5G 通信技術(shù)在配電網(wǎng)監(jiān)測與控制中的應(yīng)用研究

熊光明

（貴州電網(wǎng)貴陽供電局，貴州 貴陽 550000）

0 引 言

隨著能源系統(tǒng)的智能化應(yīng)用和配電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，社會各界對配電網(wǎng)的實時監(jiān)測與智能控制需求日益提升。傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)在應(yīng)對復(fù)雜的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和大規(guī)模的數(shù)據(jù)處理方面存在瓶頸，而5G 通信技術(shù)的迅猛發(fā)展為配電網(wǎng)領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新提供新的機遇。

1 配電網(wǎng)監(jiān)測需求分析

1.1 配電網(wǎng)的特殊性及挑戰(zhàn)

配電網(wǎng)龐大而復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致監(jiān)測難度巨大，需要全面覆蓋各個節(jié)點，以確保監(jiān)測的實時性和全局性。電力設(shè)備眾多，會接入不同類型的負(fù)載和能源，系統(tǒng)容量波動較大，因此需要采取高效的監(jiān)測手段以適應(yīng)動態(tài)變化。同時，配電網(wǎng)的實時性要求較高，及時檢測故障或異常情況對于保障系統(tǒng)安全運行至關(guān)重要。智能化控制還面臨著設(shè)備多樣性和通信互聯(lián)的挑戰(zhàn)，急需解決設(shè)備之間的協(xié)同工作和通信效率等問題。

1.2 實時監(jiān)測和智能控制的需求

在配電網(wǎng)監(jiān)測領(lǐng)域，人們對實時監(jiān)測和智能控制的需求日益凸顯。實時監(jiān)測指迅速獲取并處理大量數(shù)據(jù)，以確保及時感知電力系統(tǒng)狀態(tài)。由于電力系統(tǒng)運行環(huán)境會發(fā)生變化，實時監(jiān)測能夠提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)反饋，從而及時發(fā)現(xiàn)潛在的故障或異常。同時，智能控制體現(xiàn)在對電力系統(tǒng)的高效、自適應(yīng)管理，要求系統(tǒng)能夠智能地調(diào)整運行參數(shù)，設(shè)備能夠協(xié)同工作，從而提高整體運行效率，主要包括對設(shè)備狀態(tài)的實時評估、負(fù)載的智能調(diào)度、對不同情景的自動響應(yīng)[1]。

2 5G 在配電網(wǎng)實時監(jiān)測中的應(yīng)用

2.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)采集

在配電網(wǎng)實時監(jiān)測中，傳感器網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)采集是5G 技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過在配電房內(nèi)布置各類傳感器，包括溫濕度傳感器、SF6氣體濃度傳感器、振動傳感器等，以全面感知環(huán)境參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)。這些傳感器構(gòu)成一個復(fù)雜而高效的傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過5G 通信技術(shù)實現(xiàn)對配電網(wǎng)的實時監(jiān)測。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，溫濕度傳感器負(fù)責(zé)監(jiān)測配電房內(nèi)的環(huán)境溫度和濕度變化，確保設(shè)備運行在適宜的工作環(huán)境中。SF6氣體濃度傳感器則用于監(jiān)測絕緣氣體的含量，及早發(fā)現(xiàn)潛在的異常情況和安全隱患。振動傳感器則用于監(jiān)測設(shè)備的振動情況，實時反饋設(shè)備運行狀態(tài)，為故障診斷提供重要依據(jù)。在數(shù)據(jù)采集方面，利用5G通信技術(shù)將傳感器實時采集的數(shù)據(jù)傳輸至采集服務(wù)器節(jié)點。在數(shù)據(jù)采集過程中，需要考慮通信的穩(wěn)定性和低時延特性，以確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實時性[2]。此外，采用高效的數(shù)據(jù)壓縮和傳輸算法，確保在大量傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r，不影響系統(tǒng)的整體性能。

2.2 實時監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

在現(xiàn)代配電網(wǎng)實時監(jiān)測系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計中，各節(jié)點的功能和相互之間的協(xié)調(diào)合作至關(guān)重要，確保系統(tǒng)能夠高效、穩(wěn)定地進(jìn)行監(jiān)測操作。系統(tǒng)的平臺層是整個架構(gòu)設(shè)計的核心，包括監(jiān)控平臺、通信設(shè)備及現(xiàn)場儀表，具體如圖1 所示。

圖1 實時監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

監(jiān)控平臺是系統(tǒng)的核心，由用戶客戶端、監(jiān)測控制中心和Web 管理客戶端構(gòu)成。其中，用戶客戶端用于用戶端的實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)展示；監(jiān)測控制中心則是系統(tǒng)的運行中樞，負(fù)責(zé)實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理和決策分析；Web 管理客戶端提供后臺管理功能，包括系統(tǒng)配置、數(shù)據(jù)管理和報警設(shè)置等。在通信設(shè)備方面，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、邊緣計算網(wǎng)關(guān)和工業(yè)路由器是實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和通信的關(guān)鍵部分。其中，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的接入和數(shù)據(jù)傳輸；邊緣計算網(wǎng)關(guān)用于邊緣計算和數(shù)據(jù)處理；工業(yè)路由器則是數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ溃员O(jiān)測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。現(xiàn)場儀表主要用于監(jiān)測環(huán)境和設(shè)備參數(shù)，如配電柜、空調(diào)、溫濕度傳感器、水浸傳感器以及煙霧傳感器等設(shè)備，通過傳感器實時采集數(shù)據(jù)并傳輸?shù)奖O(jiān)控平臺進(jìn)行分析和展示。其中，配電柜用于監(jiān)測電能參數(shù)和電流狀態(tài)，空調(diào)監(jiān)測溫度，溫濕度傳感器監(jiān)測環(huán)境溫濕度，水浸傳感器監(jiān)測液體浸泡情況，煙霧傳感器監(jiān)測煙霧濃度。

3 5G 在配電網(wǎng)智能控制中的應(yīng)用

3.1 智能開關(guān)與設(shè)備控制

在配電網(wǎng)智能控制中，5G 技術(shù)的應(yīng)用顯著提高電力系統(tǒng)的靈活性和可靠性。智能開關(guān)作為配電網(wǎng)的重要組成部分，通過融合5G通信技術(shù)和智能電力設(shè)備，高效控制電力系統(tǒng)。智能開關(guān)的控制功率可以用公式表示為

式中：P控制為智能開關(guān)的控制功率；U為電壓；R為電阻。

智能開關(guān)作為配電網(wǎng)中的關(guān)鍵組件，通過融合5G 通信技術(shù)和智能電力設(shè)備，高效控制電力系統(tǒng)。借助5G 通信技術(shù)，智能開關(guān)實現(xiàn)與配電房內(nèi)監(jiān)控終端機的實時通信，獲取并傳輸當(dāng)前電網(wǎng)狀態(tài)信息，然后根據(jù)預(yù)設(shè)的控制策略進(jìn)行響應(yīng)操作。這種實時交互和響應(yīng)能力，使智能開關(guān)能夠動態(tài)調(diào)整和優(yōu)化電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)。例如，智能開關(guān)可以實時監(jiān)測并控制電流、電壓等參數(shù)，確保電力系統(tǒng)在變化的負(fù)荷和故障條件下仍能保持穩(wěn)定運行。同時，智能開關(guān)通過優(yōu)化電流和電壓的分布，能夠有效降低系統(tǒng)中的能量損耗，提高電力系統(tǒng)的運行效率。

在設(shè)備控制方面，憑借5G 技術(shù)的低時延和高可靠性實時精確控制配電網(wǎng)設(shè)備。利用智能化控制算法，根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)負(fù)荷和電網(wǎng)狀態(tài)實時調(diào)整配電網(wǎng)設(shè)備的狀態(tài)，以最大限度地滿足電力系統(tǒng)的需求。例如，通過調(diào)度和優(yōu)化算法，可以精確控制并調(diào)整配電網(wǎng)設(shè)備的運行參數(shù)，以最大限度地提高系統(tǒng)的運行效率和能源利用率。設(shè)備的調(diào)度功率可以用公式表示為

式中：P調(diào)度為設(shè)備的調(diào)度功率；φ為功率因數(shù)；I為設(shè)備電流。

3.2 負(fù)載調(diào)度與優(yōu)化

在現(xiàn)代配電網(wǎng)系統(tǒng)中，負(fù)載調(diào)度與優(yōu)化是實現(xiàn)電力系統(tǒng)高效運行和能源利用的重要環(huán)節(jié)。5G 技術(shù)的廣泛應(yīng)用為負(fù)載調(diào)度與優(yōu)化提供全新的解決方案和發(fā)展機遇。通過智能算法和5G 通信技術(shù)的協(xié)同作用，成功實現(xiàn)電力系統(tǒng)的負(fù)荷均衡、能效優(yōu)化，從而提升系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

負(fù)載調(diào)度的目標(biāo)是實現(xiàn)電力系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備和線路的負(fù)荷均衡，防止出現(xiàn)過載或欠載的情況。通過5G 通信技術(shù)，系統(tǒng)可以實時監(jiān)測設(shè)備的負(fù)載情況，快速響應(yīng)變化的負(fù)荷需求，通過調(diào)整設(shè)備的運行狀態(tài)和電能分配，達(dá)到均衡系統(tǒng)負(fù)載的目標(biāo)。需要綜合考慮電壓、電流和功率因數(shù)等參數(shù)利用式（2）計算調(diào)度功率。智能算法的運用使負(fù)載調(diào)度過程更加智能化和自動化，從而提高調(diào)度的準(zhǔn)確性和效率。而負(fù)載優(yōu)化的核心在于提高系統(tǒng)的能效，降低電網(wǎng)運行成本。通過運用智能控制算法，使系統(tǒng)在滿足負(fù)載需求的前提下，最大限度地提高能源利用效率[3]。

計算設(shè)備的優(yōu)化功率時，要考慮設(shè)備的調(diào)度功率和系統(tǒng)內(nèi)的電能損耗。5G 通信技術(shù)的實時性和可靠性使系統(tǒng)可以實時獲取設(shè)備運行狀態(tài)和電能損耗情況，快速響應(yīng)并調(diào)整設(shè)備運行參數(shù)，以最大限度地提高電能利用效率[4]。優(yōu)化功率的計算公式為

式中：P損耗為系統(tǒng)內(nèi)的電能損耗。

借助5G 通信技術(shù)，系統(tǒng)可以實時獲取設(shè)備運行狀態(tài)和電能損耗情況，并利用智能算法調(diào)整設(shè)備運行參數(shù)，以提高電能利用效率。

4 案例分析

4.1 案例概況

在現(xiàn)代化城市的配電網(wǎng)中，5G 通信技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，為實現(xiàn)智能監(jiān)測與控制提供強大支持。以某變電站為例，通過5G 技術(shù)成功構(gòu)建一個具有高速、低時延、高可靠性的通信網(wǎng)絡(luò)。該變電站部署大量傳感器，以實時監(jiān)測各設(shè)備的運行狀態(tài)和負(fù)荷情況，確保電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

在某日的高峰期，系統(tǒng)檢測到某個變壓器負(fù)載異常上升，隨即通過5G 通信迅速將信息傳輸至配電監(jiān)控中心。監(jiān)控中心利用智能算法分析數(shù)據(jù)，并迅速做出決策，通過5G 網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制該變壓器，調(diào)整運行參數(shù)，從而降低負(fù)載壓力和設(shè)備過載的風(fēng)險。在系統(tǒng)優(yōu)化方面，5G 通信技術(shù)也發(fā)揮了重要作用。系統(tǒng)借助5G 通信將實時獲取的電能損耗和設(shè)備運行效率等數(shù)據(jù)傳輸至智能控制中心，并利用智能算法進(jìn)行功率優(yōu)化調(diào)整[5]。這不僅能維持變電站的正常負(fù)荷，還能提高能源利用效率。

4.2 應(yīng)用效果

5G 通信技術(shù)在配電網(wǎng)監(jiān)測與控制中的應(yīng)用效果評估結(jié)果如表1 所示。

表1 應(yīng)用效果評估結(jié)果

5G 通信技術(shù)在配電網(wǎng)監(jiān)測與控制方面取得顯著的應(yīng)用效果，如變壓器負(fù)載異常檢測時間極短，不到100 ms，能夠及時感知配電網(wǎng)異常情況；信息傳輸延遲保持在5 ms 內(nèi)，遠(yuǎn)低于通信標(biāo)準(zhǔn)，可以確保數(shù)據(jù)的快速傳輸；遠(yuǎn)程控制響應(yīng)時間在50 ms 以內(nèi)，為運維人員提供即時的響應(yīng)能力。同時，電能損耗降低幅度達(dá)到10%，設(shè)備運行效率提高達(dá)到15%，表明5G 通信技術(shù)在配電網(wǎng)智能控制方面取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

通過應(yīng)用5G 技術(shù)，有效縮短變壓器負(fù)載異常檢測時間，使系統(tǒng)能夠更迅速地響應(yīng)潛在問題，降低設(shè)備過載風(fēng)險。信息傳輸延遲的降低為實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的快速傳輸提供保障，有助于提高監(jiān)測的實時性。遠(yuǎn)程控制的高效響應(yīng)使運維人員可以迅速采取措施，從而降低故障處理的時間成本。這些應(yīng)用效果的顯著提升證實5G 通信技術(shù)在配電網(wǎng)監(jiān)測與控制中具有卓越性能，為提高電力系統(tǒng)的可靠性和智能化水平提供了強有力的支持。

5 結(jié) 論

5G 通信技術(shù)為配電網(wǎng)監(jiān)測與控制帶來前所未有的技術(shù)進(jìn)步，為電力系統(tǒng)的可靠性、智能性和經(jīng)濟(jì)性注入新的活力。在未來的發(fā)展中，要借助5G 技術(shù)進(jìn)行不斷創(chuàng)新，進(jìn)一步提高配電網(wǎng)的運行水平，為構(gòu)建更加安全、高效的電力系統(tǒng)貢獻(xiàn)力量。