5G移動(dòng)通信技術(shù)在電力行業(yè)的應(yīng)用分析

馬振華，王蓉蓉，樊麗娟，馬 靜

（國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司石嘴山供電公司，寧夏 石嘴山 753000）

0 引 言

5G移動(dòng)通信技術(shù)（以下簡(jiǎn)稱“5G技術(shù)”）擁有開放式的技術(shù)架構(gòu)，與4G技術(shù)相比，具備成本低、時(shí)延低、速率高、容量大、可靠性高以及技術(shù)整體性強(qiáng)等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在電力行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。基于5G技術(shù)的電力系統(tǒng)建設(shè)，能滿足電力行業(yè)海量數(shù)據(jù)傳輸、萬物信息互聯(lián)、靈活響應(yīng)、協(xié)調(diào)控制以及系統(tǒng)可靠性的建設(shè)需求，為電力行業(yè)發(fā)展帶來技術(shù)上的變革。

1 5G移動(dòng)通信技術(shù)的電力應(yīng)用場(chǎng)景

在電力行業(yè)中，智慧電網(wǎng)建設(shè)與電力業(yè)務(wù)拓展對(duì)5G技術(shù)的需求日益增長(zhǎng)。從當(dāng)前情況來看，基于5G技術(shù)的電力應(yīng)用場(chǎng)景主要包括以下7大領(lǐng)域。

1.1 清潔能源消納

在電力生產(chǎn)中，可將5G技術(shù)應(yīng)用到清潔能源消納領(lǐng)域，滿足在線資源評(píng)估、光伏群功率預(yù)測(cè)以及分布式新能源快速功率群控的業(yè)務(wù)需求[2]。評(píng)估與預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)的寬帶速率超過4 Mb/s，時(shí)延小于1 s，時(shí)間同步小于100 ms，通信可靠性大于99%；群控業(yè)務(wù)的寬帶速率超過2 Mb/s，時(shí)延小于100 ms，時(shí)間同步小于100 ms，通信可靠性大于99.99%.

1.2 智慧輸電

在輸電線路中，可將5G技術(shù)應(yīng)用于在線檢測(cè)、無人機(jī)巡檢等領(lǐng)域，滿足輸電線路的狀態(tài)監(jiān)控需求。智慧輸電業(yè)務(wù)的寬帶速率超過10 Mb/s，時(shí)延小于200 ms，時(shí)間同步小于10 ms，通信可靠性大于99.9%。

1.3 智慧變電

在變電設(shè)備管理中，可將5G技術(shù)應(yīng)用于設(shè)備狀態(tài)感知領(lǐng)域，滿足變電設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控需求。智慧變電業(yè)務(wù)的寬帶速率超過10 Mb/s，時(shí)延小于200 ms，時(shí)間同步小于10 ms，通信可靠性大于99.9%。

1.4 配電物聯(lián)網(wǎng)

在配電系統(tǒng)中，可將5G技術(shù)應(yīng)用于智能分布式配電、分布式能源調(diào)控、精準(zhǔn)負(fù)控、無人智能巡檢以及現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)管控等方面，以實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)，提高配電調(diào)控效率。分布式配電業(yè)務(wù)的寬帶速率超過2 Mb/s，時(shí)延小于15 ms，時(shí)間同步小于10 μs，通信可靠性大于99.999%；精準(zhǔn)負(fù)控業(yè)務(wù)的寬帶速率超過2 Mb/s，時(shí)延小于50 ms，時(shí)間同步小于10 ms，通信可靠性大于99.999%；無人機(jī)智能巡檢業(yè)務(wù)的寬帶速率超過10 Mb/s，時(shí)延小于200 ms，時(shí)間同步小于10 ms，通信可靠性大于99.9%；配網(wǎng)保護(hù)業(yè)務(wù)的寬帶速率超過10 Mb/s，時(shí)延小于15 ms，時(shí)間同步小于10 μs，通信可靠性大于99.999%。

1.5 智慧用電

在終端用戶的用電管理中，可將5G技術(shù)應(yīng)用于用電信息采集和電動(dòng)汽車充電等方面，實(shí)現(xiàn)對(duì)用電數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)分析，為供電決策提供依據(jù)。智慧用電業(yè)務(wù)的寬帶速率超過2 Mb/s，時(shí)延小于500 ms，時(shí)間同步小于1 s，通信可靠性大于99.9%。

1.6 源網(wǎng)荷儲(chǔ)調(diào)度控制

基于5G技術(shù)的源網(wǎng)荷儲(chǔ)調(diào)度控制系統(tǒng)的寬帶速率超過2 Mb/s，時(shí)延小于1 s，時(shí)間同步小于100 ms，通信可靠性大于99.9%。

1.7 電網(wǎng)資產(chǎn)管理

電網(wǎng)資產(chǎn)管理是電力行業(yè)優(yōu)化配置資源和提高資產(chǎn)利用率的重要手段，基于5G技術(shù)的電網(wǎng)資產(chǎn)管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)信息的快速傳輸，滿足電力供應(yīng)鏈的決策需求[3]。智慧供應(yīng)鏈業(yè)務(wù)的寬帶速率超過10 Kb/s，時(shí)延小于1 s，時(shí)間同步小于1 s，通信可靠性大于99%。

2 5G移動(dòng)通信技術(shù)在電力行業(yè)的具體應(yīng)用

5G技術(shù)的3大應(yīng)用場(chǎng)景包括URLLC（低時(shí)延、高可靠通信）、mMTC（海量機(jī)器類通信）、eMBB（增強(qiáng)移動(dòng)寬帶），其在電力行業(yè)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下方面。

2.1 URLLC的應(yīng)用——電力精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)

在電力行業(yè)中，應(yīng)用5G技術(shù)中的低時(shí)延、高可靠通信可滿足電力光速傳播需求，提高電力響應(yīng)時(shí)效性，實(shí)現(xiàn)電力精準(zhǔn)控制。例如，在傳統(tǒng)電網(wǎng)故障中，一般存在頻率跌落過快、主干通道潮流越線以及聯(lián)絡(luò)線功能超用等問題，為解決上述問題，可基于URLLC建設(shè)精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)，達(dá)到毫秒級(jí)的快速負(fù)荷控制。發(fā)生電網(wǎng)故障時(shí)，精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)會(huì)在接收到頻率緊急控制要求的第一時(shí)間快速切除可中斷的負(fù)荷，保證供用電平衡。該系統(tǒng)在完成負(fù)荷中斷控制中所用的時(shí)間包括故障信息采集、故障決策、通道傳輸、轉(zhuǎn)接裝置以及分路開關(guān)跳開等一系列操作所需的時(shí)間，總用時(shí)在650 ms之內(nèi)。同時(shí)，要求協(xié)控中心站到子站和子站到控制終端的通信時(shí)間分別不得超過30 ms、20 ms[4]。

2.2 mMTC的應(yīng)用——電力信息采集系統(tǒng)

在智能集群用電管理中，傳統(tǒng)的電力設(shè)備接入無法滿足“最后一千米”的需求，難以實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備之間的數(shù)據(jù)采集與互通。而應(yīng)用5G技術(shù)可實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)，提高數(shù)據(jù)采集的完整程度，保證用電信息采集的完整性和實(shí)時(shí)性，可做到0.5 h上傳一次數(shù)據(jù)，為電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析提供了技術(shù)支持。例如，基于5G技術(shù)的電力信息采集系統(tǒng)主要包括主站、遠(yuǎn)程和本地通道、集中器以及采集器（電表），在各個(gè)控制系統(tǒng)的通信中執(zhí)行Q/GDW 1376.2和Q/GDW 1376.3規(guī)約。

2.2.1 數(shù)據(jù)流類型

采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流包括以下兩種類型。一是上行數(shù)據(jù)流。其分為兩種不同的情況一種情況是采集器采集配電變壓器用戶電能表中的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)上傳到集中器，之后數(shù)據(jù)經(jīng)過集中器的上行通信通道直接傳輸?shù)街髡?。另一種情況是專用變壓器用戶電能表中的數(shù)據(jù)上傳到的專用變壓器終端，之后數(shù)據(jù)經(jīng)過上行通道傳輸?shù)街髡尽６窍滦袛?shù)據(jù)流。主站以集中器和專用變壓器終端為傳輸中介下達(dá)指令，根據(jù)指令信息直接控制相關(guān)業(yè)務(wù)，包括跳合閘控制和命令安全認(rèn)證等。采集系統(tǒng)的基本單元為配變臺(tái)區(qū)，對(duì)各個(gè)配變臺(tái)區(qū)進(jìn)行抄表，使用戶數(shù)據(jù)通過無線公網(wǎng)傳輸?shù)街髡?，?shù)據(jù)采集頻次以小時(shí)為單位，采用上行數(shù)據(jù)流，集中器所用的無線寬帶為10 Kb/s。

2.2.2 數(shù)據(jù)采集與傳輸

采集系統(tǒng)執(zhí)行Q/GDW 376—2012通信協(xié)議進(jìn)行主站與采集終端之間的專用無線數(shù)據(jù)傳輸通信，主站的數(shù)據(jù)采集形式包括上報(bào)數(shù)據(jù)、定時(shí)采集數(shù)據(jù)以及隨機(jī)召測(cè)數(shù)據(jù)[5]。其中，應(yīng)用最為廣泛的是定時(shí)采集數(shù)據(jù)，主站每天會(huì)在定點(diǎn)時(shí)間集中采集一次終端設(shè)備中的用戶數(shù)據(jù)。集中抄表終端用于記錄公用配變電表和單相、三相智能電能表中的用戶數(shù)據(jù)，專用變壓器采集終端用于記錄三相智能電能表數(shù)據(jù)，集中報(bào)表終端和專用變壓器采集端的記錄頻次均為96次/天，每間隔15 min進(jìn)行一次記錄，記錄之后直接存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息。

2.2.3 數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性

基于5G技術(shù)的采集系統(tǒng)可達(dá)到廣覆蓋和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集傳輸?shù)囊?，具體體現(xiàn)在以下方面。采集系統(tǒng)遠(yuǎn)程向終端下達(dá)指令，并由終端相應(yīng)執(zhí)行指令的耗時(shí)在5 s之內(nèi)；主站巡檢終端中采集的重要用戶用電信息的耗時(shí)僅為15 min；主站召測(cè)常規(guī)數(shù)據(jù)的耗時(shí)在15 s之內(nèi)，召測(cè)歷史數(shù)據(jù)的耗時(shí)在30 s之內(nèi)；采集系統(tǒng)在接收終端業(yè)務(wù)申請(qǐng)的響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)在30 min之內(nèi)。

2.3 eMBB的應(yīng)用——無人機(jī)巡檢

視頻監(jiān)控是電力系統(tǒng)中的重要業(yè)務(wù)，對(duì)寬帶要求較高，而應(yīng)用5G技術(shù)能夠滿足電力視頻監(jiān)系統(tǒng)高速率傳輸視頻數(shù)據(jù)的要求。例如，基于eMBB的無人機(jī)智能巡檢系統(tǒng)主要由主站、通信通道以及終端構(gòu)成，可全程監(jiān)控電力現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況。

2.3.1 巡檢系統(tǒng)基本架構(gòu)

主站提供音頻互動(dòng)媒體、互動(dòng)控制網(wǎng)關(guān)以及現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)安全管控3項(xiàng)服務(wù)。通信通道包括無線專網(wǎng)與光纖信道2種通信方式，實(shí)現(xiàn)主站與采集終端之間的遠(yuǎn)程通信需求。終端主要是指在電力現(xiàn)場(chǎng)安裝的移動(dòng)終端設(shè)備。巡檢系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)巡視與檢修功能，根據(jù)不同業(yè)務(wù)確定相應(yīng)傳輸速率，語音、視頻以及數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸速率要求分別為8～64 Kb/s、384～8 000 Kb/s以及64～2 000 Kb/s。在5G技術(shù)的支撐下，語音與視頻業(yè)務(wù)的時(shí)延可控制在300 ms之內(nèi)，大幅度提升業(yè)務(wù)的可靠性。

2.3.2 巡檢系統(tǒng)功能

巡檢系統(tǒng)功能包括3個(gè)部分。一是智能診斷。在戶內(nèi)外設(shè)備巡檢中，無人機(jī)巡檢系統(tǒng)可搭載紅外檢測(cè)設(shè)備、可見光檢測(cè)設(shè)備以及局部放電綜檢設(shè)備，檢查戶內(nèi)外設(shè)備的故障缺陷，做出智能診斷，出具診斷報(bào)告，通過報(bào)告反映設(shè)備的健康狀態(tài)。報(bào)告數(shù)據(jù)通過通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)缴a(chǎn)管理系統(tǒng)，便于控制中心實(shí)時(shí)掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)施狀態(tài)監(jiān)控[6]。二是替代人工作業(yè)。巡檢系統(tǒng)可完成運(yùn)維人員的大部分工作，實(shí)現(xiàn)變電站無人值守。系統(tǒng)可智能化執(zhí)行視覺檢測(cè)、遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)分析、紅外測(cè)溫、缺陷管理以及微氣象數(shù)據(jù)管理等操作。三是惡劣環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)巡檢。在惡劣環(huán)境下的電力線與桿塔巡視中，巡視系統(tǒng)可利用地面控制站中的拍攝設(shè)備，實(shí)時(shí)傳輸電力線與桿塔的圖像信息，以解決運(yùn)維人員的現(xiàn)場(chǎng)巡檢難題。巡檢圖像清晰度可達(dá)到高清以上，系統(tǒng)能遠(yuǎn)程遙控巡檢信號(hào)，遙控速率可達(dá)到100 Kb/s，時(shí)延不超過300 ms。

3 5G移動(dòng)通信技術(shù)在電力行業(yè)中的應(yīng)用實(shí)例

3.1 分布式光伏云網(wǎng)

2018年3 月，基于5G技術(shù)的全國(guó)首個(gè)分布式光伏云網(wǎng)正式運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了分布式光伏一站式共享服務(wù)。以河北省淶水縣的分布式光伏電站為例，該電站可將發(fā)電量、功率以及轉(zhuǎn)化率等信息快速傳輸?shù)焦夥凭W(wǎng)中，信息傳輸速率為100 Gb/s。在5G技術(shù)的支持下，光伏云網(wǎng)可自動(dòng)采集光伏電站海量信息、監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)、遠(yuǎn)程診斷并運(yùn)維故障設(shè)備，解決了分布式數(shù)據(jù)難以集中采集的問題。同時(shí)，光伏云網(wǎng)應(yīng)用了5G技術(shù)中的網(wǎng)絡(luò)切片關(guān)鍵技術(shù)，可根據(jù)不同業(yè)務(wù)屬性隔離數(shù)據(jù)采集、運(yùn)行監(jiān)控以及電費(fèi)結(jié)算，提高光伏云網(wǎng)的智能化服務(wù)水平[7]。

3.2 智慧特高壓變電站

安徽省宣城市在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中建成了國(guó)內(nèi)首例應(yīng)用5G技術(shù)的特高壓變電站，基站中心的無線傳輸通道下行的速率高峰值和速率平均值分別為800 Mb/s和570 Mb/s，無線傳輸通道上行速率高峰值和速率平均值分別為160 Mb/s和100 Mb/s。宣城特高壓變電站線路途徑6個(gè)省區(qū)，輸送容量達(dá)1 200萬kW，已成為世界電力行業(yè)領(lǐng)域中技術(shù)水平最為先進(jìn)的智慧特高壓輸電工程。該工程應(yīng)用5G技術(shù)實(shí)現(xiàn)了4K高清監(jiān)控視頻，無線接入智能巡檢系統(tǒng)擴(kuò)大了物聯(lián)網(wǎng)智能感知業(yè)務(wù)覆蓋范圍。

3.3 一體化電力巡檢

我國(guó)首例基于5G技術(shù)的一體化電力設(shè)備立體巡檢系統(tǒng)于2019年5月正式投入使用，該巡檢系統(tǒng)由國(guó)網(wǎng)天津?yàn)I海供電公司研發(fā)，在指揮中心的控制下，可使無人機(jī)完成30 m高空輸電線路巡檢，并將巡檢數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)街笓]中心，圖像清晰度達(dá)到高清，方便指揮中心的運(yùn)維人員根據(jù)圖像信息找出缺陷。智能巡檢機(jī)器人結(jié)合采用5G技術(shù)和VR技術(shù)，在機(jī)器人上搭載5G終端設(shè)備8K高清攝像頭，可通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳回高清圖像。運(yùn)維人員在佩戴VR眼鏡的情況下可看到三維立體的視覺成像，輔助運(yùn)維人員做出更加準(zhǔn)確的遠(yuǎn)程診斷。

3.4 智能配電網(wǎng)

我國(guó)首例基于5G技術(shù)的電力無線專網(wǎng)投入運(yùn)行于2019年7月，由南京電網(wǎng)公司負(fù)責(zé)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了電力無線專網(wǎng)在南京區(qū)域內(nèi)的全面覆蓋，能滿足用戶多樣化的用電需求。電力無線專網(wǎng)是智能配電網(wǎng)建設(shè)的關(guān)鍵所在，能在電力物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代下發(fā)揮出電力無線通信的優(yōu)勢(shì)，可以將其作為電力光纖通信的補(bǔ)充，消除有線通信和公網(wǎng)通信的弊端，大幅度提升配電網(wǎng)的智能化服務(wù)水平。

4 結(jié) 論

在電力行業(yè)發(fā)展中應(yīng)用5G技術(shù)建設(shè)智慧電網(wǎng)已成為電力業(yè)務(wù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。電力行業(yè)要充分利用5G技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸快、時(shí)延低以及可靠性高等優(yōu)勢(shì)，積極建設(shè)電力精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)、電力信息采集系統(tǒng)、無人機(jī)巡檢系統(tǒng)以及配電自動(dòng)化系統(tǒng)等，逐步擴(kuò)大基于5G技術(shù)的電力應(yīng)用場(chǎng)景，從而推進(jìn)電力行業(yè)技術(shù)改革，使我國(guó)電網(wǎng)建設(shè)處于世界先進(jìn)水平。