5G通信與電力物聯網的融合應用研究

鄭軍榮，李元九，張宏坡，劉祖鋒，楊 清

（1.國網泉州供電公司，福建 泉州 362000；2.國網信通億力科技有限責任公司，福建 福州 350003）

1 電力物聯網介紹

電力物聯網主要由平臺層、網絡層以及感知層3個部分組成。它是通過網絡與物理的集成來設計創建的一個專業且科學的互聯網系統[1-3]。一般來說，互聯網能實現人機交互，而物聯網則能實現人機物的三方連接，這一點在電力系統中得到了充分體現[4,5]。在過去，傳統的電力系統單純結合了互聯網系統，可一定程度上實現電力設備之間的信息互聯，而在今天，融入了物聯網系統的電力物聯網不僅可以實現信息的互聯，還可實現電力的互聯[6]。

首先，在實際的電力系統管理中，信息傳輸需快速準確。為了實現這些目標，電力互聯網引入了5G通信技術以簡化通用互聯網連接[7,8]。5G通信系統技術和人工智能技術的協作將有助于發展和改善我國的物聯網現況，使其朝更加科學和嚴謹的方向發展。合理運用多學科力量互聯網的前提是必須要先整合所有數據，并根據未來的發展目標做出初步估算，這將節省后續檢查的工作時間[9]。其次，要注意數據的安全性。根據傳感器系統的作用，詳細分析信息的實際操作。經過這樣的一般過程，就可以分析和判斷各地電力互聯網連接的一般狀態。最后，通過判斷將及時發送到用戶終端，此后服務便可以解決特殊的電力問題[10]。

5G對于電力物聯網的進一步發展起到了非常好的推動作用?；谝陨媳尘?，本文首先對國內外的主流物聯網通信技術做了簡要介紹，之后具體探討了電力物聯網的特點及應用，并就此分析了5G移動通信在電力物聯網中的應用前景，最后從多個角度分析了5G通信在電力系統中的安全防護技術。

2 5G通信與電力互聯網技術

2.1 5G通信技術原理

現如今的通信可以分為有線與無線兩類。5G通信作為新型的高科技通信技術，擁有更快和更強的通信功能。其技術原理為：

式中：C代表光速，光速在真空中的速度是3×108m/s；λ為波長；v為頻率。

香農定理是一種最基本的通信原則，它描述了最大帶寬的有限帶，隨機熱噪聲信道和最大帶寬的信號噪聲功率之間的聯系。公式為：

式中，C是信道支持的最大速度或稱信道容量；B是信道的帶寬；S是平均信號功率；N是平均噪聲功率；即信噪比。由于N=n0B，所以香農公式也可表示為：

2.2 電力物聯網原理

電力物聯網（Ubiquitous Electric Internet of Things，UEIOT）是現代信息技術中的移動連接和人工智能的全面應用，圍繞所有能源的先進通信技術，以了解所有事物的連通性，以實現電力系統與人機交互。先進的服務系統具有全面的態勢感知、高效的信息處理以及便捷靈活的應用程序。電力物聯網注重信息的互聯與共享，在結構上分為不同的層，每個層負責自己的功能。

3 實驗背景及思路

高壓傳輸線上已安裝了各種系統，包括數據采集與監視控制系統（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）和同步相量測量單元（Phasor Measurement Unit，PMU）等，以確保整個電源系統的系統安全性和穩定性。但是考慮到成本和低壓傳輸網絡的其他因素，光纖覆蓋一次全部失敗。另外，與電力傳輸網絡相比，電力分配網絡具有更多的連接設備，電力傳輸網絡可以到達每個用戶甚至每個家庭的每個電器。大型設備僅通過具有不同電壓電平的電源線連接。電力系統的“最后一公里”挑戰仍然存在，必須立即解決。創建新的業務模型，實現更廣泛的用戶界面，充分利用用戶的可變性是能源發展的關鍵要素，而數據連接性是基礎。

為了保障電力互聯網的安全性、實時性、準確性以及可靠性要求，本文將5G通信運用到電力互聯網中。第二部分已經分別介紹了5G通信技術和電力物聯網的原理作用。并借此來分析了電力物聯網中5G的網絡安全防護技術。

4 分析與展望

4.1 5G對電力物聯網的業務通信需求

本文結合5G對電力物聯網環境下業務通信需求進行分析，分析結果如表1所示。

表1 電力業務通信需求

由上表可知，5G通信的存在有著它們自身的優勢，如更高的定位精準度，更強的傳輸寬帶以及更低的時延等。

4.2 5G對電力物聯網的性能分析

5G被認為是實現物聯網連接的基礎。為了滿足全球通信現狀需求，實現真正意義上的網絡融合，5G可以使人與人、人與物以及物與物之間更高速、安全且自由的連接。對5G與4G的各個性能指標進行了對比分析如圖1所示。

圖1 5G與4G的性能對比

與4G相比，5G的巨大優勢主要體現在以下幾個方面。一是移動速度，4G移動速度的最大值為350 km/h，5G為500 km/h，可以滿足一些高速移動的需求服務。二是延遲，延遲是指在發送者和接收者之間的時間間隔，4G空中移動所需的時間大約為10 ms，5G需要的時間只有1 ms，這樣允許系統對不同的變化作出臨時和靈活的反應。三是用戶體驗，具體是指用戶或設備能夠在覆蓋區域內實現的真實情況。四是海量接入，相比4G，5G可以連接到更多服務器設備，可有效應對互聯網上所有可能事物的海量接入需求。接下來，對5G運用到電力物聯網進行了調查分析，分析結果如圖2所示。

圖2 5G運用到電力物聯網中的運用

根據圖2的數據可以看出，將5G通信技術運用到互聯網中的滿意度為89.7%，主要是因為5G通信技術無論是在速度、可靠性以及安全性方面，均比4G的性能好很多。用于電網管理的5G通信開放技術是一種強大的工具，可用于控制任何地方的互聯網電力功率，識別業務模型，并為無處不在的電力互聯網配備智能大腦。

4.3 電力物聯網與5G通信結合應用的展望

4.3.1 雙網聯合仿真

電力系統分析需要電力仿真支持來對能源系統的未來做出適當的判斷，同時要考慮到項目的安全性和可靠性，尋找并提出當前的風險內容。在這個階段，多系統仿真軟件的開發也取得了長足的進步。為了確保真實通信系統在通信領域的安全性和穩定性，必須在計劃或正式啟動之前根據實際情況進行系統設計，進行仿真分析。

4.3.2 雙網聯合優化

盡管5G通信系統單元的功耗相對較低，但隨著連接速率的迅速提高，就功耗而言，5G通信系統的效率非常高。對于所有可用的電力互聯網，為不同的5G連接站提供電力保證非常重要。通過供需之間的這種相互作用，雙網的聯合潮流規劃和控制已成為現實。此外，盡管5G連接對于互聯網上的所有事物都是一件好事，但必須承認，電力系統的某些部分很薄弱，在某些地方通信需求很高。需要根據實際情況進一步加強這種空間的通信系統，有必要根據實際情況對此進行更深入的研究和分析。

4.3.3 雙網的安全性和隱私性

盡管5G連接具有明顯的應用優勢，但物聯網將對連接安全性和隱私產生一定影響。5G連接的實施和構建需要充分關注數據安全挑戰。就互聯網的功能而言，信息安全和隱私非常重要。例如，有關電力系統的一些信息會影響電網的安全性，必須根據實際情況設置相應的安全性和保密性標準，同時用戶的特定能耗與用戶的隱私和安全性有關。在某些情況下，數據訪問權限應該是無縫的，并且應該以確保各個參與者隱私的方式進行數據共享。未來，互聯網將涉及信息的轉換，重要的是不僅要科學地確定信息安全級別，而且要驗證數據的身份，數據授權機構的比例控制為5G網絡和電力網絡的安全性與隱私性提供了良好的支持和保護。

4.3.4 復雜多級多對象控制與優化

電力物聯網不僅是物理對象與雙重網絡的連接，而且還包括信息的收集、工作條件的分析以及完整的科學促進和控制。隨著電力物聯網發展，互聯網的多層次和多目標特征變得越來越清晰。傳統的控制和優化算法相對較小，因此無法控制這一廣闊區域，賦予整個物聯網的價值，因此開發出卓越的分層和分布式優化算法以進一步增強所有功能的集成非常重要。

4.3.5 配電網透明化和態勢感知

實時使用電力物聯網來了解事務的真實狀態，并使用5G通信網絡來了解所有事物的連接有改進的余地，尤其是在當前的網絡控制級別上，具體的觀察力很弱。例如，不可能直接測量分布式光伏輸出，而只能找到現代儀表的凈負載。

5 結 論

5G將人們帶入了全球互聯網和即時響應的時代。面對普適電力物聯網，本文重點介紹了5G通信技術和普適電力物聯網的原理和特點，對電力物聯網環境下對通信業務的需求展開了深入分析，給出了5G通信技術在電力物聯網中的應用場景。實驗結果證明，相比于4G通信網絡，5G具有非常好的性能。最后，本文對電力物聯網與5G通信結合應用方面進行了展望。