5G通信技術的發展及在電力系統的應用

劉孝鑫，楊 光

（1.西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710065；2.航空工業自控所，陜西 西安 710065）

1 5G通信技術發展

5G通信技術即第五代移動通信技術，具備通信帶寬大、可靠性高及傳輸時延低等優勢。5G網絡通訊技術以其遠超第四代移動通信的數據傳輸速率、超高的實時能力以及全域空間的連接能力，逐步成為國家未來的戰略基礎技術。

1.1 5G通信技術發展現狀

國家工信部于2019年10月宣布正式啟動第五代移動通信網絡。和傳統4G網絡相比，5G通信的傳輸速率峰值可達10 Gbit/s，這比4G高出2個數量級。同時由于其設計規劃之初就提出的低于1 ms的網絡延遲要求，使得通過5G網絡傳輸信息的質量非常高，也極大提升了用戶的使用體驗。5G網絡的應用能夠有效地提升系統的信息存儲與處理能力，從而促進信息傳輸的進步，并且具有良好的應用前景[1,2]。

5G 網絡的數據傳輸速率遠遠超過之前的4G/3G/2G 網絡，甚至強于部分現有的有線互聯網。鑒于其非常高的數據傳輸率，5G在電力系統通信方面也有巨大的優勢。通過將5G技術與云計算、大數據以及人工智能相結合，加速電力系統向數字化和智能化轉型。在電力系統中推進5G通信技術應用可以有效提高電力系統數據傳輸效率，減少線纜投資，降低系統運行成本[3]，進一步促進我國電力系統的高速高效發展。

1.2 5G網絡拓撲

5G通信網絡系統主要由核心網、宏基站，微基站等部分組成。其中核心網用于系統控制和數據傳輸，是全網絡的指揮中心。宏基站通過光纖鏈路或微波與核心網相連，作為重要中樞系統，實現區域內的基站和用戶的無線通信。

2 5G通信技術在電力系統中的應用

世界各國電力系統正加速向智能化升級，信息傳輸也快速向5G時代邁進。結合我國電力系統的發電、輸電、配電、用電和應急通信等環節，未來5G通信技術將逐步發揮重要作用。

2.1 高清視頻數據服務

傳統的電力系統中的視頻監控功能，主要實現包括圖像監視、安全防護、故障診斷等功能[4]，因此對數據傳輸帶寬的需求有著較高的要求。5G網絡的高帶寬特性，使得原有的視頻監控系統向著更加高清的方向發展。目前4G通信技術無法保證完整的數據傳輸，從而導致后臺數據分析和指令決策等功能易出現偏差。為避免信息傳輸過程的不可控因素，可以將圖像處理及決策系統前移，與視頻采集端結合。這樣的解決方案雖然可以避免通信網絡的影響，但是不便于集中管理，同時遠端集成較高性能的處理單元不僅成本高，并且為保障相關設備的環境要求，使其對環控又提出了更高的要求。而5G技術的應用可實現高清視頻數據傳輸，其低時延可以讓控制終端迅速獲取高清圖像，結合中央控制室內的更高性能的運行平臺及其更強大的解算能力，使得圖像識別、處理、融合更容易實現，成本更低廉。并且通過中央控制臺內集中式的操作，使得多個分系統間可以聯動，避免了單一監測點輸出而其他子系統無法支撐的情況出現[4]。

2.2 基于5G的傳感聯網應用

隨著通信網絡技術的發展，其通訊速率逐步升高并且傳輸延遲降低，使得各種物、人及其集成的傳感器均可以接入網絡。而多種不同設備通過移動通信技術接入網絡，可以更加方便地實現各種設備的遠程智能操控，為工作和生活提供便利[5]。在傳統4G網絡應用時，人們可以通過網絡把設備或家用電器與手機相連，這樣可以實現一定程度的遠程操作。但是受限于帶寬及網絡延遲，整個網絡不能支撐過于復雜或實時性要求較高的連接。5G通信網絡覆蓋面更廣，同時小于1 ms的網絡通信延遲使得控制與動作部分可以獨立，實現分布式應用。

在電力系統中，原受制于網絡規模及綜合成本考慮，部分遠端監測點不能通過有線方式連接，但原有通信網絡傳輸延遲較大，其監測點信息僅能作為數據記錄功能，無法實現實時閉環。同時一些較偏遠地區的開關或控制動作接點，因為網絡傳輸的制約，其控制器必須與動作接點集成，造成了整體設備造價上升。現在通過5G技術，實現電力系統的物聯網功能。將原系統內各類型信息傳感器、射頻識別器、紅外感應器等接入網絡，達到原獨立功能的聯動，并且逐步豐富了對全系統信息狀態的監測和控制。5G通信技術可以支持更大規模的網絡連接，不僅為電力系統后續容量擴充打好了基礎，同時也使得每個終端的流量消耗降低，從而減少了網絡建設的成本，并且使得電力系統內通信質量不斷提高[5]。

2.3 多終端移動控制及通信

在傳統電力系統中，諸如電廠內的智能巡檢系統，其主要以傳感器和數據采集為主要應用場景。目前的應用中多采用有線通信方式，但其很難滿足終端移動性的要求，導致巡檢點靈活性差、覆蓋范圍小。部分技術廠商為提升靈活性而開發出基于藍牙、4G網絡為基礎的無線連接解決方案，但是因為以上兩種通信不能解決延遲的問題，使得移動終端通信應用時易出現卡頓或異常，從而影響整個工序的監測質量[6]。

5G網絡可以滿足500 km/h的移動性能，同時對于超高的連接密度也有能力支持，因此在風電場、光伏電站、火電廠、變電站等對移動性及連接密度要求較高的數據交互場景中，5G技術可以作為有線連接的補充，甚至可以作為主要通信網絡使用，這樣既保證了通信時效性，也大大降低了電纜成本，提升電站整體收益[7]。

2.4 智能電網及無線接入技術

電力系統覆蓋范圍廣，在水電站、火電廠、光熱電站等生產環境較為復雜的場景中，可以使用無線通信技術替代鋪設有線電纜，有效減少電纜溝中電纜數量，避免電纜故障導致的生產事故及安全隱患。而對于電網來說，安全可靠運行是第一考慮要素。系統內不同環節的數字化、智能化應用，對通信技術的需求不完全相同，比如配電網控制對網絡通信的延遲和可靠性要求較高，而變電、輸電網的巡檢機器人應用對網絡傳輸的帶寬要求更迫切。前文已經提到的智能電網內高帶寬要求的應用場景將率先施行，如智能監控、無人機智能巡檢等應用可有效降低工作人員安全風險并提高運行效率。而智能電網建設環節中，由于配電自動化、負荷精準控制、配網差動保護、配網PMU、智能分布式FA等業務的強實時需求，目前5G網絡也逐步在改造傳統電網業務，使其具備數字化產業升級的能力。并且5G網絡的高兼容連接特性將支撐電信息采集、配網狀態監測、智能家居等電能計量及用電管理等場景方面有著長遠的發展，以此來提高整個網絡內信息綜合程度，提高用戶用電效率，并且提供更加豐富的電負荷業務。整個電網的智能化程度正在不斷提升，但整體落地還牽扯到低成本的5G工業模塊的配套，以及知識產權方面的全面自主可控，因此未來關于智能電網及其無線接入還有廣闊的市場前景[8]。

3 結 論

本文通過分析5G 通信技術的發展及關鍵特性，并梳理提出5G 通信技術在電力系統應用的相關方向并提出初步實施策略。5G通信技術的產生，不但解決了基礎通信的問題，同時給各領域發展也帶來了技術支持。在5G技術的支撐下，大數據、物聯網、人工智能、高清圖像數據傳輸等得以飛速發展。而在整個社會技術變革的大背景下，因為我國所擁有的5G具有其特定優勢，使得電力系統內的很多應用將向著更加專業、高效的方向發展，并且通過更多數據的收集和分析使得多領域的專家合作變得尤為迫切，以此推動我國智能型電網更好的發展。