5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在電力行業(yè)的應(yīng)用

易祖洋

（中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司 廣東省分公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

2020 年9 月22 日，習(xí)近平總書記在第75 屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上莊嚴(yán)宣布，中國(guó)立志在2030年之前將二氧化碳排放峰值控制在合理范圍內(nèi)，并爭(zhēng)取在2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)[1]。該承諾要求中國(guó)在從今往后很長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，對(duì)碳排放實(shí)施更為嚴(yán)格的控制措施。以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)承載著能源轉(zhuǎn)型的歷史使命，以新能源為未來供給主體、以保證電力能源安全可靠為基礎(chǔ)、以符合經(jīng)濟(jì)發(fā)展民生穩(wěn)定的電力供應(yīng)為首要目標(biāo)，5G 新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將支持電力能源領(lǐng)域設(shè)施的智能化，并支持傳統(tǒng)能源與新能源分配的商業(yè)模式，以提高設(shè)計(jì)、實(shí)施、交付、生產(chǎn)使用以及協(xié)調(diào)有限電力能源的效率。

1 5G 新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與新型電力系統(tǒng)綜述

近年來，國(guó)家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)一直推行信息化電網(wǎng)、智能化電網(wǎng)、數(shù)字化電網(wǎng)的建設(shè)，社會(huì)快速發(fā)展促使電力能源領(lǐng)域的用電與通信需求日益增加，只有基于穩(wěn)定、安全、高效的信息網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)才能為電力能源行業(yè)的發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。對(duì)于新型電力系統(tǒng)和堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)來說，5G 新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的核心用途就是為能源行業(yè)信息化、數(shù)字化發(fā)展以及智能化改造提升技術(shù)層面的可靠支撐。5G 技術(shù)與前代相比，能夠提供更快的網(wǎng)速、更低的延遲以及更好的網(wǎng)絡(luò)可靠性。毫米波技術(shù)使用高頻無線電波（24 GHz 以上），可以以高達(dá)10 Gb/s 的速度傳輸數(shù)據(jù)；大規(guī)模多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技術(shù)使用多個(gè)天線同時(shí)發(fā)射和接收數(shù)據(jù)，從而提高了網(wǎng)絡(luò)容量，擴(kuò)大了覆蓋范圍；網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)允許將網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)都有自己的服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）要求，能更有效的利用網(wǎng)絡(luò)資源和更好的管理流量。國(guó)際電信聯(lián)盟定義了5G 新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的8 大關(guān)鍵性能指標(biāo)，其中大帶寬、低時(shí)延、廣連接成為5G 最為顯著的特征，用戶下載速率高達(dá)1.0 Gb/s，空口時(shí)延低至1 ms，有效設(shè)備連接數(shù)目達(dá)到1 km2內(nèi)超過100 萬。5G 新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用將為電網(wǎng)和新型電力系統(tǒng)的發(fā)展帶來革命性的發(fā)展機(jī)會(huì)，成為支撐電力能源信息化、數(shù)字化發(fā)展以及智能化改善的關(guān)鍵管道保障。

2 5G 新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用

智能電網(wǎng)中典型業(yè)務(wù)的通信需求如表1 所示。選取輸變電和配電側(cè)3 大典型應(yīng)用場(chǎng)景具體分析，研究5G 在數(shù)字電網(wǎng)發(fā)、輸、變、配、用5 個(gè)環(huán)節(jié)中的需求體現(xiàn)、應(yīng)用調(diào)研以及落地案例。

表1 智能電網(wǎng)中典型業(yè)務(wù)的通信需求

2.1 無人機(jī)智能電網(wǎng)巡檢

近年來，隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，輸電線路網(wǎng)絡(luò)巡檢的安全性和準(zhǔn)確性已經(jīng)不再是一個(gè)長(zhǎng)期困擾電網(wǎng)運(yùn)維部門的難題。相比以往，現(xiàn)代化的無人機(jī)巡檢工具可以有效提高電網(wǎng)系統(tǒng)的安全性和準(zhǔn)確性，從而大大減少了對(duì)人力的需求，提升了電網(wǎng)系統(tǒng)的效率和可靠性。通過使用無人機(jī)，超高壓公司可以檢查高壓電線和其他基礎(chǔ)設(shè)施，不會(huì)將工作人員置于危險(xiǎn)之中。這在危險(xiǎn)或難以到達(dá)的地區(qū)尤其重要，如山區(qū)或人口稠密的城市地區(qū)。無人機(jī)巡檢的另一優(yōu)勢(shì)在于檢查期間可以收集大量的數(shù)據(jù)，包括圖像、視頻以及其他傳感器讀數(shù)，這些數(shù)據(jù)可以被分析，以確定電網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，使超高壓公司能夠?qū)S護(hù)和升級(jí)做出更明智的決定。使用無人機(jī)檢測(cè)5G 網(wǎng)絡(luò)切片的通信要求：（1）低延時(shí)，以確保無人機(jī)的實(shí)時(shí)控制和監(jiān)測(cè)；（2）大帶寬，以支持從無人機(jī)到控制中心的高質(zhì)量視頻與傳感器數(shù)據(jù)傳輸；（3）高可靠高安全的通信，以確保無人機(jī)與控制中心保持連接，數(shù)據(jù)傳輸不被中斷或破壞，具體如表2所示。使用5G 技術(shù)的超可靠低時(shí)延通信（ultra Reliable Low Latency Communication，uRLLC）網(wǎng)絡(luò)切片還能夠適應(yīng)無人機(jī)對(duì)時(shí)延、上下行帶寬的需求，使數(shù)據(jù)傳輸過程更安全。

表2 無人機(jī)巡檢網(wǎng)絡(luò)性能要求表

2.2 配電自動(dòng)化和三重遠(yuǎn)程控制

傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)依靠集中的發(fā)電設(shè)施，如火力發(fā)電廠或水力發(fā)電站來發(fā)電，然后通過高壓輸電線路傳輸?shù)阶冸娬荆罱K通過低壓配電線路分配給用戶[2]。然而，越來越多的可再生能源和分布式能源資源，如屋頂太陽能電池板和儲(chǔ)能系統(tǒng)，使得傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)正面臨新的挑戰(zhàn)，配電自動(dòng)化和三重遠(yuǎn)程控制并不是為了取代傳統(tǒng)的發(fā)電方式，而是為了提高配電系統(tǒng)的性能、效率以及可靠性。配電自動(dòng)化和三重遠(yuǎn)程控制使電力公司能夠更有效地監(jiān)測(cè)和控制配電網(wǎng)，減少停電的可能性，提高系統(tǒng)的復(fù)原力。通過使用自動(dòng)化三重遠(yuǎn)程控制，電力公司可以優(yōu)化其操作，減少人工干預(yù)和維護(hù)的需要，最大限度地減少了工作人員發(fā)生事故或受傷的風(fēng)險(xiǎn)，減少維護(hù)成本，并避免昂貴的停機(jī)時(shí)間；另一大優(yōu)勢(shì)是促進(jìn)可再生能源與電網(wǎng)的整合，幫助減少溫室氣體排放，實(shí)現(xiàn)更有彈性和可持續(xù)的能源未來發(fā)展。

實(shí)施配電自動(dòng)化和三重遠(yuǎn)程控制有幾個(gè)關(guān)鍵要求：（1）需要傳感器和測(cè)量設(shè)備收集配電系統(tǒng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，如電壓、電流和電能質(zhì)量，這些數(shù)據(jù)被用來監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并在出現(xiàn)異常情況時(shí)觸發(fā)自動(dòng)反應(yīng)；（2）需要遠(yuǎn)程控制設(shè)備來實(shí)現(xiàn)配電設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，如斷路器、開關(guān)和變壓器，這些設(shè)備可以對(duì)配電系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，提高可靠性和效率；（3）高安全性，隨著配電系統(tǒng)連接性和自動(dòng)化程度的提高，加密、防火墻以及入侵檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)于防止網(wǎng)絡(luò)威脅和攻擊至關(guān)重要。使用5G 技術(shù)的uRLLC 網(wǎng)絡(luò)切片可以很大程度滿足配電自動(dòng)化的要求，運(yùn)用低時(shí)延、高可靠性以及安全性等優(yōu)勢(shì)，讓配電自動(dòng)化和三重遠(yuǎn)程控制具有更好的快速性、靈敏性以及選擇性。配電自動(dòng)化及三重遠(yuǎn)程控制的網(wǎng)絡(luò)性能要求如表3 所示

表3 配電自動(dòng)化及三重遠(yuǎn)程控制的網(wǎng)絡(luò)性能要求

2.3 毫秒級(jí)的精確負(fù)載控制

由于生產(chǎn)負(fù)荷過載引發(fā)的小規(guī)模、小范圍停電，通過過高負(fù)載導(dǎo)致雪崩效應(yīng)會(huì)引發(fā)大規(guī)模、大范圍停電，是電網(wǎng)側(cè)的傳輸痛點(diǎn)之一。隨著生產(chǎn)生活用電需求不斷增加，將會(huì)有更多發(fā)電企業(yè)投入電網(wǎng)側(cè)保供中，數(shù)字電網(wǎng)的5G+負(fù)載控制可以有效解決生產(chǎn)生活用電需求。毫秒級(jí)負(fù)載控制可以靈活管理用戶的可中斷載荷，精準(zhǔn)控制生產(chǎn)對(duì)象內(nèi)部的可中斷載荷，不僅滿足電網(wǎng)側(cè)緊急情況下的應(yīng)急管理需求，有效管理用電側(cè)的各類用戶，而且可以調(diào)優(yōu)可中斷負(fù)荷，將經(jīng)濟(jì)社會(huì)影響降至最低。傳統(tǒng)配網(wǎng)側(cè)由于缺少5G 通信技術(shù)的支持，中斷負(fù)荷手段不夠柔性，一般情況下只能斷聯(lián)整條配電路線。毫秒級(jí)精準(zhǔn)負(fù)荷控制用例對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的要求如下：（1）超低時(shí)延，以毫秒為單位，可以快速響應(yīng)不斷增長(zhǎng)的需求；（2）高可靠性，高達(dá)99.999%，以確保在需要時(shí)可以立即操作設(shè)備和機(jī)器；（3）強(qiáng)安全性；（4）多設(shè)備連接，數(shù)十萬個(gè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)精確負(fù)載控制。從業(yè)務(wù)影響、用戶體驗(yàn)等角度出發(fā)，通過5G 新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)uRLLC 切片實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，從而減少對(duì)各類用戶的影響，優(yōu)先切斷可中斷的非實(shí)時(shí)性重要負(fù)荷。精準(zhǔn)負(fù)荷控制的網(wǎng)絡(luò)性能要求如表4 所示。

表4 精準(zhǔn)負(fù)荷控制的網(wǎng)絡(luò)性能要求

3 5G 新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在可再生能源整合中的應(yīng)用

以新能源為核心的電力系統(tǒng)建設(shè)不斷向前邁進(jìn)，光伏、風(fēng)電發(fā)電等可再生能源逐步成為未來新型電力系統(tǒng)的主要能源形式。5G 網(wǎng)絡(luò)有望在可再生能源納入電網(wǎng)方面發(fā)揮重要作用，具體如下：（1）智能電網(wǎng)管理，5G 網(wǎng)絡(luò)用于監(jiān)測(cè)與管理電網(wǎng)中的能量流動(dòng)，可以快速識(shí)別和應(yīng)對(duì)問題，使得優(yōu)化可再生能源的分配和消費(fèi)成為可能；（2）對(duì)可再生能源系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，這在可能難以接入可再生能源系統(tǒng)的偏遠(yuǎn)地區(qū)尤其重要；（3）創(chuàng)建虛擬發(fā)電廠，將可再生能源系統(tǒng)作為一個(gè)單一實(shí)體進(jìn)行連接與管理，能夠提高可再生能源系統(tǒng)的可靠性和效率。5G 網(wǎng)絡(luò)有可能徹底改變可再生能源與電網(wǎng)的整合，優(yōu)化可再生能源的分配和消費(fèi)，減少碳排放。

4 電力物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)概念與特點(diǎn)

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（International Organization for Standardization，ISO）/國(guó)際電工委員會(huì)（International Electro Technical Commission，IEC）定義物聯(lián)網(wǎng)為一種人、物、信息資源和系統(tǒng)互聯(lián)的基礎(chǔ)設(shè)施，結(jié)合智能服務(wù)，使其能夠處理物理和虛擬世界的信息并做出響應(yīng)[3]。電力物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電力行業(yè)的一種新型應(yīng)用方式，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)相連，可以與其他設(shè)備和系統(tǒng)通信，通過在傳統(tǒng)電力設(shè)備上配備各種傳感器，能夠全面收集溫度、濕度以及位置等各種數(shù)據(jù)，在不需要人為干預(yù)的情況下可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)編程設(shè)備的具體執(zhí)行程序，還能根據(jù)連接的設(shè)備數(shù)量進(jìn)行擴(kuò)展，從而有可能容納數(shù)以百萬計(jì)的設(shè)備[4]。電力物聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)人與各種電力設(shè)備的實(shí)時(shí)連接，從而使電力生產(chǎn)、傳輸和消費(fèi)的各個(gè)環(huán)節(jié)都可以被完整監(jiān)測(cè)與管理，并且可以實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的全面滲透[5]。

5 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電網(wǎng)中的典型應(yīng)用特征

（1）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。物聯(lián)網(wǎng)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采集電力系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)數(shù)據(jù)信息，基于采集的數(shù)據(jù)維持系統(tǒng)運(yùn)行和執(zhí)行特定功能。電力設(shè)備的種類和用途繁多，而且分布范圍較為廣泛，因此物聯(lián)網(wǎng)需要高精度、高信噪比、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膫鞲屑夹g(shù)作為支撐。

（2）高效信息處理。當(dāng)前，電網(wǎng)公司的日數(shù)據(jù)采集增量超過了60 TB，由于不同系統(tǒng)之間缺乏數(shù)據(jù)共享，造成了“數(shù)據(jù)孤島”的現(xiàn)狀。在建設(shè)電力物聯(lián)網(wǎng)的過程中，將制定統(tǒng)一的通信協(xié)議、接口和數(shù)據(jù)格式，支持適配各類智能物聯(lián)網(wǎng)終端，充分發(fā)揮數(shù)據(jù)共享價(jià)值。同時(shí)，引入邊緣計(jì)算技術(shù)，增強(qiáng)邊緣側(cè)的數(shù)據(jù)處理能力；再輔以數(shù)據(jù)清洗技術(shù)，剔除錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，能有效減輕主站和云端數(shù)據(jù)的處理壓力，降低通信網(wǎng)絡(luò)的信息承載量。

（3）應(yīng)用靈活便捷。5G 應(yīng)用于分布式電網(wǎng)調(diào)度和精準(zhǔn)負(fù)荷控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)智慧電網(wǎng)運(yùn)作狀態(tài)和數(shù)據(jù)信息的毫秒級(jí)數(shù)據(jù)回傳與終端管理，幫助用戶及時(shí)觀察、監(jiān)督和控制電網(wǎng)運(yùn)行的實(shí)際情況[6]；基于5G+大數(shù)據(jù)分析的新型電力系統(tǒng)管理與多維運(yùn)行，有助于提升電網(wǎng)經(jīng)營(yíng)績(jī)效，促進(jìn)可再生能源的有序消納；數(shù)據(jù)開放共享，多方共建電力物聯(lián)網(wǎng)，可促進(jìn)能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，推動(dòng)綜合能源系統(tǒng)協(xié)調(diào)建設(shè)。

6 結(jié) 論

5G 通信技術(shù)將重塑未來生活方式，也將重塑電力與能源系統(tǒng)。以5G 通信的特點(diǎn)和技術(shù)指標(biāo)為基礎(chǔ)，從智能電網(wǎng)、可再生能源整合2 大領(lǐng)域分析了5G 通信技術(shù)在電力系統(tǒng)的核心應(yīng)用場(chǎng)景。5G 新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將會(huì)驅(qū)動(dòng)整體行業(yè)的發(fā)展，增益能源科技進(jìn)步，是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”關(guān)鍵目標(biāo)的基礎(chǔ)性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在未來智慧電網(wǎng)的建設(shè)中將起到關(guān)鍵性的支撐作用。