基于5G技術的智慧電力平臺研究

摘要：“十四五”期間，我國智慧電力系統(tǒng)得到了迅猛發(fā)展，其中運行、實時監(jiān)測、預警、信息化等方面的動態(tài)變化起著舉足輕重的作用。5G技術具有低延遲、大連接、高可靠等優(yōu)點，智慧電力系統(tǒng)的業(yè)務需求與5G網絡的特性緊密相連，5G技術的分層狀態(tài)能夠適應不同的網絡服務需求和絕緣需求，能夠更好地適應電力系統(tǒng)的運行和絕緣保護，是我國智慧電力系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。基于此，本文從5G技術、電力系統(tǒng)、行業(yè)需求出發(fā)，詳細論述了基于5G技術的智慧電力平臺的功能和構建方法。

關鍵詞：智慧電力；5G技術；電力平臺

引言

當前，隨著人工智慧技術的發(fā)展，智慧電力體系已經逐漸成型，并產生了一些具有代表性的智慧應用場景。智慧電力服務平臺是在對當前智慧電力系統(tǒng)運行需求進行分析的基礎上，為了能夠迅速定位停電事故并及時有效告知用戶狀況，而設計開發(fā)的一種能夠實時監(jiān)控用戶電源狀況的智慧終端。在電源電壓變化時，終端將線路狀況上傳至云端平臺，由系統(tǒng)根據(jù)停電原因向用戶通報，并自動將停電范圍、原因等信息發(fā)送給相關操作人員，操作人員能夠迅速定位故障的原因、范圍和故障位置。這是一種主動服務，從用戶反饋到客戶，再到維護人員，信息的傳遞效率很高。

1. 5G技術與電力系統(tǒng)

1.1 5G技術

5G是目前最先進的第五代手機通信技術。與4G、3G相比，5G網絡具有以下幾個特點：（1）可以直接處理大量數(shù)據(jù)，比如高清晰度的視頻、虛擬現(xiàn)實；（2）可以很好地適應遠程醫(yī)療應用的需要，并具有很好的實用性；（3）具有很強的承載能力，可以將多臺設備連接起來，為未來物聯(lián)網的發(fā)展打下了良好的通信基礎；（4）覆蓋廣泛，可提供較好的網絡速度；（5）實現(xiàn)了協(xié)作組網，使系統(tǒng)的智慧化程度得到提高[1]。

1.2 電力系統(tǒng)

目前，電力系統(tǒng)由發(fā)電、輸電、變配電、用電四大部分構成。在輸電、變電、配電環(huán)節(jié)的作用，通過交易、調度與區(qū)域內的電力系統(tǒng)來實現(xiàn)，對電網進行管理和維修、供電保障、區(qū)域電網的規(guī)劃、區(qū)域電力市場的建設和傳送，從而確保電力系統(tǒng)的整體質量和安全。我國電力市場的主要輸變配電公司是國家電網和南方電網。電力應用涉及各行各業(yè)，一般包括很多地區(qū)、企業(yè)，也包括大量的個人用戶。電力輔助企業(yè)的主體是電力設計、建設、設備制造等企業(yè)。

2. 5G時代電力行業(yè)的需求及痛點

2.1 網絡層次需要兼顧國家和業(yè)務的需要

按照國家發(fā)改委公布的《電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護規(guī)定》和《國家能源局關于印發(fā)電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護總體方案等安全防護方案和評估規(guī)范的通知》（國能安全〔2015〕36號）的規(guī)定，電力工業(yè)網絡必須滿足安全共享、網絡專用、水平隔離、縱向驗證等方面的規(guī)定。但是，在業(yè)務層面上，由于光纖終端的覆蓋困難，使得公用無線網絡不能很好地解決業(yè)務的時延和訪問要求。網絡運行的質量和容忍能力是否能夠滿足用戶的要求，只能通過對網絡或模塊的故障進行判斷和定位，這種方法不但效率低下，而且精度也不高。

2.2 統(tǒng)一控制的物聯(lián)網網卡

針對多端口的物聯(lián)網網卡，不能實時掌握網卡的狀況；運營商開出的流量計費不精確，統(tǒng)計指標沒有達到標準，而且沒有對賬手段。通信卡的管理范圍比較廣，在網絡流量大、業(yè)務中斷的情況下，必須與電信公司協(xié)調開通或取消，造成通信費用高昂。

2.3 不能有效地處理和實時掌握統(tǒng)計類的數(shù)據(jù)

在申請、審核、采購、發(fā)放等工作中，沒有統(tǒng)一的電子程序，對卡片的管理和責任不明確；采用復雜的Excel表進行數(shù)據(jù)比對，以驗證流量超標，但其效率和精確度不高；管理人員不能有效地分析具體情況，只根據(jù)工作經驗對通信終端的工作狀況進行判定[2]。為此，一方面要根據(jù)用戶的需求，為電力行業(yè)制定5G專用網絡解決方案，以滿足供電公司的業(yè)務和安全要求；另一方面，要集中力量進行全面控制和分層管理，構建智慧化的5G電力系統(tǒng)，以達到對電力客戶的精益管理，降低運營成本。

2.4 不能有效地控制通信終端

通信終端種類繁多，數(shù)量龐大，沒有統(tǒng)一的控制方法；無法監(jiān)測通信終端的狀況，報警顯示不及時；通信卡和通信終端之間的聯(lián)系不能被控制，無法知道卡是否被轉移到了其他地方，導致財產損失。

3. 5G時代智慧電力平臺的具體應用場景

目前發(fā)展智能電網，急需對各種負荷進行精確的調控，以特高壓為骨干、各級電網協(xié)調發(fā)展的新型電網模式，實現(xiàn)各級電網重要廊道的監(jiān)視、巡檢，引入可視化、實時化、精益化的新型作業(yè)方式，實現(xiàn)用戶雙向互動、用電精細化管理，開展以“互聯(lián)網+”為基礎的新的經營模式。這些服務需要10萬級的并發(fā)、微秒級的時延、99.999%的可靠性，以及5G網絡的廣泛覆蓋、大連接、低時延、高可靠、高安全等特點。而5G的網絡切片、邊緣計算等功能的集成，正好能夠滿足智能電網的多樣化和隔離需求，使其具有高可靠、高帶寬、高安全的特點，如圖1所示。

3.1 智慧發(fā)電典型場景

在發(fā)電領域，智慧電力平臺的應用范圍包括基礎設施、安全、運營、燃料、設備、材料、運營、辦公等。在此基礎上，本文提出了兩種典型的應用場景：第一，建立信息支持平臺。首先，該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)服務、4A標準化管理、流程管理；其次，整合的手機平臺主要是為了滿足手機與手機之間的兼容要求，并將其整合在一起；最后，建設三維可視化平臺，采用虛擬電廠，也就是數(shù)字孿生技術，在多源信息的基礎上，對全電站進行1∶1高精度高仿真三維建模，為智能安全管理等智能化應用提供可視化、數(shù)字化的支持平臺。第二，實現(xiàn)智能管理，涉及基礎設施、安全、運營、燃料、設備、材料、運營、辦公等方面。新能源如風力、太陽能等是新的電力系統(tǒng)，與電力系統(tǒng)結合后，將使電力系統(tǒng)由單一供電向多供電轉變。智能發(fā)電通過5G網絡、無人機、機器人等設備，實現(xiàn)對風電、太陽能等新能源的智能監(jiān)控，對風電機組進行智能監(jiān)控、調速。5G分布式發(fā)電系統(tǒng)有利于提高風電、太陽能的發(fā)電能力，提高運行效果，減少運行費用。

3.2 智慧輸電場景

智慧輸電場景主要針對輸電線路，可劃分為智慧監(jiān)控與狀態(tài)監(jiān)控。智慧巡檢則是指對輸電設備、線路進行實地檢測，并根據(jù)實際情況分析、掌握、排除可能存在的安全隱患，保證電力系統(tǒng)的正常運行和安全。在這種情況下，必須實現(xiàn)一鍵釋放、多模式組合、自動持續(xù)的立體巡邏模式，并通過利用物聯(lián)網、5GeMBB、大數(shù)據(jù)、云計算、AR等技術，進行大規(guī)模的自動巡邏，將極大地提升輸電線路的巡查效率[3]。為了保證電力系統(tǒng)的安全運行，必須實時監(jiān)測、預警、分析、診斷、預測各類設備和線路狀態(tài)。在狀態(tài)監(jiān)控方面，主要是監(jiān)控傳輸過程中所涉及的設備，控制和監(jiān)控相關線路的運行狀況，以確保與傳輸相關的設備的安全。然而，我國地域廣闊，輸電線路分布廣泛，傳統(tǒng)4G網絡難以有效覆蓋和監(jiān)控人口較少、地勢較差的地區(qū)。此外，各區(qū)域的天氣狀況也有很大差別，設備的操作環(huán)境（溫度和濕度）差異很大，因此對終端設備的性能和數(shù)量要求也更高。智慧輸電技術是通過5G網絡、無人機、機器人等，在高風險環(huán)境下，對電網、電廠等進行實時監(jiān)測，并能實時獲取高清圖像或視頻。5G智慧輸電技術拓展了輸電線路智能監(jiān)控技術的應用領域，可以極大地提高巡檢工作的效率和安全可靠度、減少停電故障率和維護費用、減少員工的人身安全風險。

3.3 智慧變配電場景

智慧變配電應用場景包括對負荷精確控制、實時顯示變電站信息、監(jiān)控配電力系統(tǒng)運行狀況等。

（1）通過各種先進的現(xiàn)代科技，智慧監(jiān)控機器人可以進行有效的監(jiān)控，采集、分析、整合監(jiān)測到的圖像，迅速、準確地發(fā)現(xiàn)故障，并自動生成故障報告，極大地提高了監(jiān)測工作的效率，減少了設備和人員的費用和風險，保障了電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定地運行。

（2）配電系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測是指通過傳感器監(jiān)測配電設備運行狀況、運行環(huán)境監(jiān)測和防盜報警等，從而保證配電系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運行、分布電力供應等。在配電力系統(tǒng)運行狀況監(jiān)控中，網絡技術、相關信息化平臺、傳感器等都是關鍵技術與裝備。具備上述技術與裝備，才能建立高品質的監(jiān)測及預警系統(tǒng)，以保證其正常運行。

（3）毫秒級精確控制負載，是指在不需要任何設備的情況下，對持續(xù)運行的負載進行切斷，因為它的時間延遲在毫秒級，可以在家庭場景中得到廣泛應用，且隨著生活熱水、空調等負荷的增加，它的網絡節(jié)點也隨之增加。智慧配電網是指通過5G網絡、攝像機、無人機等設備，對配電主站、配電站、配電網的故障定位、故障恢復、分布式配電自動化、微秒精確負載控制等方面的應用。5G配電自動化也是智能配電的一個重要應用領域，通過5G網絡的切片，可以達到毫秒級的終端對終端的通信延遲，滿足電網自動化、物理、邏輯隔離的要求，為配網自動化、視頻監(jiān)控和公共服務提供了有力支撐。

3.4 智慧用電場景

隨著人民生活水平的不斷提高，智慧用電場景越來越多，應用范圍也越來越廣。從目前的情況來看，智慧用電場景主要包括在線業(yè)務管理、電力設備場景的智能檢測與管理、電力數(shù)據(jù)采集、故障分析與預警、信息的公布與互動。通常，電力信息采集量大，需要大量的信息，并且上行流量大、下行流量小，這就使得智慧方案需要更大的終端數(shù)量、更多的時間、更高的精確度。對于這個智慧場景，在線業(yè)務處理主要是利用在線平臺和軟件來完成；要求對業(yè)務服務進行全方位的訪問，并具備諸如信息和核心用戶識別的能力；在智能故障分析與警報系統(tǒng)中，為提高維修工作的質量和工作效率，必須實現(xiàn)對搶修作業(yè)的自動化。智慧監(jiān)控系統(tǒng)是指在具有智慧化功能的小區(qū)等區(qū)域中，對所涉及的電力設施進行智慧監(jiān)控、監(jiān)測，并利用網絡技術的全面覆蓋，實現(xiàn)對電力系統(tǒng)的管理與服務的雙向交互。

智慧用電系統(tǒng)充分發(fā)揮5G強大的互聯(lián)功能，以及用電數(shù)據(jù)采集裝置（DCU），可自動采集用電信息、監(jiān)測計量異常、控制大用戶負載、管理線路損耗、電能質量監(jiān)測、用戶用電分析、計費和計費管理等。5G技術在智慧用電方面的廣泛應用，能為供電公司優(yōu)化電網結構、減少線路損耗、為客戶提供差別化的用電服務、指導錯峰用電、減少用電管理和運行費用，提高營業(yè)收入。

4. 基于5G技術的智慧電力平臺的價值

4.1 精益管理

智慧電力平臺為用戶提供用能報告和分析報告，以便于用戶對用能進行更精細的管理，為用戶優(yōu)化用能狀況提出有效的意見和指導，從而實現(xiàn)了對能源消耗的實時監(jiān)測、統(tǒng)計和分析[4]。

4.2 提升安全性

通過實際的使用和維修，可以有效地防止短路、過載、漏電等重大事故，但仍有很大的提高空間。基于5G技術的智慧電力平臺能夠實時收集和分析運行數(shù)據(jù)，并通過智慧斷路器和外部傳感器的數(shù)據(jù)采集終端，為用戶提供更加完善的用電安全防護機制，從而提高電力使用者的能源使用安全性。

4.3 使操作更加簡單

“四遙”的便捷功能，使用戶能夠在符合網絡安全標準的情況下，實現(xiàn)對配電系統(tǒng)的遠程操作，從而簡化了操作人員的操作，并實現(xiàn)了對開關操作、參數(shù)整定等的遠程操作。同時，還可以為使用者提供一定程度的智慧維護策略，例如對多余的負荷定時關掉，以節(jié)約能源等。

4.4 降低成本和提高效率

智慧運維系統(tǒng)可以通過對用能進行精細化的監(jiān)控管理和智慧運維等方式，來降低用能的費用，從而達到節(jié)能的目的。同時，還可以從資產管理、運維管理等方面，進一步提高運維管理的工作效率，從而有效減少運維管理的人力資源。

4.5 預測性運維

物聯(lián)網技術和機器學習技術的應用，使得基于5G技術的智慧電力平臺與傳統(tǒng)的工業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)有著本質的不同。它可以利用企業(yè)運營數(shù)據(jù)和人工智慧引擎，對能源消耗進行建模和分析，為能源消耗預測、設備壽命預測等提供附加價值，為客戶提供高效的操作決策，降低故障發(fā)生率，提升系統(tǒng)工作效率。

結語

隨著我國信息化的快速發(fā)展，智能化電力系統(tǒng)的發(fā)展必然會更加迅速，5G技術具有先進的技術優(yōu)勢，可以將5G技術運用到智慧用電場景中。但任何一個智能場景都對網絡技術提出了更高的要求，所以必須將5G技術應用到智慧電力系統(tǒng)中，并對其進一步完善，從而提高效率。有關企業(yè)應對5G技術進行深入研究，把握其技術優(yōu)勢，結合自己的具體情況，將5G技術運用到智慧用電、智慧輸電、智慧配電等領域，從而推動智慧電力系統(tǒng)的長期發(fā)展。

參考文獻：

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[3]馬媛媛，李尼格，邵志鵬，等.適用于電力5G終端的二次認證方法及其形式化分析[J].自動化與儀表，2022，37（11）：103-108.

[4]汪麗燕.基于5G技術的電力物聯(lián)網建設分析[J].互聯(lián)網周刊，2022，（20）：10-12.

作者簡介：陳浩然，本科，初級項目經理，研究方向：通信技術、數(shù)字化項目管理。