淺談5G通信技術對配電網(wǎng)狀態(tài)估計的影響

劉順 雷淋 李俊 吳本發(fā) 李洪龍

摘 要：在電力網(wǎng)絡中，新一代的5G通信技術無疑可以給電力系統(tǒng)帶來更好的性能保障和技術改革。5G技術在電力系統(tǒng)中有著廣闊的應用。電氣量反饋的傳輸速度可以直接提高繼電保護系統(tǒng)的速動靈敏性。量測數(shù)據(jù)的快速傳輸和可靠識別可以更好的估算動態(tài)系統(tǒng)的內部狀態(tài)。本文結合大量的文獻資料著重分析5G通信的技術特征和配電網(wǎng)所面臨的問題，并且總結展望了5G技術在配電網(wǎng)狀態(tài)估計的發(fā)展趨勢和研究方向。

關鍵詞：5G通信;關鍵技術;配電網(wǎng)狀態(tài)估計;技術應用

0引言

配電網(wǎng)狀態(tài)估計的應用發(fā)展離不開通信技術的支持。5G技術特征對配電網(wǎng)狀態(tài)估計帶來一個更加廣闊的前景。

1. 5G通信

1.1? 5G通信技術

隨著移動用戶增加、互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，對移動數(shù)據(jù)需求日益增長。據(jù)估計，將來的移動通信網(wǎng)絡的容量需要在當前的網(wǎng)絡容量上增長一千倍[1]。之前的4G已經(jīng)不能較好支撐暴漲后的流量。加上各智能領域對網(wǎng)絡實時性和交互通信有更高需求。為滿足以上需求，亟需發(fā)展新一代通信網(wǎng)絡。第五代移動通信技術（簡稱5G）是最新一代的數(shù)字蜂窩網(wǎng)絡，是繼4G的延伸。5G其核心是提高性能滿足多樣化要求，特點是高數(shù)據(jù)速率、減少延遲、節(jié)省能源、提高系統(tǒng)容量和大規(guī)模設備連接。

1.2? 5G通信的關鍵技術

1.超密集異構網(wǎng)絡。隨著各種智能設備的普及，流量將大幅增加。超密集網(wǎng)絡能夠改善網(wǎng)絡覆蓋，大幅提升系統(tǒng)容量，對業(yè)務進行分流，具有靈活的網(wǎng)絡部署和高效的頻率復用。

2.毫米波通信

毫米波是指波長在毫米數(shù)量級的電磁波，其頻率大約在30GHz～300GHz之間。如果使用毫米波頻段，頻譜帶寬可比之前擴大十幾倍，傳輸速率也可得到巨大提升。但在空氣中衰減較大，且繞射能力較弱。在5G實際運行中，可以通過大規(guī)模MIMO來解決傳播能力弱的缺點[2]。

3.大規(guī)模MIMO技術?？梢酝ㄟ^增加基站中天線的數(shù)量直接擴充系統(tǒng)容量，并且有效降低實現(xiàn)的復雜度。運用價格低廉、功率為毫瓦的放大元件對系統(tǒng)進行構建，可有效提升經(jīng)濟效益，降低發(fā)射功率的消耗。

4.D2D通信技術。D2D即Device-to-Device，也稱之為終端直通。用戶通過D2D 進行通信連接，有效的節(jié)省了網(wǎng)絡資源，提高了頻帶利用率[3]。而且，D2D 所連接的用戶設備可以共享蜂窩網(wǎng)絡的資源可減小傳輸功率，節(jié)約能耗，提高頻譜資源利用率[4]。

5. 自組織網(wǎng)絡

傳統(tǒng)的無線蜂窩通信網(wǎng)絡，需要固定的網(wǎng)絡設備如基地站的支持，進行數(shù)據(jù)的轉發(fā)和用戶服務控制。而無線自組織網(wǎng)絡不需要固定設備支持，用戶自行組網(wǎng)，通信時，由其他用戶節(jié)點進行數(shù)據(jù)的轉發(fā)。這種形式突破了傳統(tǒng)網(wǎng)絡的局限性，能夠更加快速、高效部署，在保證質量和用戶體驗的同時也有即插即用、成本低等優(yōu)點。

6. 同頻全雙工技術

雙工技術是指終端與網(wǎng)絡間上下行鏈路協(xié)同工作的模式，且每個網(wǎng)絡只能用一種雙工模式。傳統(tǒng)雙工模式主要是頻分雙工（FDD）和時分雙工（TDD），用以避免發(fā)射機信號對接收機信號在頻域或時域上的干擾[5]，而新興的同頻同時全雙工技術采用干擾消除的方法，減少傳統(tǒng)雙工模式中頻率或時隙資源的開銷，從而達到提高頻譜效率的目的。與現(xiàn)有的FDD或TDD雙工方式相比，5G同頻全雙工技術可以根據(jù)不同的需求，能靈活智能的使用FDD/TDD雙工方式，發(fā)揮各自優(yōu)勢，全面提升網(wǎng)絡性能同時，也能夠將無線資源的使用效率提升近一倍，從而顯著提高系統(tǒng)吞吐量和容量。

1.3? 5G通信技術的特點

1.高速度。第五代移動通信網(wǎng)絡，其峰值理論傳輸速度可達每秒10GB，5G網(wǎng)絡比4G網(wǎng)絡的傳輸速度快一百倍。高速網(wǎng)絡不僅可以滿足高清視頻，虛擬現(xiàn)實等大數(shù)據(jù)量傳輸，還會支持遠程醫(yī)療、遠程教育等從概念轉向實際應用。

2.低時延高可靠。5G技術的空中接口時延水平大約在1ms，是4G的幾十分之一。5G低時延的特點，必將使自動駕駛和智能交通等領域帶來全新的變革[6]。無人駕駛汽車的安全性將會大大提高，在遇到特殊情況時，可以使汽車在最短時間內緊急制動。在工業(yè)自動化領域，數(shù)控機床在5G的幫助下可以做到高度精細化，制造出更高質量的技術產品。

3.大容量高能效。5G網(wǎng)絡的容量將是目前4G網(wǎng)絡的100倍甚至更高，可以提供千億設備的連接能力，滿足物聯(lián)網(wǎng)通信，提高能源利用效率，實現(xiàn)萬物互聯(lián)[7]。能效，指的是為用戶提供服務與所消耗的能源之比。5G技術相比4G來說，同等能量下可以傳遞更多的信息，提高數(shù)據(jù)傳輸效率。

4.穩(wěn)定強。5G技術廣泛采用微基站，明顯增強了網(wǎng)絡穩(wěn)定性[8]，可以使覆蓋范圍內的用戶更好的體驗到流暢的網(wǎng)絡服務，避免了由于處于宏基站周邊而造成的網(wǎng)速卡頓、無信號的缺點。

2.配電網(wǎng)

2.1 5G通信技術在電力系統(tǒng)在的應用

隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展和用電負效益以及負荷的迅猛增長，為了保證配電系統(tǒng)的安全性和可靠性，人們需要對配電系統(tǒng)的供電質量做到迅速、準確而全面地掌握系統(tǒng)實際運行狀態(tài)。

5G移動通信技術與3G、4G移動技術相比，區(qū)別較為明顯，在多元化、綜合性方面的優(yōu)勢十分突出。通過將其應用到電力通信系統(tǒng)中，不僅實現(xiàn)了數(shù)據(jù)流量增長需求的滿足，還可以全面提升數(shù)據(jù)傳輸速度[9]。5G允許大規(guī)模通信終端接入，使得電力系統(tǒng)更好地適應快速增長的分布式電源和用戶側儲能等靈活的資源，保證系統(tǒng)穩(wěn)定。5G還有潛力提高電力系統(tǒng)的供電質量。5G超低時延和高可靠性的信息傳輸將助力智能電網(wǎng)的自動采集和控制類業(yè)務，從而降低了電力系統(tǒng)潛在停電影響的范圍和時長。而且，5G在電力物聯(lián)網(wǎng)提供了eMBB （增強型移動寬帶）、mMTC （海量物聯(lián)網(wǎng)通信）與uRLLC （超高可靠與低時延通信技術）一共三大應用范圍，不僅能夠解決配電網(wǎng)典型電流差動保護業(yè)務應用難題，而且也可以支撐多類型泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務[10]。

2.1配電網(wǎng)狀態(tài)估計面臨的問題

狀態(tài)估計就是利用實時量測系統(tǒng)冗余度來提高精度，自動排除錯誤信息，估計預報系統(tǒng)的運行狀態(tài)，為電網(wǎng)運行分析提供精確數(shù)據(jù)信息。這對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行起重要作用。電網(wǎng)可分為輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)。配電網(wǎng)較輸電網(wǎng)而言，結構復雜設備多。對于需要終端量測數(shù)據(jù)的狀態(tài)估計在配電網(wǎng)中更加難以實現(xiàn)。配電網(wǎng)中點多面廣，所以其量測設備也隨之多而且分布廣泛。電力電子設備在配電網(wǎng)中的高比例應用使得電壓等級低、容量較小的配電網(wǎng)中諧波和噪聲相對基波的比值增大，會對量測值產生比較大的影響。再加上現(xiàn)在新能源大量開發(fā)利用，其發(fā)電量和負載呈現(xiàn)出常態(tài)化的隨機波動和時空不確定性，使配電網(wǎng)局部區(qū)域電壓和電流波形變化更為顯著[1]。而且為了實現(xiàn)配電網(wǎng)更高精度的測量目標， PMU和AMI被越來越多地運用在了配電網(wǎng)中。這些種種因素會給配電網(wǎng)的狀態(tài)估計帶來如下問題：

1）配電網(wǎng)數(shù)據(jù)多來源多，時間尺度化，需對多源數(shù)據(jù)進行融合處理，提高信息的一致性。

2）大量的量測數(shù)據(jù)對有限的通信網(wǎng)絡造成嚴重的負擔，通信故障的頻率變高，數(shù)據(jù)碰撞、數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象更加嚴重。

3）開放的通信環(huán)境，使得向數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)注入虛假數(shù)據(jù)和刪改原數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡攻擊有了機會。

2.3? 5G技術對配電網(wǎng)狀態(tài)估計的應用

隨著電力行業(yè)的迅猛發(fā)展，人們對供電質量穩(wěn)定提高要求。而配電網(wǎng)作為與用戶直接相連的一環(huán)，運行狀態(tài)直接關系到供電的可靠性因此提高配電網(wǎng)數(shù)據(jù)的實時性與精確性至關重要。配電網(wǎng)狀態(tài)估計是實現(xiàn)配電網(wǎng)高級配電應用的必要基礎。而實時、高速、雙向的通信系統(tǒng)是實現(xiàn)配電狀態(tài)估計的重要基礎。參數(shù)量測技術也是狀態(tài)估計的重要組成之一。

5G的速度可達到4G的10倍;配電網(wǎng)內的大數(shù)據(jù)可得到快速處理，信息傳輸也可達到實時效果，能夠為狀態(tài)估計提供更準確的量測數(shù)據(jù)，5G帶來的處理能力，能緩解狀態(tài)估計的算法不足的缺陷，減少計算難度和時間，為配電網(wǎng)狀態(tài)進行有效預測。

區(qū)別于之前技術利用了全頻段技術方法。如果我們將3G比作是單車道，那么4G可能是三車道，而5G就是十車道或者以上，因此它完全可以解決受制于頻段范圍的問題，進行多頻段覆蓋。所以即使擁有海量的量測數(shù)據(jù)，也不擔心數(shù)據(jù)碰撞丟失的現(xiàn)象。

安全問題一直是我們電力系統(tǒng)中著重關注的一個問題，在電力系統(tǒng)中不僅存在實質性的危險，而且還存在著隱藏的網(wǎng)絡安全問題。而5G網(wǎng)絡切片、能力開放兩大創(chuàng)新功能的應用，能夠為電力行業(yè)打造定制化的“行業(yè)專網(wǎng)”服務，這就相當于是只有電力行業(yè)才能使用的“專用車道”，可以滿足電網(wǎng)安全生產、智能化、互動化的通信需求，能夠有效解決網(wǎng)絡攻擊問題，更好的保證電能質量和用戶體驗。

3.? 5G在配網(wǎng)中狀態(tài)估計的應用展望

配網(wǎng)傳統(tǒng)的狀態(tài)估計方法分為靜態(tài)和動態(tài)。而靜態(tài)狀態(tài)估計又分為加權最小二乘法與抗差狀態(tài)估計兩個類別。加權最小二乘法是一種經(jīng)典的非典型統(tǒng)計學估計方法。它在配電網(wǎng)狀態(tài)估計中有著極為廣泛的應用與研究。但是加權最小二乘法作為狀態(tài)估計中的經(jīng)典方法，雖有著收斂性好估計質量精準且對正態(tài)分布的誤差無偏估計等優(yōu)點。但在實際的系統(tǒng)中，誤差分布卻很難達到正態(tài)分布，處理粗差的能力不強。不具有抗干擾性，因此為了彌補加權最小二乘法的缺點，抗差估計出現(xiàn)了。所謂的抗差估計[3]就是一種能抵御少量粗差對估值造成的影響且在估計過程中可以自動降低甚至去除不良數(shù)據(jù)對估計結果造成的不良影響的估計算法。

我國對配電網(wǎng)狀態(tài)估計的研究還處于發(fā)展階段。隨著智能配電網(wǎng)的建設和5G的進步。未來配電網(wǎng)狀態(tài)估計也將面臨一些新的挑戰(zhàn)和任務。首先，近年來風電等分布式發(fā)電接入配電網(wǎng)，將使配電網(wǎng)從單一的電力系統(tǒng)向多電源系統(tǒng)發(fā)展。因此，電網(wǎng)的運行將變得更加復雜，變化更加迅速。因此，要求配電網(wǎng)狀態(tài)估計朝著耗時短、精度高的方向發(fā)展。隨著5G的迅速發(fā)展和應用。未來的配電網(wǎng)必將走向5G時代。在狀態(tài)估計中，如何快速處理海量數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)的有效利用率也將是一個非常值得研究的方向。隨著配電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的到來，海量數(shù)據(jù)中也出現(xiàn)了不良數(shù)據(jù)的識別和糾正。如何準確識別海量數(shù)據(jù)中的不良數(shù)據(jù)，減少其對狀態(tài)估計的影響，將成為一個研究熱點。

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[10]李珣. 5G時代配電網(wǎng)自動化的建設與運行管理 廣東電網(wǎng)有限責任公司珠海供電局

作者簡介：

劉順，1998.09，男，漢，河南商丘人，本科，電力系統(tǒng)

*基金項目：貴州大學創(chuàng)新基金資助

（貴州大學電氣工程學院? 貴州? 550025）