5G通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下可調(diào)節(jié)負荷應(yīng)用分析

唐林林

中國電子科技集團公司第三十四研究所 廣西 桂林 541004

引言

近年來我國國民經(jīng)濟發(fā)展水平取得了很大的提升，電力系統(tǒng)從發(fā)展至今負荷測、電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)等多個方面都發(fā)生了一定的變化。其中，電網(wǎng)側(cè)主要是特高壓交直流混聯(lián)電網(wǎng)的發(fā)展已經(jīng)具有一定規(guī)模，中東兩部分地區(qū)受電的比例在持續(xù)性地上升，電力電子裝備的比例也在不斷地升高；在電源側(cè)方面，新能源發(fā)電機發(fā)展勢頭迅猛；在負荷側(cè)方面，用電量的增數(shù)仍然落后于最大負荷增速。這些變化性問題的存在對于電力系統(tǒng)的發(fā)展產(chǎn)生了很大的制約，同時也面臨著一些挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在新能源發(fā)電具有隨機性、反調(diào)峰特征、波動性特征等，這些給電力系統(tǒng)的平衡性發(fā)展帶來了很大的壓力。在電力電子設(shè)備、新能源以及受電比例上升的系統(tǒng)運轉(zhuǎn)過程中，轉(zhuǎn)動慣量會出現(xiàn)大幅度降低，頻率和電壓等作為運行和支撐性的指標(biāo)也會受到影響，出現(xiàn)調(diào)節(jié)能力不斷降低的問題。在夏季或者冬季用電量較大的時候，電網(wǎng)峰谷差就會不斷加大，出現(xiàn)短時性的供不應(yīng)求的情況[1]。對于這類問題會利用新建電廠或者配套的電網(wǎng)設(shè)備等進行解決，為社會解壓。

經(jīng)過多年的實踐研究可以看出，采取可調(diào)節(jié)負荷的方式對電網(wǎng)進行調(diào)峰處理，需要結(jié)合電價、交易的信息、激勵方式等進行，根據(jù)設(shè)備運行狀態(tài)、運行時段的需求進行啟停或者調(diào)整，并做好電源電設(shè)備、側(cè)用電設(shè)備以及儲能設(shè)備等的供應(yīng)，其中就包含了生產(chǎn)輔助負荷、居民電器負荷、工業(yè)企業(yè)負荷、分散式儲能和電動汽車等。在應(yīng)用過程中將大量分散性存在的可調(diào)節(jié)設(shè)備聚集到一起，可以很好地發(fā)揮其電網(wǎng)運行方面的優(yōu)勢，比如增強靈活性、快速精準(zhǔn)地進行互動響應(yīng)等。此外，在需求響應(yīng)業(yè)務(wù)的開展過程中，用電高峰期出現(xiàn)了削弱負荷的情況，可以有效地解決新能源發(fā)電隨意性和波動性較大的問題，進而促進新能源的消納，對電網(wǎng)峰谷差進行抑制，確保整個電網(wǎng)的安全運行。

1 5G通信網(wǎng)絡(luò)特點分析

5G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在科技不斷進步之下發(fā)展起來，具有覆蓋性廣且連續(xù)的特征，并且可以實現(xiàn)在高移動之下網(wǎng)速體驗達到每秒100Mb；5G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以滿足用戶對于虛擬現(xiàn)實的需求，并且可以對各種高清視頻和數(shù)據(jù)進行高質(zhì)量傳輸，并且在信息的傳輸過程中可以實現(xiàn)全面、快速以及精準(zhǔn)；具有海量的網(wǎng)絡(luò)容量，可以提供千億以上的連接能力，并且可以滿足物聯(lián)網(wǎng)的需求；空中的接口時延水平可以達到1ms上下，并且能夠很好地滿足自動駕駛以及醫(yī)療等先進科技方面的需求。

2 5G通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下可調(diào)節(jié)負荷的應(yīng)用場景分析

在5G通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境之下最具代表性的應(yīng)用場景就是需求響應(yīng)，而想要更大程度地發(fā)揮可調(diào)節(jié)負荷的作用，響應(yīng)業(yè)務(wù)就會對寬帶、時延性以及連接數(shù)量等方面產(chǎn)生更多的要求。在不需要進行需求響應(yīng)的執(zhí)行期間，可以在15min之內(nèi)完成用戶用電負荷的采集工作，而在需求響應(yīng)的執(zhí)行期間之下，采集工作將縮減到不足1min，而且實時性的需求響應(yīng)在數(shù)據(jù)采集方面的周期將不足30s。有特殊的場景可以用毫秒級來實現(xiàn)，比如經(jīng)需要精準(zhǔn)切負荷的場景。

在業(yè)務(wù)的實施過程中如果需要對響應(yīng)能力展開實時性地分析，就需要對實時性的響應(yīng)過程進行動態(tài)化檢測，這時用電設(shè)備、需求響應(yīng)的聚合系統(tǒng)、響應(yīng)終端以及云平臺之間的信息傳遞等都會達到一定的連接速度，并且實時性是非常高的，高速的數(shù)據(jù)傳播和低時延性等更有利于需求響應(yīng)業(yè)務(wù)工作的執(zhí)行[2]。而且隨著時代的發(fā)展，未來必然會有超過500億臺以上的設(shè)備參與到互動過程中來，這對于通信網(wǎng)絡(luò)的連接密度會提出更高的要求。但是5G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用可以很好地解決上述應(yīng)用在場景當(dāng)中的問題。

5G通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境與4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相比，在連接數(shù)、時延性以及速率等方面都有非常大的優(yōu)勢，而且5G通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境之下提出了3個核心性的應(yīng)用場景，包括了海量機器通信、超高可靠低時延的通信以及增強移動寬帶。其中，海量機器通信針對的時時延性容忍性很高、傳播速率很低以及成本敏感，長時間待機的海量機械類的通信，其連接的密度可以達到100萬臺/km2以上，電池使用期限為10年，可以為未來大規(guī)模性的可調(diào)節(jié)負荷應(yīng)用提供可能性；超高可靠低時延應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)時延性以及安全穩(wěn)定有著非常嚴(yán)格要求的場景，比如無人駕駛技術(shù)、精準(zhǔn)工業(yè)控制技術(shù)等。在5G通信網(wǎng)絡(luò)之下，用戶對于時延性的要求被控制在1ms之內(nèi)，以此來滿足更加特殊的場景需要；增強移動寬帶在移動寬帶的連接速度上實現(xiàn)了很大的提升，可以將峰值的速度提升10～20倍以上，用戶的體驗速率也可以達到至少10倍以上，在確保移動寬帶覆蓋廣度的基礎(chǔ)上，提升數(shù)據(jù)的傳輸效率，頻譜的效率提升5倍左右，極大地提升運營商在流量供應(yīng)方面的成本。

3 5G通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下對需求響應(yīng)業(yè)務(wù)的分析

在極端的情況下對每平方千米的需求響應(yīng)業(yè)務(wù)總寬帶根據(jù)固定的公式進行計算。從具體的計算與分析過程中我們可以看出，需求響應(yīng)業(yè)務(wù)在寬帶以及終端上設(shè)備的采集、數(shù)量以及頻率和數(shù)據(jù)報文的長度等方面是成正比的，這也就表示寬帶越高對于可調(diào)節(jié)負荷的優(yōu)勢也就越多，所應(yīng)用的范圍就會擴大，采集的頻率也就高得多[3]。比如，在建筑物地下室分布的空調(diào)主機負荷、在郊區(qū)或者偏遠地區(qū)的工業(yè)企業(yè)負荷等都可以在5G通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下被挖掘出來。而經(jīng)過分析之后，經(jīng)過5G通信網(wǎng)絡(luò)的全方面覆蓋，城市和郊區(qū)在每平方千米上的可調(diào)節(jié)負荷終端將由以往的20臺左右上升為145臺左右，并且采集的周期也會由以往的1min縮減為10s左右，數(shù)據(jù)報文的長度字節(jié)也會提升5倍以上，所需要的寬帶也將提升5倍左右。從時延性的分析上來看，對于現(xiàn)場儀表的反應(yīng)時間一般不超過1s，需求響應(yīng)事件通過直接或者分發(fā)的方式負荷控制通信時延將不足5s，利用數(shù)據(jù)檢測的方式對時延性進行分析將不足10s。可以看出，5G通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境可以很好地滿足用戶在響應(yīng)業(yè)務(wù)方面對于時延性以及寬帶速率的要求。

4 5G通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下需求響應(yīng)業(yè)務(wù)中可調(diào)節(jié)負荷的潛力

本文在研究中主要針對居民、工業(yè)以及商業(yè)三個具有代表性的可調(diào)節(jié)負荷展開了分析，并且對5G通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下需求響應(yīng)業(yè)務(wù)當(dāng)中可調(diào)節(jié)負荷的潛力進行了深入挖掘，對調(diào)節(jié)的方式進行了優(yōu)化。

首先，居民用戶。在居民住戶中最常見的調(diào)節(jié)負荷就是冰箱、熱水器、空調(diào)和照明設(shè)備等，其中以空調(diào)和熱水器的用電負荷占比最高。同時，電采暖設(shè)備也是冬季最常見的可調(diào)節(jié)負荷，用電負荷占比也是非常高的。在應(yīng)用直接控制方式時，個體在可調(diào)節(jié)潛能方面可以達到1/2左右，準(zhǔn)備的時間可以從分鐘降到秒鐘，所以在5G通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下時延性低、可靠性高的特點可以很好地對居民用戶用電設(shè)備進行控制。

其次，工業(yè)行業(yè)。主要選擇了鋼鐵行業(yè)進行分析，主要是因為鋼鐵行業(yè)中電弧爐和軋鋼機是主要的耗電設(shè)備，在用電的負荷占比上是非常高的，所以主要的生產(chǎn)設(shè)備負荷可調(diào)節(jié)潛力可以達到20%上下[4]。但是在實際的需求響應(yīng)開展過程中，對于單個設(shè)備的調(diào)節(jié)要做好整個工藝的流程監(jiān)督與管理。比如，在軋鋼的生產(chǎn)線調(diào)控之前需要對軋鋼的生產(chǎn)進度以及鋼坯數(shù)量等信息做好監(jiān)控與分析，對上下游生產(chǎn)節(jié)奏做好調(diào)整，在將庫存鋼坯全部清除之后實施調(diào)控，提升鋼坯質(zhì)量，所以要在不同的生產(chǎn)線上覆蓋5G通信網(wǎng)絡(luò)。而電弧爐的啟動功率調(diào)控是需要在數(shù)秒之內(nèi)完成的，但是對于爐內(nèi)溫度的穩(wěn)定性有著非常嚴(yán)格的要求，所以在調(diào)控過程中功率調(diào)節(jié)在出現(xiàn)時延性之后會降低到毫秒級別，這個時候?qū)τ跍囟鹊挠绊懸矔S之降低，所以說5G通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋廣以及延遲性可以持續(xù)的特點，能夠更好地滿足鋼鐵行業(yè)在可調(diào)節(jié)負荷方面的需求。

最后，商業(yè)綜合體。在大型商業(yè)綜合體當(dāng)中用電負荷最大的是空調(diào)和照明系統(tǒng)。其中空調(diào)分為中央空調(diào)、分散式空調(diào)以及變制冷劑流量多聯(lián)式空調(diào)。具有代表性的商業(yè)綜合體空調(diào)在用電負荷的占比方面可以達到1/2，照明可以達到1/5，兩者的可調(diào)節(jié)潛力可以累積到28%左右[5]。商業(yè)綜合體的樓宇密集度是非常高的，所以需要接入的可調(diào)節(jié)負荷設(shè)備的數(shù)量非常多，只有5G通信網(wǎng)絡(luò)才可以滿足在密度方面的需求。

5 以5G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為需求的響應(yīng)系統(tǒng)的互動流程

針對電網(wǎng)運行的情況來看，在5G通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境之下對于可調(diào)控負荷和電網(wǎng)需求的響應(yīng)活動流程進行制定，并從實際情況入手對整個響應(yīng)流程進行分析，可以得出這是一個閉環(huán)過程，可以在電網(wǎng)的運行期間發(fā)出削減或者消納的指令，并且負荷運行的過程中會接收到響應(yīng)的指令，并做出項目的針對性選擇，后對響應(yīng)的資源進行聚合，在聚合完成之后，響應(yīng)的時間會及時并且準(zhǔn)確地送反給響應(yīng)的用戶。用戶可以根據(jù)自己的需求選擇參加與否，最終完成響應(yīng)計劃的實時性制定。在以上操作完成之后，會報告給省級以上的需求平臺，其會對計劃的制定情況進行審批，審批完成后下發(fā)通知[6]。同時用戶也會接收到指令，結(jié)合指令所響應(yīng)的計劃，在執(zhí)行期內(nèi)對用戶所使用的設(shè)備以及具體的系統(tǒng)進行動態(tài)化的監(jiān)控處理。而在需求響應(yīng)項目的執(zhí)行之前或者是執(zhí)行期間，要對具體的用電數(shù)據(jù)進行動態(tài)化的監(jiān)測。可以看出，在執(zhí)行之前，就通過監(jiān)測的方式獲取到了基本的數(shù)據(jù)信息，在執(zhí)行期間會獲取負荷的變化數(shù)據(jù)，并對電力用具在電力進行時的需求效果進行核驗，做好具體費用的結(jié)算。在整個的執(zhí)行期間內(nèi)，采集的頻率可以保持在秒級以上，合理性以及精準(zhǔn)性都可以得到保證。

上述操作內(nèi)容的實現(xiàn)，前提就是網(wǎng)絡(luò)通信的穩(wěn)定、精準(zhǔn)、安全以及海量性地接入，之后5G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以滿足。但是需要注意的是由于傳輸量過大，時延性必然存在，但是5G通信網(wǎng)絡(luò)在需求響應(yīng)方面還是提供了很大的支持，保證了可調(diào)節(jié)負荷的順利進行。

6 結(jié)束語

總之，5G通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境對于可調(diào)節(jié)負荷的應(yīng)用提供了極大的便利性和可能性，在可調(diào)節(jié)負荷需求響應(yīng)中的應(yīng)用，不局限在不同設(shè)備、系統(tǒng)以及平臺信息交流的限制，能夠很好地滿足響應(yīng)對于連接密度的要求，并且可靠性等方面也是非常有保障的。