弛变量，当表示结果完成迭代，松弛变量可以忽略不记，输出对应的x,f,r,p，得到最终的卸载概率、最小时延状态下的设备计算能力等指标。
3 结果
本节结合上述提到联合优化框架对仿真结果进行分析。本节中结果是基于大量蒙特卡罗模拟值的平均值。仿真中采用的数据量为1 Mbit，分配的计算资源为1.2×109CPU 周期数，信噪比为-180 dBm/Hz。
以下对联合优化时延框架的几种仿真方案进行说明：
随机处理：指每种差动保护任务用随机方法进行处理，即卸载到MEC 或者SCADA。
最大传输速率下的随机处理：指每种差动保护任务随机方法处理，但是传输速率是理论边界，即rn,s=Rn,s。
协同处理：按照提出的联合MEC 和SCADA 计算资源的策略进行处理。
最大传输速率下的协同处理：按照提出的联合MEC 和SCADA 计算资源的策略进行处理，但是传输速率为理论边界值。
图4 表示了接入装置数和时延的关系。当接入设备变多时，差动保护装置采样判决的数据量会随之提高，MEC 无法负担过多的计算任务，因此产生了相关的传输时延。当接入设备再次增多的时候，产生的平均传输时延趋于稳定，时延涨幅变慢。随机处理这种方式会在MEC 还拥有空余计算资源的情况下寻求SCADA 的计算帮助，因此会造成相对较高的计算延迟。
图4 接入差动装置数对纵联通道时延的影响
当接入电力终端数目固定时，任务量的多少与差动保护装置的采样频率、反应时间以及配电网故障线路排查有关。任务量初始情况下增多不会使随机处理和协同处理方案产生较大的差距，因为传输延迟对于计算总延迟的影响较小。根据文献[18]可知，任务量变得更多时，MEC 上传计算任务的请求会随之变得越发频繁，SCADA 调度更加丰富的资源解决差动保护需求，协同处理的时延变得平稳，这体现了本文协同处理的优越性。任务量对平均时延的影响如图5 所示。
图5 任务量对平均时延的影响
图6 表示配电网故障点和故障排查时间的关系。本仿真断路器的延时设为40 ms，熄弧时间为10 ms，保护装置处理数据时间和保护出口继电器延时时间为15 ms。根据文献[19]的数据，电流差动保护业务端到端时延控制在20 ms 之内，本文所提出方案最大时延为140 ms，在85 ms 基准反应时间的情况下，本文端到端的交互次数为3，则单次端到端的时延为18 ms 左右，在故障次数降低的情况下，时延会控制在更小的范围，因此本文仿真符合实际开发情况。以150 ms 为故障应急处理上限，发生故障时，排查时间在上述时间基础上由纵联通道的通信时延决定。当故障点数增多时，仅有SCADA 处理时间骤然增加，且当同时存在故障过多时，处理时间超过应急处理上限要求；当故障点数继续增多时，若两个故障点之间存在其他故障点，则故障区域将会被合并，故障排查时间趋于收敛。
图6 配电网线路故障点数和故障排查时间的关系
由图6 可知，协同处理相较于其他方案在缩短纵联通道时延方面具有显著优势。
4 结论
本文提出了一种MEC 和SCADA 联合解决配电网差动保护时延的解决方案，该方案可以灵活地在MEC和SCADA 上处理任务。然后，考虑了时延、可靠性等因素，结合配电网纵联通道的性能指标分析了联合优化差动保护计算时延的优越性。最后，建立MEC 和SCADA联合优化的问题模型，以最小化计算时延为目标，求得MEC 的卸载概率、传输速率等因素，并利用方案模拟协同处理的场景。结果表明，协同处理的方案对缩短纵联通道时延有显著效果。
