5G移動通信技術在電力行業的應用分析

馬振華，王蓉蓉，樊麗娟，馬 靜

（國網寧夏電力有限公司石嘴山供電公司，寧夏 石嘴山 753000）

0 引 言

5G移動通信技術（以下簡稱“5G技術”）擁有開放式的技術架構，與4G技術相比，具備成本低、時延低、速率高、容量大、可靠性高以及技術整體性強等技術優勢，在電力行業具有廣闊的應用前景[1]?；?G技術的電力系統建設，能滿足電力行業海量數據傳輸、萬物信息互聯、靈活響應、協調控制以及系統可靠性的建設需求，為電力行業發展帶來技術上的變革。

1 5G移動通信技術的電力應用場景

在電力行業中，智慧電網建設與電力業務拓展對5G技術的需求日益增長。從當前情況來看，基于5G技術的電力應用場景主要包括以下7大領域。

1.1 清潔能源消納

在電力生產中，可將5G技術應用到清潔能源消納領域，滿足在線資源評估、光伏群功率預測以及分布式新能源快速功率群控的業務需求[2]。評估與預測業務的寬帶速率超過4 Mb/s，時延小于1 s，時間同步小于100 ms，通信可靠性大于99%；群控業務的寬帶速率超過2 Mb/s，時延小于100 ms，時間同步小于100 ms，通信可靠性大于99.99%.

1.2 智慧輸電

在輸電線路中，可將5G技術應用于在線檢測、無人機巡檢等領域，滿足輸電線路的狀態監控需求。智慧輸電業務的寬帶速率超過10 Mb/s，時延小于200 ms，時間同步小于10 ms，通信可靠性大于99.9%。

1.3 智慧變電

在變電設備管理中，可將5G技術應用于設備狀態感知領域，滿足變電設備的狀態監控需求。智慧變電業務的寬帶速率超過10 Mb/s，時延小于200 ms，時間同步小于10 ms，通信可靠性大于99.9%。

1.4 配電物聯網

在配電系統中，可將5G技術應用于智能分布式配電、分布式能源調控、精準負控、無人智能巡檢以及現場作業管控等方面，以實現萬物互聯，提高配電調控效率。分布式配電業務的寬帶速率超過2 Mb/s，時延小于15 ms，時間同步小于10 μs，通信可靠性大于99.999%；精準負控業務的寬帶速率超過2 Mb/s，時延小于50 ms，時間同步小于10 ms，通信可靠性大于99.999%；無人機智能巡檢業務的寬帶速率超過10 Mb/s，時延小于200 ms，時間同步小于10 ms，通信可靠性大于99.9%；配網保護業務的寬帶速率超過10 Mb/s，時延小于15 ms，時間同步小于10 μs，通信可靠性大于99.999%。

1.5 智慧用電

在終端用戶的用電管理中，可將5G技術應用于用電信息采集和電動汽車充電等方面，實現對用電數據信息的實時分析，為供電決策提供依據。智慧用電業務的寬帶速率超過2 Mb/s，時延小于500 ms，時間同步小于1 s，通信可靠性大于99.9%。

1.6 源網荷儲調度控制

基于5G技術的源網荷儲調度控制系統的寬帶速率超過2 Mb/s，時延小于1 s，時間同步小于100 ms，通信可靠性大于99.9%。

1.7 電網資產管理

電網資產管理是電力行業優化配置資源和提高資產利用率的重要手段，基于5G技術的電網資產管理系統可實現資產信息的快速傳輸，滿足電力供應鏈的決策需求[3]。智慧供應鏈業務的寬帶速率超過10 Kb/s，時延小于1 s，時間同步小于1 s，通信可靠性大于99%。

2 5G移動通信技術在電力行業的具體應用

5G技術的3大應用場景包括URLLC（低時延、高可靠通信）、mMTC（海量機器類通信）、eMBB（增強移動寬帶），其在電力行業的應用主要體現在以下方面。

2.1 URLLC的應用——電力精準負荷控制系統

在電力行業中，應用5G技術中的低時延、高可靠通信可滿足電力光速傳播需求，提高電力響應時效性，實現電力精準控制。例如，在傳統電網故障中，一般存在頻率跌落過快、主干通道潮流越線以及聯絡線功能超用等問題，為解決上述問題，可基于URLLC建設精準負荷控制系統，達到毫秒級的快速負荷控制。發生電網故障時，精準負荷控制系統會在接收到頻率緊急控制要求的第一時間快速切除可中斷的負荷，保證供用電平衡。該系統在完成負荷中斷控制中所用的時間包括故障信息采集、故障決策、通道傳輸、轉接裝置以及分路開關跳開等一系列操作所需的時間，總用時在650 ms之內。同時，要求協控中心站到子站和子站到控制終端的通信時間分別不得超過30 ms、20 ms[4]。

2.2 mMTC的應用——電力信息采集系統

在智能集群用電管理中，傳統的電力設備接入無法滿足“最后一千米”的需求，難以實現電力設備之間的數據采集與互通。而應用5G技術可實現萬物互聯，提高數據采集的完整程度，保證用電信息采集的完整性和實時性，可做到0.5 h上傳一次數據，為電力系統數據分析提供了技術支持。例如，基于5G技術的電力信息采集系統主要包括主站、遠程和本地通道、集中器以及采集器（電表），在各個控制系統的通信中執行Q/GDW 1376.2和Q/GDW 1376.3規約。

2.2.1 數據流類型

采集系統的數據流包括以下兩種類型。一是上行數據流。其分為兩種不同的情況一種情況是采集器采集配電變壓器用戶電能表中的數據，將數據上傳到集中器，之后數據經過集中器的上行通信通道直接傳輸到主站。另一種情況是專用變壓器用戶電能表中的數據上傳到的專用變壓器終端，之后數據經過上行通道傳輸到主站。二是下行數據流。主站以集中器和專用變壓器終端為傳輸中介下達指令，根據指令信息直接控制相關業務，包括跳合閘控制和命令安全認證等。采集系統的基本單元為配變臺區，對各個配變臺區進行抄表，使用戶數據通過無線公網傳輸到主站，數據采集頻次以小時為單位，采用上行數據流，集中器所用的無線寬帶為10 Kb/s。

2.2.2 數據采集與傳輸

采集系統執行Q/GDW 376—2012通信協議進行主站與采集終端之間的專用無線數據傳輸通信，主站的數據采集形式包括上報數據、定時采集數據以及隨機召測數據[5]。其中，應用最為廣泛的是定時采集數據，主站每天會在定點時間集中采集一次終端設備中的用戶數據。集中抄表終端用于記錄公用配變電表和單相、三相智能電能表中的用戶數據，專用變壓器采集終端用于記錄三相智能電能表數據，集中報表終端和專用變壓器采集端的記錄頻次均為96次/天，每間隔15 min進行一次記錄，記錄之后直接存儲數據信息。

2.2.3 數據傳輸的實時性

基于5G技術的采集系統可達到廣覆蓋和數據實時采集傳輸的要求，具體體現在以下方面。采集系統遠程向終端下達指令，并由終端相應執行指令的耗時在5 s之內；主站巡檢終端中采集的重要用戶用電信息的耗時僅為15 min；主站召測常規數據的耗時在15 s之內，召測歷史數據的耗時在30 s之內；采集系統在接收終端業務申請的響應時長在30 min之內。

2.3 eMBB的應用——無人機巡檢

視頻監控是電力系統中的重要業務，對寬帶要求較高，而應用5G技術能夠滿足電力視頻監系統高速率傳輸視頻數據的要求。例如，基于eMBB的無人機智能巡檢系統主要由主站、通信通道以及終端構成，可全程監控電力現場作業情況。

2.3.1 巡檢系統基本架構

主站提供音頻互動媒體、互動控制網關以及現場作業安全管控3項服務。通信通道包括無線專網與光纖信道2種通信方式，實現主站與采集終端之間的遠程通信需求。終端主要是指在電力現場安裝的移動終端設備。巡檢系統可實現移動巡視與檢修功能，根據不同業務確定相應傳輸速率，語音、視頻以及數據業務的傳輸速率要求分別為8～64 Kb/s、384～8 000 Kb/s以及64～2 000 Kb/s。在5G技術的支撐下，語音與視頻業務的時延可控制在300 ms之內，大幅度提升業務的可靠性。

2.3.2 巡檢系統功能

巡檢系統功能包括3個部分。一是智能診斷。在戶內外設備巡檢中，無人機巡檢系統可搭載紅外檢測設備、可見光檢測設備以及局部放電綜檢設備，檢查戶內外設備的故障缺陷，做出智能診斷，出具診斷報告，通過報告反映設備的健康狀態。報告數據通過通信網絡傳輸到生產管理系統，便于控制中心實時掌握設備運行狀態，實施狀態監控[6]。二是替代人工作業。巡檢系統可完成運維人員的大部分工作，實現變電站無人值守。系統可智能化執行視覺檢測、遠程控制、數據分析、紅外測溫、缺陷管理以及微氣象數據管理等操作。三是惡劣環境現場巡檢。在惡劣環境下的電力線與桿塔巡視中，巡視系統可利用地面控制站中的拍攝設備，實時傳輸電力線與桿塔的圖像信息，以解決運維人員的現場巡檢難題。巡檢圖像清晰度可達到高清以上，系統能遠程遙控巡檢信號，遙控速率可達到100 Kb/s，時延不超過300 ms。

3 5G移動通信技術在電力行業中的應用實例

3.1 分布式光伏云網

2018年3 月，基于5G技術的全國首個分布式光伏云網正式運行，實現了分布式光伏一站式共享服務。以河北省淶水縣的分布式光伏電站為例，該電站可將發電量、功率以及轉化率等信息快速傳輸到光伏云網中，信息傳輸速率為100 Gb/s。在5G技術的支持下，光伏云網可自動采集光伏電站海量信息、監控現場設備狀態、遠程診斷并運維故障設備，解決了分布式數據難以集中采集的問題。同時，光伏云網應用了5G技術中的網絡切片關鍵技術，可根據不同業務屬性隔離數據采集、運行監控以及電費結算，提高光伏云網的智能化服務水平[7]。

3.2 智慧特高壓變電站

安徽省宣城市在電力物聯網建設中建成了國內首例應用5G技術的特高壓變電站，基站中心的無線傳輸通道下行的速率高峰值和速率平均值分別為800 Mb/s和570 Mb/s，無線傳輸通道上行速率高峰值和速率平均值分別為160 Mb/s和100 Mb/s。宣城特高壓變電站線路途徑6個省區，輸送容量達1 200萬kW，已成為世界電力行業領域中技術水平最為先進的智慧特高壓輸電工程。該工程應用5G技術實現了4K高清監控視頻，無線接入智能巡檢系統擴大了物聯網智能感知業務覆蓋范圍。

3.3 一體化電力巡檢

我國首例基于5G技術的一體化電力設備立體巡檢系統于2019年5月正式投入使用，該巡檢系統由國網天津濱海供電公司研發，在指揮中心的控制下，可使無人機完成30 m高空輸電線路巡檢，并將巡檢數據實時傳輸到指揮中心，圖像清晰度達到高清，方便指揮中心的運維人員根據圖像信息找出缺陷。智能巡檢機器人結合采用5G技術和VR技術，在機器人上搭載5G終端設備8K高清攝像頭，可通過無線網絡實時傳回高清圖像。運維人員在佩戴VR眼鏡的情況下可看到三維立體的視覺成像，輔助運維人員做出更加準確的遠程診斷。

3.4 智能配電網

我國首例基于5G技術的電力無線專網投入運行于2019年7月，由南京電網公司負責運行，實現了電力無線專網在南京區域內的全面覆蓋，能滿足用戶多樣化的用電需求。電力無線專網是智能配電網建設的關鍵所在，能在電力物聯網時代下發揮出電力無線通信的優勢，可以將其作為電力光纖通信的補充，消除有線通信和公網通信的弊端，大幅度提升配電網的智能化服務水平。

4 結 論

在電力行業發展中應用5G技術建設智慧電網已成為電力業務發展的必然趨勢。電力行業要充分利用5G技術數據傳輸快、時延低以及可靠性高等優勢，積極建設電力精準負荷控制系統、電力信息采集系統、無人機巡檢系統以及配電自動化系統等，逐步擴大基于5G技術的電力應用場景，從而推進電力行業技術改革，使我國電網建設處于世界先進水平。