5G通信技術在智能電網中的應用及其發展

呂楚昊

武漢輕工大學，湖北 武漢 430000

0 引言

近年來，我國國民經濟快速發展，對電力提出更高要求。電力行業積極推進數字化、網絡化技術的發展和能源互聯網建設。隨著新能源發電規模的日益擴大，分布式發電、電動汽車充放電服務、電力儲能技術、用戶用電信息采集、配網自動化、用戶雙向交互等新興業務快速發展，各類電網中的設備、電力終端、電力客戶的用電需求爆發式增長，對智能電網運行的安全性、可靠性、靈活性提出更高的要求。迫切需要更加可靠、安全、高效的新一代5G通信技術及相應的支撐系統，提升電力系統的智能化水平，為當前社會發展提供更可靠的能源供應。5G通信網絡具備超高帶寬、高容量、高可靠性、低時延、低能耗等顯著特征[1]，與電力通信的需求高度符合。在智能電網的實際應用場景中，5G通信技術可發揮重要功能。5G通信技術能為電力行業的發展帶來比較深遠的影響，因此需要加強5G通信技術在智能電網方面的應用的研究。

1 5G通信技術概述

2019年6月6日，中國正式進入5G時代[2]。在此之前，移動通信技術已經經歷了從1G到4G的發展歷程，而且4G網絡的運行速度比3G網絡的運行速度快近10倍。5G通信技術在4G技術的基礎上發展而來，5G作為目前最先進的通信技術，其網絡運行速度大大提升，并在寬帶傳輸速度、低時延、高可靠、廣連接、泛在網等方面具有優勢，在電力系統的發電、輸電、配電、用電、調度等環節都發揮了重要作用，可以推動智能電網更加高效和快速的發展。

5G通信技術的三大應用場景為增強型寬帶通信、超高可靠低時延通信和大規模機器通信。其中，增強型寬帶通信主要面向移動互聯網流量的迅猛增長，可以為移動互聯網用戶提供更加優越的應用體驗；超高可靠低時延通信主要面向遠程醫療、工業控制、電動汽車自動駕駛等對時延和可靠性具有極高要求的垂直行業；大規模機器通信主要面向大規模物聯網業務、智慧城市、環境監測等以傳感和數據采集為目標的應用需求。

2 5G通信技術在智能電網中的應用

在“十四五”建設期，智能電網將迎來快速發展[3]。智能電網在常規電網的基礎上發展而來，通過融合自動化、信息化、5G、人工智能、大數據等技術，可以大大提升電網的整體運行水平[4]。智能電網5G通信業務總體上可分為控制類業務、采集類業務、移動應用類業務、多站融合為代表的電網新型業務，如表1所示。

表1 5G通信技術在智能電網中的應用

2.1 配電自動化

現代配電網主要采用配電主站、通信網絡、智能分布式子站系統等新技術，全面提升了中低壓配電網運行狀態感知及決策能力[5]。現代配電網的控制目標是通過各種先進的傳感器、測量終端和泛在互聯的高速通信網絡獲取全網的運行和狀態數據，通過基于大數據云平臺技術的數據支撐平臺對全部配網進行態勢運行分析和狀態估測。

集中式配電自動化控制方式對網絡傳輸依賴性高，當數據在傳輸過程中發生不規則變化時將出現控制策略失誤，并且該方式需要的網絡通信和數據處理的基礎設施投資較高，不便于推廣應用。智能分布式配電自動化基本模式結合了分布式和集中式兩種控制方式的優點，既能協調控制整個網絡，也能減少對通信的依賴，滿足現代配電網的運行控制要求，是解決現代配電網分布式能源多元化、網絡復雜化、控制目標多樣化、用戶需求個性化等問題的有效手段。智能分布式配電自動化基本模式能及時將處理結果及過程上報給配電自動化主站，大大提高網絡傳輸的可靠性及傳輸速率[6]。

2.2 分布式能源接入調控

大量光伏、風電、核能等新能源以及電動汽車充電樁等不穩定的負荷接入電網，給電網的運行和管理帶來較大的影響[7]。光伏、風電及核能等新能源具備不連續性、隨機性的特點，給電網無功平衡和控制運行帶來挑戰。傳統的控制方法已經不能很好地滿足當前的控制需求，而5G通信技術支持新能源項目基礎設施建設的智能化，并支持雙向能源分配，可以協調有限能源、資源的應用。5G通信的高容量特性也為大量需求側用電設備（分布式光伏、電動汽車充電樁等）接入系統提供了保障，并能夠參與系統調頻，而且不需要建設造價高的光纖通信網絡。

2.3 電量計費系統

傳統電網需要電工每家每戶抄取電表數目，但應用5G通信技術，可以不間斷地收集、記錄每個用戶的用電情況，并自動計算、匯總數據，客戶可在電費收費系統中查詢電費和繳費。5G通信技術解決了傳統電網數據收集慢、整合困難，人工作業難度大、強度高等問題。5G網絡支持下的信息系統存儲與整合能力大大提高，可以實現數據信息的共享，滿足消費者智能用電及安全用電的需求。

2.4 智能電網視頻監控

利用5G通信的高速率、高寬帶特性能快速、準確地遠程傳輸現場的高清圖像和視頻，并可大批量應用于智能電網等對視頻圖像像素要求較高的監控場景，如在變電站對全站設備實施視頻監控[8]。當運行設備出現故障時，利用5G通信可以及時反饋故障，從而提高視頻監控的效率，并極大地降低通信設施的建造成本。隨著5G通信技術的廣泛應用，現場的監控攝像裝置可快速、不間斷地將視頻信息傳至智能電網分析中心，使得小時級、分鐘級的更精確的數據預測得以實現。

3 5G通信技術的不足

3.1 技術本身的不足

5G通信技術與4G通信技術相比速度提升了近20倍，但5G技術在不斷發展應用的過程中，也表現出一些顯著的缺點。5G通信技術具有超高帶寬的特點，為保證高速的帶寬需要建設更多的基站才能實現信號的大范圍覆蓋。隨著5G基站建設數量的大幅增加，相應的工程建設時間也大大增加。受到智能電網的建設時間和基站建設數量的限制，要想實現5G通信技術在智能電網中的大范圍普及與應用，會面臨非常多的問題，如建設等待的時間較長，特別是在偏遠的鄉鎮地區，以及不發達的地區。要想在全國大范圍內使用5G通信技術，還需要相當長時間的測試、建設、布局規劃等。

整體而言，5G通信技術較2G、3G、4G通信技術擁有更多的全新技術及更多的優點，但其還是存在服務區域覆蓋范圍不夠、尚未實現高可靠和高質量的信息服務等問題。

3.2 成本較高

5G通信技術傳輸網絡的構建主體是一個個相對獨立的基站，5G網絡結構應用星型網絡結構。在通過互聯網進行通信交互的過程中，互聯的兩個終端要先與基站連接，再完成通信終端之間的轉接。為了達到更好的傳輸效果，需要建設更多的基站，相應的工程建設成本大大增加。不僅如此，5G基站后期的運營費用也比4G基站多，因為5G基站耗費的電量非常龐大。成本的大幅提高給5G技術在智能電網中的應用增加了難度。5G通信與4G通信的對比如表2所示。

表2 5G通信與4G通信的對比

3.3 數據安全性較低

隨著5G網絡的數據傳輸速度越來越快，5G網絡的覆蓋范圍越來越廣，應用形式也越來越多樣，在信息交換過程中電力用戶安全信息泄露的潛在可能性加大。一些借助5G通信來傳播的惡意破壞軟件的傳輸速度更快，這對智能電網的安全性是一種挑戰。

5G通信底層網絡十分復雜，相關的通信網絡安全是需要重點關注的問題。同時，大量物聯網設備的融合和新服務的加入將使信息安全問題加劇。為了保護電力用戶的隱私，保證電力物聯網中數據的安全性，應該利用加密算法先對用戶數據進行加密保護，再進行下一步的傳輸。加密算法的優化和動態密鑰對保證電力系統安全十分重要，如果數據加密算法簡單，并且在加密時采用固定的密鑰進行加密，會使攻擊者輕易地獲得密鑰，這會降低系統的安全性。

4 5G通信技術的發展

4.1 應用發展方向

在當前社會高速發展的大背景下，電力系統的各個部門應當加強對5G通信技術的重視，在智能電網的運作中使用5G通信技術進行信息交互，從而提升智能電網的通信速度和效率，豐富智能電網的功能，提高電網運行的質量，減少故障的發生率，促進各行各業的發展，滿足全社會的用電需求。配網自動化和對用戶進行需求側響應的負荷控制是5G通信技術在智能電網中的兩個主要應用方向，電力部門需要加大對這兩個方向的研究力度，以更好地發揮5G通信技術的應用優勢。

4.2 投資控制

為了推進技術協同，提高5G網絡利用率，要合理把控5G通信通道的投資結構，同時降低5G通信網絡的建設投資，合理規劃基站建設，保證基站建設的準確性和地點選擇的合理性。提供合理控制基站的投資成本，可以在保證設計最優的前提下降低工程造價，減少5G網絡通道建設的總投資成本。

4.3 加強數據保護

為了提高5G通信技術的使用質量和安全信息保護能力，避免通過高清視頻泄露數據的風險，要建立堅固的5G網絡完全保護機制，對用戶的用電信息進行加密保護。隨著5G通信技術的發展，用戶隱私的保護是一個值得重視的問題，可利用基于物理層的方法提供無線信號的安全傳輸，實現資源的整合和共享。研究表明，安全隱私區塊鏈（SPB）框架具有較強的隱私保護作用，能夠更好地保護用戶信息的安全。隨著5G技術的不斷成熟及其在電力物聯網的廣泛應用，可以將混沌系統理論和加密算法結合起來加密系統。混沌系統具有高度初值敏感性，可以以該系統為切入點加強對數據的保護。

5 結束語

隨著5G通信技術越來越成熟，其在智能電網中的功能得到進一步體現，可以提高電網的運行質量，提升用電客戶的體驗。智能電網和泛在電力物聯網對電力數據的承載、應用、采集和分析提出了更高的要求，電力業務應考慮業務的流量模型，站房監控數量的增加，移動業務場景對大帶寬、大流量的需求，以及控制業務對時延和可靠性的要求。5G通信技術的進一步發展可以促進智能電網功能的進一步提升，電力行業要加強對5G通信技術的分析和研究，發揮5G通信技術的優勢、價值，進一步推動智能電網的發展，并為電力用戶提供更好更快的服務。