5G通信技術在泛在電力物聯網的應用

費貴榮

(泰州職業技術學院 江蘇泰州 225300)

2016年，國家發改委、能源局、工信部正式提出了《關于推進“互聯網+”智慧能源發展的指導意見》，其明確要求我國的能源互聯網行業必須提高資源的利用率，并且進一步實現能源可再生利用，使可再生能源消納的比例更高。2019年，國家電網有限公司提出了建設“泛在電力物聯網”的目標，并且明確強調了“泛在電力物聯網”的地位和價值。對于泛在電力物聯網而言，它也可以將其定義為物聯網，它只是泛在電力物聯網里面的一種形式而已。基于此，隨后相關研究者提出了5G 通信技術，該技術想要投入實際使用的話，還需要建設5G通信基站，該建設工作需要花費大量的時間和資金。5G 通信技術在2020 年時被運用于大部分行業。該文主要分析和研究了泛在電力物聯網的研究框架，并且從5G 通信和泛在電力物聯網相互融合的層面，對5G 通信技術的實際價值和應用，以及相關的關鍵技術等進行了全面的分析，最后對5G通信網能效管理問題展開了研究，并就5G 通信技術提出了對應的展望。

1 支撐泛在電力物聯網的5G通信概念

1.1 5G通信基本原理

通信技術從2G 時代開始，幾乎都是使用數字信號，即使是最新的5G通信也不例外。對于移動通信而言，它主要是借助電磁波來傳輸相關的信息，并且在信號發生器和信號接收器的設備基礎上，對輸入和輸出過來的電磁波進行調制和解調等過程，從而得到人們所需的信息。但是，無線通信和有線通信也有不同之處。無線通信主要利用的是電磁波在空氣中的反射和衍射等特性，使電磁波達到指定的位置，從而實現信息的傳輸和接收。5G 通信同樣也運用到了上面的所有東西，但與2G、3G和4G不同的是，5G通信在信息傳輸速度、效能和可靠性方面都遠遠的超過了前幾代移動通信技術，比如：5G 通信的峰值速度都大于20 Gbps，并且5G 通信的頻段也已經提升至30～300 GHz 之間，這些都為進一步拓展資源打下了一定的基礎。

1.2 5G通信基本特征

5G通信的基本特征可以分為以下5個方面。

1.2.1 高速率

與前幾代移動通信技術相比，5G通信技術在峰值速率和區域速率上得到了巨大提高，比如：5G 通信技術的峰值速率最小也有20 Gbps。對于區域速率而言，它比最近一代移動通信4G的區域速度要快上1 000倍左右，這些都體現了5G通信的高速率的特點。

1.2.2 高容量

對于之前的4G移動通信而言，該移動通信技術在實際工作過程中經常會受到終端數量被限制的影響，反觀5G通信技術，該移動通信技術配備了非常多的移動終端，進一步解決了終端數量被限制的問題，從而為萬物信息互聯打下了結實的基礎。

1.2.3 高可靠性

5G 通信在傳輸數據時，被傳輸的數據非常穩定，比如：通過使用5G 通信技術去傳輸一個32 字節的數據時，該數據在第二層數據單元的傳輸正確率趨近于100%，這樣一來，電力系統和電力通信的穩定性也得到了保障[1]。

1.2.4 低時延

4G 通信技術的時延一般維持在50 ms，該延時并不會影響通話，但是考慮到一些工業對延時的要求非常嚴格，而通過使用5G 通信技術，能夠更大程度地縮短時延，當下5G 通信技術可以將時延維持在1 ms 左右，這就能滿足工業對延時的實際需求。

1.2.5 低能耗

一些通信設備需要定期更換電池，并且這些通信設備消耗的能源比較大，這就造成了巨大的能源損耗。而在使用5G通信技術之后，它可以借助通信硬件協議來嚴格地控制能源的損耗，使實際工作過程中消耗更少的能源。

2 泛在電力物聯網的概念簡介

泛在電力物聯網（UPIoT）主要由物聯網、電力網、泛在網三大要素組成。“泛在”表現出來的“萬物互聯”的特性廣泛地存在于電力互聯網當中，而泛在電力物聯網的特征可以歸納為復雜性、包容性、開放性和創新性這4種。（1）復雜性主要針對的是電力網和通信網等的融合過程，該過程需要先進的設備和技術來實現。（2）包容性則針對的是電力系統中的實物，例如變壓器和配輸電設備等，當然也涉及了居民的電力設備。（3）開放性主要針對的是服務的對象，該服務對象包含了電網企業自身和各個電力用戶，通過開放的形式，從而為電網企業帶來更高的經濟收益。（4）創新性則針對的是數據采集和控制等，通過對電力互聯網的各項功能和商業模式進行創新，使電網企業能夠更加穩定地經營下去[2]。

與傳統的物聯網不同，泛在電力物聯網將一些電子設備、家用電器通過電力網絡與通信網絡相結合，實現了兩者的互聯互通。與此同時，由于電力網本身所具有的特點，它擁有海量的用戶，這些用戶又會衍生出不同的需求，這就給泛在電力物聯網的拓展提供了契機，如社會網、交易網、業務網、資金網等。

與物聯網相同的是，泛在電力物聯網同樣由4 個層次構成。（1）感知層。即通過傳感器對電力設備的實物狀態進行監測，如智能傳感器不僅可以得到每個家庭的電量使用情況，還可以根據所在系統應用的電壓狀態，對特定區域的空氣濕度和溫度進行測定。（2）網絡層。將移動通信網絡、互聯網、無線局域網連接在一起，在特定的運行規范下，接入各式的傳感設備中，因而具有超強的拓展性。（3）平臺層。即利用大數據云服務，將各個網絡層傳輸過程中的數據統一收集存儲到一個數據庫中，期間可以實現部分數據的跨平臺、跨部門共享。（4）應用層。是泛在電力物聯網建設的重點，旨在為用戶、電網工作人員等人的決策制定提供支持，在這一過程中推進電力新興業務拓展以及商業模式的創新。

電力物聯網是計算機科學與技術不斷發展下的產物，是現代高新技術的智慧結晶。簡而言之，電力物聯網就是利用現代通信技術和現代互聯網技術等高新技術的不斷發展，將這些高新技術與傳統電力基礎設施進行連接，將通信設備資源與電力基礎資源進行有效的整合，形成電力系統的大數據信息庫平臺。通過數據的收集、分析、處理和應用，為大眾構建全新的電力系統使用環境和電力系統使用體驗。在提升電力基礎設備運行效率的同時，有效提高電力系統的信息化建設水平，改良電力基礎系統的使用效率，使電力系統富有“智慧化和智能化”。為電力基礎設備的運轉提供有效的數據支撐，改變電力系統固有的“低效率”印象，使電力基礎系統能夠更好地滿足大眾的使用需求，更好地為大眾營造良好的電力使用環境[3-4]。

3 5G通信與泛在電力物聯網的融合研究

3.1 動態監測

5G通信具有自治優化技術，可以更好地提升電力設備的監測效果，實現動態監測，能夠實時將設備的運行數據傳送到監控平臺，一旦出現異常能夠及時發出報警信號，幫助工作人員快速鎖定故障點，可以快速做出反應。通過在配電網的各個節點上安裝變壓器及傳感電源等設備，能夠精準捕捉到電力設備的運行參數和配電網的電壓幅值變化情況，并將各數據傳送到后臺，用于優化拓撲結構。此外，還可以借助5G 通信技術的低時延特點，安裝溫度感應器來實時了解設備的運行情況，為及時檢修與定期維護提供數據，既保證了配電網的穩定運行，又節省了維護檢修的成本。

3.2 精準控制

隨著我國的5G通信技術的提出，我國實現無人駕駛和智能車載變得可能。在5G通信技術的基礎上，電網企業能夠更加高效地控制電網系統的需求響應，從而有效地處理調頻和尺度方面的問題，使得所有的用電設備之間的延時更短。對于儲能控制方面而言，通過使用5G通信技術，電網企業能夠進一步管理系統里面的儲能，并且在電網企業的“云儲能”當中，在5G 通信技術的協助下，用戶的差異化需求和互動問題都可以被解決，使電網企業能夠更好地控制儲能[5]。

3.3 寬帶通信

首先，將5G 技術應用到無人機中，可以把巡檢中產生的畫面以影像視頻的方式，實時傳送到控制平臺，以便管理人員實時了解線路情況，并能夠為科學決策奠定基礎。同時，還能夠借助無人機，有效監測光伏板的沾灰量以及儲能裝置的安全運行，一旦在監測時發現安全運行系數降低，或運行異常，可以立即發送報警信號，引發管理人員的主意，讓管理人員派專人來清理光伏板，做好相關設備的檢修維護。其次，將VR技術應用其中，可以利用5G技術來打造更為真實的虛擬場景，提高工作人員的視覺體現。泛在電力物聯網和5G通信技術的融合，可以讓VR技術充分發揮優勢，全方位地、立體化地將配電網絡運行情況展現在工作人員面前，更為清晰明了地觀察運行故障問題，為后續的巡查管理工作提供助力。

3.4 供需互動

5G通信系統的耗電量是非常大的，而且隨著無線技術的不斷發展，基站的建設將會不斷增加，若不對其進行有效的控制，將會導致成本的增加，影響泛在電力物聯網的有效應用。若想妥善解決這種難題，就必須要強化配電網中泛在電力物聯網的應用，并積極推進與5G 技術的融合。從根本上講，通信網和配電網之間，是一種“能量”與“信息”的耦合關系。其中，配電網能夠為通信網的正常運行提供可靠能源，通信網則能夠為配電網的高效運行提供信息交互。而二者交互所用的媒介，便是基站。在通信網中，基站是主要的收發終端，也是無線信息的中轉站；在電網中，不間斷電源（UPS）是電力系統中的主要消耗量，為了確保通信的實時性和可靠性，UPS 是一種電能和能量存儲裝置的雙重集合。另外，為改善系統的運行可靠性，應該采用冗余組態的方式，將基站密度和基站UPS 緊密結合起來，基站個數和基站UPS 電池的個數可能多于通信一般需求的個數。

在這種背景下，電網運營商可以深入與通信運營商的合作，達到更為緊密的供求互動。比如：在夜間，如果通信負荷不大，可以暫時關閉一些基站，實現節約能耗的效果。如此一來，不僅能夠滿足系統的正常運行，還可以充分利用這些多余的基站存儲設備，讓通信運營商提供較低的價格，同時也會根據價格的變化來調節UPS的充放電負荷；在日間供電，在保證供電可靠性的情況下，在電網電價高的情況下，通信運營商可以選擇使用多余的電能[6]。

3.5 萬物互聯

隨著我國電力網絡不斷發展，我國絕大多數的地區已經被電力網絡所覆蓋，并且用電設備的數量也在逐漸增加，為了進一步提高用電設備的利用率和安全性，可以考慮將家用電力進行互聯，使居民家中的各種用電設備更加智能化，使居民日常的用電更加安全。通過將電動汽車進行互聯，從而為我國建設智慧城市打下一定的基礎。此外，將配變電裝置有效地互聯起來，它能夠協助電網企業更加高效地管理電力系統的運行情況，使得配電系統能夠更加高效、穩定地工作下去。然而，電網企業需要重點關注整個配電系統當中的配電網層面，現如今，在沒有使用5G通信之前，我國在該層面上還是存在一些問題，導致一些重要的信息互聯不能有效地互通，從而阻礙了正常的信息傳輸。通過使用5G 通信技術，它能夠進一步地解決這些問題，使萬物互聯得以完成。

4 5G 通信技術就在泛在電力物聯網領域應用存在的問題

4.1 智能數據分析水平低

據了解，目前5G通信技術還沒有在全國范圍內普及，電力系統的信息處理工作也沒有在技術層面上取得重大突破。主要原因是智能數據分析方案推廣范圍較低。目前，相關行業對云計算智能數據信息分析技術的普及關注不夠，在建設5G 通信網絡速率時，沒有得到相關技術和信息的支持。在多種因素共同作用下，國內智能化數據分析水平未能跟上時代發展的步伐，難以為5G技術的推廣奠定堅實的基礎[7]。

4.2 5G通信技術信息應用深度不足

在當前的5G通信技術應用過程中，特別是相關技術電力物聯網中的應用，在網絡速率方面仍然缺乏必要的重視。所以，很多電力部門在對電力系統的數據進行采集分析的過程中，難以把握無約束通信網絡密度特征的主要內容，也無法充分發揮電力系統信息資源采集的優勢，這直接導致5G通信技術在信息應用上無法達到相應的深度。

5 5G 通信技術在泛在電力物聯網領域的優化應用策略

5.1 提高智能數據分析水平

在探索和應用5G通信技術的過程中，相關人員必須對智能數據進行深入的分析和討論，以確保不受限制的信息和不受限制的通用技術能夠充分發揮其價值。特別是在電力系統管理過程中，信息處理與分析具有重要的應用價值。如果數據分析結果的準確性不高，智能數據開發的水平也會受到影響。為了使互聯網的發展速度滿足人們的實際需要，推動5G通信技術的深入研究十分重要，5G技術的應用不僅可以推動現代互聯網技術的進一步完善，而且可以保證物聯網的發展和完善。為了保證智能數據與各元素之間的關系始終遵循一致性的特點，在智能數據分析過程中，工作人員需要使用相關公式進行一系列的計算操作。

5.2 助力5G通信技術的不斷推廣

5G 通信技術在信息化社會構建中最大的阻力來自5G 技術在大眾群體中認知程度的不足。隨著社會的發展與科技的進步，雖然在當前5G通信技術已經成為大眾口中的高頻熱詞，但基于5G通信技術對大眾生活帶來“改變”的認知程度不足，造成5G通信技術的應用無法取得預期的成效。針對這一問題，應當加大對于5G通信技術的推廣力度，采取理論與實踐相結合的辦法，使大眾產生對于5G通信技術的認同感，為5G通信技術在泛在電力物聯網中的應用掃清障礙。

5.3 “5G通信網-電力網”聯合仿真

電力仿真對于整個的5G通信網-電力網系統建設工作而言是非常重要的，通過使用電力仿真，電網企業能夠更加清晰地了解電力系統的實際運行情況，從而準確地判斷出電力系統的相關方案是否存在安全性問題。現如今，我國最為突出的兩個仿真軟件是PSCAD和OPNET，這兩種技術能夠提高整個電力系統的安全性。對于未來的5G 通信網-電力網，研究人員主要會對電力系統的深度耦合進行探究，并且對5G通信網和電力網之間的影響進行分析，從而研制出更加合理的聯合仿真軟件[8]。

5.4 多元化的商業模式

在5G通信技術的幫助下，我國的泛在電力物聯網能夠生成更加新穎的商業模式，從而為我國各個行業和所有商業部門提供幫助。比如：相關的商家在進行能源交易時，可以在5G通信基礎上制定出個人和個人之間的交易方式，使我國的商業模式更加的多元化。“三高兩地”雖然是5G通信的特征和優點，但是同樣包含了通信網絡安全隱患，在進行物質通信時，要從實際情況出發，確定基礎信息評估要求，明確技術挑戰思路。依據信息安全、技術規范等，對電力物聯產業進行升級，不斷提升信息安全系統的管理規范要求，結合設施操作的規范和密集度水平，確定安全保護系統流程，結合用戶信息安全隱私數據，分析確定不同的數據信息和密鑰標準要求，確保數據信息的真實準確，提升數據共享融合機制，確保數據的歸屬準確有效性。

6 結語

綜上所述，5G技術的發展對人類文明進步具有里程碑意義。尤其是在泛在電力物聯網的運行中，5G的應用更是有舉足輕重的作用。相關從業者應當不斷改善數據分析水平低等問題，不斷強化5G技術在泛在物聯網中的應用效果，以使得未來的“萬物互聯”成為可能。