5G 通信在電力系統中的應用

趙 洋，趙曉紅，任天成，劉 新，呂國棟

（1.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003；2.山東中實易通集團有限公司，山東 濟南 250003）

0 引言

2020 年，國家電網公司提出建設“具有中國特色國際領先的能源互聯網企業”的戰略目標，以電網為中心，以堅強智能電網為基礎平臺，將先進的信息通信技術、控制技術與先進能源技術深入融合應用，建設具有清潔低碳、安全可靠、泛在互聯、高效互動、智能開放等特征的智慧能源系統。

相比于傳統電網，智能電網的自動化、智能化程度大大提高，因此更加離不開先進的通信技術、計算機網絡技術的支持。近幾年，隨著國家電網公司戰略目標的不斷完善，電力物聯網的重要性也在不斷提升。電力物聯網是物聯網技術在智能電網中的一種具體表現形式和應用落地，既包含了電能的互聯互通，又包含了信息的互聯互通。因此，通信技術對于支撐先進能源互聯網的重要性不言而喻。

近年來，隨著光纖通信技術的發展，光纖通信已經在電力通信系統中得到廣泛應用。山東省境內光纖骨干傳輸網已建設完成，光纖通信網絡已覆蓋省內各電壓等級變電站、供電所、營業廳及上百個直屬單位。先進能源互聯網要求實現電網各環節的萬物互聯，而光纖全面覆蓋的成本較高，目前配用電側海量設備還沒有完全實現信息的互聯互通，電力系統的“最后一公里”挑戰仍然存在，并且亟待解決。這決定了實現泛在互聯需要無線通信網絡的支持。

5G 移動通信技術是4G 在網絡性能和應用場景方面的進一步演進成果。目前，世界各國都在5G 通信的研發和部署方面不斷發力，中國在該領域的研究中也取得了大量的成果，在國際上擁有較高的話語權。相比于4G，5G 移動通信技術在用戶感知速率、時延和覆蓋范圍等技術指標方面都有明顯優勢［1］。

高速率。5G 通信系統峰值速率不低于20 Gbit／s，并且要求在小區內的各個位置均能實現100 Mbit／s至1 Gbit／s 的用戶感知速率，從而實現數據高速傳輸。

廣連接。5G 通信系統可支持終端的海量連接，可以實現100 萬臺／km2級別的移動終端接入密度，包括各種移動通信終端和物聯網終端，為實現萬物互聯提供了技術基礎。

高可靠性。5G 通信系統發送1 個32 字節數據單元的成功概率高達99.999%，丟包率僅為0.001%。

低時延。5G 通信系統網絡端到端時延小于10 ms，提升了系統響應各種業務的速度。

低能耗。5G 通信系統通過降低設備能耗的方式延長傳感器與通信設備電池更換或充電周期，從而使納入萬物互聯的各類設備保持長期在線。

根據以上分析，5G 通信系統的各項性能優勢使其為推進先進能源互聯網建設發展提供強有力的技術支持。

1 電力系統中的5G 通信應用場景

根據數據典型應用場景劃分，電力系統通信業務可分為控制和采集兩大類。控制類業務主要包括電網保護與控制、配電自動化、精準負荷控制、分布式能源調控、智能巡檢等。采集類業務主要包括用電信息采集、高級計量、配變監測、配電房環境監測、視頻監控、配電設備運行狀態監測、儲能站監測等。

1.1 配電自動化

配電自動化集成了計算機技術、數據傳輸及控制技術、現代化設備及管理技術，是一套綜合信息管理系統。通過檢測配電網的線路或設備狀態，實現故障的智能判斷、分析、定位、隔離以及故障區域供電恢復，通過提升網絡智能水平，節省人力成本。配電網節點數量巨大，光纖通信系統全面覆蓋的實現成本過高，無線通信網絡能夠使得配網自動化中饋線的量測、控制、自動隔離和恢復以相對較低的通信成本實現。基于5G 通信系統的低時延特性，當發生異常情況時，配電自動化終端可將測量數據迅速回傳，主站指令也將迅速發送至配電終端，基于通信網絡快速控制開關、環網柜等其他相關設備，實現配網線路區段或配網設備的故障判斷及準確定位，快速隔離配網線路故障區段或故障設備，最大可能地縮小故障停電時間和范圍，使配網故障處理時間從分鐘級縮短到毫秒級。

1.2 精準切負荷

精準負荷控制系統重點解決電網故障初期頻率快速跌落、主干通道潮流越限、省際聯絡線功率超用、電網旋轉備用不足等問題。可分為毫秒級控制和秒級／分鐘級控制，實現可中斷負荷快速切除，及發電、用電平衡［2］。有線電力通信網絡可以實現毫秒級負荷控制，但由于用戶數量較大，逐個用戶配置光纖和PTN 設備成本較高。采用5G 無線通信系統既可以滿足精準切負荷業務時延要求，又能有效降低網絡覆蓋成本。

1.3 輸電線路巡檢

電力系統中，傳統的輸電線路巡檢工作主要采用人工方式，受地理環境影響，部分地區只能徒步到達或無法到達，且人工巡檢通常使用望遠鏡，無法全方位觀察輸電線路是否存在問題。近年來，隨著無人機巡檢及輸電線路監拍裝置的應用，人工巡檢方式逐漸被取代。無人機巡檢通常采用高清錄像的方式，返回后對視頻進行分析［3］，缺乏實時性。利用輸電線路監拍裝置可實現實時監控，但受帶寬影響，視頻圖像質量較差，導致后臺工作人員無法及時發現問題。基于5G 通信系統的大帶寬性能優勢，監拍系統產生的高清圖像及視頻可以實時傳輸至后臺，提升輸電線路的視頻及圖像監控效率。另外，對于無人機巡檢場景，通過將5G 通信模塊集成至無人機內，可以實時地將拍攝畫面傳輸至后臺監控中心，便于工作人員及時發現問題，并針對存在問題重點核查，采取相應措施。

1.4 用電信息采集

當前，智能電表已經取代傳統電表成為新的用戶用電計量裝置，智能電表不僅精確度高，且具有通信拓展性，即，智能電表配置通信模塊后，可將用戶用電信息傳輸至控制中心的計費平臺，從而實現遠程抄表。現階段，用電信息采集主要依靠租賃運營商GPRS 或4G 公網實現。在此類電力業務中，5G 通信帶來的技術應用革新相對較小。但考慮到當前用電信息采集頻率較低，在5G 通信大帶寬特性的支撐下，采集頻率可以實現較大提升，從而有力支撐電費稽查等電力系統營銷業務。另外，基于5G 通信系統相比于GPRS 及4G 公網更強的網絡安全能力，可以更好地保護客戶用電信息安全。

電力系統各類業務的時延及可靠性要求如表1所示，由表1 可知，5G 通信網絡可以滿足各類業務的QoS 指標，并且有效減少光纖敷設的成本，從而推進先進能源互聯網的建設和發展。

表1 電力系統各類應用場景QoS 需求

2 電力系統中的5G 通信應用可行性

2.1 5G 關鍵技術

2.1.1 大規模MIMO 技術

大規模多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技術是實現5G 通信的核心技術之一，其基本特征是在基站側布置數十根甚至上百根收發天線陣列。分布在同一小區內的多個用戶在同一時頻資源上利用基站配置大規模天線陣列所提供的空間自由度與基站同時進行通信［4］。利用波束成型技術，基站可以有效地向一個非常狹小的范圍發送信號，從而提升時頻資源在多個用戶之間的復用能力以及用戶間抗干擾能力。因此，大規模MIMO 系統頻譜資源利用率得到大幅提升，從而有力支持能源互聯網中的大帶寬和低時延業務。

另外，為實現能源互聯網中的大規模機器類通信需求，無線通信網絡中的多址技術需要進一步發展。4G 移動通信網絡通過OFDMA 技術有效提升了小區內用戶的可接入數量，但仍不能滿足未來“萬物互聯”的要求。大規模MIMO 系統通過開發更多的空間自由度，增加了正交導頻數量，減小了小區內用戶間的導頻干擾，使得系統接入能力進一步提升，有效支持大規模機器類通信業務［5］。除正交多址技術外，5G 移動通信系統也通過采用其他非正交多址技術顯著增強了系統接入能力［6］。

2.1.2 網絡切片技術

5G 網絡切片最早是由下一代移動網絡（Next Generation Mobile Networks，NGMN）引入的新概念［7］。網絡切片利用軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）技術和網絡功能虛擬化（Network Function Virtualization，NFV）技術，將網絡資源進行切片，單一物理網絡可以劃分成多個邏輯虛擬網絡，多個網絡切片共用網絡基礎設施，提升網絡資源利用率；且在每個切片之間，包括切片內的設備、接入網、傳輸網、核心網在邏輯上都是相互獨立的，網絡切片之間互不影響［8-10］。基于SDN 集中控制，數據平面和控制平面可實現解耦合，從而簡化網絡管理，路由配置更加靈活［11］。

網絡切片技術根據行業需求，將運營商的物理網絡切分成多個虛擬網絡，形成適應不同行業的邏輯隔離專網。先進能源互聯網對于行業專網的要求較高，運營商提供的電力切片需要與其他通信業務具有較高的隔離度。通過在通用硬件的基礎上劃分獨立的時頻資源塊，滿足電力業務安全性、實時性、高可靠性等方面的嚴格要求。同時，針對電力系統不同業務的帶寬和時延要求進一步細化電力網絡切片，能更好應對先進能源互聯網多樣化業務的需求。

2.1.3 邊緣計算技術

對于移動邊緣計算 （Mobile Edge Computing，MEC），歐洲電信標準化協會（European Telecommunication Standards Institute，ETSI） 給出了其標準定義，即，邊緣計算是一種在靠近終端的一側，打造集成網絡、計算、存儲、應用等核心能力的綜合開放平臺，為網絡終端提供近端服務，從而滿足業務對實時性、智能型、安全性、數據優化等各種需求的計算模式。網絡中發生邊緣計算的位置被稱為邊緣節點，在通信系統中，位于移動終端和核心云中間，具有計算資源和網絡資源的節點都可以作為邊緣節點。邊緣計算可以實現核心云中大型服務的有效分解，將大型服務分解成為多個小型的、更易處理的業務，并由更加靠近移動終端的邊緣節點進行處理。

邊緣計算技術在工業、交通、互聯網等諸多領域都有著廣闊的應用場景。在電力系統中，由于智能電網涉及多種高實時性、高安全性業務，或是部分業務對響應速度及安全防護都有較高需求。因此，對于5G 通信技術與電力系統結合而言，邊緣計算是必不可少的。例如，配電自動化及精準切負荷業務，可以發揮基于MEC 的低時延優勢，提升電網對異常狀態的響應速度；在智能巡檢業務中，高清視頻和圖片的處理可在網絡邊緣完成，從而減少大顆粒數據對承載網資源的占用；對于用電信息采集業務，可借助MEC 本地存儲的性能特點，避免用戶用電數據通過運營商公網傳輸，減少用戶數據被竊取的可能性，更加有效地保護用戶隱私。

2.2 成本分析

2.2.1 現有業務支出

表2 為2019 年度山東省電力系統無線通信業務資費情況。據統計，2019 年山東電網無線通信業務服務費為1.78 億元，其中，僅用電信息采集業務單項服務費即為1.56 億元。也就是說，國網山東省電力公司每年需向電信運營商繳納近2 億元服務費以實現各類電力無線通信類業務的正常運轉。此方式帶來巨大的費用支出，并且上述費用并不包含應用于各類業務的無線通信模塊采購及設備改造成本。隨著能源互聯網的建設和發展，智能電網無線終端數量將會繼續增加，無線通信服務費用也將繼續面臨大幅增長。

表2 2019 年山東電力無線通信資費 萬元

2.2.2 建設成本

根據電信運營商成本測算，5G 通信系統單座室外宏基站的建設成本約為50～60 萬元，其中，土地租賃、桿塔建設等與站址選擇相關的費用占比超過50%。電力系統中，變電站及環網柜的位置選取是由人口和工業生產的密集程度決定的，這與通信系統中基站的站址選取原則基本一致。

從國家戰略層面分析，同行業內及跨行業間的技術合作及基礎設施資源共享將會在未來一段時間內成為主流。若考慮采用國家電網公司和電信設備運營商共建共享通信網絡的方式，即，國家電網公司提供基站站址、配套桿塔、機房、動力環境等設施，電信運營商提供頻譜資源并負責通信網絡建設，同時對電力無線通信業務提供免費網絡服務，則電力系統無線通信業務應用成本將有效降低，同時，從長遠角度分析，共建共享的商業模式將為國家電網公司帶來其他經濟效益，這將為進一步推進能源互聯網的建設和發展提供重要的技術和經濟支撐。

3 電力系統中的5G 通信應用瓶頸

3.1 通信系統能耗

5G 通信時代，由于邊緣計算技術的應用，核心網的功能將部分下沉至網絡邊緣，邊緣計算服務器的部署位置也將更加接近于基站，因此，網絡接入側承擔了較多的網絡任務。據統計，在當前通信系統中，基站射頻拉遠單元（Remote Radio Unit，RRU）及相應的基帶處理單元（Base Band Unit，BBU）機房用電量最大，約為總能耗的70%～80%［12］。2012 年，全球共有約110 萬座通信基站，每年消耗電量約為140 億kWh［13］。5G 時代，基站部署密度將數倍于現有密度，預計在2025 年將增至1 310 萬個基站，移動基站每年的能耗將達2 000 億kWh。另外，大規模天線陣列應用使得單站耗能大幅增加。據統計，4G基站功耗約為900 W，而5G 基站功耗約為2 700 W。且5G 通信系統的基站部署密度將數倍于4G 系統，形成超密集異構組網，因此，5G 通信系統的能耗將給電力系統的能源管理帶來新的問題與挑戰。

3.2 無線通信安全

5G 通信推動了萬物互聯的進程，然而，終端的無線接入也對通信網絡安全及用戶隱私保護帶來了更大的挑戰。對于5G 通信網絡，需要考慮的網絡安全問題包括接入側安全、切片隔離安全、MEC 安全、用戶邊界／私有云安全。對于先進的能源互聯網而言，網絡安全與用戶隱私保護也尤為重要。例如，電力系統中的調度及控制數據關系到電網的安全穩定運行，一旦發生網絡安全事件，將造成不可估量的損失；而企業等大客戶的用電數據，不僅是電費核算的重要依據，也可以據其估算企業產能，對于用戶而言屬于隱私數據，需加強對此類數據的保護。總之，未來能源互聯網將涉及海量數據傳輸，需更加謹慎地設定數據保密等級，實現電力通信網的數據安全與隱私保護。

3.3 通信網絡建設

盡管國家電網與電信運營商共建共享通信網絡是一個理想的決策，但目前尚沒有明確的官方信息證實這一想法。事實上，5G 通信系統目前在中國尚未實現大規模商用，且國家電網公司并非傳統電信運營商，不具備規劃和建設通信網絡的優勢。獨自建設電力無線通信專網的成本有可能超過現階段租賃電信運營商網絡的成本，且未來經濟效益尚不明確。另外，電力系統輸電、變電網絡電壓等級較高，會對無線通信產生電磁干擾，因此，是否采用現有變電站作為通信基站站址仍有待進一步討論。

4 結語

智慧電網是電網發展的必然趨勢。2020 年國家電網公司戰略為未來能源互聯網建設提出了更加明確的目標；同時，2020 年也是國家大力推進5G 規模化商用的一年。5G 通信技術將重塑未來生活方式，也將重塑電力與能源系統。分析了5G 通信的特點和技術指標，討論了5G 在電力系統中的應用場景以及推進先進能源互聯網建設和發展的重要技術。同時，經過分析，5G 通信應用于電力系統仍存在瓶頸。如何在世界領先的能源互聯網建設和發展中取其精華，將會成為今后的主要研究方向。