5G 通信技術(shù)在智能電網(wǎng)中運(yùn)用研究

林浩

（廣東南方通信建設(shè)有限公司，廣東 廣州 510630）

0 引言

智能電網(wǎng)的建設(shè)已經(jīng)成為我國電力行業(yè)電網(wǎng)構(gòu)建的必然趨勢，而智能電網(wǎng)的建設(shè)技術(shù)基礎(chǔ)就在于通信技術(shù)，通信技術(shù)的應(yīng)用水平直接決定著智能電網(wǎng)的自動化與智能化水平，5G 通信技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用也成為各界關(guān)注焦點(diǎn)。隨著我國通信技術(shù)的發(fā)展，5G通信技術(shù)以其高速傳輸?shù)奶攸c(diǎn)和高質(zhì)量傳輸?shù)奶攸c(diǎn)已經(jīng)成為我國通信技術(shù)的核心。在智能電網(wǎng)的建設(shè)中運(yùn)用5G 通信技術(shù)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)電力通信的高效化，也能實(shí)現(xiàn)電力信息的智能化控制。

1 5G 通信技術(shù)在智能電網(wǎng)業(yè)務(wù)的應(yīng)用方向

1.1 電網(wǎng)業(yè)務(wù)信息交互

在智能電網(wǎng)當(dāng)中應(yīng)用5G 通信技術(shù)為主要方向，提高電網(wǎng)業(yè)務(wù)信息的交互性，由于在智能電網(wǎng)當(dāng)中其覆蓋面積較廣，所以需要依靠大量的監(jiān)控設(shè)備，而信息交互頻率較高也就導(dǎo)致當(dāng)前的智能電網(wǎng)建設(shè)成本高且運(yùn)營困難，因此在智能電網(wǎng)業(yè)務(wù)當(dāng)中應(yīng)用5G 通信技術(shù)其主要方向?yàn)樘岣唠娋W(wǎng)業(yè)務(wù)信息交互效率。

1.2 電力信息運(yùn)維工作

在智能電網(wǎng)當(dāng)中應(yīng)用5G 通信技術(shù)能夠?qū)χ悄茈娋W(wǎng)的電力信息進(jìn)行日常運(yùn)營，通過5G 通信技術(shù)的輔助能夠進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的調(diào)度與運(yùn)營管理的一體化，同時也能夠利用5G 通信技術(shù)作為智能電網(wǎng)運(yùn)營的數(shù)據(jù)支撐工具，進(jìn)而形成一個具有高度科學(xué)性專業(yè)化的網(wǎng)絡(luò)通信平臺

2 5G 通信技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用策略

2.1 D2D 網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)的應(yīng)用

在傳統(tǒng)的無線通信技術(shù)應(yīng)用過程中，基站的建設(shè)是傳統(tǒng)無線通信技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)設(shè)施。但是無線通信基站的建設(shè)成本較高，同時基站的信號覆蓋區(qū)域也有一定的距離限制，因此無線通信基站在大規(guī)模的應(yīng)用上并沒有顯著優(yōu)勢。探索不需要基站進(jìn)行信息傳輸?shù)闹修D(zhuǎn)方式，不僅能夠減少電網(wǎng)升級的成本，同時也能提高智能電網(wǎng)建設(shè)質(zhì)量。

5G 通信技術(shù)應(yīng)用在智能電網(wǎng)中最重要的技術(shù)就是D2D 網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)（deviceˉtoˉdevice communication, D2D）即裝置與裝置之間的連接。將D2D 網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)應(yīng)用在智能電網(wǎng)中能夠保證網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與通訊終端站之間展開直接連接，D2D 網(wǎng)絡(luò)連接往往采取分散式連接，保證每一個節(jié)點(diǎn)都可以展開獨(dú)立工作與運(yùn)行。在信號傳輸和發(fā)送的過程當(dāng)中，每一個節(jié)點(diǎn)都能夠獨(dú)立完成工作，同時在整個網(wǎng)絡(luò)體系當(dāng)中的各個參與主體也可以共享在網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中的所有信息與資源，例如，信息處理服務(wù)以及信息存儲服務(wù)。D2D 網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)如圖1 所示，將D2D 網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)應(yīng)用于智能電網(wǎng)系統(tǒng)當(dāng)中能夠進(jìn)一步提升智能終端的分布密度以及服務(wù)性能，進(jìn)而提高信息傳輸速度以及信息儲存質(zhì)量，避免在信息傳輸和運(yùn)營過程當(dāng)中出現(xiàn)對基站的過分依賴，從而降低整個智能電網(wǎng)的運(yùn)行成本[1]。

圖1 D2D 網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)架構(gòu)

2.2 5G 配電自動化應(yīng)用

在現(xiàn)代化智能電網(wǎng)當(dāng)中主要包括子站系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及配電主站等，在智能電網(wǎng)當(dāng)中配電自動化應(yīng)用能夠大大提升各類電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)以及決策水平。在現(xiàn)代配電自動化網(wǎng)絡(luò)體系當(dāng)中，其控制體系就在于能夠通過智能測量終端以及智能傳感器獲取通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行數(shù)據(jù)，并利用云計(jì)算平臺對所有的配電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行全面分析以及狀態(tài)預(yù)估。

（1）在5G 配電自動化應(yīng)用過程當(dāng)中對網(wǎng)絡(luò)傳輸性能的要求較高。由于數(shù)據(jù)在運(yùn)行和傳輸過程當(dāng)中往往會出現(xiàn)不規(guī)律的變化，進(jìn)而導(dǎo)致電網(wǎng)出現(xiàn)決策失誤。因此在利用集中配電自動化手段進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)通信使其基礎(chǔ)設(shè)施成本較高，無法開展廣泛使用。因此利用5G 配電自動化智能分布式系統(tǒng)，能夠進(jìn)一步提升其分布式水平和集中式水平，不僅能夠進(jìn)一步協(xié)調(diào)整個通信網(wǎng)絡(luò)體系，同時也能夠避免對通信網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生過多依賴，滿足現(xiàn)代化網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際運(yùn)行需求。同時也能夠解決在現(xiàn)代配電網(wǎng)當(dāng)中控制目標(biāo)復(fù)雜且用戶需求多樣化的問題，進(jìn)而大大提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性以及傳輸效率[2]。

（2）在智能電網(wǎng)當(dāng)中應(yīng)用配電網(wǎng)保護(hù)往往會采用光纖作為主要載體，但是由于大部分光纖的覆蓋難度較高且容易造成失誤，因此在目前的配電網(wǎng)體系當(dāng)中并未獲得大范圍使用。而利用5G 配電自動化可以為接下來開展大范圍推廣奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，配電網(wǎng)差動保護(hù)場景組網(wǎng)如圖2 所示。在整個保護(hù)場景當(dāng)中應(yīng)當(dāng)保證所有的網(wǎng)絡(luò)延時在15ms 以下，而且網(wǎng)絡(luò)授時的精度在10μs 以下。傳統(tǒng)的4G 通信不具備提高網(wǎng)絡(luò)精度的功能，同時在出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)延時也無法滿足必要的業(yè)務(wù)需求，由此可見只有5G 通信網(wǎng)絡(luò)能夠滿足未來智能配電網(wǎng)的發(fā)展需求，并且進(jìn)一步改善5G 配電網(wǎng)的自動化運(yùn)行水平，進(jìn)而推動智能電網(wǎng)的創(chuàng)新和發(fā)展。

圖2 配電網(wǎng)差動保護(hù)場景組網(wǎng)

2.3 基于5G 切片技術(shù)的管理系統(tǒng)

5G 切片技術(shù)管理系統(tǒng)大部分包括智能分析體系、基礎(chǔ)設(shè)施體系以及智能切片管理體系，基于5G 切片技術(shù)的支撐平臺架構(gòu)如圖3 所示，在智能電網(wǎng)中應(yīng)用5G切片技術(shù)管理系統(tǒng)時應(yīng)當(dāng)注意以下3 點(diǎn)。

圖3 基于5G 切片技術(shù)的支撐平臺網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

（1）提高5G 切片技術(shù)管理體系的性能。在大部分武器切片技術(shù)應(yīng)用過程當(dāng)中，其主要問題往往是由管理系統(tǒng)自動解決，目前我國較為成熟的研究方案主要集中在核心網(wǎng)的使用以及虛擬機(jī)的虛擬資源分配問題，在5G 切片技術(shù)的管理過程當(dāng)中，往往通過核心網(wǎng)站對虛擬化網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行合理分配，從而進(jìn)一步優(yōu)化整個管理系統(tǒng)的服務(wù)性能。在5G 通信技術(shù)初步發(fā)展的過程當(dāng)中，大多是以低時延高可靠通信（ultraˉreliable lowˉlatency communications, uRLLC） 和增強(qiáng)移動寬帶（enhance mobile broadband, eMBB）服務(wù)相結(jié)合的方式進(jìn)行應(yīng)用的，在很大程度上為智能電網(wǎng)的發(fā)展提供了一定的解決方案。

（2）在5G 切片核心網(wǎng)站當(dāng)中能夠發(fā)現(xiàn)有一部分用戶在設(shè)定參數(shù)的過程當(dāng)中會有網(wǎng)站為用戶設(shè)定優(yōu)先級，并根據(jù)用戶的優(yōu)先級別為其劃分資源時頻。由于是將uRLLC 和eMBB 服務(wù)相結(jié)合，因此必須要考慮到以上兩種業(yè)務(wù)的共存場景，并從整體的角度考慮這兩種業(yè)務(wù)的實(shí)際特征以及內(nèi)在需求。例如，uRLLC 服務(wù)對延時性較為敏感，因此在該業(yè)務(wù)場景當(dāng)中應(yīng)當(dāng)首先包括延時參數(shù)。eMBB 業(yè)務(wù)對延遲的敏感度較低，對速率有著較高的需求，因此在eMBB 的業(yè)務(wù)場景當(dāng)中其速率因素應(yīng)當(dāng)首先被考慮到其表達(dá)公式當(dāng)中。由于不同的用戶及需求不同，因此在調(diào)度的過程當(dāng)中應(yīng)當(dāng)加入控制機(jī)制（quality of service, QoS）進(jìn)一步提高計(jì)算模型的調(diào)度優(yōu)勢。如表1 所示，電力系統(tǒng)當(dāng)中各類應(yīng)用場景的QoS 需求有著一定的差異，通過不同用戶給定的不同服務(wù)參數(shù)需求，進(jìn)而對用戶的優(yōu)先級別進(jìn)行計(jì)算，并在其列表當(dāng)中選擇等級最高的用戶作為調(diào)度對象。通過合理的調(diào)度方式對用戶進(jìn)行調(diào)整之后，保證用戶能夠被分配到合理的資源，從而使用戶能夠完成信息傳輸和接收工作。

表1 電力系統(tǒng)各類應(yīng)用場景QoS 需求

（3）利用誤碼率公式能夠進(jìn)一步提高業(yè)務(wù)場景服務(wù)的穩(wěn)定性，從而保證在資源調(diào)配過程當(dāng)中誤碼率能夠得到有效調(diào)整與控制。一旦在資源分配過程當(dāng)中缺乏uRLLC 業(yè)務(wù)，那服務(wù)將會作為保留資源，進(jìn)而提高整體資源的可靠性。在公共資源進(jìn)行調(diào)整分配的過程當(dāng)中，對其優(yōu)先級進(jìn)行介紹，并按照客戶的優(yōu)先級進(jìn)行資源調(diào)度。在分配額外的資源板塊時應(yīng)重點(diǎn)對用戶的信用條件進(jìn)行評價，一旦用戶的信用條件較好，則無須為其分配額外的資源。要想為某一客戶分配額外資源就需要保證其信用情況低于某一參考值。與核心局域網(wǎng)有一定的不同，5G 切片資源管理需要對存儲資源量進(jìn)行定期管理，此外還需要定期管理虛擬無線資源。在5G 切片管理系統(tǒng)當(dāng)中，接入網(wǎng)依舊存在再生中繼單元（regenerative repeater unit, RRU），目的就在于定時開展數(shù)據(jù)接收與傳輸，這種手段能夠緊密聯(lián)系無線頻譜，同時也能夠進(jìn)一步提高接入網(wǎng)當(dāng)中無線資源管理效率和管理質(zhì)量。為進(jìn)一步優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源管理效率和管理質(zhì)量，必須要利用QoS 虛擬網(wǎng)絡(luò)資源來解決資源優(yōu)化分配需求，首先對無線資源進(jìn)行虛擬化改造，其次根據(jù)實(shí)際成本和服務(wù)需求建立優(yōu)化模型，最后利用優(yōu)化模型啟動自動算法理論并解決模型當(dāng)中的主要問題[3]。

2.4 CˉRAN 通信技術(shù)應(yīng)用

在5G 通信技術(shù)當(dāng)中，基于分布式拉遠(yuǎn)基站（Centrˉ alized，Cooperative，Cloud and clean RAN, CˉRAN）共有兩層不同的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)具有一定的靈活性，主要包括合成器單元（combiner unit, CU）和分布式單元（distributed unit, DU）兩層協(xié)議以及網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（network function virtualization, NFV）等不同的部分，這一系統(tǒng)已經(jīng)成為5G 通信技術(shù)的未來發(fā)展主要方向。電網(wǎng)中應(yīng)用5G 通信系統(tǒng)的CˉRAN 通信技術(shù)主要包括以下4 點(diǎn)。

（1）由于整體網(wǎng)絡(luò)體系具有較強(qiáng)的靈活性和協(xié)作性，因此在接入CˉRAN 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)時能夠進(jìn)一步保證數(shù)據(jù)的傳輸效率，確保在數(shù)據(jù)傳輸過程當(dāng)中，其傳輸速度和傳輸質(zhì)量能夠滿足用戶的需求，目前也已經(jīng)成為5G通信技術(shù)的主要發(fā)展趨勢。

（2）在整個網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)當(dāng)中充分利用了光傳輸和天線遠(yuǎn)端基礎(chǔ)設(shè)施增加網(wǎng)絡(luò)信號的覆蓋，提高信息的傳輸效率和傳輸質(zhì)量。因此將CˉRAN 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)應(yīng)用至智能電網(wǎng)當(dāng)中，能夠進(jìn)一步減少整個智能電網(wǎng)的運(yùn)營成本，促進(jìn)智能電網(wǎng)收集運(yùn)行數(shù)據(jù)以及運(yùn)行的信息能夠更加迅速發(fā)現(xiàn)智能電網(wǎng)運(yùn)營過程當(dāng)中的潛在問題[4]。

（3）在5G 通信技術(shù)當(dāng)中，CˉRAN 的通信形式是當(dāng)前科技發(fā)展的產(chǎn)物，其主要表現(xiàn)形式為網(wǎng)絡(luò)通信的無線化，在目前網(wǎng)絡(luò)競爭不斷提升的現(xiàn)狀下，利用CˉRAN使網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商在市場競爭當(dāng)中獲得勝利，同樣也是對智能電網(wǎng)改革的主要手段，能夠大大減少智能電網(wǎng)公司的運(yùn)營成本。推動智能電網(wǎng)當(dāng)中應(yīng)用5G 通信技術(shù)，利用這一技術(shù)能夠?yàn)?G 電網(wǎng)的用戶持續(xù)提供數(shù)據(jù)交流和數(shù)據(jù)傳輸，避免在傳輸過程當(dāng)中對基站過度依賴，同時也能夠減少在智能電網(wǎng)運(yùn)行過程當(dāng)中的能源消耗，使虛擬的網(wǎng)絡(luò)資源也能夠得到實(shí)時共享[5]。

（4）CˉRAN 技術(shù)的運(yùn)用目的就在于提升網(wǎng)絡(luò)傳輸速度，利用電力傳輸與遠(yuǎn)程天線相結(jié)合，能夠進(jìn)一步擴(kuò)散智能電網(wǎng)的覆蓋面積，使5G 通信和智能電網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)的基站都能夠同時得到信號傳輸服務(wù)。在5G 通信技術(shù)當(dāng)中的CˉRAN 技術(shù)能夠?qū)χ悄茈娋W(wǎng)進(jìn)行擴(kuò)容，避免在智能電網(wǎng)運(yùn)行過程當(dāng)中出現(xiàn)過多的經(jīng)濟(jì)支出以及能源消耗，使人們的日常生活與工作更加便捷。

3 結(jié)語

綜上所述，隨著5G 通信技術(shù)在智能電網(wǎng)構(gòu)建中有更廣泛的應(yīng)用場景，有效提高電網(wǎng)運(yùn)行效率，同時，也為用戶提供了更佳的使用體驗(yàn)。隨著當(dāng)前用電需求的不斷提高，5G 通信技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用更要不斷探索應(yīng)用場景與應(yīng)用研究，從而為智能電網(wǎng)的高質(zhì)量發(fā)展與全方位發(fā)展提供更多的可能，進(jìn)而提升電力企業(yè)的競爭力。