5G技術(shù)在配電物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用前景

陳文清

（清遠(yuǎn)市電創(chuàng)電力工程安裝有限公司 清城通信分公司，廣東 清遠(yuǎn)511518）

0 引 言

5G技術(shù)具有數(shù)據(jù)傳輸速率高和傳輸時(shí)延低的良好特性，將其與電力物聯(lián)網(wǎng)相聯(lián)合可以在智能配電網(wǎng)中發(fā)揮實(shí)效，具有光明的前景。當(dāng)前電力系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了重要節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)連接，但仍存在一些不足，例如獲取用戶側(cè)數(shù)據(jù)和邊緣數(shù)據(jù)較為困難，會(huì)影響后續(xù)應(yīng)用。電力物聯(lián)網(wǎng)力求有效采集與分析邊緣數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的信息互通，5G技術(shù)則為電力物聯(lián)網(wǎng)的功能發(fā)揮提供保障。

1 5G時(shí)代與物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)展

《物聯(lián)網(wǎng)“十二五”發(fā)展規(guī)劃綱要》明確指出，必須依托物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)各產(chǎn)業(yè)智能化建設(shè)。以互聯(lián)網(wǎng)為核心，通過(guò)射頻識(shí)別裝置、紅外線感應(yīng)器、地理定位系統(tǒng)以及激光掃描技術(shù)等實(shí)現(xiàn)規(guī)定范圍內(nèi)物物之間的關(guān)聯(lián)，深化信息交換。支撐物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展的核心是5G技術(shù)，以5G網(wǎng)絡(luò)為信息傳播載體，實(shí)現(xiàn)通信技術(shù)水平質(zhì)的飛躍。同時(shí)5G技術(shù)的創(chuàng)新與研發(fā)也使得物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了智能感知、技術(shù)識(shí)別與信息通信功能的融合。在電力系統(tǒng)中有效應(yīng)用以5G技術(shù)為支撐的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以建構(gòu)完善的電力物聯(lián)網(wǎng)體系，開(kāi)啟物聯(lián)網(wǎng)電力系統(tǒng)的新時(shí)代。5G技術(shù)使得物聯(lián)網(wǎng)對(duì)應(yīng)的信息交換更為廣泛和高效，其關(guān)聯(lián)物品的速度是4G的20倍以上，對(duì)應(yīng)的延時(shí)和功耗持續(xù)降低，信息交換更具體且更具針對(duì)性。5G技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢(shì)發(fā)揮的保障，而物聯(lián)網(wǎng)又為5G運(yùn)用電力科技成果提供幫助，兩者相輔相成[1-3]。

2 5G與4G的性能對(duì)比分析

5G技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)廣泛連接的通信支持，可以實(shí)現(xiàn)人與人、人與物以及物與物之間的信息傳輸與對(duì)話。對(duì)比4G的各個(gè)性能指標(biāo)，5G的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)十分明顯，主要表現(xiàn)在7個(gè)方面。

一是移動(dòng)性。在滿足一定系統(tǒng)性能的前提下，5G能實(shí)現(xiàn)通信雙方相對(duì)移動(dòng)速度的最快化，4G最高移動(dòng)速度為350 km/h，而5G為500 km/ h。二是延時(shí)性。5G信息發(fā)出到接收的間隔更短，4G空口時(shí)延在10 ms左右，而5G提速到1 ms，對(duì)外界事件的響應(yīng)更高效且更準(zhǔn)確。三是用戶體驗(yàn)。5G覆蓋區(qū)內(nèi)用戶實(shí)際速率從原來(lái)的10 Mb/s提升到現(xiàn)在的100 Mb/s，給用戶帶來(lái)了更好的體驗(yàn)。四是峰值速率。5G是4G的20倍，可以使用戶獲得最大業(yè)務(wù)速率。五是單位面積容量。4G單位面積容量為0.1 （Mb/s）/m2，而5G為10 （Mb/s）/m2。六是帶寬。帶寬是決定單位時(shí)間內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)量的要素，4G網(wǎng)絡(luò)帶寬為20 MHz，網(wǎng)絡(luò)帶寬為100 MHz，5G信息傳輸能力更強(qiáng)。七是網(wǎng)絡(luò)能效。5G網(wǎng)絡(luò)能效是4G的100倍，在同樣的能量消耗下5G傳送的數(shù)據(jù)量更多。

3 5G技術(shù)在配電物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

3.1 萬(wàn)物共聯(lián)

5G技術(shù)使得社會(huì)智能化建設(shè)進(jìn)程加快，推動(dòng)家用電器實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，智能家居建設(shè)逐漸深化，樓宇和住宅小區(qū)集群智能用電需求得到滿足，且配變電裝置互聯(lián)監(jiān)測(cè)和電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的評(píng)估預(yù)測(cè)等落到實(shí)處，促進(jìn)配電系統(tǒng)運(yùn)行更加安全穩(wěn)定。當(dāng)前，電力系統(tǒng)的輸電網(wǎng)層構(gòu)成主體是輸變電設(shè)備，通過(guò)同步光纖進(jìn)行信息交換。5G技術(shù)誕生之前，配電網(wǎng)層面普遍面臨信息溝通“最后一公里”的問(wèn)題，電氣物理聯(lián)接無(wú)法滿足信息互聯(lián)的高品質(zhì)需求。隨著5G技術(shù)的誕生與發(fā)展，在其支持下的配電物聯(lián)實(shí)現(xiàn)了真正意義上的萬(wàn)物互聯(lián)[4]。

3.2 精準(zhǔn)控制

5G技術(shù)支持下的配電物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)設(shè)備的精準(zhǔn)控制。配電網(wǎng)自動(dòng)化運(yùn)行會(huì)遇到短路或斷路等故障，需要快速排查故障并切除。配電網(wǎng)中繼電保護(hù)裝置的精準(zhǔn)作業(yè)建立在信息綜合分析和故障類型精準(zhǔn)判斷的基礎(chǔ)上，就差動(dòng)保護(hù)來(lái)說(shuō)，需要精準(zhǔn)計(jì)算線路兩端保護(hù)裝置的測(cè)量值，避免較大的測(cè)量誤差。5G技術(shù)支持下的配電物聯(lián)網(wǎng)實(shí)以對(duì)電子裝置的精準(zhǔn)控制實(shí)現(xiàn)多個(gè)電子裝置的分布式協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)再生能源的接入、無(wú)功補(bǔ)償及電能改善等[5]。

3.3 海量測(cè)量

5G聯(lián)合配電物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了電力系統(tǒng)海量大數(shù)據(jù)的獲取與分析，可以高質(zhì)高效地采集多元化數(shù)據(jù)。5G技術(shù)可以提供配網(wǎng)拓?fù)浔孀R(shí)和參數(shù)分析方面的數(shù)據(jù)支持，利用該特性在配電網(wǎng)不同節(jié)點(diǎn)安裝傳感單元，對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)感知監(jiān)測(cè)，并在配電網(wǎng)關(guān)鍵區(qū)域安裝微型同步相角量測(cè)單元進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)分析。5G技術(shù)為海量數(shù)據(jù)傳輸提供穩(wěn)定的傳輸條件，其聯(lián)合配電物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)中電力設(shè)備信息的互通，實(shí)現(xiàn)了電力設(shè)備參數(shù)的監(jiān)測(cè)感知，為電力調(diào)度決策提供數(shù)據(jù)分析支持，同時(shí)也為電力設(shè)備的檢修提供信息參考。

3.4 虛擬現(xiàn)實(shí)

5G技術(shù)聯(lián)合配電物聯(lián)網(wǎng)打造電力虛擬現(xiàn)實(shí)，通過(guò)視覺(jué)、通信及仿真技術(shù)，模擬環(huán)境并優(yōu)化電力服務(wù)。具體到配電網(wǎng)，其服務(wù)于配電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商，對(duì)獲取的海量數(shù)據(jù)信息和視頻進(jìn)行綜合處理，構(gòu)建配電網(wǎng)絡(luò)全景。此外，基于運(yùn)營(yíng)商的運(yùn)營(yíng)需求和關(guān)注點(diǎn)，細(xì)化展示不同區(qū)域的情況，使得配電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)可視化。虛擬現(xiàn)實(shí)對(duì)應(yīng)不同的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，可以有效縮減配電巡檢和管理等的培訓(xùn)成本。配電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商可以通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)功能獲得配電系統(tǒng)的健康診斷結(jié)果，并以此為依據(jù)制定解決方案。

3.5 高效計(jì)算

5G配電物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為電力系統(tǒng)云計(jì)算和邊緣計(jì)算等的高效性與準(zhǔn)確性提供保障。云計(jì)算方面，5G通信使得不同配電網(wǎng)主體參與數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)計(jì)算，可以高效傳遞數(shù)據(jù)，并打造內(nèi)部數(shù)據(jù)云平臺(tái)。而邊緣計(jì)算方面，可以直接計(jì)算分布式數(shù)據(jù)邊緣側(cè)并調(diào)取全局結(jié)果。如多主體參與的配電網(wǎng)電壓控制計(jì)算，通過(guò)分布式優(yōu)化算法提高計(jì)算效率，同時(shí)保護(hù)用戶隱私。配電網(wǎng)中5G技術(shù)的應(yīng)用總覽如圖1所示。

圖1 配電網(wǎng)中5G技術(shù)的應(yīng)用總覽

4 5G技術(shù)支持下的配電物聯(lián)網(wǎng)

4.1 立足實(shí)際

當(dāng)前配電網(wǎng)缺乏全網(wǎng)鋪設(shè)的測(cè)量裝置，電壓和電流的測(cè)量?jī)H針對(duì)有限節(jié)點(diǎn)。對(duì)于部署PMU的少量節(jié)點(diǎn)，其數(shù)據(jù)采集需要本地節(jié)點(diǎn)壓縮后傳輸，無(wú)法實(shí)現(xiàn)無(wú)損全數(shù)據(jù)傳輸，信息反饋失真影響網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)評(píng)估，電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性無(wú)法保障。

4.2 關(guān)注隱私

5G技術(shù)支持下的配電物聯(lián)網(wǎng)存在通信安全與隱私泄露方面的風(fēng)險(xiǎn)。因此關(guān)注隱私，加強(qiáng)對(duì)數(shù)據(jù)的安全保護(hù)是5G技術(shù)支持下的配電物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用建設(shè)的重點(diǎn)工作。因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)中有些數(shù)據(jù)關(guān)系到電網(wǎng)的整體運(yùn)行，安全級(jí)別較高，所以在5G配電物聯(lián)時(shí)需要設(shè)置高等級(jí)的保密級(jí)別，確保數(shù)據(jù)安全。考慮到用戶用電數(shù)據(jù)的隱私屬性，對(duì)不同對(duì)象設(shè)置不同的數(shù)據(jù)獲取權(quán)限，在隱私保護(hù)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。未來(lái)應(yīng)用中，必須重視安全與隱私問(wèn)題，在明確數(shù)據(jù)歸屬與數(shù)據(jù)權(quán)限的基礎(chǔ)上，確保通信網(wǎng)與電力網(wǎng)的數(shù)據(jù)安全。

4.3 多級(jí)多對(duì)象

5G技術(shù)支持下的配電物聯(lián)網(wǎng)未來(lái)發(fā)展中要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜多級(jí)多對(duì)象的控制與優(yōu)化。電力物聯(lián)不是簡(jiǎn)單的萬(wàn)物互聯(lián)，而是電力網(wǎng)與通信網(wǎng)實(shí)物連接基礎(chǔ)上的數(shù)據(jù)采集、設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)以及海量對(duì)象優(yōu)化控制。配電物聯(lián)網(wǎng)未來(lái)所連的萬(wàn)物可能是多級(jí)多對(duì)象，小規(guī)模控制與算法優(yōu)化無(wú)法實(shí)現(xiàn)廣域的控制，因此應(yīng)在分層分布式算法優(yōu)化的基礎(chǔ)上研究海量對(duì)象的即時(shí)最優(yōu)控制。

4.4 監(jiān)測(cè)可視

通過(guò)安裝大量的傳感器并結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物連接，對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)感知與監(jiān)測(cè)，使得配電網(wǎng)運(yùn)行可視化。態(tài)勢(shì)感知即時(shí)化等是5G技術(shù)配電物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重點(diǎn)問(wèn)題。配電網(wǎng)屬于閉環(huán)設(shè)計(jì)開(kāi)環(huán)運(yùn)行的系統(tǒng)，受管理原因的限制，配電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商無(wú)法準(zhǔn)確獲取拓?fù)湫畔ⅰＮ磥?lái)可以利用5G技術(shù)支持下的配電物聯(lián)實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的采集分析、大數(shù)據(jù)分析的透明可視化以及配電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)與態(tài)勢(shì)感知的可視化。

5 結(jié) 論

5G技術(shù)與配電物聯(lián)網(wǎng)的連接部署，與大數(shù)據(jù)和云計(jì)算等技術(shù)的融合，使得配電系統(tǒng)技術(shù)革新落到實(shí)處，取得實(shí)效。5G技術(shù)支持下的配電物聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)配電運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)的采集與分析、合理調(diào)度控制以及智能運(yùn)維等，為電力系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)發(fā)展的智能化與數(shù)字化奠定基礎(chǔ)。此外，其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)的充分發(fā)揮需要相關(guān)人員保持辯證思維和理性認(rèn)知，做好前景的預(yù)測(cè)分析與前期準(zhǔn)備工作。