5G賦能電力系統的應用研究

劉曉江

摘要：隨著5G技術標準的成熟，其在各行各業的應用不斷深入。通過電力系統對通信網絡需求的分析描述了5G技術的適用性，5G電力系統網絡架構的設計分析明確了5G架構面向行業而生的天然性。對5G電力系統關鍵業務應用場景進行了深入研究，論證了5G技術能夠有效推動電力行業痛點問題解決的必然性。為了進一步提升電力系統的數字化和智能化，應積極研究和推進5G技術在電力系統中的廣泛應用。

關鍵詞：5G技術；電力系統；應用場景

中圖分類號：TN929文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2022）22-63-4

0引言

電力行業作為國民經濟的基礎產業、支柱產業和戰略產業，發展電力信息化、智能電網及電力物聯網等產業是實現我國能源生產、消費、技術和體制革命的重要手段。隨著通信和網絡技術的飛速發展，電力行業從之前的大機組電網互聯，再到現階段正在蓬勃發展的電網智能管理，逐步邁向網絡系統的全面自動化和智能化[1-2]。

為促進電力行業的發展，國家發改委、能源局等多個部門和多個省市陸續頒布了多項指導意見和階段規劃，旨在加快電網基礎設施智能化改造和智能微電網建設，提高電力系統互補互濟和智能調節能力[3-4]。

“十四五”期間我國經濟需要保持平穩增長，必須充分釋放以5G技術為代表的前沿數字技術創新對經濟社會高質量發展的基礎和帶動作用[5]。本文重點圍繞5G技術賦能電力系統及支撐電力系統應用升級等方面進行研究，通過技術完善促進產業升級，進一步提升電力系統的智能化水平。

1 5G賦能數字電網

1.1 5G發展現狀

ITU定義了5G的三大標準場景：增強移動寬帶eMBB、海量機器類通信mMTC和高可靠低時延通信URLLC。為了進一步適應行業的發展，滿足產業愿景，業界開始定義5.5G，旨在提升個人實時交互體驗，增強蜂窩物聯能力，探索5G場景的增強和擴展。因此，5.5G在5G基礎上擴展了三大新場景，包括上行超寬帶UCBC、寬帶實時交互RTBC和通信感知融合HCS，把5G場景定義的三角形變成5.5G的六邊形，從支撐萬物互聯到使能萬物智聯[6]。

以擴展顯示XR為代表的帶寬實時交互的應用場景，既支持醫療、教育、電子商務、工業與制造等面向行業的2B應用，也支持包括影視、直播、游戲和社交等面向消費者的2C應用。XR產業的高速發展對網絡傳輸提出了大帶寬、低時延、低抖動、高可靠和低能耗的要求，包括下行帶寬至少100 Mb/s以上，且上行帶寬相對于4G網絡也有近10倍提升的訴求，同時要求空口時延不大于10 ms。此外，大帶寬XR業務帶來系統容量壓力，視頻編碼和網絡傳輸帶來時延抖動，小尺寸XR終端的節能需求以及復雜的無線環境帶來空口的高可靠傳輸。

上行超寬帶場景，數字世界和物理世界的融合傳輸交互將成為現實，移動網絡需要實現泛在萬兆體驗，助力全行業的數字孿生和智能化升級。低頻更適合廣域覆蓋，但是帶寬資源相對匱乏，高頻則帶寬優勢明顯且更適合話務熱點熱區。6 GHz作為黃金中頻匯集了低頻的覆蓋優勢和高頻的容量優勢，對于充分釋放5G高速率以及其他各項能力至關重要。因此，網絡需要定義更優的輔助上行、超大規模天線技術以及大規模分布式M-MIMO等技術，使得在比特能效和比特成本上具備前所未有的投資效率和價值，為數字強國建設注入新動力。

面向通信感知融合場景的通感一體化的研究將基于移動通信網絡與感知系統一體化設計展開。5G階段，通過軟硬件共享，利用5G大帶寬、多天線等技術提高感知分辨率至厘米級，實現對位置、速度和角度等信息探測感知。因此，這種場景需要一張高可靠高精度泛在覆蓋的通感深度融合網絡，它將定義一個從可靠性、精度、覆蓋和靈活度等更為嚴苛的通感一體化的網絡。

5G商用3年，應用不斷拓展和深入，目前已經進入到規模化發展的關鍵時期，正逐步從“樣板間”走向“商品房”，應用的發展離不開技術的支持，5.5G技術的定義能夠支撐產業迸發出更強大的生命力，實現產業的可持續發展。

1.2電力發展現狀

電力發展歷經4個時期，20世紀前半期第二次工業革命興起，第一代電網以小機組、低電壓和小電網為主；到20世紀后半期，隨著規模化工業生產的發展，電網演進到第二代，以大機組、超高電壓和互聯電網為主，第一代和第二代電力能源結構以煤炭、天然氣等化石能源為主為用戶提供電力服務。21世紀初，化石能源逐漸枯竭、環境污染形勢嚴峻，電力行業進入以安全、可靠、綠色、高效智能電網時代，電力能源結構逐步向風、光、水等可再生能源為主過渡。現階段第四次工業革命開始，數字經濟快速崛起，電力行業走向本地安全、綠色消納、平臺賦能、數據驅動、開放共享、價值創造的數字電網時代，以數據為生產要素，為用戶提供電力增值服務。

電力行業主要涉及發電、輸電、變電、配電和用電五大環節，每個環節均存在一系列的問題和挑戰[7-8]。發電環節，隨著我國新能源發電的快速發展，可再生大量并網將給運行和管理帶來挑戰。輸電環節，輸電網覆蓋面積大，既有城市的地下電纜又有高壓線路，傳統以人工巡檢為主的作業效率低下且存在網絡故障監測困難的問題。變電環節，傳統的電力生產控制業務已基于光纖實現穩定運行，但隨著物聯網及智能變站的業務發展，大帶寬、高可靠的無線通信解決方案亟待加強。配電環節，配電主網已經實現光纖覆蓋，但是電網末端仍出現不可管控狀態，端側設備眾多造成光纖覆蓋成本高、維護難等系列問題。用電環節，隨著大規模配電網自動化的發展，各類電網端側設備需求飛速增長，傳統的光纖專網方案建設成本高、周期長，不能及時響應快速靈活的接入需求。

1.3 5G賦能電力

電力對網絡性能的需求多種多樣，整體分為生產控制類和信息采集二大類[9]，對通信網絡的需求如表1所示。

5G技術以其特有的高帶寬、低時延、高可靠等優勢可以為新型電力系統帶來更靈活經濟、更安全可靠和低時延確定性的網絡通信服務，通過解決電力業務系統五大環節中的問題及痛點，極大地提升電網的運行效率。5G在電力行業各個環節的應用示意如圖1所示。

在發電環節，5G可提供集群調度、移動巡檢、新能源電站監控和發電廠監控等服務，實現廠區無人化巡檢、機器視覺視頻安防等應用；在輸電環節，5G可提供視頻監控、移動巡檢、輸電線狀態監測和無人機巡檢等服務，實現精細化、大范圍的全天候巡檢；在變電環節，5G可提供視頻監控、變電站環境監測、變電設備監測和機器人巡檢等服務，及時發現、排除設備故障；在配電環節，5G可提供配電自動化、配網搶修、配變機器人巡檢和配電設備環境監測等服務，實現配網差動保護，保障配電作業安全；在用電環節，5G可提供用電信息采集/負控、智能家居、源網荷互動控制和電動汽車充電樁等服務，實現電能質量高頻監測的規模部署，促進優化用電。5G技術通過提供可靠的通信網絡支撐電力行業的各個環節應用，為電力行業深度賦能。

2 5G電力網絡架構

面向電力系統應用的5G網絡架構主要包括3種：公網切片、混合組網和專網專用[10]。

2.1公網切片

公網切片基于公網提供服務，利用端到端QoS或切片技術，為電力用戶提供一張時延和帶寬有保障的、與公眾網絡普通用戶數據隔離的虛擬專有網絡。其中，核心網控制面、用戶面和基站均由移動運營商提供。

該網絡架構的優勢是降低電力用戶的建網和運維成本，確定網絡需求后可按需配置、方便快捷，但是由于通信網絡對電力用戶不可控，存在無法獨立運營數據、安全性不夠的風險。

2.2混合組網

混合組網是復用部分公網資源，并根據電力行業特殊的訴求將部分網絡資源歸電力用戶獨享。以5G數據分流技術為基礎，通過無線和控制網元的靈活定制，為電力用戶構建一張增強帶寬、低時延、數據不出園的基礎連接網絡。其中，核心網控制面和用戶面由移動運營商提供，基站由電力客戶自建。

該網絡架構的優勢是能夠實現電力用戶數據不出廠，保證數據的安全性，但是由于基站非獨立運營，也存在無法滿足電力業務動態需求的問題。

2.3專網專用

專網專用是采用專用頻率為電力行業建立與公網完全物理隔離的行業專網，利用5G組網、切片和邊緣計算等技術，采用專有無線設備和核心網一體化設備，為電力用戶構建一張增強帶寬、低時延、物理封閉的基礎連接網絡。其中，核心網控制面、用戶面和基站均由電力客戶自建。

該網絡架構的優勢是自主運營，獨立、安全、可控，所有業務數據均由客戶自己監管，但是由于所有設備均由客戶自建運營，成本偏高。而且目前5G沒有行業專用頻段，獨立建網需要與移動運營商達成一致。

綜上所述，3種電力行業網絡架構方案面向的應用場景有所差異，在實際部署時需要根據當前業務所處的環節和作業任務具體分析。

3 5G電力應用研究

3.1 5G+無人機智能巡檢

傳統的電力輸電線路巡檢為人工方式，需要專門配備電力人員定期到現場查勘線路和設備運行情況，然而傳統巡檢方式一是部分施工地點危險性高、巡檢難度大，二是人工作業存在效率低、不確定性等問題。為改善一線作業人員的工作環境，降低作業風險，同時提升巡檢效率，重點研究5G+無人機在輸電沿線巡檢中的應用。

5G+無人機智能巡檢場景示意如圖2所示，利用無線自組網和現有5G網絡的有機融合，可實現輸電沿線桿塔的無線信號覆蓋，保證無人機的飛行控制和重點區域視頻監控的回傳。無人機巡線的記錄數據首先經由5G行業網關，然后利用5G網絡實時回傳到數據中心。通過無人機短距離線路詳檢、長距離線路普查和惡劣自然環境下的線路巡檢等形式，可有效識別引流線/導線有無斷股、桿塔有無損壞變形、絕緣子有無破損閃絡、防震錘有無變形、耐張線夾有無松脫以及地面環境有無異常等內容。

3.2 5G+配網自動化接入

配電網自動化是對配電網中的各類設備的運行工況進行實時監測、監控的集成系統，將配電網的檢測計量、故障探測定位、自動控制、規劃和數據統計管理集為一體。為解決早期配網環節中多依賴簡單的過流、過壓邏輯，無法實現分段隔離和缺少快速數據回傳手段的問題，重點研究5G在配網自動化過程中的應用。

5G+配網自動化接入場景示意如圖3所示，配電自動化業務終端與5G行業網關相連，基于5G網絡將采集到的配網電流向量數據實時回傳到中心系統，供配電自動化主站快速決策，實時完成在線監測、診斷、故障隔離和供電恢復等作業，進一步減小停電范圍和停電時間。5G網絡通過提供穩定快速和低時延傳輸的通信能力，支撐配網環節實現及時有效的實時監測。