智能電網(wǎng)中的5G技術(shù)應(yīng)用

孫藝銘，路 朝，樊周杰，林 雨

（河南理工大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，河南 焦作 454000）

0 引 言

近些年，國家電網(wǎng)公司持續(xù)推動智能電網(wǎng)的建設(shè)。伴隨著分布式能源接入、新能源汽車配套服務(wù)、電力信息監(jiān)測、配電自動化以及需求側(cè)管理等技術(shù)的迅速發(fā)展[1]，各類電力網(wǎng)絡(luò)、電力終端設(shè)備以及電力用戶的通信需求呈爆炸式增長。因此，迫切需要一種速度快、故障率低、傳輸信息可靠且高效的新型通信技術(shù)為智能電網(wǎng)的發(fā)展提供可靠保障。

國家電網(wǎng)公司于2019年提出了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的戰(zhàn)略布局，是推動發(fā)展“三型兩網(wǎng)”的重要環(huán)節(jié)[2]。這一理念的提出將發(fā)、輸、配以及用等環(huán)節(jié)全部連接起來，旨在將各級平臺的設(shè)備、人及物聯(lián)系起來，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，為社會提供服務(wù)，為各領(lǐng)域和市場的發(fā)展創(chuàng)造更多的可能性。當(dāng)下，以5G為首的通信技術(shù)正逐步與大數(shù)據(jù)平臺和人工智能相結(jié)合，開創(chuàng)一個全面物聯(lián)網(wǎng)的新時代。得益于5G網(wǎng)絡(luò)的高帶寬、低時延以及大規(guī)模等優(yōu)勢[3]，5G將極大地推動行業(yè)的運(yùn)營方式和作業(yè)模式做出變革。

相比于現(xiàn)在廣泛使用的4G技術(shù)，5G技術(shù)具有如表1所示的多種優(yōu)勢[4]，為海量物聯(lián)的場景提供了可靠支持。電網(wǎng)未來的發(fā)展方向與5G的應(yīng)用有著高度重合，對5G行業(yè)的落實、推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要作用。在智能電網(wǎng)戰(zhàn)略大背景下，5G技術(shù)在電力行業(yè)建設(shè)中的融合，可為電網(wǎng)的智能信息化建設(shè)提供強(qiáng)有力的保障。

表1 5G與4G技術(shù)性能對比

1 智能電網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

智能電網(wǎng)的建設(shè)離不開通信網(wǎng)絡(luò)，不僅要傳輸數(shù)據(jù)快，還要在傳輸大量數(shù)據(jù)的同時具有高度保密和穩(wěn)定運(yùn)行的能力。智能電網(wǎng)能實現(xiàn)電力資源的優(yōu)化設(shè)置，快速監(jiān)測排除故障，清潔能源并網(wǎng)等。這些功能都依賴于高精度的傳感器、可靠的通信方式以及高性能控制調(diào)度系統(tǒng)等。

智能電網(wǎng)好比一個有機(jī)體，電能的發(fā)、輸、配過程構(gòu)成的電力網(wǎng)絡(luò)是這個有機(jī)體的骨架，可匯集和輸送整個電路網(wǎng)絡(luò)的能源。電力網(wǎng)上的各種傳感設(shè)備和實時監(jiān)控電網(wǎng)狀態(tài)的裝置是機(jī)體的神經(jīng)末梢，控制和調(diào)度中心是機(jī)體的大腦，電力網(wǎng)通信技術(shù)是機(jī)體的傳輸神經(jīng)。通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)匯集整個電力網(wǎng)的信息，聯(lián)結(jié)每一個傳感裝置和控制設(shè)備，從而為電網(wǎng)的智能調(diào)度提供穩(wěn)定可靠的信息源。

2 智能電網(wǎng)中發(fā)展5G的意義

為大力發(fā)展國家經(jīng)濟(jì)，我國在基礎(chǔ)建設(shè)上進(jìn)行了巨大投入。我國電網(wǎng)已建成全世界規(guī)模最大、體量最廣的電網(wǎng)，同時發(fā)展了較為完善的電力通信專網(wǎng)，形成了以光纖通信技術(shù)為主，無線網(wǎng)絡(luò)、電力載波以及衛(wèi)星通信等[5]相結(jié)合的電力通信發(fā)展方式。在低壓側(cè)配電網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)中，不僅存在大量設(shè)備終端需要接入網(wǎng)絡(luò)的需求，而且需要極短的響應(yīng)延遲時間等?，F(xiàn)有的4G網(wǎng)絡(luò)不能滿足這些需求，所以需進(jìn)一步提升配電側(cè)通信網(wǎng)絡(luò)的各方面指標(biāo)。

5G技術(shù)憑借其超大的數(shù)據(jù)傳輸帶寬、極低的傳輸延遲以及支持海量的設(shè)備接入等優(yōu)良的技術(shù)指標(biāo)[6]，提供了完美的解決方案。5G通信技術(shù)的切片模式可以無縫對接電網(wǎng)的各種業(yè)務(wù)，可以適用于電力需求側(cè)管理中的負(fù)荷參數(shù)采集和控制等，為構(gòu)建全面智能的電力物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)提供了有力支撐。

3 5G技術(shù)介紹

3.1 5G通信特點(diǎn)

5G作為近些年逐漸發(fā)展的通信技術(shù)，核心理念是滿足高性能需求和提供多元化服務(wù)，具有架設(shè)成本低、通信時延低以及開放的技術(shù)架構(gòu)等特點(diǎn)[7]，在電力行業(yè)中擁有巨大的應(yīng)用市場和發(fā)展需求。它的應(yīng)用場景和對應(yīng)的技術(shù)特點(diǎn)如表2所示。

表2 電力行需求對應(yīng)的5G技術(shù)特點(diǎn)

5G技術(shù)具有增強(qiáng)移動寬帶、降低延時、提高通信質(zhì)量、降低功耗以及提高帶載能力的特點(diǎn)[8]，可以和電力系統(tǒng)相結(jié)合。

3.2 5G通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

5G系統(tǒng)由基站和核心網(wǎng)組成，如圖1所示。核心網(wǎng)作為系統(tǒng)的控制中樞，關(guān)鍵職責(zé)在于管控系統(tǒng)和處理信息并傳輸。基站又可分為宏基站和微基站[9]。通過光纖通信方式接入核心網(wǎng)的宏基站主要服務(wù)不同場景下的用戶，通過無線方式輸送用戶信息，是通信系統(tǒng)中的“關(guān)鍵崗位”。

圖1 5G通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

4 智能電網(wǎng)中5G技術(shù)的應(yīng)用與前景

4.1 切片技術(shù)的應(yīng)用

4.1.1 業(yè)務(wù)隔離

5G特有的切片技術(shù)[10]能較好地實現(xiàn)智能電網(wǎng)的3大任務(wù)。切片技術(shù)能夠把服務(wù)商的物理網(wǎng)絡(luò)虛擬出多個“切片網(wǎng)絡(luò)”，從技術(shù)上隔離不在一個切片網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的數(shù)據(jù)。這項技術(shù)不僅確保了電力行業(yè)的隔離指標(biāo)，而且使得電力專用網(wǎng)絡(luò)與公共網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)相互隔離，提高了安全性能。

4.1.2 功能定制

得益于切片技術(shù)，5G網(wǎng)絡(luò)可以按照設(shè)備分類和應(yīng)用場合的不同需求提供不一樣的服務(wù)，有效減少搭建系統(tǒng)的開銷，提升系統(tǒng)效率和用戶的使用體驗，還可以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，使資源得到合理使用。

4.1.3 質(zhì)量保障

電網(wǎng)的控制和監(jiān)測可確保網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性。使用切片技術(shù)可以避免網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)數(shù)據(jù)堵塞或因無響應(yīng)造成監(jiān)測短暫失聯(lián)等情況。當(dāng)某一個切片單元發(fā)生故障時，其他的切片單元不受影響[11]，進(jìn)一步提高了電網(wǎng)抵抗風(fēng)險的能力，也更便于管理網(wǎng)絡(luò)。

4.2 多維場景的適配

4.2.1 負(fù)荷需求管理的支持

5G支持大量設(shè)備的接入，使得智能電網(wǎng)下需求側(cè)的管理得到了有效應(yīng)用。電力部門可通過分析用戶數(shù)據(jù)了解用電信息，進(jìn)而得到用戶的負(fù)荷需求特征[12]，實現(xiàn)電力部門和用戶的雙向交互。分析用戶的用電行為，可提供更適合用戶的用電方案，從而為終端供電服務(wù)提供可靠的數(shù)據(jù)分析指導(dǎo)。

4.2.2 配電自動化

配電設(shè)備需要毫秒級的準(zhǔn)確測控[13]，以保證配電質(zhì)量且避免發(fā)生故障。5G技術(shù)極低的延遲很好地滿足了這一需求，保障了配電設(shè)備的可靠性。

4.2.3 智能巡檢

5G網(wǎng)絡(luò)的高帶寬使得遠(yuǎn)程視頻傳輸[14]成為可能。無人機(jī)搭載巡檢設(shè)備通過5G傳輸視頻[15]實現(xiàn)更高效率的巡檢，通過高清畫面可有效分析故障，提高巡檢效率。

4.3 資源互補(bǔ)的支持

5G建設(shè)推動了電力行業(yè)的設(shè)備化身成為資本。區(qū)域內(nèi)大量基站的搭建均借助電力桿塔，龐大的電網(wǎng)體系為5G基站的建設(shè)提供了有力支持，在保證基站設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，根據(jù)分時調(diào)控基站的功耗，以充分利用電力資源。

5 結(jié) 論

智能電網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展對數(shù)據(jù)的傳輸、采集、匯總以及分析提出了更多需求。通過分析5G技術(shù)的發(fā)展，描述了5G技術(shù)的應(yīng)用范圍和未來前景，探討了其應(yīng)用場合。此外，文章通過探究5G技術(shù)與電力行業(yè)的交互方式，充分分析了5G技術(shù)加持下的各種常見電力需求場景。