淺談5G通信技術(shù)對(duì)配電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)的影響

劉順 雷淋 李俊 吳本發(fā) 李洪龍

摘 要：在電力網(wǎng)絡(luò)中，新一代的5G通信技術(shù)無疑可以給電力系統(tǒng)帶來更好的性能保障和技術(shù)改革。5G技術(shù)在電力系統(tǒng)中有著廣闊的應(yīng)用。電氣量反饋的傳輸速度可以直接提高繼電保護(hù)系統(tǒng)的速動(dòng)靈敏性。量測數(shù)據(jù)的快速傳輸和可靠識(shí)別可以更好的估算動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)。本文結(jié)合大量的文獻(xiàn)資料著重分析5G通信的技術(shù)特征和配電網(wǎng)所面臨的問題，并且總結(jié)展望了5G技術(shù)在配電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)和研究方向。

關(guān)鍵詞：5G通信;關(guān)鍵技術(shù);配電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì);技術(shù)應(yīng)用

0引言

配電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)的應(yīng)用發(fā)展離不開通信技術(shù)的支持。5G技術(shù)特征對(duì)配電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)帶來一個(gè)更加廣闊的前景。

1. 5G通信

1.1? 5G通信技術(shù)

隨著移動(dòng)用戶增加、互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，對(duì)移動(dòng)數(shù)據(jù)需求日益增長。據(jù)估計(jì)，將來的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的容量需要在當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)容量上增長一千倍[1]。之前的4G已經(jīng)不能較好支撐暴漲后的流量。加上各智能領(lǐng)域?qū)W(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性和交互通信有更高需求。為滿足以上需求，亟需發(fā)展新一代通信網(wǎng)絡(luò)。第五代移動(dòng)通信技術(shù)（簡稱5G）是最新一代的數(shù)字蜂窩網(wǎng)絡(luò)，是繼4G的延伸。5G其核心是提高性能滿足多樣化要求，特點(diǎn)是高數(shù)據(jù)速率、減少延遲、節(jié)省能源、提高系統(tǒng)容量和大規(guī)模設(shè)備連接。

1.2? 5G通信的關(guān)鍵技術(shù)

1.超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。隨著各種智能設(shè)備的普及，流量將大幅增加。超密集網(wǎng)絡(luò)能夠改善網(wǎng)絡(luò)覆蓋，大幅提升系統(tǒng)容量，對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行分流，具有靈活的網(wǎng)絡(luò)部署和高效的頻率復(fù)用。

2.毫米波通信

毫米波是指波長在毫米數(shù)量級(jí)的電磁波，其頻率大約在30GHz～300GHz之間。如果使用毫米波頻段，頻譜帶寬可比之前擴(kuò)大十幾倍，傳輸速率也可得到巨大提升。但在空氣中衰減較大，且繞射能力較弱。在5G實(shí)際運(yùn)行中，可以通過大規(guī)模MIMO來解決傳播能力弱的缺點(diǎn)[2]。

3.大規(guī)模MIMO技術(shù)。可以通過增加基站中天線的數(shù)量直接擴(kuò)充系統(tǒng)容量，并且有效降低實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。運(yùn)用價(jià)格低廉、功率為毫瓦的放大元件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建，可有效提升經(jīng)濟(jì)效益，降低發(fā)射功率的消耗。

4.D2D通信技術(shù)。D2D即Device-to-Device，也稱之為終端直通。用戶通過D2D 進(jìn)行通信連接，有效的節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)資源，提高了頻帶利用率[3]。而且，D2D 所連接的用戶設(shè)備可以共享蜂窩網(wǎng)絡(luò)的資源可減小傳輸功率，節(jié)約能耗，提高頻譜資源利用率[4]。

5. 自組織網(wǎng)絡(luò)

傳統(tǒng)的無線蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)，需要固定的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備如基地站的支持，進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和用戶服務(wù)控制。而無線自組織網(wǎng)絡(luò)不需要固定設(shè)備支持，用戶自行組網(wǎng)，通信時(shí)，由其他用戶節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。這種形式突破了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的局限性，能夠更加快速、高效部署，在保證質(zhì)量和用戶體驗(yàn)的同時(shí)也有即插即用、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

6. 同頻全雙工技術(shù)

雙工技術(shù)是指終端與網(wǎng)絡(luò)間上下行鏈路協(xié)同工作的模式，且每個(gè)網(wǎng)絡(luò)只能用一種雙工模式。傳統(tǒng)雙工模式主要是頻分雙工（FDD）和時(shí)分雙工（TDD），用以避免發(fā)射機(jī)信號(hào)對(duì)接收機(jī)信號(hào)在頻域或時(shí)域上的干擾[5]，而新興的同頻同時(shí)全雙工技術(shù)采用干擾消除的方法，減少傳統(tǒng)雙工模式中頻率或時(shí)隙資源的開銷，從而達(dá)到提高頻譜效率的目的。與現(xiàn)有的FDD或TDD雙工方式相比，5G同頻全雙工技術(shù)可以根據(jù)不同的需求，能靈活智能的使用FDD/TDD雙工方式，發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，全面提升網(wǎng)絡(luò)性能同時(shí)，也能夠?qū)o線資源的使用效率提升近一倍，從而顯著提高系統(tǒng)吞吐量和容量。

1.3? 5G通信技術(shù)的特點(diǎn)

1.高速度。第五代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，其峰值理論傳輸速度可達(dá)每秒10GB，5G網(wǎng)絡(luò)比4G網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度快一百倍。高速網(wǎng)絡(luò)不僅可以滿足高清視頻，虛擬現(xiàn)實(shí)等大數(shù)據(jù)量傳輸，還會(huì)支持遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程教育等從概念轉(zhuǎn)向?qū)嶋H應(yīng)用。

2.低時(shí)延高可靠。5G技術(shù)的空中接口時(shí)延水平大約在1ms，是4G的幾十分之一。5G低時(shí)延的特點(diǎn)，必將使自動(dòng)駕駛和智能交通等領(lǐng)域帶來全新的變革[6]。無人駕駛汽車的安全性將會(huì)大大提高，在遇到特殊情況時(shí)，可以使汽車在最短時(shí)間內(nèi)緊急制動(dòng)。在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，數(shù)控機(jī)床在5G的幫助下可以做到高度精細(xì)化，制造出更高質(zhì)量的技術(shù)產(chǎn)品。

3.大容量高能效。5G網(wǎng)絡(luò)的容量將是目前4G網(wǎng)絡(luò)的100倍甚至更高，可以提供千億設(shè)備的連接能力，滿足物聯(lián)網(wǎng)通信，提高能源利用效率，實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)[7]。能效，指的是為用戶提供服務(wù)與所消耗的能源之比。5G技術(shù)相比4G來說，同等能量下可以傳遞更多的信息，提高數(shù)據(jù)傳輸效率。

4.穩(wěn)定強(qiáng)。5G技術(shù)廣泛采用微基站，明顯增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性[8]，可以使覆蓋范圍內(nèi)的用戶更好的體驗(yàn)到流暢的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，避免了由于處于宏基站周邊而造成的網(wǎng)速卡頓、無信號(hào)的缺點(diǎn)。

2.配電網(wǎng)

2.1 5G通信技術(shù)在電力系統(tǒng)在的應(yīng)用

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和用電負(fù)效益以及負(fù)荷的迅猛增長，為了保證配電系統(tǒng)的安全性和可靠性，人們需要對(duì)配電系統(tǒng)的供電質(zhì)量做到迅速、準(zhǔn)確而全面地掌握系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。

5G移動(dòng)通信技術(shù)與3G、4G移動(dòng)技術(shù)相比，區(qū)別較為明顯，在多元化、綜合性方面的優(yōu)勢(shì)十分突出。通過將其應(yīng)用到電力通信系統(tǒng)中，不僅實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)流量增長需求的滿足，還可以全面提升數(shù)據(jù)傳輸速度[9]。5G允許大規(guī)模通信終端接入，使得電力系統(tǒng)更好地適應(yīng)快速增長的分布式電源和用戶側(cè)儲(chǔ)能等靈活的資源，保證系統(tǒng)穩(wěn)定。5G還有潛力提高電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量。5G超低時(shí)延和高可靠性的信息傳輸將助力智能電網(wǎng)的自動(dòng)采集和控制類業(yè)務(wù)，從而降低了電力系統(tǒng)潛在停電影響的范圍和時(shí)長。而且，5G在電力物聯(lián)網(wǎng)提供了eMBB （增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶）、mMTC （海量物聯(lián)網(wǎng)通信）與uRLLC （超高可靠與低時(shí)延通信技術(shù)）一共三大應(yīng)用范圍，不僅能夠解決配電網(wǎng)典型電流差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)應(yīng)用難題，而且也可以支撐多類型泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)[10]。

2.1配電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)面臨的問題

狀態(tài)估計(jì)就是利用實(shí)時(shí)量測系統(tǒng)冗余度來提高精度，自動(dòng)排除錯(cuò)誤信息，估計(jì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，為電網(wǎng)運(yùn)行分析提供精確數(shù)據(jù)信息。這對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行起重要作用。電網(wǎng)可分為輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)。配電網(wǎng)較輸電網(wǎng)而言，結(jié)構(gòu)復(fù)雜設(shè)備多。對(duì)于需要終端量測數(shù)據(jù)的狀態(tài)估計(jì)在配電網(wǎng)中更加難以實(shí)現(xiàn)。配電網(wǎng)中點(diǎn)多面廣，所以其量測設(shè)備也隨之多而且分布廣泛。電力電子設(shè)備在配電網(wǎng)中的高比例應(yīng)用使得電壓等級(jí)低、容量較小的配電網(wǎng)中諧波和噪聲相對(duì)基波的比值增大，會(huì)對(duì)量測值產(chǎn)生比較大的影響。再加上現(xiàn)在新能源大量開發(fā)利用，其發(fā)電量和負(fù)載呈現(xiàn)出常態(tài)化的隨機(jī)波動(dòng)和時(shí)空不確定性，使配電網(wǎng)局部區(qū)域電壓和電流波形變化更為顯著[1]。而且為了實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)更高精度的測量目標(biāo)， PMU和AMI被越來越多地運(yùn)用在了配電網(wǎng)中。這些種種因素會(huì)給配電網(wǎng)的狀態(tài)估計(jì)帶來如下問題：

1）配電網(wǎng)數(shù)據(jù)多來源多，時(shí)間尺度化，需對(duì)多源數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，提高信息的一致性。

2）大量的量測數(shù)據(jù)對(duì)有限的通信網(wǎng)絡(luò)造成嚴(yán)重的負(fù)擔(dān)，通信故障的頻率變高，數(shù)據(jù)碰撞、數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象更加嚴(yán)重。

3）開放的通信環(huán)境，使得向數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)注入虛假數(shù)據(jù)和刪改原數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)攻擊有了機(jī)會(huì)。

2.3? 5G技術(shù)對(duì)配電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)的應(yīng)用

隨著電力行業(yè)的迅猛發(fā)展，人們對(duì)供電質(zhì)量穩(wěn)定提高要求。而配電網(wǎng)作為與用戶直接相連的一環(huán)，運(yùn)行狀態(tài)直接關(guān)系到供電的可靠性因此提高配電網(wǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性與精確性至關(guān)重要。配電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)是實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)高級(jí)配電應(yīng)用的必要基礎(chǔ)。而實(shí)時(shí)、高速、雙向的通信系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)配電狀態(tài)估計(jì)的重要基礎(chǔ)。參數(shù)量測技術(shù)也是狀態(tài)估計(jì)的重要組成之一。

5G的速度可達(dá)到4G的10倍;配電網(wǎng)內(nèi)的大數(shù)據(jù)可得到快速處理，信息傳輸也可達(dá)到實(shí)時(shí)效果，能夠?yàn)闋顟B(tài)估計(jì)提供更準(zhǔn)確的量測數(shù)據(jù)，5G帶來的處理能力，能緩解狀態(tài)估計(jì)的算法不足的缺陷，減少計(jì)算難度和時(shí)間，為配電網(wǎng)狀態(tài)進(jìn)行有效預(yù)測。

區(qū)別于之前技術(shù)利用了全頻段技術(shù)方法。如果我們將3G比作是單車道，那么4G可能是三車道，而5G就是十車道或者以上，因此它完全可以解決受制于頻段范圍的問題，進(jìn)行多頻段覆蓋。所以即使擁有海量的量測數(shù)據(jù)，也不擔(dān)心數(shù)據(jù)碰撞丟失的現(xiàn)象。

安全問題一直是我們電力系統(tǒng)中著重關(guān)注的一個(gè)問題，在電力系統(tǒng)中不僅存在實(shí)質(zhì)性的危險(xiǎn)，而且還存在著隱藏的網(wǎng)絡(luò)安全問題。而5G網(wǎng)絡(luò)切片、能力開放兩大創(chuàng)新功能的應(yīng)用，能夠?yàn)殡娏π袠I(yè)打造定制化的“行業(yè)專網(wǎng)”服務(wù)，這就相當(dāng)于是只有電力行業(yè)才能使用的“專用車道”，可以滿足電網(wǎng)安全生產(chǎn)、智能化、互動(dòng)化的通信需求，能夠有效解決網(wǎng)絡(luò)攻擊問題，更好的保證電能質(zhì)量和用戶體驗(yàn)。

3.? 5G在配網(wǎng)中狀態(tài)估計(jì)的應(yīng)用展望

配網(wǎng)傳統(tǒng)的狀態(tài)估計(jì)方法分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)。而靜態(tài)狀態(tài)估計(jì)又分為加權(quán)最小二乘法與抗差狀態(tài)估計(jì)兩個(gè)類別。加權(quán)最小二乘法是一種經(jīng)典的非典型統(tǒng)計(jì)學(xué)估計(jì)方法。它在配電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)中有著極為廣泛的應(yīng)用與研究。但是加權(quán)最小二乘法作為狀態(tài)估計(jì)中的經(jīng)典方法，雖有著收斂性好估計(jì)質(zhì)量精準(zhǔn)且對(duì)正態(tài)分布的誤差無偏估計(jì)等優(yōu)點(diǎn)。但在實(shí)際的系統(tǒng)中，誤差分布卻很難達(dá)到正態(tài)分布，處理粗差的能力不強(qiáng)。不具有抗干擾性，因此為了彌補(bǔ)加權(quán)最小二乘法的缺點(diǎn)，抗差估計(jì)出現(xiàn)了。所謂的抗差估計(jì)[3]就是一種能抵御少量粗差對(duì)估值造成的影響且在估計(jì)過程中可以自動(dòng)降低甚至去除不良數(shù)據(jù)對(duì)估計(jì)結(jié)果造成的不良影響的估計(jì)算法。

我國對(duì)配電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)的研究還處于發(fā)展階段。隨著智能配電網(wǎng)的建設(shè)和5G的進(jìn)步。未來配電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)也將面臨一些新的挑戰(zhàn)和任務(wù)。首先，近年來風(fēng)電等分布式發(fā)電接入配電網(wǎng)，將使配電網(wǎng)從單一的電力系統(tǒng)向多電源系統(tǒng)發(fā)展。因此，電網(wǎng)的運(yùn)行將變得更加復(fù)雜，變化更加迅速。因此，要求配電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)朝著耗時(shí)短、精度高的方向發(fā)展。隨著5G的迅速發(fā)展和應(yīng)用。未來的配電網(wǎng)必將走向5G時(shí)代。在狀態(tài)估計(jì)中，如何快速處理海量數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)的有效利用率也將是一個(gè)非常值得研究的方向。隨著配電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的到來，海量數(shù)據(jù)中也出現(xiàn)了不良數(shù)據(jù)的識(shí)別和糾正。如何準(zhǔn)確識(shí)別海量數(shù)據(jù)中的不良數(shù)據(jù)，減少其對(duì)狀態(tài)估計(jì)的影響，將成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。

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作者簡介：

劉順，1998.09，男，漢，河南商丘人，本科，電力系統(tǒng)

基金項(xiàng)目：貴州大學(xué)創(chuàng)新基金資助

（貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院? 貴州? 550025）