5G通信在電力系統(tǒng)中的運用分析

郝梓彤

（華北電力大學(xué)，河北 保定 071000）

0 引 言

2017年，《政府工作報告》將5G通信列為國家未來亟待培育壯大的新興產(chǎn)業(yè)之一，兼具超大容量帶寬、超高傳輸速率、低延時以及海量連接優(yōu)勢的5G通信發(fā)展前景廣闊。2020年，在“十三五”工業(yè)通信業(yè)發(fā)展成就新聞發(fā)布會中，國務(wù)院新聞辦公室宣布5G基站開通超69萬個，連接用戶數(shù)超過1.6億人，5G商用駛?cè)肟燔嚨??；诖?，分?G通信在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用具有非常重要的意義。

1 5G通信的概念

5G全稱為第5代移動通信技術(shù)，法定名稱為IMT-2020，包含 6 GHz以下、24 GHz～ 100 GHz多個通信頻段[1]。6 GHz以下通信頻段用于廣域連接，可為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展提供充足支持；24～100 GHz通信頻段可為超高速通信提供支持。5G通信部分關(guān)鍵指標(biāo)如表1所示。

表1 5G通信性能指標(biāo)

5G通信系統(tǒng)包括核心網(wǎng)、宏基站、微基站等[2]。其中核心網(wǎng)為5G通信網(wǎng)絡(luò)的控制終端，負(fù)責(zé)控制5G通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)傳遞，并將多端口呼叫、數(shù)據(jù)請求不間斷連接至對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。宏基站為5G通信網(wǎng)絡(luò)的中樞，可經(jīng)微波、光纖與核心網(wǎng)相連接，并經(jīng)無線通信線路向多區(qū)域宏基站、微基站傳遞信息，具有覆蓋半徑廣（單載波覆蓋半徑≥200 m）、發(fā)射功率大（單載波發(fā)射功率≥10 W）的特點。微基站為5G通信系統(tǒng)末端，一般稱為小型基站，最初用于4G通信，具有覆蓋半徑小、發(fā)射功率低的特點。通過協(xié)同利用多個微基站，可以確保各區(qū)域信號強度一定，為無線連接密度提升提供依據(jù)。5G通信速率上限公式為：

式中，C為傳輸速率最大數(shù)值，W為信道帶寬，N為噪聲功率，S為信號功率。由式（1）可知，在5G通信中，信道帶寬、信噪比對5G通信速率具有直接的影響，在已知信噪比、信道帶寬的基礎(chǔ)上可以進行5G通信速率計算。

2 5G通信在電力系統(tǒng)中的優(yōu)勢

2.1 提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性

隨著發(fā)電端可再生能源（太陽能、風(fēng)能）接入量與用電端智能設(shè)備不斷增加，電力網(wǎng)絡(luò)逐漸向末端用電側(cè)延伸，電力系統(tǒng)復(fù)雜度持續(xù)提升，對電力網(wǎng)絡(luò)感知能力和保護控制能力提出了更高的要求[3]。傳統(tǒng)4G通信網(wǎng)絡(luò)無法給予電力系統(tǒng)充足的保障，而5G通信在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用可以提高電力系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。對于源網(wǎng)荷儲調(diào)控系統(tǒng)而言，傳統(tǒng)高時延、低接入率通信網(wǎng)絡(luò)支持下的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性較差。而基于5G通信網(wǎng)絡(luò)的源網(wǎng)荷儲優(yōu)化調(diào)控系統(tǒng)可以充分發(fā)揮5G通信大連接、低時延優(yōu)勢，在實現(xiàn)源網(wǎng)荷儲多環(huán)節(jié)運行狀態(tài)全景融合感知的基礎(chǔ)上，滿足儲能、分布式電源、智能樓宇空調(diào)等海量資源信息的全面接入需求，為電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行提供保障。

2.2 優(yōu)化系統(tǒng)自愈功能

通過將5G通信應(yīng)用到電力系統(tǒng)中，可以為配網(wǎng)自動化線路自愈功能提升提供依據(jù)。例如，南沙地區(qū)電網(wǎng)投入5G通信前，外力破壞事故發(fā)生多達(dá)153起，同比增長55%。而借助5G視頻監(jiān)控平臺，通過5G通信+電子圍欄的形式針對進入配電區(qū)域的異常物體自動發(fā)出預(yù)警，配合5G通信與無人機協(xié)同巡查，為電力系統(tǒng)自愈提供充足數(shù)據(jù)支持。

2.3 縮短端到端通信延時

5G 通 信 是 基 于 時 分 雙 工（Time Division Duplexing，TDD）的通信制式，基站空間時間偏差在3 μs以內(nèi)，通信階段上下時間間隙干擾較少[4]。同時在載波聚合（Carrier Aggregation，CA）、多點協(xié)作（Coordinated Multiple Plints，CoMP）技術(shù)支持下，可以限制多協(xié)同電信號時間差在循環(huán)前綴內(nèi)，時間偏差小于260 ns。通過將5G通信應(yīng)用到電力系統(tǒng)，可以縮短電力系統(tǒng)端到端通信延時，為電力系統(tǒng)內(nèi)部垂直業(yè)務(wù)領(lǐng)域傳遞時間同步信息，助推業(yè)務(wù)增值。

3 5G通信在電力系統(tǒng)中的運用

3.1 監(jiān)測時間同步

自動監(jiān)控是電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的保障，而統(tǒng)一時間基準(zhǔn)是自動控制端有效獲取數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。在以往的電力系統(tǒng)中，多由分散獨立GPS對時裝置提供時間對時或由冗余裝置全站統(tǒng)一對時，無法滿足電力系統(tǒng)自動監(jiān)控時間基準(zhǔn)校正要求。而通過5G通信，可以應(yīng)用電力系統(tǒng)同步相量測量裝置（Phasor Measurement Unit，PMU）和故障測距提供統(tǒng)一對時服務(wù)，滿足電力系統(tǒng)時間統(tǒng)一高精度校對要求。

3.1.1 故障測距

故障測距特指電力系統(tǒng)雙端行波故障測距，通過將5G通信應(yīng)用到故障測距中，可以為電力線路及時修復(fù)、縮短停電時間提供支持，確保電力系統(tǒng)運行可靠，降低電力系統(tǒng)線路現(xiàn)場巡視工作量和人力成本[5]。特別是在高壓電力線路出現(xiàn)故障時，大幅度暫態(tài)量持續(xù)以接近光速的速度由故障點傳播到兩端，此時只有兩側(cè)計時器高精度同步才可以確保測距精度，一旦產(chǎn)生同步誤差，就會帶來極大的測距誤差。由于傳統(tǒng)基于北斗同步時鐘、GPS的同步對時模式無法保證同步對時精度，因此可以將5G通信應(yīng)用到電力系統(tǒng)故障測距中，由5G通信基站向電力線路兩端發(fā)送授時信號，從而實現(xiàn)微秒級時間同步。

3.1.2 相量測量

相量測量即同步相量測量，特指時間基準(zhǔn)統(tǒng)一情況下不同測量點電流相量、電壓相量的精準(zhǔn)化、實時測量，需要滿足電力系統(tǒng)若干節(jié)點動態(tài)過程參數(shù)值測量需求。基于此，可以利用5G通信代替由GPS向PMU傳遞高精度時鐘信號的模式，即由5G通信基站向PMU傳遞全局時間信號，推動PMU間同步相量采樣精度提升到微秒級，控制同步相量測量誤差在±1°內(nèi)。

3.2 源網(wǎng)荷儲優(yōu)化調(diào)度

源網(wǎng)荷儲調(diào)度是在傳統(tǒng)電源隨荷載動態(tài)變化模式上統(tǒng)籌調(diào)峰調(diào)頻，控制儲能、分布式電源、柔性負(fù)荷在電力調(diào)度范疇內(nèi)的一種模式，對時間彈性、負(fù)荷彈性均具有較高的要求。在基于5G通信的源網(wǎng)荷儲優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)中，可以直接經(jīng)5G基站連接小型水電站、火電站、儲能電站等分布式系統(tǒng)，在實時潮流模式下實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)雙向動態(tài)可靠交互。同時貫通通信網(wǎng)絡(luò)與電力系統(tǒng)鏈路，聚合分布式電源、負(fù)荷、儲能，系統(tǒng)控制各類資源量測設(shè)備，配合調(diào)度上層電力系統(tǒng)來降低電力系統(tǒng)峰谷差，從而為提升可再生能源消納水平提供依據(jù)。

目前，源網(wǎng)荷儲調(diào)度控制系統(tǒng)需要在實時剖析電力系統(tǒng)運行狀態(tài)的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化計算，將計算結(jié)果整合為毫秒級調(diào)度指令，并發(fā)送給調(diào)度端。4G移動網(wǎng)絡(luò)支撐下的源網(wǎng)荷儲數(shù)據(jù)采集周期較長，1次數(shù)據(jù)采集時間在10 s以上?；诖?，可以將5G通信應(yīng)用到源網(wǎng)荷儲數(shù)據(jù)調(diào)度控制系統(tǒng)中[6]。5G通信支撐下的源網(wǎng)荷儲數(shù)據(jù)調(diào)度控制系統(tǒng)包括調(diào)度層、資源層、聚合層。其中，調(diào)度層主要以源網(wǎng)荷儲電力調(diào)度平臺為核心，負(fù)責(zé)開展海量動態(tài)資源的監(jiān)測、調(diào)度潛力評估、調(diào)度策略實踐；資源層涵蓋了多形態(tài)可調(diào)用資源，主要來源于電源、通信網(wǎng)絡(luò)、負(fù)荷以及儲能多個終端；聚合層主要通過基于5G通信的源網(wǎng)荷儲智能終端匯集多類型、多區(qū)域資源，提高多種類、小容量單體資源數(shù)據(jù)處理效率。

3.3 電力物聯(lián)網(wǎng)

電力物聯(lián)網(wǎng)是5G通信在電力系統(tǒng)的主要應(yīng)用模塊，主要以 700 MHz 5G 專網(wǎng)、230 MHz無線專網(wǎng)的混合網(wǎng)絡(luò)為承載[7]。在700 MHz 5G專網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈日趨成熟的背景下，700 MHz 5G 專網(wǎng)與 IoT-G 230 MHz、LTE-G 230 MHz系統(tǒng)級設(shè)備混合組網(wǎng)潛力逐漸提升。基于此，借助700 MHz 5G專網(wǎng)廣域覆蓋、低傳播損耗、強力穿透以及低組網(wǎng)成本等特點，通過端到端的網(wǎng)絡(luò)切片形式為電力系統(tǒng)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)接入體系。相較于100 MHz 5G 公網(wǎng)來說，700 MHz 5G 專網(wǎng)可獨享廣電部分頻率，覆蓋半徑更廣。700 MHz 5G專網(wǎng)基站覆蓋半徑如表2所示。

表2 700 MHz 5G 基站覆蓋半徑

根據(jù)表2，700 MHz 5G基站覆蓋半徑較大，可以有效應(yīng)用電力系統(tǒng)端資源，實現(xiàn)多業(yè)務(wù)低損耗運行。在電力系統(tǒng)中，700 MHz 5G專網(wǎng)與無線專網(wǎng)綜合應(yīng)用模式如圖1所示。

圖1 電力物聯(lián)網(wǎng)綜合應(yīng)用模式

通過在電力核心網(wǎng)內(nèi)同時接入700 MHz 5G專網(wǎng)、230 MHz無線專網(wǎng)，可以統(tǒng)一部署電力物聯(lián)網(wǎng)。其中，230 MHz無線專網(wǎng)主要選擇純自建手段，可以為電力系統(tǒng)末端控制類業(yè)務(wù)提供支撐，特別是小顆粒采集類業(yè)務(wù)；而700 MHz 5G專網(wǎng)可以與廣播電視協(xié)作，利用部分頻譜資源自建5G基站、核心網(wǎng)、傳播網(wǎng)絡(luò)以及網(wǎng)絡(luò)運維平臺，為電力物聯(lián)網(wǎng)增量業(yè)務(wù)、存量業(yè)務(wù)、新興業(yè)務(wù)運行提供支持。在后續(xù)進一步升級過程中，700 MHz 5G專網(wǎng)可接入230 MHz無線專網(wǎng)核心網(wǎng)，推動電力物聯(lián)網(wǎng)的綜合應(yīng)用。

3.4 實時保護

在電力系統(tǒng)中應(yīng)用5G通信，可以為電力系統(tǒng)提供實時保護服務(wù)，包括電流差動保護和饋線繼電保護。電力系統(tǒng)中的電流差動保護特指數(shù)字式電流差動保護，需要在線路多端同步采樣的基礎(chǔ)上進行。由于傳統(tǒng)基于GPS的同步方法無法滿足相位誤差小于±1°的要求，因此可以利用具有高精度時間同步的5G通信進行電力系統(tǒng)差動保護[8]。例如，在整合優(yōu)勢資源思路下與電信運營商共同組建端到端切片5G電力虛擬專網(wǎng)，形成端、邊、云高效協(xié)同的安全管控平臺，確保電力系統(tǒng)控制類業(yè)務(wù)的安全。饋線繼電保護是電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制的核心，在大量分布式能源接入的基礎(chǔ)上，可以利用5G通信系統(tǒng)代替光纖構(gòu)建若干分布式饋線自動化系統(tǒng)，提高供電可靠性。在發(fā)生故障時，僅需通過電力系統(tǒng)端切斷故障饋線就可以消除故障，確保電力可靠性。

4 結(jié) 論

綜上所述，5G通信網(wǎng)絡(luò)不僅可以提高電力系統(tǒng)自愈功能，而且還可以實現(xiàn)端到端低時延通信?；诖?，電力企業(yè)可以將5G通信應(yīng)用到自動保護、源荷網(wǎng)儲優(yōu)化調(diào)度以及時間同步監(jiān)測中，充分利用5G通信高可靠、低時延以及高傳輸速率等優(yōu)勢，為電力系統(tǒng)安全可靠運行提供保障。