5G通信與泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的融合應(yīng)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(tuán)設(shè)計院有限公司，山西 太原 100089）

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)在互聯(lián)網(wǎng)端-物互聯(lián)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了物-物相連。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)是指物聯(lián)網(wǎng)在電力行業(yè)的應(yīng)用，要想在電力系統(tǒng)運行中實現(xiàn)萬物互聯(lián)，保證數(shù)據(jù)高速傳輸，需要通信技術(shù)的支持。而5G通信技術(shù)的出現(xiàn)，給泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供了技術(shù)支撐。因此研究5G通信與泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的融合應(yīng)用，對電力行業(yè)的發(fā)展具有積極意義。

1 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)（Ubiquitous Power Internet of Things，UPIoT）由3大要素共同構(gòu)成。第一大要素是物聯(lián)網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)的核心依舊是互聯(lián)網(wǎng)，將互聯(lián)網(wǎng)用戶終端到物的連接延伸到萬物互聯(lián)，而物與物之間的信息交互是物聯(lián)網(wǎng)的一部分功能，歸屬于最初的傳感網(wǎng)絡(luò)[1]。第二大要素是電力網(wǎng)，電力網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)中的一種更為具象的表現(xiàn)形態(tài)。第三大要素是泛在網(wǎng)，泛在網(wǎng)出現(xiàn)和存在的意義在于泛在物聯(lián)，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(gòu)成了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，共包含4個層次。

圖1 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)

2 5G通信技術(shù)

5G通信技術(shù)是繼4G通信技術(shù)之后的第五代通信技術(shù)，相較于4G通信技術(shù)來說表現(xiàn)出十分明顯的優(yōu)勢，包括高帶寬、低延時以及低功耗，也保證了5G通信技術(shù)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(wěn)定性。在眾多通信頻段中，用于物聯(lián)網(wǎng)中的廣域連接的頻段主要集中于6 GHz以下[2]。5G通信網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)搭建主要包括核心網(wǎng)、宏基站以及微基站3部分，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 5G通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3 5G通信與泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的融合應(yīng)用

3.1 萬物互聯(lián)

目前，我國的電力網(wǎng)絡(luò)基本達(dá)到了全覆蓋的狀態(tài)，電力網(wǎng)絡(luò)中架設(shè)了數(shù)以萬計的用電設(shè)備，共同連接電力網(wǎng)絡(luò)的末端，讓電力網(wǎng)絡(luò)的各終端設(shè)備可以實現(xiàn)信息互聯(lián)[3]。5G通信技術(shù)可以輔助電力網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)更具高效性和經(jīng)濟(jì)性的萬物互聯(lián)，對智能家居的實現(xiàn)也有一定的推進(jìn)作用，除了個人家庭，還可以應(yīng)用到小區(qū)和樓宇等特定地域從而實現(xiàn)集群智能用電。對新能源汽車來說，也可以實現(xiàn)互聯(lián)，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(xiàn)智能城市和智能交通的監(jiān)控與協(xié)調(diào)[4]。萬物互聯(lián)能夠?qū)⑺械呐渥冸娧b置連接到電力網(wǎng)絡(luò)，提供24 h的實時監(jiān)測和評估，還可以有效預(yù)測電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)，從而達(dá)到電力系統(tǒng)的平穩(wěn)運行。

3.2 精準(zhǔn)控制

不久的未來，5G通信技術(shù)將會應(yīng)用到人工智能領(lǐng)域中的無人汽車中，原因在于5G通信技術(shù)的通信速率可以為智能車載系統(tǒng)提供安全保障，包括數(shù)據(jù)反饋和分析，而且5G通信技術(shù)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(nèi)車外的人員安全。

3.3 海量量測

大數(shù)據(jù)技術(shù)的出現(xiàn)，讓數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出海量多元化的特點。在以往的電力系統(tǒng)中安裝了大量的數(shù)據(jù)采集傳感器，但由于在采集數(shù)據(jù)的過程中無法保證系統(tǒng)通路的穩(wěn)定性和可傳導(dǎo)性，因此很多數(shù)據(jù)在采集過程中被省略，保留下來的基礎(chǔ)信息對大數(shù)據(jù)分析來說不具備參考性和可分析性。5G通信技術(shù)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(tǒng)中的擴(kuò)展[5]。

現(xiàn)階段，我國的智能電表普及率已經(jīng)基本可以達(dá)到用電數(shù)據(jù)采集的需求，然而其中的數(shù)據(jù)僅留存每天的用電量，并不會上傳時段的用電數(shù)據(jù)，因此在進(jìn)行用戶用電行為的分析時出現(xiàn)了阻礙。5G通信技術(shù)的通信速率可以支撐智能電表用電數(shù)據(jù)的實時采集，甚至可以精確到家庭中的單個用電設(shè)備的用電數(shù)據(jù)。20世紀(jì)70年代就已經(jīng)出現(xiàn)了非侵入式辨識技術(shù)，可以將細(xì)分粒度的數(shù)據(jù)進(jìn)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(shù)瓶頸[6]。如今5G通信技術(shù)可以完成秒級以上用電功率數(shù)據(jù)的傳輸，為用電大數(shù)據(jù)分析提供了詳細(xì)數(shù)據(jù)，能夠更好地構(gòu)建用戶行為模型。

3.4 寬帶通信

5G通信技術(shù)的特性可以保障遠(yuǎn)程無線傳輸?shù)姆€(wěn)定性，因此可以保障高清視頻和圖像的實時傳輸，實現(xiàn)電力系統(tǒng)的24 h監(jiān)控，提高監(jiān)控的實時反饋速率并穩(wěn)定通信成本。5G通信技術(shù)可以在3個方面為電力系統(tǒng)的通信變革提供技術(shù)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(jiān)控轉(zhuǎn)變?yōu)閷崟r監(jiān)控，實現(xiàn)電力系統(tǒng)的所見即所得，有效進(jìn)行監(jiān)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(xué)習(xí)樣本，通過機(jī)器學(xué)習(xí)實現(xiàn)自動化的系統(tǒng)分析。目前的監(jiān)控方式多采用無人機(jī)巡檢和配電房視頻監(jiān)控，以錄像存儲，無法進(jìn)行實時數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的過程中多采用平均采樣的形式，無法對復(fù)雜場景進(jìn)行細(xì)節(jié)監(jiān)控和分析[7]。而將5G通信技術(shù)應(yīng)用到無人機(jī)巡檢過程中可以實現(xiàn)無人機(jī)監(jiān)測畫面的實時傳輸，進(jìn)行重點監(jiān)控，并及時進(jìn)行故障處理，大大提升了配電房的穩(wěn)定度，還有利于延長配電設(shè)備的壽命。

3.5 高效計算

電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行需要一定的保障，通過大量的數(shù)據(jù)運算提升電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但小型售電商和用戶的數(shù)據(jù)量較少，無法進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)運算而制定相關(guān)的決策，此時便可以應(yīng)用云計算技術(shù)。5G通信技術(shù)能夠為其提供更加精準(zhǔn)的計算結(jié)果和反饋信息，實現(xiàn)各設(shè)備的統(tǒng)籌控制，不同的配電網(wǎng)參與主體還擁有一定的云存儲空間，可以以此為基礎(chǔ)打造屬于自己的私域數(shù)據(jù)云平臺[8]。

4 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)與5G通信融合應(yīng)用的展望

4.1 雙網(wǎng)聯(lián)合優(yōu)化

目前，5G通信技術(shù)低功耗的優(yōu)勢不是特別明顯，但在不久的未來通信量驟增之時會體現(xiàn)出極大的優(yōu)勢，低功耗效果將得到凸顯。5G通信技術(shù)和泛在物聯(lián)網(wǎng)要處于相互協(xié)調(diào)和供需互動的模式才能有效地實現(xiàn)兩者的平衡和優(yōu)化[6]。不過，5G通信技術(shù)的萬物互聯(lián)效果需要較高的電力保障，在電力系統(tǒng)覆蓋較為薄弱的地區(qū)或是通信需求量較高的地區(qū)，就需要有針對性地進(jìn)行雙網(wǎng)優(yōu)化，從各地區(qū)的實際情況出發(fā)，制定相應(yīng)的發(fā)展和融合策略[9]。

4.2 雙網(wǎng)的安全性和隱私性

盡管5G通信技術(shù)推動了通信行業(yè)的發(fā)展，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)也在一定程度上加速了物與物之間的信息傳播和數(shù)據(jù)共享效果，但這種萬物互聯(lián)的發(fā)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(tǒng)中會存儲一些有關(guān)電網(wǎng)安全穩(wěn)定的數(shù)據(jù)信息，需要針對不同的信息進(jìn)行信息安全等級的劃分，并設(shè)置一定的權(quán)限，在有安全保障的狀態(tài)下進(jìn)行信息的傳輸和交換[10]。而電力系統(tǒng)中的使用用戶也需要考慮數(shù)據(jù)獲取的權(quán)限，針對不同的用戶，在保護(hù)用戶個人信息安全的情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和傳輸，更好地實現(xiàn)5G通信網(wǎng)絡(luò)與電力網(wǎng)絡(luò)的雙重信息安全保障。

4.3 商業(yè)模式的多元化

5G通信和泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的融合應(yīng)用也會為電力行業(yè)帶來新的運營形式，實現(xiàn)商業(yè)模式多元化。例如，5G通信技術(shù)支持端對端的信息交互，為P2P能源交易的實現(xiàn)提供技術(shù)支持，還可以借助5G通信技術(shù)實現(xiàn)虛擬電廠的建設(shè)。

5 結(jié) 論

5G通信技術(shù)的發(fā)展帶動了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)與5G通信網(wǎng)絡(luò)的融合實現(xiàn)了深層次網(wǎng)絡(luò)層的搭建。憑借5G通信技術(shù)三高兩低的優(yōu)勢和特點將泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)速度提升了一大步，基本可以在2025年之前實現(xiàn)各行業(yè)5G垂直業(yè)務(wù)的覆蓋和拓展，從而推動企業(yè)和各行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，為各行業(yè)提供更高效的技術(shù)保障和網(wǎng)絡(luò)互連支撐。