5G移動(dòng)通信與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

韓子媛 王莉

1．中國電建集團(tuán)河南省電力勘測設(shè)計(jì)院有限公司；2．河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院

本文基于智能電網(wǎng)和電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的背景下，研究探討5G移動(dòng)通信與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。首先介紹5G和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的內(nèi)涵及特點(diǎn)，探討泛在電力物聯(lián)網(wǎng)基本架構(gòu)功能及對(duì)通信業(yè)務(wù)的需求，重點(diǎn)分析了5G網(wǎng)絡(luò)切片、IAB技術(shù)與邊緣計(jì)算技術(shù)特征及在電力物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用。

隨著電力行業(yè)的不斷發(fā)展，尤其是2019年國家電網(wǎng)提出了建設(shè)運(yùn)營強(qiáng)智能電網(wǎng)和泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的戰(zhàn)略部署，將電力用戶、電網(wǎng)企業(yè)、供應(yīng)商及其設(shè)備等人物、物物互聯(lián)，推動(dòng)電力行業(yè)智能化、信息化進(jìn)程。以5G為代表的移動(dòng)通信技術(shù)正在與AI、大數(shù)據(jù)結(jié)合，開啟一個(gè)萬物互聯(lián)的全新時(shí)代。本文研究探討在智能電網(wǎng)和電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的背景下，5G移動(dòng)通信技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)融合應(yīng)用以提高電力系統(tǒng)智能管控、運(yùn)維水平。

1 5G移動(dòng)通信技術(shù)

5G是具有高帶寬、低時(shí)延和大連接特點(diǎn)的新一代寬帶移動(dòng)通信技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)人機(jī)物互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。國際電信聯(lián)盟（ITU）定義了5G的三大類應(yīng)用場景，即增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（eMBB）、超高可靠低時(shí)延通信(uRLLC)和海量機(jī)器類通信(mMTC)。增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（eMBB）主要面向移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)流量爆炸式增長，為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)用戶提供更加極致的應(yīng)用體驗(yàn)；超高可靠低時(shí)延通信(uRLLC)主要面向工業(yè)控制、遠(yuǎn)程醫(yī)療、自動(dòng)駕駛等對(duì)時(shí)延和可靠性具有極高要求的垂直行業(yè)應(yīng)用需求；海量機(jī)器類通信(mMTC)主要面向智慧城市、智能家居、環(huán)境監(jiān)測等以傳感和數(shù)據(jù)采集為目標(biāo)的應(yīng)用需求。ITU定義了5G八大關(guān)鍵性能指標(biāo)，其中高帶寬、低時(shí)延、大連接成為5G最突出的特征，用戶體驗(yàn)速率達(dá)1Gbps，時(shí)延低至1ms，用戶連接能力達(dá)100萬連接/平方公里。5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的到來，為電力系統(tǒng)的發(fā)展帶來了機(jī)遇和挑戰(zhàn)，成為支撐電力行業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵新型基礎(chǔ)設(shè)施。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）是各種傳感技術(shù)的綜合應(yīng)用，通過射頻識(shí)別、全球定位系統(tǒng)等信息傳感設(shè)備，按照約定的協(xié)議，構(gòu)成物物相連的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交換和通信。物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成。隨著物聯(lián)網(wǎng)不斷發(fā)展，國際電信聯(lián)盟（ITU）、歐洲智能系統(tǒng)集成技術(shù)平臺(tái)（EPoSS）、歐盟物聯(lián)網(wǎng)研究項(xiàng)目組（CERP-IoT）等機(jī)構(gòu)給出各自的“物聯(lián)網(wǎng)”定義。智能電網(wǎng)的運(yùn)行包括發(fā)電、輸電、變電、配電和用電等五個(gè)環(huán)節(jié)，物聯(lián)網(wǎng)對(duì)提升智能電網(wǎng)信息采集、信息智能處理和信息雙向交互具有重要作用，在智能電表、發(fā)電設(shè)備的狀態(tài)預(yù)測和調(diào)控、變電站視頻智能監(jiān)控、輸變電線路監(jiān)控與動(dòng)態(tài)維護(hù)等方面得到廣泛應(yīng)用，全面提升電力信息感知效果。其中，建立高速、實(shí)時(shí)和雙向的通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)才能使智能電網(wǎng)成為一個(gè)動(dòng)態(tài)信息交互處理的大型基礎(chǔ)設(shè)施。

3 5G移動(dòng)通信在電力系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

3.1 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)對(duì)通信業(yè)務(wù)的需求

電力系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)需要具備復(fù)雜全面感知、高效處理海量電力信息和數(shù)據(jù)和低延時(shí)響應(yīng)控制來實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)互聯(lián)互通，被稱為泛在電力物聯(lián)網(wǎng)（UPIoT)。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)在結(jié)構(gòu)上分別由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層和應(yīng)用層組成。感知層位于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)最底層，基于現(xiàn)場傳感器采集從發(fā)電到用電所需的基礎(chǔ)海量數(shù)據(jù)；網(wǎng)絡(luò)層是基于5G或其余有線或無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的傳輸；平臺(tái)層主要進(jìn)行對(duì)感知層獲取的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和計(jì)算；應(yīng)用層基于平臺(tái)層對(duì)數(shù)據(jù)處理的結(jié)果進(jìn)行分析決策與反饋。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)對(duì)通信業(yè)務(wù)的需求主要為對(duì)網(wǎng)絡(luò)層的網(wǎng)絡(luò)接入與傳輸能力、網(wǎng)絡(luò)帶寬與時(shí)延方面提出更高的要求。

3.2 5G網(wǎng)絡(luò)切片

5G技術(shù)的高帶寬、低時(shí)延、大連接突出特征與電力系統(tǒng)海量數(shù)據(jù)傳輸、靈活響應(yīng)和遠(yuǎn)程控制、長距離萬物信息互聯(lián)的基本需求非常吻合。5G網(wǎng)絡(luò)切片又為更靈活的電力連接支持，滿足不同、多樣化的電力業(yè)務(wù)場景需求提供了定制化專用網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)切片就是根據(jù)使用場景將一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)，不同的場景使用不同的邏輯網(wǎng)絡(luò)。5G網(wǎng)絡(luò)切片總體框架示意圖如圖1所示。從圖1中可以看出，5G端到端網(wǎng)絡(luò)切片框架由網(wǎng)絡(luò)切片管理域和網(wǎng)絡(luò)切片業(yè)務(wù)域組成，網(wǎng)絡(luò)切片管理域具備通信服務(wù)管理、網(wǎng)絡(luò)切片管理、網(wǎng)絡(luò)切片子網(wǎng)絡(luò)管理等功能；網(wǎng)絡(luò)切片業(yè)務(wù)域包括終端用戶（UE）、無線接入網(wǎng)子切片、承載網(wǎng)子切片、核心網(wǎng)子切片和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（DN）組成。

圖1 5G網(wǎng)絡(luò)切片總體框架示意圖Fig.1 Schematic diagram of general framework of 5G Network Slicing

(1)5G網(wǎng)絡(luò)高寬帶特性典型應(yīng)用：電力行業(yè)對(duì)語音、視頻等帶寬要求非常高的業(yè)務(wù)場景，如變電站智能巡檢實(shí)現(xiàn)主站遠(yuǎn)程對(duì)變電站現(xiàn)場作業(yè)全過程安全管控、音視頻互動(dòng)等功能、電力線與桿塔無人機(jī)巡檢等業(yè)務(wù)需求，能夠高速率實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)回傳與快速拼接，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜惡劣環(huán)境下實(shí)時(shí)監(jiān)測電力線路運(yùn)行狀態(tài)，如配電網(wǎng)虛擬現(xiàn)實(shí)業(yè)務(wù)能夠?qū)崟r(shí)更新高清畫面，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)全景圖等；(2)低時(shí)延特性典型應(yīng)用：電力是以光速進(jìn)行傳播，為了及時(shí)響應(yīng)電力的各種變化，需要進(jìn)行低時(shí)延的精準(zhǔn)控制。典型的業(yè)務(wù)場景為重點(diǎn)解決電網(wǎng)故障初期的精準(zhǔn)負(fù)荷控制，實(shí)現(xiàn)發(fā)用電平衡，精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)處理故障通道傳輸時(shí)間總時(shí)延要求小于50ms；在配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)場景中，結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)切片和物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算技術(shù)，滿足配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)對(duì)端到端通信通道10～12ms的低時(shí)延要求；(3)大連接典型應(yīng)用：5G移動(dòng)通信使大量最后一公里電力設(shè)備實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，而且使終端傳感器的海量數(shù)據(jù)得到了采集、傳輸和分析，典型業(yè)務(wù)場景包括電力計(jì)量檢測、分布式能源監(jiān)控和管理。

電力部門可根據(jù)業(yè)務(wù)需求將5G網(wǎng)絡(luò)切片劃分為多個(gè)不同功能的子切片網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)與“專用網(wǎng)”同等級(jí)別的安全和隔離。但是，由于應(yīng)用需求的不同，5G中安全結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制結(jié)構(gòu)有很大改變，隨著電力發(fā)展和建設(shè)，國家電網(wǎng)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)、通信業(yè)務(wù)隔離等方面的要求非常高，切片在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的安全問題是強(qiáng)智能電網(wǎng)和泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中重要研究內(nèi)容。網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）和軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）技術(shù)能夠使不同的5G網(wǎng)絡(luò)切片資源進(jìn)行安全隔離，用于支持不同的無線接入網(wǎng)絡(luò)（RAN）以及在這些RAN上運(yùn)行的不同業(yè)務(wù)類型。此外，還要注意解決切片管理接口的安全性問題。

3.3 IAB技術(shù)

空口，指的是移動(dòng)終端到基站之間的連接協(xié)議，是移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)中一個(gè)至關(guān)重要的標(biāo)準(zhǔn)。3G、4G時(shí)代的空口核心技術(shù)分別是CDMA和OFDM。在5G新空口（New Radio，NR）的研究中，由于5G NR技術(shù)由于可以使用更高的頻段和更大的帶寬，但是頻段越高，NR的覆蓋將會(huì)受到限制。為了滿足覆蓋要求，高頻段的5G基站將會(huì)布署更加密集，但同時(shí)就會(huì)對(duì)有線傳輸網(wǎng)絡(luò)的部署提出更好的要求。集成無線接入鏈路和無線回傳鏈路（Integrated Access and Backhaul，IAB）技術(shù)為5G NR提供了解決方案。圖2為IAB技術(shù)在電力物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用示意圖。從圖2中可以看出，IAB基站包含一個(gè)IAB donor基站和多個(gè)IAB基站。無線接入鏈路為UE與IAB基站之間的通信鏈路，無線回傳鏈路是IAB基站之間的通信鏈路。IAB donor基站為終端用戶UE提供核心網(wǎng)接口同時(shí)，為各IAB基站提供無線回傳鏈路。

圖2 IAB技術(shù)應(yīng)用示意圖Fig.2 Schematic diagram of IAB application

目前，在地下室或地下車庫布設(shè)的電力網(wǎng)絡(luò)主要為用電信息采集和精準(zhǔn)負(fù)荷控制服務(wù)。如果采用5G和IAB技術(shù)相結(jié)合的方式，不僅能降低現(xiàn)有室內(nèi)布設(shè)方案投入成本，也能增加電力物聯(lián)網(wǎng)的覆蓋強(qiáng)度。因此，將IAB技術(shù)運(yùn)用到電力無線專網(wǎng)中，不僅能增加電力物聯(lián)網(wǎng)的靈活性，又能解決5G新空口網(wǎng)絡(luò)覆蓋問題，尤其是解決地下室或地下車庫等網(wǎng)絡(luò)盲區(qū)覆蓋區(qū)域問題。

3.4 邊緣計(jì)算技術(shù)

為解決電力物聯(lián)網(wǎng)中計(jì)算密集型和延遲關(guān)鍵型任務(wù)，緩解云端計(jì)算壓力，云服務(wù)器集中處理架構(gòu)逐漸向邊緣計(jì)算轉(zhuǎn)移，邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)可以在云中心統(tǒng)一管控下，對(duì)現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)按不同的業(yè)務(wù)需求進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，電力物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)演進(jìn)成了云、網(wǎng)、邊和端層。云層主要進(jìn)行用戶監(jiān)控和設(shè)備運(yùn)維管理；網(wǎng)絡(luò)層主要為光纖為主的有線網(wǎng)絡(luò)和5G/4G等無線網(wǎng)絡(luò)的通信傳輸；邊側(cè)主要負(fù)責(zé)基于現(xiàn)場端側(cè)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行邊緣計(jì)算和數(shù)據(jù)上傳；端側(cè)仍然是現(xiàn)場傳感器、控制器等原始數(shù)據(jù)采集設(shè)備，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和傳輸給邊緣網(wǎng)關(guān)。

邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)完成的數(shù)據(jù)處理主要為以下三種情況：(1)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)對(duì)端側(cè)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，再將處理結(jié)果上傳給云計(jì)算中心繼續(xù)分析處理；(2)云計(jì)算中心將算法下發(fā)到邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，由邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)提供算力對(duì)本地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行處理；(3)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)直接處理端側(cè)原始數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制類業(yè)務(wù)。將5G網(wǎng)絡(luò)切片和邊緣計(jì)算計(jì)算結(jié)合起來，構(gòu)建具有邊緣計(jì)算能力的端到端切片網(wǎng)絡(luò)，不僅保證不同電力業(yè)務(wù)有專有網(wǎng)絡(luò)通道，又提供不同差異化數(shù)據(jù)處理和計(jì)算，有效保證電力業(yè)務(wù)安全隔離和可靠性。目前，關(guān)于移動(dòng)邊緣計(jì)算的研究主要集中在硬件系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算卸載等方面。如基于邊緣計(jì)算的分層自治協(xié)同的主動(dòng)配電網(wǎng)管控模型，基于軟件定義的細(xì)粒度多接入邊緣計(jì)算架構(gòu)等方法以滿足電力物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)性需求，在電力物聯(lián)網(wǎng)計(jì)算卸載算法應(yīng)用研究方面，主要有（非）凸優(yōu)化、馬爾可夫決策過程、博弈理論、李雅普諾夫優(yōu)化和機(jī)器學(xué)習(xí)等方法來處理爆發(fā)式增長的數(shù)據(jù)流量問題，以有效降低服務(wù)響應(yīng)時(shí)延。

4 結(jié)語

5G移動(dòng)通信技術(shù)高帶寬、低時(shí)延和大連接技術(shù)特征推動(dòng)了智能電網(wǎng)和泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的戰(zhàn)略實(shí)施，尤其是5G網(wǎng)絡(luò)切片、IAB技術(shù)與邊緣計(jì)算等核心技術(shù)為多樣化電力業(yè)務(wù)需求、海量異構(gòu)終端接入、電力網(wǎng)絡(luò)低延時(shí)、安全和可靠性提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。