5G通信與泛在電力物聯網的融合應用分析與研究展望

朱 寧，梁 星，張利峰，王 瑞，曹顏輝

（中國移動通信集團設計院有限公司，山西 太原 100089）

0 引 言

物聯網在互聯網端-物互聯的基礎上，實現了物-物相連。泛在電力物聯網是指物聯網在電力行業的應用，要想在電力系統運行中實現萬物互聯，保證數據高速傳輸，需要通信技術的支持。而5G通信技術的出現，給泛在電力物聯網的發展提供了技術支撐。因此研究5G通信與泛在電力物聯網的融合應用，對電力行業的發展具有積極意義。

1 泛在電力物聯網

泛在電力物聯網（Ubiquitous Power Internet of Things，UPIoT）由3大要素共同構成。第一大要素是物聯網，物聯網的核心依舊是互聯網，將互聯網用戶終端到物的連接延伸到萬物互聯，而物與物之間的信息交互是物聯網的一部分功能，歸屬于最初的傳感網絡[1]。第二大要素是電力網，電力網是物聯網中的一種更為具象的表現形態。第三大要素是泛在網，泛在網出現和存在的意義在于泛在物聯，即任何時間、空間以及人與物之間都存在一定的信息連接和信息交互。這3大要素同時存在便構成了泛在電力物聯網，具體結構如圖1所示，共包含4個層次。

圖1 泛在電力物聯網結構

2 5G通信技術

5G通信技術是繼4G通信技術之后的第五代通信技術，相較于4G通信技術來說表現出十分明顯的優勢，包括高帶寬、低延時以及低功耗，也保證了5G通信技術在高密度連接的情況下，在多個通信頻段中仍能保持較高的可靠性和穩定性。在眾多通信頻段中，用于物聯網中的廣域連接的頻段主要集中于6 GHz以下[2]。5G通信網絡的系統搭建主要包括核心網、宏基站以及微基站3部分，結構如圖2所示。

圖2 5G通信網絡結構

3 5G通信與泛在電力物聯網的融合應用

3.1 萬物互聯

目前，我國的電力網絡基本達到了全覆蓋的狀態，電力網絡中架設了數以萬計的用電設備，共同連接電力網絡的末端，讓電力網絡的各終端設備可以實現信息互聯[3]。5G通信技術可以輔助電力網絡實現更具高效性和經濟性的萬物互聯，對智能家居的實現也有一定的推進作用，除了個人家庭，還可以應用到小區和樓宇等特定地域從而實現集群智能用電。對新能源汽車來說，也可以實現互聯，不僅有助于未來新能源電動車充電樁的鋪排，還可以輔助實現智能城市和智能交通的監控與協調[4]。萬物互聯能夠將所有的配變電裝置連接到電力網絡，提供24 h的實時監測和評估，還可以有效預測電力系統的運行狀態，從而達到電力系統的平穩運行。

3.2 精準控制

不久的未來，5G通信技術將會應用到人工智能領域中的無人汽車中，原因在于5G通信技術的通信速率可以為智能車載系統提供安全保障，包括數據反饋和分析，而且5G通信技術的通信低延時可以為高速行駛的無人汽車做出及時的制動措施，能夠有效保障車內車外的人員安全。

3.3 海量量測

大數據技術的出現，讓數據呈現出海量多元化的特點。在以往的電力系統中安裝了大量的數據采集傳感器，但由于在采集數據的過程中無法保證系統通路的穩定性和可傳導性，因此很多數據在采集過程中被省略，保留下來的基礎信息對大數據分析來說不具備參考性和可分析性。5G通信技術幫助人們解決了通信壓力的問題，將不同粒度的信息都完整地保存下來，也支撐了更多傳感器在電力系統中的擴展[5]。

現階段，我國的智能電表普及率已經基本可以達到用電數據采集的需求，然而其中的數據僅留存每天的用電量，并不會上傳時段的用電數據，因此在進行用戶用電行為的分析時出現了阻礙。5G通信技術的通信速率可以支撐智能電表用電數據的實時采集，甚至可以精確到家庭中的單個用電設備的用電數據。20世紀70年代就已經出現了非侵入式辨識技術，可以將細分粒度的數據進行上傳，然而至今還沒有大范圍實行的受限因素就在于技術瓶頸[6]。如今5G通信技術可以完成秒級以上用電功率數據的傳輸，為用電大數據分析提供了詳細數據，能夠更好地構建用戶行為模型。

3.4 寬帶通信

5G通信技術的特性可以保障遠程無線傳輸的穩定性，因此可以保障高清視頻和圖像的實時傳輸，實現電力系統的24 h監控，提高監控的實時反饋速率并穩定通信成本。5G通信技術可以在3個方面為電力系統的通信變革提供技術支持，第一，高清晰度的視頻圖像往往存儲空間較大，可以支持大容量的視頻文件的傳輸。第二，將延時監控轉變為實時監控，實現電力系統的所見即所得，有效進行監控的管控。第三，將5G通信回傳的圖片和視頻作為人工智能的學習樣本，通過機器學習實現自動化的系統分析。目前的監控方式多采用無人機巡檢和配電房視頻監控，以錄像存儲，無法進行實時數據分析，在故障處理的方面無法保證及時性和時效性，所以在記錄數據的過程中多采用平均采樣的形式，無法對復雜場景進行細節監控和分析[7]。而將5G通信技術應用到無人機巡檢過程中可以實現無人機監測畫面的實時傳輸，進行重點監控，并及時進行故障處理，大大提升了配電房的穩定度，還有利于延長配電設備的壽命。

3.5 高效計算

電力系統的穩定運行需要一定的保障，通過大量的數據運算提升電力系統的穩定性，但小型售電商和用戶的數據量較少，無法進行大量的數據運算而制定相關的決策，此時便可以應用云計算技術。5G通信技術能夠為其提供更加精準的計算結果和反饋信息，實現各設備的統籌控制，不同的配電網參與主體還擁有一定的云存儲空間，可以以此為基礎打造屬于自己的私域數據云平臺[8]。

4 泛在電力物聯網與5G通信融合應用的展望

4.1 雙網聯合優化

目前，5G通信技術低功耗的優勢不是特別明顯，但在不久的未來通信量驟增之時會體現出極大的優勢，低功耗效果將得到凸顯。5G通信技術和泛在物聯網要處于相互協調和供需互動的模式才能有效地實現兩者的平衡和優化[6]。不過，5G通信技術的萬物互聯效果需要較高的電力保障，在電力系統覆蓋較為薄弱的地區或是通信需求量較高的地區，就需要有針對性地進行雙網優化，從各地區的實際情況出發，制定相應的發展和融合策略[9]。

4.2 雙網的安全性和隱私性

盡管5G通信技術推動了通信行業的發展，泛在電力物聯網的出現也在一定程度上加速了物與物之間的信息傳播和數據共享效果，但這種萬物互聯的發展模式也為通信安全帶來了威脅，因此要重視信息安全問題。電力系統中會存儲一些有關電網安全穩定的數據信息，需要針對不同的信息進行信息安全等級的劃分，并設置一定的權限，在有安全保障的狀態下進行信息的傳輸和交換[10]。而電力系統中的使用用戶也需要考慮數據獲取的權限，針對不同的用戶，在保護用戶個人信息安全的情況下進行數據采集和傳輸，更好地實現5G通信網絡與電力網絡的雙重信息安全保障。

4.3 商業模式的多元化

5G通信和泛在電力物聯網的融合應用也會為電力行業帶來新的運營形式，實現商業模式多元化。例如，5G通信技術支持端對端的信息交互，為P2P能源交易的實現提供技術支持，還可以借助5G通信技術實現虛擬電廠的建設。

5 結 論

5G通信技術的發展帶動了泛在電力物聯網的發展，泛在電力物聯網與5G通信網絡的融合實現了深層次網絡層的搭建。憑借5G通信技術三高兩低的優勢和特點將泛在電力物聯網的建設速度提升了一大步，基本可以在2025年之前實現各行業5G垂直業務的覆蓋和拓展，從而推動企業和各行業的數字化轉型，為各行業提供更高效的技術保障和網絡互連支撐。