5G 通信在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用研究及相關(guān)專利分析

加 玉

(專利審查協(xié)作北京中心,北京 100160)

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展,社會用電量快速增加,迫切需要電力通信網(wǎng)絡(luò)向泛在電力物聯(lián)網(wǎng)演進,提高國家電網(wǎng)的信息化和智能化水平,滿足綠色發(fā)展理念的要求。 國家電網(wǎng)早在2019 年就已提出要大力建設(shè)泛在電力物聯(lián)網(wǎng),提升電力物聯(lián)網(wǎng)的管理效率,構(gòu)建移動互聯(lián)、人際交互的智能化系統(tǒng)[1]。 然而目前泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)仍然面臨通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)混亂等問題,本文基于5G 通信和物聯(lián)網(wǎng)云平臺,構(gòu)建新型的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu),并對現(xiàn)有技術(shù)進行檢索,進行相關(guān)專利分析。

1 5G 通信與泛在電力物聯(lián)網(wǎng)

1.1 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)

電力物聯(lián)網(wǎng)是利用信息互聯(lián)將全國電力網(wǎng)絡(luò)中的電力設(shè)備和物理對象進行連接,構(gòu)建完全普適的物聯(lián)網(wǎng),可以提升家用電器和電力系統(tǒng)的智能化水平,有助于電力系統(tǒng)的健康可持續(xù)發(fā)展[2]。 電力物聯(lián)網(wǎng)可以實時監(jiān)測電網(wǎng)運行狀態(tài),保障電網(wǎng)的安全可靠運行。 然而在傳統(tǒng)的電力物聯(lián)網(wǎng)中,信息互聯(lián)存在許多問題,傳統(tǒng)的物理連接方式受外部因素影響較為嚴(yán)重,連接質(zhì)量不高,穩(wěn)定性較差[3]。 因此,需要考慮整合5G 等通信技術(shù),加強電力設(shè)備連接的穩(wěn)定性,提升電力物聯(lián)網(wǎng)的傳輸和轉(zhuǎn)換功能。

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)由國家電網(wǎng)在2019 年提出,基本結(jié)構(gòu)包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層和應(yīng)用層。 感知層借助傳感器實時采集電網(wǎng)及設(shè)備信息并傳遞到電能表中;網(wǎng)絡(luò)層通過通信協(xié)議實現(xiàn)傳感器的遠程操控;平臺層提供數(shù)據(jù)存儲、跨主體傳遞等功能;應(yīng)用層實現(xiàn)電力與信息的互聯(lián)互通,實現(xiàn)業(yè)務(wù)網(wǎng)與通信網(wǎng)的深度融合,從而提高電力服務(wù)質(zhì)量[4]。

1.2 5G 通信與泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的契合性

5G 通信在帶寬、時延等性能指標(biāo)上優(yōu)勢明顯,擁有低成本、低時延、低功耗、廣連接、高容量、高可靠性的特點,可以滿足用戶的多樣化需求,傳輸效率更高,通信性能更強[5]。 5G 通信的理論最高數(shù)據(jù)傳輸速度達到4G 的20 倍,可以滿足電力系統(tǒng)大規(guī)模、多元化數(shù)據(jù)采集的需求;5G 通信擁有千兆赫茲的頻譜寬度,支持高密度連接和大容量數(shù)據(jù)傳輸,性能指標(biāo)數(shù)據(jù)是4G的近百倍,可以為電力系統(tǒng)接入海量終端設(shè)備和大視頻應(yīng)用等提供技術(shù)支持;5G 通信的多連接技術(shù)丟包率極低,具有極高的可靠性,能夠為電力系統(tǒng)提供可靠穩(wěn)定的無線網(wǎng)絡(luò);5G 通信端到端延遲性能指標(biāo)為1 ms,在協(xié)同控制場景具有及時的響應(yīng)能力;5G 通信的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)、休眠設(shè)置可以降低智能終端設(shè)備的能耗,使電力通信網(wǎng)絡(luò)以較低能耗和成本運行,還可以延長設(shè)備使用壽命[6]。 由此可見,5G 通信技術(shù)在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中有著廣闊的應(yīng)用前景。

2 5G 電力物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)專利分析

專利分析是以專利文獻和專利信息為研究對象,將專利分析應(yīng)用于某一技術(shù)的技術(shù)活動、技術(shù)能力的研究,能夠評價某一技術(shù)的發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀,并能為企業(yè)后期的專利布局提供有價值的情報。

2.1 申請趨勢分析

通過對專利申請的年度趨勢進行分析,可掌握某個領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的歷程。 本文通過對截至2020 年的5G 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)專利申請數(shù)據(jù)進行檢索,發(fā)現(xiàn)2014 年以前為0 申請,2015 年開始有3 例申請,到2020 年猛增至94 例申請。

2.2 技術(shù)構(gòu)成

如圖1 所示的是分析對象在各技術(shù)方向的數(shù)量分布情況。 通過該分析可以了解分析對象覆蓋的技術(shù)類別以及各技術(shù)分支的創(chuàng)新熱度。

圖1 5G 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)專利在各技術(shù)方向的數(shù)量分布情況

2.3 技術(shù)構(gòu)成功效

各技術(shù)領(lǐng)域不同功效的專利數(shù)量分布情況如圖2所示,有助于了解各類技術(shù)的主要應(yīng)用特征,從而對研發(fā)路線進行適應(yīng)性的調(diào)整。

圖2 5G 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)專利不同功效的數(shù)量分布情況

經(jīng)過上述專利分析,我們可以看出隨著5G 的發(fā)展,5G 在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用研究專利申請量在2020 年達到高峰,其研究的主要方向還是集中在H04L 上,即集中在5G 網(wǎng)絡(luò)與電力網(wǎng)的結(jié)合上,實現(xiàn)的技術(shù)效果和技術(shù)目標(biāo)是提高效率和安全性、智能化,降低成本。

3 新型泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)設(shè)計

傳統(tǒng)電力測量停留在遠程抄表的階段,用戶、智能化終端、電力企業(yè)之間缺乏及時有效的交互,無法支持實時監(jiān)控等服務(wù)的開展[7]。 在此背景下,泛在電力物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)運而生,依托感知層實現(xiàn)智能化終端的標(biāo)準(zhǔn)化接入,通過網(wǎng)絡(luò)層將智能化終端采集的數(shù)據(jù)上傳到平臺層,由平臺層對數(shù)據(jù)進行整合分析后傳送到應(yīng)用層,最后應(yīng)用層根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果產(chǎn)生決策[8]。

3.1 新型泛在電力物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

新型泛在電力物聯(lián)網(wǎng)依然采用4 個層級的架構(gòu)。感知層由各種智能化終端設(shè)備組成,需要對終端數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控等進行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計。 終端設(shè)備采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化接口,內(nèi)部集成5G 通信模塊和微處理器,運行統(tǒng)一的操作系統(tǒng),具備原始數(shù)據(jù)初步整合處理功能,可以通過5G 網(wǎng)絡(luò)與平臺層進行數(shù)據(jù)交換[9]。 網(wǎng)絡(luò)層主要使用5G 通信技術(shù),在5G 通信技術(shù)不適用場景以其他無線通信協(xié)議輔助數(shù)據(jù)傳輸,物聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議建議使用MQTT協(xié)議和COAP 協(xié)議。 平臺層的職能與現(xiàn)有的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)基本一致,主要負責(zé)數(shù)據(jù)整合、存儲、分析等工作,差別在于采用兩種云平臺,在國家電網(wǎng)專用平臺基礎(chǔ)上使用企業(yè)開發(fā)的云平臺,不僅可以依托國家電網(wǎng)專用平臺提供專業(yè)化的服務(wù),還可以依托企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺提供個性化定向服務(wù),豐富平臺層的功能。 應(yīng)用層是泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的用戶接口,可以依托平臺層提供的數(shù)據(jù)產(chǎn)生決策,通過平臺層、網(wǎng)絡(luò)層對智能終端實現(xiàn)控制,滿足用戶的服務(wù)需求。

3.2 新型泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢

新型泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢在于結(jié)合一體化國網(wǎng)云平臺和企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云平臺,用戶數(shù)據(jù)處理能力更強,可以彌補國家電網(wǎng)因自身限制產(chǎn)生的功能劣勢,利用企業(yè)的技術(shù)優(yōu)勢提供個性化的服務(wù)。 更為重要的是,以5G通信技術(shù)為主要通信手段,可以解決多種通信協(xié)議聯(lián)合使用的弊端,提升泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的通信質(zhì)量、效率、穩(wěn)定性和可靠性,為泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的健康可持續(xù)發(fā)展提供強大的技術(shù)保障[10]。

4 5G 通信在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

4.1 5G 通信技術(shù)的具體應(yīng)用

5G 通信技術(shù)具有高帶寬、高速率等優(yōu)勢,可以在實時監(jiān)控、傳輸高清圖像視頻和電力系統(tǒng)穩(wěn)定性控制等工作中發(fā)揮作用,提升泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸能力和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5G 通信技術(shù)可以用于發(fā)送大容量文件,解放了智能終端設(shè)備的性能,可以支持智能終端采集高清視頻圖像信息,并發(fā)揮低延時特性,實現(xiàn)電網(wǎng)設(shè)備運行狀態(tài)的實時監(jiān)測。 借助5G 通信技術(shù),可以實現(xiàn)對電網(wǎng)設(shè)備工作狀態(tài)的實時監(jiān)測,高效收集電力數(shù)據(jù),且不易出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象,保證數(shù)據(jù)收集和傳輸?shù)馁|(zhì)量[11]。

4.2 5G 通信技術(shù)的應(yīng)用效果

5G 通信技術(shù)在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用,可以提升動態(tài)監(jiān)測質(zhì)量,實現(xiàn)精準(zhǔn)控制,強化測量與計算能力,豐富電力服務(wù)內(nèi)容。 首先,5G 通信技術(shù)的應(yīng)用,可以在電力系統(tǒng)各個節(jié)點安裝各種傳感器,對電力系統(tǒng)設(shè)備電壓等運行參數(shù)進行動態(tài)監(jiān)測,獲取電力設(shè)備的實時運行狀態(tài),從而為優(yōu)化電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)、制定維護檢修方案提供可靠的數(shù)據(jù)支持;其次,5G 通信技術(shù)的高傳輸速率、高響應(yīng)速度可以滿足各種高精度應(yīng)用需求,以最低處理時效進行科學(xué)決策,達到精準(zhǔn)控制的目的,并提升泛在電力物聯(lián)網(wǎng)運行的靈活度;最后,5G 通信的高速率、大容量,可以滿足海量數(shù)據(jù)在線交互和處理分析的需求,實現(xiàn)多元化數(shù)據(jù)采集和高質(zhì)量數(shù)據(jù)傳輸,不僅優(yōu)化數(shù)據(jù)采集能力,還可以提供數(shù)據(jù)處理分析功能,減少研究誤差。

5 5G 通信在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)

當(dāng)前,5G 通信技術(shù)以其突出的性能優(yōu)勢,逐步取代現(xiàn)有的有線和無線通信技術(shù),成為泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的主要技術(shù)手段,同時5G 通信技術(shù)在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用,依然面臨一些困難和挑戰(zhàn)。

5.1 5G 通信與其他數(shù)據(jù)傳輸方案的融合問題

5G 通信技術(shù)和其他通信技術(shù)相比優(yōu)勢十分顯著,但仍無法完全取代其他通信技術(shù)成為唯一的數(shù)據(jù)傳輸方案。 因此,如何實現(xiàn)5G 通信技術(shù)與其他數(shù)據(jù)傳輸方案的融合,加強不同通信技術(shù)之間的協(xié)作,是未來研究的重要問題之一。

5.2 5G 通信的時間同步問題

在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中,時間同步技術(shù)的作用至關(guān)重要,需要聯(lián)合5G 通信與衛(wèi)星技術(shù)建設(shè)天地一體化時間同步網(wǎng)絡(luò),提高終端節(jié)點的時間處理精度,統(tǒng)一時間基準(zhǔn),從而更好地滿足測量等業(yè)務(wù)的需求。

5.3 5G 通信的能耗管理問題

5G 通信網(wǎng)絡(luò)的主要能耗在于大規(guī)模的通信基站和智能終端設(shè)備,需要注意的是,隨著泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,5G 通信基站越來越多,越來越密集的基站及終端設(shè)備會帶來巨大的能耗。 需要考慮如何有效降低通信中的能源消耗,以體現(xiàn)節(jié)能環(huán)保理念,降低企業(yè)的運營成本。

5.4 5G 通信的安全性問題

5G 通信技術(shù)作為新一代無線蜂窩技術(shù),泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中的通信網(wǎng)絡(luò)往往是公共網(wǎng)絡(luò)和電力專網(wǎng)共存。 無線通信和公共網(wǎng)絡(luò)的安全性風(fēng)險很高,如何保證5G 公共網(wǎng)絡(luò)終端安全、接入安全、切片安全,是值得深入研究的重要問題。 未來需要重點研究如何統(tǒng)一身份管理與認證,構(gòu)建多元化信任關(guān)系,采取適宜的隱私保護策略,以提升5G 通信網(wǎng)絡(luò)的安全性。

6 結(jié)語

綜上所述,泛在電力物聯(lián)網(wǎng)擁有廣闊的發(fā)展前景,而5G 通信技術(shù)的應(yīng)用可以為泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)與發(fā)展提供強有力的技術(shù)支持。 本文對5G 通信在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用進行較為詳盡的闡述,并對未來發(fā)展進行了展望。 5G 通信的應(yīng)用還有很長的路要走,需要不斷研發(fā)相關(guān)的技術(shù),制定統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),逐步實現(xiàn)5G 通信與泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的融合發(fā)展,從而推動國家電力能源產(chǎn)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。