5G技術(shù)在電力系統(tǒng)新能源接入中的應(yīng)用研究

金 萍，楊 貴，王 焰

（1.中國移動江蘇分公司，江蘇 南京 211100；2.南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211100）

0 引言

隨著2019年5月3GPP組織完成5G R15標(biāo)準(zhǔn)最終版本凍結(jié)［1］，全球正式拉開了4G 到5G 網(wǎng)絡(luò)升級的序幕，國內(nèi)首先在北京、上海等地進(jìn)行了NSA商用推廣，R15 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了eMBB（enhanced Mobile Broadband，增強(qiáng)移動寬帶）場景的應(yīng)用。eMBB 較4G 具有更加優(yōu)異的網(wǎng)絡(luò)性能，傳輸帶寬、移動接入能力等方面提升顯著，為基于大流量的無線視頻、VR 等業(yè)務(wù)的興起提供了網(wǎng)絡(luò)通道。2020年6月3GPP組織完成5G R16標(biāo)準(zhǔn)最終版本凍結(jié)［1］，R16 標(biāo)準(zhǔn)主要定義了uRLLC（Ultra Reliable Low Latency Communications，超可靠低延遲通信）的應(yīng)用場景，R16 標(biāo)準(zhǔn)面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，引入新技術(shù)支持1 μs同步精度、0.5 ms～1 ms空口時延、“六個九”可靠性和靈活的終端組管理，最快可實現(xiàn)5 ms以內(nèi)的端到端時延和更高的可靠性，提供支持工業(yè)級時 間 敏 感 業(yè) 務(wù) 應(yīng) 用［1-2］。2022 年6 月 完 成mMTC（massive Machine Type Communications，大規(guī)模機(jī)器類型通信），主要面向海量設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)接入場景，適用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景。

國內(nèi)5G目前已由NSA（Non-Standalone，非獨立組網(wǎng)）轉(zhuǎn)為SA（Standalone，獨立組網(wǎng)）網(wǎng)絡(luò)，基站建設(shè)數(shù)量超過100 萬［3］，5G 用戶超過2.8 億。國際上美國、歐洲、日本、韓國等發(fā)達(dá)國家均實現(xiàn)了5G 商用并投入大量資源進(jìn)行5G推廣應(yīng)用。

1 新能源接入對電力系統(tǒng)的影響

隨著雙碳目標(biāo)的設(shè)定，清潔能源在電力系統(tǒng)中的占比成爆發(fā)性的增長，電網(wǎng)整體結(jié)構(gòu)逐步由集中發(fā)電模式向分散小微發(fā)電轉(zhuǎn)變，由于小微發(fā)電具有分散性，發(fā)電容量小等特點。例如屋頂光伏容量往往僅夠滿足本樓用戶部分供電需求，且存在間歇性，小微發(fā)電的出現(xiàn)使得電網(wǎng)架構(gòu)不再是簡單的發(fā)->輸->配->用的架構(gòu)，發(fā)電、用電在地域上在一起，無法按照當(dāng)前發(fā)電廠和變電站的運維管理模型，對數(shù)量眾多、地域分散的小微發(fā)電系統(tǒng)按傳統(tǒng)發(fā)電模式進(jìn)行控制，眾多小微發(fā)電系統(tǒng)的綜合協(xié)調(diào)控制成為當(dāng)前必須解決的問題。解決這一問題需要對電力系統(tǒng)的調(diào)度運行、三道防線等做出改變，從而對電力系統(tǒng)帶來深刻的影響，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

新能源發(fā)電系統(tǒng)對通信網(wǎng)絡(luò)提出了新的需求，由于小微發(fā)電的分散性，繼續(xù)采用傳統(tǒng)電廠、變電站通過電力專用MSTP回傳網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)信息收集管理的模式將導(dǎo)致有線網(wǎng)絡(luò)規(guī)模爆發(fā)式擴(kuò)充，導(dǎo)致各項成本過高，不符合推廣應(yīng)用初衷。因此，必須采用新型的通信方式和管理模式。

新能源發(fā)電系統(tǒng)對安全接入提出了新的需求，小微光伏發(fā)電利用商業(yè)樓或居民樓的屋頂作為發(fā)電場地，發(fā)電和用電就地完成。當(dāng)采用新型通信方式時間管理時，傳統(tǒng)電廠的安全接入方案將不再適用，必須研究新的符合安全接入規(guī)范要求的安全接入方案。

新能源發(fā)電系統(tǒng)對負(fù)荷控制精度提出了新的需求，傳統(tǒng)電廠發(fā)電規(guī)模大，發(fā)電集中，當(dāng)前的負(fù)荷控制僅需要實現(xiàn)純粹的負(fù)荷部分切除等操作即可，切除顆粒較大，不需要細(xì)化到每個用戶［4］。而在小微發(fā)電場景下，供電和發(fā)電不再存在明顯的界限，發(fā)電后就地用電銷納，導(dǎo)致負(fù)荷控制必須考慮每個終端用戶的供電能力和用電能力，這也就導(dǎo)致負(fù)荷控制必須進(jìn)行更加精細(xì)的控制之外，還必須同時考慮小微發(fā)電的特點，確保供電穩(wěn)定。

新能源發(fā)電系統(tǒng)對配電可靠性要求進(jìn)一步提高，在用電可靠性要求逐年提升的背景下，小微發(fā)電的出現(xiàn)，無疑是對供電可靠性的極大挑戰(zhàn)［5］。首先，小微發(fā)電的間歇性和分散性導(dǎo)致電網(wǎng)穩(wěn)定控制難度增加，必須增加儲能設(shè)備等來進(jìn)行補(bǔ)償，其次，配網(wǎng)線路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，T接現(xiàn)象極其普遍，且較大部分的配電線路沒有有線通信能力，如何實現(xiàn)配電故障的快速切除和故障恢復(fù)是提升供電可靠性的一個重要課題。

為了解決雙碳目標(biāo)下電網(wǎng)整體結(jié)構(gòu)變化帶來的新挑戰(zhàn)，下面將從解決小微發(fā)電的通信、安全、負(fù)荷控制和供電穩(wěn)定性等方面分別進(jìn)行分析研究，并進(jìn)行實驗驗證。

2 新能源電力系統(tǒng)的通信需求分析

小微發(fā)電主要由屋頂光伏、小型風(fēng)電、小型光伏、小型水電、生物發(fā)電等清潔能源作為初始能源進(jìn)行電力生產(chǎn)，與傳統(tǒng)發(fā)電比較，新型發(fā)電具有地理位置分散、發(fā)電容量小、供用電混合等特點，無法繼續(xù)使用電力傳統(tǒng)的傳輸網(wǎng)加有線路由通信方式進(jìn)行管理。有線通信方式首先需要解決光纖鋪設(shè)問題，存在地域分散、建筑密集場景施工困難等情況，導(dǎo)致成本過高，建設(shè)周期長等問題。因此，研究適用于清潔能源領(lǐng)域的無線通信是解決清潔能源通信的關(guān)鍵。5G 作為新型的蜂窩移動通信技術(shù)，是目前無線通信技術(shù)中唯一能夠同時滿足大流量業(yè)務(wù)和高可靠低延時業(yè)務(wù)等應(yīng)用場景的無線技術(shù)［5］，與清潔能源運維管理需求非常契合。

傳統(tǒng)組網(wǎng)架構(gòu)（如圖1）中，變電站通過縱向加密接入到電力專用傳輸網(wǎng)中，通過傳輸網(wǎng)與主站端直接通信，由于變電站規(guī)模大、數(shù)量相對較少、重要性高，采用專用傳輸網(wǎng)接入方式的可行性已在事件中得到了廣泛的驗證［6］。

圖1 傳統(tǒng)組網(wǎng)架構(gòu)圖Fig.1 Traditional networking architecture

新能源組網(wǎng)（如圖2）涉及到更多的小微發(fā)電區(qū)域接入，具有規(guī)模小且分布零散的特點，無法繼續(xù)沿用變電站成熟的組網(wǎng)方案，已不再具備采用有線接入的可行性，因此，采用5G 蜂窩通信方式是當(dāng)前可行的組網(wǎng) 方案［7-8］。

圖2 新能源組網(wǎng)架構(gòu)圖Fig.2 New energy networking architecture

采用5G 進(jìn)行小微新能源發(fā)電系統(tǒng)組網(wǎng)必須符合通道性能和電網(wǎng)安全接入相關(guān)規(guī)范要求，因此，在接入安全區(qū)時必須通過隔離裝置進(jìn)行安全防護(hù)。不同業(yè)務(wù)的安全接入要求存在差異，例如，控制類業(yè)務(wù)要求必須通過縱密進(jìn)行接入，監(jiān)視類業(yè)務(wù)只要滿足通道安全即可。

不同業(yè)務(wù)通道有不同性能要求，新能源接入涉及到自動化業(yè)務(wù)、精確負(fù)荷控制業(yè)務(wù)、保護(hù)業(yè)務(wù)、計量業(yè)務(wù)等等，每種業(yè)務(wù)對通道的性能要求存在差異，同時業(yè)務(wù)安全要求也存在差異，例如，自動化業(yè)務(wù)對延時不敏感，采用優(yōu)先級進(jìn)行通道劃分即可滿足要求；精確負(fù)荷控制業(yè)務(wù)對延時較敏感，使用FLEX-E 通道可滿足業(yè)務(wù)需求；控制類業(yè)務(wù)安全要求要高于監(jiān)視類業(yè)務(wù)。

因此，采用5G通道承載電力業(yè)務(wù)必須首先滿足各種業(yè)務(wù)的性能指標(biāo)要求。如圖3 所示，控制類業(yè)務(wù)延時、可靠性要求較高；自動化類業(yè)務(wù)延時、可靠性要求適中；管理類業(yè)務(wù)對延時、可靠性要求較低；視頻類業(yè)務(wù)對帶寬需求較大。

圖3 5G承載業(yè)務(wù)分類Fig.3 5G service-carrying classification

5G作為新型蜂窩組網(wǎng)技術(shù)，采用不同的關(guān)鍵技術(shù)理論上能夠滿足以上業(yè)務(wù)的不同需求。

3 5G關(guān)鍵技術(shù)

3.1 網(wǎng)絡(luò)切片

通過FLEX-E、優(yōu)先級等技術(shù)將物理網(wǎng)絡(luò)切分成多個虛擬網(wǎng)絡(luò)，通過時延、帶寬、安全性、可靠性來劃分不同的網(wǎng)絡(luò)，以適應(yīng)不同的場景［9］。通過網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)在一個獨立的物理網(wǎng)絡(luò)上切分出多個邏輯網(wǎng)絡(luò)，從而避免了為每一個服務(wù)建設(shè)一個專用的物理網(wǎng)絡(luò)，大大降低了網(wǎng)絡(luò)部署成本。

在同一個5G網(wǎng)絡(luò)上，針對電力系統(tǒng)不同的業(yè)務(wù)特點把網(wǎng)絡(luò)切片為實時通道業(yè)務(wù)（例如差動保護(hù)）、視頻業(yè)務(wù)（無人機(jī)、機(jī)器人、AR、VR、視頻攝像頭等回傳的高清視頻流）、三遙業(yè)務(wù)等多個不同的網(wǎng)絡(luò)，不同切片的網(wǎng)絡(luò)在帶寬、可靠性能力上提供不同的保證。切片技術(shù)解決了4G 網(wǎng)絡(luò)對不同需求的業(yè)務(wù)只能提供相同的服務(wù)質(zhì)量，從而導(dǎo)致很多業(yè)務(wù)變得不可控的問題。

3.2 邊緣計算

在靠近終端設(shè)備或數(shù)據(jù)源頭的一側(cè)，采用網(wǎng)絡(luò)、計算、存儲、應(yīng)用等核心能力為一體的開放平臺，就近提供服務(wù)［10］。其應(yīng)用在邊緣側(cè)發(fā)起，提供更快的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)響應(yīng)，滿足行業(yè)在實時業(yè)務(wù)、應(yīng)用智能、安全與隱私保護(hù)等方面的基本需求。5G要實現(xiàn)低時延，如果數(shù)據(jù)都是要到云端和服務(wù)器中進(jìn)行計算機(jī)和存儲，再把指令發(fā)給終端，由于經(jīng)過的環(huán)節(jié)多，無法實現(xiàn)低時延。邊緣計算是要在基站上建立計算和存儲能力，在最短時間內(nèi)完成計算，發(fā)出指令。

3.3 空口切片

通過將空口帶寬進(jìn)行合理分配，預(yù)留一定的空口資源作為重要業(yè)務(wù)的保留空口資源來確保業(yè)務(wù)的傳輸性能。當(dāng)空口資源充足時，業(yè)務(wù)可以使用全部的空口資源，當(dāng)空口資源緊張時，重要業(yè)務(wù)可使用預(yù)留資源來確保傳輸性能。該技術(shù)有效解決了空口傳輸抖動大，延時不穩(wěn)定等問題，使延時敏感業(yè)務(wù)能夠使用5G傳輸成為可能。

4 新能源電力系統(tǒng)的5G承載業(yè)務(wù)

4.1 自動化業(yè)務(wù)

自動化業(yè)務(wù)主要包含遙測、遙信等信息采集和遙控命令，通過信息采集監(jiān)視運行設(shè)備的當(dāng)前工作情況及新能源系統(tǒng)的運行狀態(tài)，遙控命令調(diào)節(jié)新能源系統(tǒng)的運行，實現(xiàn)故障消除、輸出功率調(diào)節(jié)等［11］。以上業(yè)務(wù)對傳輸實時性要求適中，遙控命令對信息傳輸安全性、可靠性要求較高，必須使用加密通過傳輸，因此，采用5G eMBB 進(jìn)行傳輸可滿足業(yè)務(wù)通信指標(biāo)要求，遙控命令傳輸需要額外配置加密設(shè)備進(jìn)行加密傳輸。

4.2 精確負(fù)荷控制業(yè)務(wù)

精確負(fù)荷控制業(yè)務(wù)實現(xiàn)了發(fā)用電的精確控制，通過負(fù)荷輪切方式控制電網(wǎng)的供用電穩(wěn)定。精確切負(fù)荷業(yè)務(wù)系統(tǒng)一般部署在變電站控制子站，由傳輸網(wǎng)或5G網(wǎng)絡(luò)及專用通道設(shè)備構(gòu)成的通道設(shè)備及終端執(zhí)行設(shè)備幾部分組成，精確切負(fù)荷業(yè)務(wù)的通道傳輸時間一般要求控制在50 ms以內(nèi)［12-13］。通道設(shè)備與終端執(zhí)行設(shè)備之間可采用5G、光纖等聯(lián)通，由于精確負(fù)荷控制業(yè)務(wù)采用私有規(guī)約，具有較好的安全性，同時出于延時考慮，一般不再考慮進(jìn)行報文加密。

4.3 保護(hù)類業(yè)務(wù)

保護(hù)類業(yè)務(wù)實現(xiàn)了就地一次設(shè)備故障切除功能，保護(hù)裝置通過計算本地和對端的電壓電流變化判斷保護(hù)區(qū)域內(nèi)是否存在異常，實現(xiàn)快速故障切除，通常采用過流保護(hù)、差動保護(hù)、縱聯(lián)保護(hù)等［14-15］。采用差動保護(hù)時需要接收對側(cè)的電壓電流信號，要求延時越小越好，延時越小保護(hù)動作越快［16］，由于無線通信延時無法達(dá)到有線的延時水平，因此，一般要求無線通道延時在10 ms以內(nèi)為較好，50 ms以內(nèi)也可以接受，這主要取決于保護(hù)動作時間要求。5G 的uRLLC 通道能夠較好地滿足該業(yè)務(wù)的需求［17］。

4.4 視頻監(jiān)視業(yè)務(wù)

視頻類業(yè)務(wù)主要用于現(xiàn)場監(jiān)視，具有帶寬大、對延時要求不高的特點［18-19］，通過視頻監(jiān)視現(xiàn)場一二次設(shè)備的運行情況，可以方便地了解現(xiàn)場設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)，是運維手段提升的重要途經(jīng)，采用5G的eMBB通道可以很好地滿足該項業(yè)務(wù)的需求。

4.5 信息采集業(yè)務(wù)

通過部署大量的傳感器進(jìn)行現(xiàn)場設(shè)備運行工況、現(xiàn)場運行環(huán)境的采集，該項業(yè)務(wù)由于終端采集設(shè)備數(shù)量眾多，對通道延時和帶寬要求不高，采用mMTC通道進(jìn)行連接優(yōu)勢明顯。

4.6 遠(yuǎn)程專家診斷業(yè)務(wù)

目前電力系統(tǒng)普遍采用檢修人員直接到現(xiàn)場處理故障的方式進(jìn)行消缺。當(dāng)出現(xiàn)現(xiàn)場故障時，運維人員根據(jù)故障情況預(yù)先判斷需要哪些專業(yè)的專家一起到現(xiàn)場去排查問題，一般會涉及到保護(hù)設(shè)備廠家、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠家及相關(guān)設(shè)備的歸口部門共同前往故障現(xiàn)場。由于設(shè)備廠家一般不在本地，考慮到本地售后服務(wù)人員數(shù)量有限，特別專業(yè)的問題必須廠家研發(fā)人員趕到現(xiàn)場，導(dǎo)致處理故障一般都在兩天以上，考慮人員的交通費用，電力局檢修車輛費用等，處理問題成本較高。

遠(yuǎn)程專家診斷系統(tǒng)（如圖4）通過5G網(wǎng)絡(luò)作為信息傳輸?shù)耐ǖ溃?G 的大帶寬、低延時特性將現(xiàn)場運維人員通過高清攝像頭采集的實時視頻流信息發(fā)送給遠(yuǎn)端的專家，遠(yuǎn)程專家與本地運維人員具有相同的視頻信息和現(xiàn)場采集的各種實時狀態(tài)信息，猶如身臨其境。遠(yuǎn)程專家協(xié)助現(xiàn)場運維人員進(jìn)行問題分析排查。遠(yuǎn)程專家診斷系統(tǒng)的另一個作用是通過現(xiàn)場的巡檢機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程問題分析，當(dāng)需要運維人員前往現(xiàn)場消缺時再去現(xiàn)場，達(dá)到進(jìn)一步提升運維效率的目的。

圖4 遠(yuǎn)程專家診斷Fig.4 Remote expert diagnosis

4.7 無人機(jī)/機(jī)器人巡檢業(yè)務(wù)

目前風(fēng)電場和光伏站等均采用值班人員定時巡檢的方式對變電站內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行人工巡視［20］，由于風(fēng)電場和光伏電站占地面積大，人工巡檢周期長、效率低下，且巡視人員疲勞度很高，容易出現(xiàn)巡視疏漏。根據(jù)光伏電站和風(fēng)電場自身特點，可采用基于5G的機(jī)器人或無人機(jī)方式進(jìn)行巡檢（如圖5）。基于5G實現(xiàn)信息回傳具有實時性高、傳輸帶寬大的特點，完全能夠滿足實時高清視頻流的回傳，結(jié)合遠(yuǎn)程控制可以實現(xiàn)對無人機(jī)和機(jī)器人的遠(yuǎn)程互動，在提升運維效率和可靠性的同時，降低了人員的巡檢強(qiáng)度，提升了新能源的整體水平。

圖5 無人機(jī)、機(jī)器人巡檢Fig.5 UAV and robot patrol inspection

5 結(jié)語

5G技術(shù)的推廣應(yīng)用是新能源接入的重要手段，但也存在一定的技術(shù)難題需要解決，主要包括電力業(yè)務(wù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)安全問題、實時性要求高的保護(hù)控制類業(yè)務(wù)要求傳輸延時低且延時穩(wěn)定問題等。目前，通過FLEX-E、UPF、空口資源預(yù)留等技術(shù)大大地提升了5G 網(wǎng)絡(luò)的使用范圍，在電力系統(tǒng)自動化業(yè)務(wù)、視頻監(jiān)視、遠(yuǎn)程運維、信息采集等業(yè)務(wù)上可以廣泛推廣應(yīng)用。5G 技術(shù)在保護(hù)類業(yè)務(wù)等時間敏感業(yè)務(wù)方面仍有提升空間，同時網(wǎng)絡(luò)安全問題是在電力系統(tǒng)內(nèi)廣泛推廣無線通信技術(shù)的重大挑戰(zhàn)，當(dāng)前采用的安全接入?yún)^(qū)方案無法滿足時間敏感類業(yè)務(wù)的應(yīng)用需求。為了進(jìn)一步拓展5G 的使用范圍，還需要在5G 網(wǎng)絡(luò)安全和低延時方面的研究突破，來滿足電力系統(tǒng)各種業(yè)務(wù)的應(yīng)用需求。