基于物聯網和5G 技術的智慧電力平臺研究

包 震

（國網江蘇省電力有限公司淮安供電分公司，江蘇 南京 223001）

0 引 言

電力系統是現代化社會不可或缺的基礎設施，已發展為一項系統化且高度復雜的系統。電力企業對電力系統運行、監測、預警以及信息化等方面提出了極高的要求。在智能電網技術的推動下，智慧電力系統得到了快速發展，成為現代化電力系統的核心部分，被廣泛應用于電力領域[1]。智慧電力平臺實現了智能化監測、自動化分析、預測以及智能控制等多種功能，提高了電力系統的可靠性、穩定性、安全性以及經濟性，解決了以往能源采集分布式控制存在的部分問題。相較于傳統的電力系統，智慧電力系統可通過網絡將電力設備實時信息轉發至智慧電力平臺，從而實現監測、預測以及故障診斷等多種智能化服務，為消費者和電力生產商提供全新的技術支撐和解決方案。

智慧電力平臺是智慧電力系統不可或缺的技術支撐體系，能夠為電力系統的穩定運行、實現全面協調發展以及推進電力系統朝著智能、綠色、可持續化的方向發展發揮重要的作用。未來，隨著技術的不斷發展和智慧電力系統的不斷完善，智慧電力平臺將發揮越來越重要的作用。

1 物聯網、5G 技術與電力系統

1.1 物聯網技術

電力物聯網技術指通過物聯網技術智能化、網絡化和信息化改造電力系統，以實現電力系統的智能化和高效化運營。其優點主要如下：一是可靠性和穩定性強，電力物聯網技術可以實時監測電力設備、線路和變電站等的運行狀態，及時發現故障和異常情況，并且通過自動化控制和預測維護等功能，實現快速響應，從而增強電力系統的可靠性和穩定性；二是能源效率高，電力物聯網技術可以實時監控電力負荷，根據實時負荷狀況合理分配和調整電力資源，避免出現能源浪費和限電現象，提高能源效率；三是經濟性提升，電力物聯網技術可以降低電力系統運營和維護成本，通過預測性維護和智能化能源管理，實現電力系統的高效運行和節能降耗，從而提高經濟性；四是環保節能，電力物聯網技術可以實現綠色能源和清潔能源的智能調度和管理，從而實現保護環境和節能降耗的目標[2]。

1.2 5G 技術

5G 技術是一種符合新一代移動通信標準的技術，與之前的3G 和4G 技術相比，其在電力系統中應用具有廣泛的優越性。5G 技術具體優點如下：一是低時延，5G 網絡的延遲只有毫秒級別，這意味著數據傳輸速度非?？?，并且延遲非常低，這對電力系統中需要即時反應和實時控制的應用非常重要；二是大連接，5G 技術可以實現數百萬臺設備的連接，因此電力系統中不同種類的設備和系統都可以實現全面的互聯；三是高可靠性，5G 網絡具有高可靠性，這意味著5G 技術在電力系統中能夠提供強有力的數據通信保證；四是高帶寬，5G 技術提供了更高的帶寬，這意味著更多的數據可以通過網絡進行傳輸，使智能化電力設備擁有更高效的響應時間；五是分層結構，5G 技術采用了分層結構的設計，在不同的網絡層可以實現不同的網絡服務，更好地適應電力系統中不同種類的服務需求[3]。

1.3 電力系統

電力系統是由發電、輸電、變電、配電以及用電等環節組成的電能傳輸系統。我國電力市場的主要供應公司是國家電網有限公司和中國南方電網有限責任公司。電力應用涉及各行各業，一般包括企業和大量的個人用戶。電力輔助企業的主體是電力設計、建設、設備制造等企業。電力系統具有強烈的非線性、時變、多元性，其長距離輸電還涉及電力損耗和電磁干擾等問題[4]。因此，電力系統的建設和運行需要多學科的綜合應用，對于保障國家經濟、環保、安全以及可持續發展具有重要作用。

2 新時代下電力行業的需求與痛點

2.1 多層次網絡控制需要

電力網絡控制系統是一個多層次的網絡系統，重要的網絡層次包括國家層面、中間層面以及業務層面。對于不同的網絡層次，為兼顧國家和業務需要，電力網絡控制系統需要做出不同的調整，具體如下。一是國家層面，對整個電力系統進行統一的協調和規劃。例如，根據國家政策，需要對電力系統在能源、環保、安全以及可持續發展方面進行統一規劃和管理，實現節能減排和優化調度等目標。二是中間層面，包括各電力企業之間的網絡層次。在該層面，需要兼顧各電力企業的業務需求。例如，不同電力企業之間需要進行數據共享，需要建立一套安全可靠的數據傳輸機制，實現數據共享和信息交換。三是業務層面，包括各電力企業下屬各級網絡系統。在該層面，需要兼顧各級網絡系統的業務需求。例如，需要實時監測和控制各級網絡系統內的設備和傳感器等，實現電力系統的快速響應和資源調度。

電力網絡控制系統的多重網絡層次需要兼顧國家和業務的需要，建立一套安全可靠的電力網絡控制體系，強化各網絡層次之間的溝通和協作，以實現電力系統的高效運行和長期穩定。

2.2 傳統物聯網網卡不能滿足電力系統業務升級的需要

隨著電力系統的數字化、智能化和網絡化發展，網絡通信在電力系統中扮演著越來越重要的角色。然而，傳統的電力物聯網網卡存在一些不足，不能完全滿足電力系統業務升級的需求，主要表現在以下幾個方面：一是性能瓶頸，網卡的帶寬和速率有限，已經無法滿足高速和大容量數據的傳輸需求；二是安全性低，傳統網卡容易遭受黑客攻擊和病毒感染，導致電力系統的安全風險增加；三是可靠性差，傳統網卡容易出現故障，導致通信中斷和數據丟失[5]。因此，需要開發新一代的電力物聯網網卡，該網卡需要具備高速、安全、可靠等特性，以滿足電力系統業務升級的需求。同時，需要加強電力系統網絡架構的設計和優化，建立安全可靠的電力網絡體系，以保障電力系統的穩定運行和可持續發展。

2.3 高效處理和分析數據

傳統電力業務中心無法實時統計、分析和處理電力系統的業務數據。受限于信息傳輸速率和連接數量，控制中心無法實現大容量數據的快速傳輸，物聯網技術的應用也相對較少，無法實現電力與信息的深度融合，這成為控制中心無法實時統計、分析和處理數據的主要因素。此外，由于電力系統的數據種類繁多且格式不一，為了實時進行分析處理以滿足業務需求，必須采用高效的數據處理技術，如大數據和人工智能技術。為解決該問題，需要加快推進電力系統網絡基礎設施的升級和改造，采用先進的通信技術和物聯網技術，提高系統的帶寬和速率，同時引入大數據和人工智能技術，建立智能化的電力數據處理和分析系統，推動電力系統的數字化和智能化升級。

3 智慧電力平臺的具體應用場景

智慧電力平臺有3大實現電力系統數字化的方式。一是使用泛在感知、高速通信和平臺存儲技術，實現對電力設備資產全方位、高精度、及時的監測，并通過多維數據動態監控和診斷電力設備的全生命周期，廣泛感知各類電力場景。二是智能分析，通過分析預測和模擬反饋，支持基于現有系統的運營優化和系統控制的決策，實現各類電力場景的智能識別和分析。三是數字化自治，通過建立在跨系統和跨模塊數據交互基礎上的高度智能化運行模式，實現智能治理。智慧電力平臺主要應用于以下4 個典型場景。

3.1 智慧發電典型場景

在發電領域，智慧電力平臺的應用范圍十分廣泛，包括基礎設施、安全、運營、燃料、設備、材料、運營以及辦公等多個方面。該背景下，文章提出2 種典型的應用場景，具體如下。

（1）建立信息支持平臺。該平臺應包括數據集成、數據挖掘、數據管理、數據服務、4A 標準化管理以及流程管理等7 大模塊[6]。該平臺應滿足手機與手機之間的兼容要求，并將其整合在一起，以提供更加便捷的服務。同時，采用虛擬電廠和數字孿生技術，建設三維可視化平臺，高精度和高仿真三維建模變電站，為智能安全管理等智能化應用提供可視化和數字化的支持平臺。

（2）實現智能管理。智能管理涉及基礎設施、安全、運營、燃料、設備、材料、運營以及辦公等方面。新能源如風力和太陽能等，與電力系統結合后將使電力系統由單一供電向多供電轉變。智能發電通過5G 網絡和巡檢機器人等設備實現對風電和太陽能等新能源的智能監控，并對風電機組進行智能監控和調速，有利于提高風電和太陽能的發電能力，提高運行效果，減少運行費用。在充分考慮行業要求的基礎上，采用先進的技術手段和方案，不斷提高智慧電力平臺的應用價值，為電力行業的發展注入新的活力。

3.2 智慧輸電典型場景

智慧輸電場景可以分為2 個主要部分，即智慧監控和狀態監控。智慧監控需要實地檢測輸電設備和線路，并根據情況分析、掌握和排除潛在的安全隱患。為了提高巡檢效率，需要設計一鍵釋放、多模式組合及自動持續的立體巡邏模式，并利用物聯網、5G 增強移動寬帶（enhance Mobile Broad Band，eMBB）、大數據、云計算以及增強現實（Augmented Reality，AR）等技術進行大規模的自動巡邏。此外，智慧輸電技術需要實時監測、預警、分析、診斷以及預測各種設備和線路狀態，以確保電力系統的安全運行。由于我國地域廣闊，輸電線路分布廣泛，傳統4G 網絡難以有效覆蓋和監控人口較少和地勢較差的地區。為解決該問題，需要利用5G 網絡和巡檢機器人等技術在高風險環境下實時監測電力系統，以提高巡檢效率和安全可靠性，降低停電故障率和維護費用，同時減少員工的人身安全風險。智慧輸電技術在智能監控方面的應用將會得到極大拓展。

3.3 智慧變配電場景

智慧變配電的應用場景主要包括對負荷的精確控制、實時顯示變電站信息以及監控配電系統運行狀況等。為實現這些目標，采用各種先進的現代科技智能監控變配電場景。例如，智慧監控系統中，使用監控機器人有效監控電力系統，采集并分析監測圖像，自動生成故障報告，從而提高監測工作的效率，降低維護費用，減少設備和人員的安全風險，保障電力系統安全、穩定運行。

此外，配電系統狀態監測非常重要。通過傳感器監測配電設備運行狀況、運行環境監測和防盜報警等，可以保證配電系統的安全、穩定運行和分布電力供應。為建立高品質的監測和預警系統，必須使用關鍵技術與裝備，如網絡技術、相關信息化平臺和傳感器等。只有掌握這些技術與裝備，才能有效保證配電系統的正常運行。

毫秒級精確負載控制可以迅速切斷持續運行的負載，因此在個體用戶場景中得到了廣泛應用。隨著生活負載的不斷增加，智慧配電網中的網絡節點也會相應增加。智慧配電網是一種通過使用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、分布式配電自動化以及微秒級精確負載等方面進行實時監測和控制的系統。此外，5G 配電自動化是智能配電的重要應用領域。借助5G網絡的切片，可以實現終端對終端之間的毫秒級延遲溝通，滿足電網自動化、物理隔離、邏輯隔離的需求，為配網自動化、視頻監控和公共服務提供有力支持。

3.4 智慧用電場景

隨著社會經濟的發展和人們生活水平的提高，智慧用電的應用范圍越來越廣泛。目前，主要的智慧用電場景包括在線業務處理、電力設備的智能檢測和管理、電力數據采集、故障分析和預警以及信息的公布和互動。由于電力信息采集量大、數據上行流量大且下行流量小，涉及更多的終端數量、更長的時間和更高的精確度，以保證智慧用電方案的有效性和可靠性。在線業務處理通常利用在線平臺和軟件實現，需要全面訪問業務服務，并具備信息和核心用戶識別等能力。為提高維修工作的效率和質量，智能故障分析和預警系統需要實現搶修作業的自動化。智慧監控系統是在智能化社區等區域，利用網絡技術智能監測和管理覆蓋的電力設施，實現電力系統的管理和服務的雙向交互。

5G 技術與智慧用電系統緊密結合，通過5G 網絡的互聯功能和用電數據采集裝置（Data Collection Unit，DCU），實現自動采集用電信息、監測計量異常、控制大用戶負載、管理線路損耗、電能質量監測、用戶用電分析以及計費管理等功能[7]。基于5G 技術的廣泛應用，智慧用電可以為供電公司提供業務優化服務和優質用電服務，降低線路損耗，指導錯峰用電，同時降低用電管理和運行成本，提高營業收入。

4 結 論

文章研究的智慧電力平臺的建設目標是利用互聯網和物聯網技術，為電力企業提供跨中國移動通信集團有限公司、中國聯合網絡通信集團有限公司、中國電信集團有限公司3 大運營商的連接管理和5G 網絡切片運營管理，從而整合終端廠商推動電網協議標準和通信設備管控。該平臺旨在提高電網與運營商的交互能力，幫助用戶實時掌控通信網絡質量，提升精細化運維水平，降低網絡運營費用，提高企業競爭力。未來，智慧電力平臺將提供更豐富、多元化、靈活的網絡切片服務管理能力，并以更開放的架構為電力內部業務提供支撐服務。