能源互聯網背景下5G網絡面臨的挑戰

周強, 劉見龍，周文安

(北京郵電大學, 北京市100876)

能源互聯網背景下5G網絡面臨的挑戰

周強, 劉見龍，周文安

(北京郵電大學, 北京市100876)

能源互聯網需要將能量流和信息流進行耦合，建立全新的能源體系，分析現有的能源互聯網架構及對信息通信技術的需求，結合目前5G網絡的研究現狀和發展趨勢，闡述5G網絡在能源互聯網背景下面臨的大規模傳感器接入和組網技術、分布式能源管理、面向能源互聯網的應用架構以及網絡體驗質量(quality of experience，QoE)和信息安全4個方面的挑戰。能源互聯網是一次重大的能源變革，信息通信技術是實現能源互聯網的關鍵技術之一，綜述能源互聯網背景下5G網絡面臨的挑戰，為未來能源互聯網中信息通信技術的應用指明方向。

能源互聯網；5G網絡；信息通信技術；挑戰

0 引 言

能源是人類生存發展的重要物質基礎。當今世界，能源問題和環境問題日益突出，威脅到人類的可持續發展。在全球氣候變化和能源緊缺的背景下，人們一方面尋找可持續利用、又清潔無污染的可再生能源資源，如水能、風能、太陽能、生物質能和海洋能等；另一方面人們在思考如何依靠通信信息、互聯網絡、控制技術有效地協調與利用資源，以解決難題。未來學家里夫金提出“要進行全面的變革，通過變革將能量流和信息流進行耦合，最后建立一個全新的能源體系——能源互聯網”。

能源互聯網與智能電網之間存在著一些相似和區別。在電網層面，能源互聯網中的一些特點在智能電網理論中也提過，但能源互聯網相比于智能電網更關注新能源的占比和影響；在能源層面，相比智能電網，能源互聯網試圖把各種能源組合成一個超級網絡，包含智能通信、智能電網、智能交通等眾多智能與綠色概念。國內外研究和實踐中，美國雖尚未明確提出能源互聯網概念，但其提出的智能電網和能源互聯網的內涵有很多相似之處；德國在智能電網的基礎上進行了E-Energy的技術創新促進計劃；2014年，中國國家電網公司倡議構建全球能源互聯網。

在歐美地區，智能電網的研究在20世紀90年代末至本世紀初便已經開展，主要有以下兩種發展模式。

(1)集中的、自上而下的模式，這種模式的代表是美國。美國最早提出的“復雜交互式網絡/系統”是美國現代智能電網的原型，隨后的“Intelli grid”項目進行了智能電網的信息通信架構研究，后來規劃了“Grid2030”遠景圖并提升為國家戰略，致力于建立橫跨美國4個時區的統一電網。

(2)分散、合作的模式，這種模式的代表是歐洲地區。歐洲智能電網主要側重于分布式清潔能源的利用，如風能、太陽能等。歐洲各國也對各自電網進行了改造，以便打造新型能源網絡，實現能源的全局科學的調配，代表性的有丹麥智能電網系統和德國的E-Energy系統。

在能源互聯網中，通信技術充當中樞神經系統，是能源合理調配的前提和實現保障，促進未來新的應用和服務的產生。在能源互聯網中，各種傳感器組成的無線傳感器網絡需要支撐無處不在的采集、傳輸，新的電力服務和交易平臺需要更好的網絡質量的保證。5G技術目前發展如火如荼，相比于4G網絡，下一代5G網絡的愿景在于提供非常高的數據速率(通常為Gbps)和極低的延遲，用戶的體驗質量(quality of experience，QoE)將顯著改善。在現有的4G網絡中，不斷增加的智能設備、新興的多媒體應用以及指數上漲的無線數據需求是網絡的一大負擔。5G無線網絡通過提高數據傳輸速率、容量、時延、服務質量(qualityof service，QoS)有望解決目前能源互聯網的技術難點[1-2]。

本文首先介紹能源互聯網的發展概況，通過分析能源互聯網的架構，結合5G網絡的現狀和發展趨勢，目前信息互聯網采用的相應技術，闡述在能源互聯網背景下，5G網絡所面臨的挑戰。

1 能源互聯網與5G技術的現狀和發展

1.1 國內外現有能源互聯網架構分析

能源互聯網是一種在現有電網基礎上，通過先進的電力電子技術和信息技術，融合了大量分布式可再生能源發電裝置和分布式儲能裝置，能夠實現能量和信息雙向流動的電力對等互聯共享網絡。能源互聯網是把一個集中式、單向、生產者控制的電網，轉變成大量分布式輔助、較少集中式和與更多的消費者互動的電網。圖1為基于該理念的能源互聯網示意圖。

早在1998年，美國電科院(EPRI)開始進行“復雜交互式網絡/系統”(complex interactive networks/systems initiative，CIN/SI)研究；2002年，美國電科院又提出“Intelli grid”項目研究，進行智能電網的信息通信架構的研究；2003年，美國規劃了“Grid2030”遠景圖及路線圖；2009年，奧巴馬將智能電網提升為國家戰略，致力于建立橫跨美國4個時區的統一電網；2009年，美國能源部宣布出資智能電網項目開發和資助智能電網的示范項目，同時IBM公司、通用電氣公司和谷歌公司獲得研究智能電表及電表省電應用軟件的資助。

圖1 能源互聯網示意圖Fig.1 Energy Internet

2008年美國北卡萊納大學主持FREEDM(future renewable electric energy delivery and management)系統研究，該系統效仿互聯網中的核心路由器，提出了能源路由器的概念并進行了原型實現。美國加州大學伯克利分校的研究團隊關注智能電網的底層信息架構，提出“以信息為中心的能源網絡”架構[3]。

歐洲智能電網側重于清潔能源的利用。2002年，歐洲提出“歐洲智能能源”計劃，并資助歐盟各國和地區開展節約能源和發展可再生能源的行動；2005年，歐洲智能電網技術論壇成立，該論壇主要對未來電網的發展前景和需求進行研究，正式啟動未來電網智能電網(SmartGrid)技術平臺；2009年，歐盟發布了戰略能源技術計劃(SET-Plan)路線圖，旨在加速技術發展和大規模應用，其中智能電網作為第一批啟動的6個重點研發投資方向之一，提出了2010至2020年智能電網技術發展路線[4]。

E-Energy是2008年德國在智能電網的基礎上推出的一個技術創新促進計劃，是基于信息通信技術(information communication technology, ICT)的未來能源系統。它提出打造新型能源網絡，在整個能源供應體系中實現綜合數字化互聯以及計算機控制和監測的目標。瑞士的研究團隊則設計了能源集線器，并設想以此設備構建能源互聯網。意大利、西班牙和荷蘭都在進行智能電網的建設，他們致力于智能電表、互動式電能源網絡以及智慧城市方面[5]的研究。

中國的智能電網項目是從2007年開始實施的，國內一些電力電網公司以及中科院電工研究所等單位先后啟動了智能電網相關試點工程與實踐研究。在2009年的特高壓輸電技術國際會議上，國家電網公司提出2016至2020年建成統一的“堅強智能電網”；2014年7月，國家電網公司在美國華盛頓召開的電氣與電子工程師學會電力與能源協會2014年會上，面向國際電力學術界和企業界的代表，呼吁構建全球能源互聯網。2011年，中國首個智能電網綜合示范工程在中新天津生態城投運，是當時國際上的覆蓋區域最廣、功能最齊全的智能電網示范區[6]。

通過以上對比分析，能源互聯網在美國、歐洲和中國主要有集中、自上而下模式和分散、合作兩種模式。美國和中國由于廣闊的疆域與自然形成的能源布局，集中式的超級電網會在未來能源互聯網中占據重要地位；歐盟本身是一個區域一體化組織，分散式模式更適合歐盟的進一步發展。在這兩種模式下，能源互聯網都是把一個集中式的、單向的、生產者控制的電網，通過電力技術和信息技術轉變成由大量可再生能源組成的分布式電網和使更多的消費者互動的電網。以上各國的能源互聯網發展歷程如圖2所示。

未來網絡的設想是任何人和設備在任何地方任何時間都可以接入網絡，共享信息和數據。相比于4G無線網絡，5G有更高的網絡容量，比4G提升1 000倍；數據速率從4G的100 Mb/s到幾十Gb/s；端到端延遲從4G的十幾 ms減少到5G的幾 ms；5G將支持大量設備的接入、降低花費并讓用戶有更好的QoE[2]。

圖2 各國或地區能源互聯網發展圖Fig.2 Energy internet development in different countries

1.2 5G現有技術和發展

5G網絡的研究正在如火如荼地進行，表1是一些主要廠商進行的5G網絡設想和試驗。愛立信預計5G發展應該以向后兼容的方式從現有4G LTE網絡開始，這有助于抑制使用相同的載波頻率的傳統設備[7]。高通正在發展和推動4G和5G的并行實現，通過增加大量的新服務，建立統一的平臺有助于降低成本和節能效率[8]。華為正在與國際組織、眾多大學、政府以及生態系統合作伙伴進行5G的關鍵創新[9]。日本的NTT DoCoMo認為較高和較低頻段的集成是5G部署的關鍵，較低頻段將負責基本的覆蓋，而較高頻段將提供更高的數據速率[10]。諾基亞認為優化頻譜使用，提高性能是實現5G無線網絡的關鍵[11]。三星的5G愿景是將數十億自組織設備連接起來，開啟物聯網時代[12]。5G市場各廠商和運營商對5G的發展觀點和5G試驗如表1、2所示。

表1 市場對5G的發展觀點
Table 1 Development perspectives on 5G

表2 5G廠商和運營商對5G的試驗Table 2 5G tests conducted by manufacturers and operators

5G無線通信致力于在無線數據速率大小、增加帶寬、覆蓋以及連通性、降低時延和能量消耗方面取得進展。能源互聯網是物聯網的一個應用，其中覆蓋大區域的智能測量設備對網絡的接入將會是對現有網絡的一個挑戰，5G無線網絡將在降低數據傳輸時延、提高可靠性以及提供實時的可操作性方面取得進步，能源互聯網將是5G無線網絡的一個應用，推動5G網絡的發展[13]。下一代5G無線網絡示意圖如圖3所示。

圖3 5G無線網絡示意圖Fig.3 5G wireless network

2 能源互聯網的架構和信息通信領域需求

能源互聯網是實現能源和信息雙向流動的對等網絡，開放、對等、互聯和分享是能源互聯網的基本特征[14-17]。

能源互聯網中信息采集和數據傳輸需要5G網絡高速的數據傳輸速率和低時延，以保證電網中信息流的雙向傳輸以及業務的進行；多元化的數據融合與信息展示平臺是數據匯聚點和能源互聯網上信息加工后的展示，需要采用大數據技術對數據進行挖掘和分析，對數據處理結果進行針對性地輸出和應用；能源互聯網上的高級應用是面對能源互聯網上的各個單元提供服務和應用的平臺，需要5G網絡提供相應的QoE保障和安全保障。

要適應全球能源互聯網的發展以及信息通信的大幅擴張，對信息通信的安全性、實時性以及可靠性有更高的要求，需要信息通信領域有更大的創新和突破。

3 能源互聯網下5G網絡面臨的挑戰

能源效率和電力風險是當今世界面臨的關鍵問題，發電多樣化、需求響應、可再生能源的接入以及降低CO2排放等問題不能通過現有電網來解決。通過集成智能控制、傳感以及信息通信技術，能源互聯網革新了發電、分布式能源的應用以及電力消耗的問題，能源互聯網的目標是實現能源和環境的可持續發展。

5G網絡技術將是能源互聯網的信息技術支撐，能源互聯網需要解決智能測量、需求響應、分布式能源控制、傳輸網絡管理以及服務平臺建設等方面的問題。在能源互聯網背景下，5G網絡需要提高數據傳輸速率，降低延遲，更好的網絡質量保證；其次需要提高網絡密集程度，實現超大的網絡容量，實現各種網絡的互聯互通；第三還需要靈活依據能源互聯網的特點給出相應的網絡服務；最后能源互聯網的安全問題也是一個重要挑戰。圖4給出了能源互聯網背景下，5G網絡面臨的主要挑戰。

圖4 能源互聯網背景下5G網絡面臨的挑戰Fig.4 Challenges of 5G network in energy internet

3.1 大規模傳感器接入和組網技術

在能源互聯網的數據信息采集和傳輸層，需要在現有電網基礎上，部署廣泛的傳感設備來實時獲得數據，將數據傳輸到數據中心，經過處理之后反饋回來對能源互聯網進行調節。數據的采集和傳輸一般使用大量嵌入式傳感器來完成，形成傳感器網絡[18-19]。

無線傳感器網絡(wireless sensor networks, WSNs)就是由這些傳感器節點組成，它們一般部署在一個監測區域來協作地感知、收集和處理感知信息，通過自組織的方式相連，然后將處理后的信息通過多跳的方式傳輸到基站。無線傳感器之間通信頻率選擇，傳感器能量供應問題的解決以及傳感器位置部署的優化和維護等問題，是在能源互聯網背景下5G網絡面臨的重要挑戰。

3.1.1 傳感器間通信頻率的選擇

無線通信的容量與頻譜效率和帶寬相關。當前，幾乎所有的無線通信頻譜在300 MHz和3 GHz之間，這個帶寬在各種環境下擁有可靠的廣播特點，但是在增加移動容量和連接上不理想，因此，下一代5G網絡要探索波段在3～300 GHz的未用的mm波。無線電頻譜帶寬在各國都是寶貴的資源，為了滿足未來能源互聯網上更多設備的接入和網絡容量的擴展，獲取相應的mm波頻段對能源互聯網的發展是十分必要的。

3.1.2 傳感器能量供應

無線傳感器網絡技術作為物聯網的關鍵技術之一，由于其低成本和高可靠性，該技術在未來能源互聯網的設備監控和故障檢測上有廣泛的應用前景。無線傳感器的節點通常由電池進行供電，當電池的電量用完時，節點就會失效，從而導致無線傳感器網絡的失效。在電力網絡中，傳感器布置的環境通常較為惡劣，更換電池比較困難，而且給龐大數量的傳感器更換電池也是不太現實的。在能源互聯網中，解決無線傳感器網絡中的節點能量供應是一個挑戰。

3.1.3 傳感器異構節點位置部署優化

在無線傳感器網絡中，負責與外網(如Internet，5G網絡等)連接的節點和匯聚節點相對于一般的傳感器節點有更多的處理能力和資源，可以持續供電，這些節點屬于異構節點。無線傳感器網絡的壽命和成本與異構節點的部署有很大的關系，同時，這種異構網絡的實時服務的阻塞率、非實時業務的平均傳輸時間以及網絡負載等都要進行考慮，以獲得最好的通信傳輸效果[20]。在無線傳感器網絡中，節點的移動或會導致網絡拓撲結構的變化，因此路由算法必須考慮由于網絡節點的移動以及網絡拓撲結構的變化而引起的路由維護問題。

在能源互聯網的傳感器和設備接入和組網方面，主要面臨著未來5G網絡中的無線電頻段的選擇和獲取，傳感器設備的能量供應和節點部署的挑戰。

3.2 數據驅動的分布式能源管理

能源互聯網需要大量的分布式能源和可再生能源接入和互聯，對這些分布式能源的控制和管理向5G邊緣網絡技術提出了挑戰，實現智能測量、動態電價、智能家庭控制系統、實時用電信息反饋以及調度和負載控制需要5G網絡提供功能強大的控制管理系統。

3.2.1 基于數據的管理

負荷預測是能源互聯網運行和調度的重要內容。實現負荷預測需要大量的歷史同期數據及天氣環境數據等，大數據技術在其中起著關鍵作用。由于能源互聯網采集的數據充分且全面，通過專用的數據處理框架和高性能的計算機，將實現精準的負荷預測。

能源互聯網運行狀態監測是基于數據管理的一個重要內容。風電機組運行環境惡劣，采用基于數據挖掘的分布式能源的運行狀況的評估，監測發電機組的損耗、疲勞情況等，提高運行安全性，避免安全事故，降低運維成本；依照監測到的各區域的用電情況，進行需求側響應。

故障分析是能源互聯網大數據的另一個應用。根據能源互聯網的運行監測數據，實時分析網絡運行狀況，實現快速精準的故障定位，減少傳統定位的成本，提高效率。圖5展示了能源互聯網產生的大數據以及大數據處理方法。

圖5 能源大數據及數據處理方法Fig.5 Energy big data and data processing methods

3.2.2 分布式能源管理

能源互聯網中存在許多智能設備，這些設備上傳數據和共享通信基礎設施，在能源互聯網依據設備產生的數據進行分析，并將這些數據分析結果輸出到各種設備上去，完成對整個網絡的調控和管理，完成這些過程需要對網絡的延遲等有較高的要求。基于云計算的理念，移動邊緣網可以支持云環境管理的切換和對各種設備產生的大數據進行處理，這樣大部分的計算決策可由移動設備進行管理，降低了5G網絡數據傳輸的負擔[21-24]。

能源互聯網連接著眾多的用戶，基于霧計算的理念，基于本地用戶資源建立本地云，本地實現數據的管理和計算，保障數據隱私和安全，很好地解決網絡實驗和服務計算問題[25]。

對分布式能源進行管理和控制是在能源互聯網背景下5G網絡面臨的另一個挑戰，將5G邊緣網絡管理的理念引入能源互聯網，將各種智能設備產生的數據存儲和處理分散在各處可以有效提高網絡管理的能力和效率是5G網絡需要解決的問題。

3.3 應用架構

3.3.1 高級應用的開發

能源公共服務平臺的定位是多元化的數據融合與信息展示支撐平臺，依托底層傳感器網絡采集的可靠數據，通過數據挖掘和分類存儲，構建能源互聯網的服務平臺。服務平臺的開發要能實現數據的可視化，將數據變換成圖形或圖像顯示出來，實現能源生產者和能源消耗者的協調優化控制，并實現與能源互聯網的交互與主動優化控制；能源互聯網通過分布式能源的接入，通過能量交換機實現電能的雙向流動，建立能源在線交易平臺，實現用電單元多余電能的共享[21]。

3.3.2 移動互聯網技術應用

現代無線通信技術改變了我們的生活方式，為有一個富有成效的生活，我們需要從不同來源獲取和分享信息。能源互聯網上擁有龐大數量的智能設備和應用，對數據的需求會不斷提高，網絡容量也需要大幅提高。隨著5G通信技術的到來，頻譜效率和容量將比4G網絡獲得更大的提升，有助于解決未來能源互聯網對網絡要求不斷提升的問題。未來能源互聯網上也像互聯網一樣會產生許多的移動設備和應用，如電動汽車，5G的一個趨勢是連接人與機器以及機器與機器(machine to machine，M2M)通信，借助5G無線技術，能源互聯網將深入社會各個方面。

從商業的角度來看，能源互聯網是實現能量和信息雙向流動的網絡，提供可靠的交易平臺和移動互聯網技術應用將是未來5G網絡需要探索的商業模式[21]。

3.4 5G網絡QoE支持和安全支持

在能源互聯網中，下到底層的傳感器數據采集傳輸，上到能源交易平臺客戶的交易結算，這些都需要5G網絡對不同服務提供相應的網絡質量保證，實現資源的靈活配置和調用，基于SDN的三層網絡體系結構，即數據平面、控制平面以及應用平面的結構劃分可以實現對網絡資源的靈活配置和調度，在能源互聯網中基于SDN理念進行5G網絡布置，完成能源互聯網不同服務對網絡質量的不同需求，實現網絡資源的最優配置[26-27]。

在能源互聯網環境下，傳統的信息系統安全策略無法直接應用到工業控制系統中，因此保證能源互聯網的安全性是一個必須解決的重要問題。

能源互聯網的安全運行不僅需要骨干網絡的安全穩定、抗攻擊性強，對能源互聯網運行所依賴的整個信息環境的安全也同樣有嚴格的要求，建立一套覆蓋物理層到應用層的縱深信息安全防御體系是對能源互聯網的基礎支撐。

建立縱深的安全防御體系需要對分布式能源發電、接入、傳感器網絡部署等基礎設施的安全進行關注，也需要在信息通信、數據傳輸、存儲方面保證數據的安全性，對于更上層的應用，如大數據挖掘分析、能源交易平臺建設，要注意數據的隱私保護，保護用戶信息不受攻擊。

4 結 論

能源互聯網是傳統能源結構裂解的最好觸媒，它推動能源設施從孤島系統、自動化運轉到柔性能源生態集群，會是人類智能化歷史上最大的產業升遷。信息通信技術是實現能源互聯網的關鍵技術之一，信息通信技術在能源的安全、調度和智能化利用方面有重要作用，全球能源互聯網需要將各種能源轉換為電能，通過電網和電力通信網絡，實現能源和信息的共享。在能源互聯網的背景下，本文分析了5G網絡在無線傳感器網絡、分布式管理和控制、移動互聯網技術應用以及網絡安全方面面臨的一些挑戰，展望了未來能源互聯網的場景應用。

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(編輯 劉文瑩)

Challenges of 5G network in Energy Internet

ZHOU Qiang, LIU Jianlong, ZHOU Wenan

(Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China)

Energy internet needs to be coupled with energy flow and information flow for establishing a new energy system. This paper analyzes the current energy internet architecture and the demand for information and communication technology. With the current research status and development trend of 5G network, this paper expounds four main challenges of 5G network in the context of energy internet, including large-scale sensor access and networking technology, distributed energy management, application architecture for energy internet and quality of experience (QoE) and information security. Energy internet is a great reform of energy, and information and communication technology is one of the key technologies to realize it. This paper summarizes the challenges of 5G network under the background of energy internet, and gives reference for future applications of information and communication technology in energy internet.

energy internet; 5G network; information and communication technology; challenges

TM 73

A

1000-7229(2017)05-0062-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2017.05.008

2017-01-09

周強(1992)，男，博士研究生，主要研究方向為未來無線網絡；

劉見龍(1988)，男，博士研究生，主要研究方向為D2D；

周文安(1971)，女，副教授，主要研究方向為下一代無線寬帶網絡和無線互聯網，服務科學與服務工程。