5G技術(shù)在智能電網(wǎng)中的研究與應(yīng)用

蔣穎鋒

（南瑞電力設(shè)計有限公司，江蘇 南京 211106）

0 引 言

隨著5G建設(shè)的展開，我國電力網(wǎng)絡(luò)正在加速智能化轉(zhuǎn)型，在各方共同推進(jìn)下，5G+智能電網(wǎng)逐步取得成效。我國能源行業(yè)積極實施“互聯(lián)網(wǎng)+”戰(zhàn)略，全面提高行業(yè)信息化水平和智能化水平，充分利用最新的信息通信技術(shù)和控制技術(shù)，開展智能化設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和信息采集，實現(xiàn)能源行業(yè)運營模式和用能服務(wù)模式創(chuàng)新。隨著新業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，原有的通信方式已無法滿足電網(wǎng)設(shè)備及終端高速發(fā)展的信息通信需求，亟需新的移動通信技術(shù)的支撐，以滿足日新月異的業(yè)務(wù)發(fā)展需求[1]。

1 5G技術(shù)的特點

國際電聯(lián)無線電通信部門定義了5G的3大應(yīng)用場景分別為增強型移動寬帶（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）、大規(guī)模機器通信（massive Machine Type of Communication，mMTC）以及低時延高可靠通信（Ultra-reliable Low Latency Communications，uRLLC）。

eMBB是相對于4G而言，4G帶寬普遍為20 MHz，單個小區(qū)峰值速率為150 Mb/s，而5G單網(wǎng)絡(luò)單個小區(qū)吞吐量達(dá)10 Gb/s，支持移動速度500 km/h，用戶體驗速度可達(dá)1 Gb/s，尤其適合高清類視頻傳輸業(yè)務(wù)，與4G的帶寬相比有了質(zhì)的飛躍。mMTC主要應(yīng)用于連接海量傳感器的應(yīng)用場景，如物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，其連接數(shù)密度每平方公里可達(dá)百萬量級。連接終端分布區(qū)域極廣，數(shù)量極大，要求網(wǎng)絡(luò)能夠支持海量設(shè)備的接入。mMTC可以促進(jìn)萬物互聯(lián)的時代到來，物聯(lián)網(wǎng)時代人與物以及物與物之間的數(shù)據(jù)交流將無處不在。uRLLC主要適用于自動駕駛和智慧工廠等場景，可滿足低時延與高可靠性的應(yīng)用需求，時延必須小于1 ms，可靠性可以達(dá)到99.999%。這種應(yīng)用需要網(wǎng)絡(luò)對海量數(shù)據(jù)具有超高速低延遲處理能力[2]。

2 5G在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 5G技術(shù)在控制類業(yè)務(wù)中的應(yīng)用

2.1.1 電流差動保護(hù)中的應(yīng)用

電流差動保護(hù)可以實時檢測電流差值、設(shè)備的模擬量、相應(yīng)的運行狀態(tài)以及電流電壓等數(shù)值，能夠及時發(fā)現(xiàn)故障并對故障進(jìn)行快速隔離，防止故障影響范圍的進(jìn)一步擴大。以普通變電站間的線路作為5G電流差動保護(hù)為例，在該線路兩側(cè)分別配置電流差動保護(hù)裝置和5G通信模塊，采集兩側(cè)CT的各相電流，通過差動電流進(jìn)行故障判斷，如果發(fā)生故障，則通過5G網(wǎng)絡(luò)及uRLLC切片保護(hù)動作出口，完成電流差動保護(hù)控制動作。利用5G的超低時延特性取代光纖差動保護(hù)的應(yīng)用，可大量減少光纖在電網(wǎng)中的使用，尤其對于電壓等級較低的線路能實現(xiàn)低成本的快速部署，具有較大的經(jīng)濟價值。

2.1.2 精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)的應(yīng)用

精準(zhǔn)負(fù)控系統(tǒng)主要解決電網(wǎng)故障初發(fā)階段頻率急速跌落、聯(lián)絡(luò)線超載以及電網(wǎng)旋轉(zhuǎn)備用容量不足等問題。根據(jù)控制時限要求的差異，可分為毫秒級、秒級及分鐘級控制系統(tǒng)。毫秒級控制系統(tǒng)根據(jù)頻率控制緊急程度的要求能快速切斷系統(tǒng)可中斷負(fù)荷，秒級和分鐘級控制系統(tǒng)可在一定時間內(nèi)切除系統(tǒng)可中斷負(fù)荷，實現(xiàn)發(fā)電和用電功率的平衡。實現(xiàn)方式為將負(fù)控終端通過5G CPE設(shè)備接入5G網(wǎng)絡(luò)，并通過5G網(wǎng)絡(luò)及電力uRLLC切片接入到精切子站裝置和精切主站裝置。毫秒級控制系統(tǒng)的控制主站至子站的通道傳輸時間要求小于30 ms，子站到控制終端的通道傳輸時間要求小于20 ms，5G網(wǎng)絡(luò)的低時延特性能夠滿足這一時延要求。

2.2 5G技術(shù)在無人巡檢業(yè)務(wù)中的應(yīng)用

無人巡檢業(yè)務(wù)的代表應(yīng)用為變電站巡檢機器人和輸電線路無人機智能巡檢。機器人巡檢業(yè)務(wù)主要針對變電站內(nèi)設(shè)備的檢測，通過車載或軌道方式用自身搭載的相關(guān)檢測設(shè)備對變電站內(nèi)的目標(biāo)設(shè)備進(jìn)行巡視和監(jiān)測，實時智能評估和診斷設(shè)備的運行狀態(tài)，自動生成巡檢線路和設(shè)備狀態(tài)檢測報告，同時將檢測報告上傳至后臺管理系統(tǒng)，實時更新設(shè)備相關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)。通過機器人智能巡檢，機器人可取代維護(hù)人員的部分巡檢工作。目前采用的主流軌道機器人已基本具備外觀檢查、測溫、遠(yuǎn)程控制、缺陷狀態(tài)記錄以及刀閘狀態(tài)判別等功能。巡檢機器人與5G CPE設(shè)備連接，接入5G通信網(wǎng)，利用eMBB切片大帶寬特性，實時上傳相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)，后臺對設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行實時更新，為運維人員判斷設(shè)備狀態(tài)提供依據(jù)。

無人機在線監(jiān)測技術(shù)主要應(yīng)用于電力線塔巡檢和輔助測繪等方面，在復(fù)雜地形和惡劣環(huán)境下大有用處。無人機應(yīng)配置各種傳感器（高清相機、夜視相機、雷達(dá)等），并通過5G CPE連入5G網(wǎng)絡(luò)，在指定區(qū)域進(jìn)行對相關(guān)線路和桿塔進(jìn)行巡檢的同時，利用eMBB切片大帶寬特性將圖像和視頻實時回傳至主站，主站再據(jù)此判斷電力線路和桿塔的狀態(tài)。無人機在線監(jiān)測可與虛擬現(xiàn)實技術(shù)融合，對傳回的數(shù)據(jù)進(jìn)行再處理，實現(xiàn)線路狀態(tài)的可視化對比，直觀判斷設(shè)備的運行狀況，由此安排設(shè)備的檢修計劃，及時有效地排除生產(chǎn)安全隱患，確保電力信息系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

2.3 5G技術(shù)在高級計量業(yè)務(wù)中的應(yīng)用

高級計量利用5G大連接特性，選擇mMTC切片連接海量智能電表及電網(wǎng)傳感單元，實現(xiàn)海量用電數(shù)據(jù)的及時采集，最終為用戶提供智能用電等個性化服務(wù)。

2.3.1 用電信息采集類業(yè)務(wù)

用電信息采集系統(tǒng)由采集器、集中器、主站、遠(yuǎn)程及本地通道組成，用電信息采集包括上行數(shù)據(jù)和下行數(shù)據(jù)。上行數(shù)據(jù)指居民用戶、低壓工商戶以及公用配變用戶的電表數(shù)據(jù)，從采集器發(fā)送到集中器，再從集中器通過上行通道上傳至用電信息采集主站系統(tǒng)。下行數(shù)據(jù)指用電信息采集主站系統(tǒng)從集中器向電表發(fā)送各種指令，做出跳合閘，安全認(rèn)證等動作的控制類業(yè)務(wù)。目前，集中器信息一般通過通信運營商網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至后臺，用戶的基本用電數(shù)據(jù)一般按天、小時的頻率采集上報。結(jié)合5G大連接的特點，同時連接大量智能電表，采集和分析用戶海量的用電數(shù)據(jù)，實時感知用戶用電情況和電能質(zhì)量，同時分析和管理線損情況與負(fù)荷狀態(tài)，完成智能抄表、梯度電價、負(fù)荷預(yù)測以及節(jié)約用電成本等功能。用電信息采集業(yè)務(wù)對終端量級要求很高（海量接入），但對通信時延和帶寬要求不高，實現(xiàn)準(zhǔn)實時的數(shù)據(jù)信息反饋，最終為用戶提供智能用電等個性化需求。

2.3.2 電網(wǎng)運行狀態(tài)監(jiān)測業(yè)務(wù)

電網(wǎng)運行狀態(tài)監(jiān)測主要通過安裝同步相量測量裝置（Phasor Measurement Unit，PMU）和數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測控制系統(tǒng)（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）來實現(xiàn)。一般通過光纖網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸，但對于低電壓等級而覆蓋面極廣的配電網(wǎng)，一般都因成本因素沒有進(jìn)行光纖網(wǎng)絡(luò)覆蓋。這時可以通過將傳感器單元安裝在配電網(wǎng)的不同節(jié)點上，利用5G大連接特性連接海量傳感器，實時采集配電網(wǎng)運行狀態(tài)相關(guān)數(shù)據(jù)，如電壓幅值、相角、有功功率以及無功功率等，實時感知配電網(wǎng)的潮流狀態(tài)和運行參數(shù)。目前，已有部分城市試點安裝微型同步相量測量裝置（micro-Phasor Measurement Unit，micro-PMU），對配電系統(tǒng)故障監(jiān)測范圍進(jìn)一步下沉。在這種情況下，微型同步相量測量裝置的需求安裝量十分巨大，需要5G海量連接能力的支撐才能徹底解決電力系統(tǒng)“最后一公里”的挑戰(zhàn)。

3 5G技術(shù)應(yīng)用的進(jìn)展

2019年3月，中國電信、國家電網(wǎng)以及華為聯(lián)合部署江蘇省電力公司的測試環(huán)境，從QoS/SLA保障等多方面對配電自動化、精準(zhǔn)負(fù)荷控制及用電信息采集等應(yīng)用進(jìn)行切片測試，并于2019年4月完成全球首次5G獨立組網(wǎng)的毫秒級精準(zhǔn)負(fù)荷控制切片實驗。

2019年6月，安徽宣城電信與國網(wǎng)安徽信通公司合作建設(shè)的特高壓古泉站5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)圓滿完成，特高壓古泉站是昌吉-古泉1 100 kV線路的重要節(jié)點，該項目完成后能夠在古泉站內(nèi)實現(xiàn)高清視頻監(jiān)控和智能機器人巡檢等業(yè)務(wù)。5G高速無線通道為站內(nèi)各項業(yè)務(wù)提供了快捷靈活的接入方式，其帶寬與時延等各項測試指標(biāo)均滿足設(shè)計要求。

2020年7月，青島電信、華為以及青島供電公司共同開發(fā)的5G智能電網(wǎng)工程順利結(jié)束，該項目在奧帆中心等地建設(shè)30多個5G基站，實現(xiàn)規(guī)模連續(xù)覆蓋，標(biāo)志著中國目前最大的5G智能電網(wǎng)正式建成。

2020年8月，由中國南方電網(wǎng)、中國移動以及華為聯(lián)合開發(fā)的5G授時CPE在深圳電網(wǎng)正式商用。5G授時CPE在配網(wǎng)差動保護(hù)業(yè)務(wù)中測試成功，通道延時、授時精度以及差動電流等相關(guān)指標(biāo)的測試結(jié)果均達(dá)到要求，標(biāo)志著5G智能電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈正在穩(wěn)步走向成熟。

2020年8月，由中國電信牽頭，國內(nèi)外多家產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟單位共同提交的5G智能電網(wǎng)項目在3GPP R18中正式立項，首次定義5G智能電網(wǎng)端到端整體框架標(biāo)準(zhǔn)，為5G智能電網(wǎng)的規(guī)模發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)。

2020年9月，福建移動、中興通訊以及國網(wǎng)福建公司成功在福建移動5G開放實驗室完成5G切片差動保護(hù)測試，業(yè)界首創(chuàng)的基于物理資源塊（Physical Resource Block，PRB）預(yù)留的無線切片實現(xiàn)5G端到端平均時延9 ms，滿足差動保護(hù)業(yè)務(wù)的時延要求。

4 結(jié) 論

本文初步分析了5G通信技術(shù)的特點及其在智能電網(wǎng)中的各類應(yīng)用，智能電網(wǎng)與5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合能夠促進(jìn)智能電網(wǎng)各項業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，實現(xiàn)電網(wǎng)建設(shè)的降本增效，具有較大的經(jīng)濟優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用場景。同時也要認(rèn)識到5G+智能電網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展是一項長期且艱巨的工程，要達(dá)到規(guī)模商用還需產(chǎn)業(yè)鏈上各相關(guān)企業(yè)和研究機構(gòu)深化合作，才能實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)生態(tài)的發(fā)展和共贏。