基于5G技術(shù)的智慧電力平臺(tái)研究

摘要：“十四五”期間，我國(guó)智慧電力系統(tǒng)得到了迅猛發(fā)展，其中運(yùn)行、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)警、信息化等方面的動(dòng)態(tài)變化起著舉足輕重的作用。5G技術(shù)具有低延遲、大連接、高可靠等優(yōu)點(diǎn)，智慧電力系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求與5G網(wǎng)絡(luò)的特性緊密相連，5G技術(shù)的分層狀態(tài)能夠適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)需求和絕緣需求，能夠更好地適應(yīng)電力系統(tǒng)的運(yùn)行和絕緣保護(hù)，是我國(guó)智慧電力系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。基于此，本文從5G技術(shù)、電力系統(tǒng)、行業(yè)需求出發(fā)，詳細(xì)論述了基于5G技術(shù)的智慧電力平臺(tái)的功能和構(gòu)建方法。

關(guān)鍵詞：智慧電力；5G技術(shù)；電力平臺(tái)

引言

當(dāng)前，隨著人工智慧技術(shù)的發(fā)展，智慧電力體系已經(jīng)逐漸成型，并產(chǎn)生了一些具有代表性的智慧應(yīng)用場(chǎng)景。智慧電力服務(wù)平臺(tái)是在對(duì)當(dāng)前智慧電力系統(tǒng)運(yùn)行需求進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，為了能夠迅速定位停電事故并及時(shí)有效告知用戶狀況，而設(shè)計(jì)開發(fā)的一種能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控用戶電源狀況的智慧終端。在電源電壓變化時(shí)，終端將線路狀況上傳至云端平臺(tái)，由系統(tǒng)根據(jù)停電原因向用戶通報(bào)，并自動(dòng)將停電范圍、原因等信息發(fā)送給相關(guān)操作人員，操作人員能夠迅速定位故障的原因、范圍和故障位置。這是一種主動(dòng)服務(wù)，從用戶反饋到客戶，再到維護(hù)人員，信息的傳遞效率很高。

1. 5G技術(shù)與電力系統(tǒng)

1.1 5G技術(shù)

5G是目前最先進(jìn)的第五代手機(jī)通信技術(shù)。與4G、3G相比，5G網(wǎng)絡(luò)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）可以直接處理大量數(shù)據(jù)，比如高清晰度的視頻、虛擬現(xiàn)實(shí)；（2）可以很好地適應(yīng)遠(yuǎn)程醫(yī)療應(yīng)用的需要，并具有很好的實(shí)用性；（3）具有很強(qiáng)的承載能力，可以將多臺(tái)設(shè)備連接起來，為未來物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展打下了良好的通信基礎(chǔ)；（4）覆蓋廣泛，可提供較好的網(wǎng)絡(luò)速度；（5）實(shí)現(xiàn)了協(xié)作組網(wǎng)，使系統(tǒng)的智慧化程度得到提高[1]。

1.2 電力系統(tǒng)

目前，電力系統(tǒng)由發(fā)電、輸電、變配電、用電四大部分構(gòu)成。在輸電、變電、配電環(huán)節(jié)的作用，通過交易、調(diào)度與區(qū)域內(nèi)的電力系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行管理和維修、供電保障、區(qū)域電網(wǎng)的規(guī)劃、區(qū)域電力市場(chǎng)的建設(shè)和傳送，從而確保電力系統(tǒng)的整體質(zhì)量和安全。我國(guó)電力市場(chǎng)的主要輸變配電公司是國(guó)家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)。電力應(yīng)用涉及各行各業(yè)，一般包括很多地區(qū)、企業(yè)，也包括大量的個(gè)人用戶。電力輔助企業(yè)的主體是電力設(shè)計(jì)、建設(shè)、設(shè)備制造等企業(yè)。

2. 5G時(shí)代電力行業(yè)的需求及痛點(diǎn)

2.1 網(wǎng)絡(luò)層次需要兼顧國(guó)家和業(yè)務(wù)的需要

按照國(guó)家發(fā)改委公布的《電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護(hù)規(guī)定》和《國(guó)家能源局關(guān)于印發(fā)電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護(hù)總體方案等安全防護(hù)方案和評(píng)估規(guī)范的通知》（國(guó)能安全〔2015〕36號(hào)）的規(guī)定，電力工業(yè)網(wǎng)絡(luò)必須滿足安全共享、網(wǎng)絡(luò)專用、水平隔離、縱向驗(yàn)證等方面的規(guī)定。但是，在業(yè)務(wù)層面上，由于光纖終端的覆蓋困難，使得公用無線網(wǎng)絡(luò)不能很好地解決業(yè)務(wù)的時(shí)延和訪問要求。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的質(zhì)量和容忍能力是否能夠滿足用戶的要求，只能通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)或模塊的故障進(jìn)行判斷和定位，這種方法不但效率低下，而且精度也不高。

2.2 統(tǒng)一控制的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)卡

針對(duì)多端口的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)卡，不能實(shí)時(shí)掌握網(wǎng)卡的狀況；運(yùn)營(yíng)商開出的流量計(jì)費(fèi)不精確，統(tǒng)計(jì)指標(biāo)沒有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，而且沒有對(duì)賬手段。通信卡的管理范圍比較廣，在網(wǎng)絡(luò)流量大、業(yè)務(wù)中斷的情況下，必須與電信公司協(xié)調(diào)開通或取消，造成通信費(fèi)用高昂。

2.3 不能有效地處理和實(shí)時(shí)掌握統(tǒng)計(jì)類的數(shù)據(jù)

在申請(qǐng)、審核、采購(gòu)、發(fā)放等工作中，沒有統(tǒng)一的電子程序，對(duì)卡片的管理和責(zé)任不明確；采用復(fù)雜的Excel表進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)，以驗(yàn)證流量超標(biāo)，但其效率和精確度不高；管理人員不能有效地分析具體情況，只根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)對(duì)通信終端的工作狀況進(jìn)行判定[2]。為此，一方面要根據(jù)用戶的需求，為電力行業(yè)制定5G專用網(wǎng)絡(luò)解決方案，以滿足供電公司的業(yè)務(wù)和安全要求；另一方面，要集中力量進(jìn)行全面控制和分層管理，構(gòu)建智慧化的5G電力系統(tǒng)，以達(dá)到對(duì)電力客戶的精益管理，降低運(yùn)營(yíng)成本。

2.4 不能有效地控制通信終端

通信終端種類繁多，數(shù)量龐大，沒有統(tǒng)一的控制方法；無法監(jiān)測(cè)通信終端的狀況，報(bào)警顯示不及時(shí)；通信卡和通信終端之間的聯(lián)系不能被控制，無法知道卡是否被轉(zhuǎn)移到了其他地方，導(dǎo)致財(cái)產(chǎn)損失。

3. 5G時(shí)代智慧電力平臺(tái)的具體應(yīng)用場(chǎng)景

目前發(fā)展智能電網(wǎng)，急需對(duì)各種負(fù)荷進(jìn)行精確的調(diào)控，以特高壓為骨干、各級(jí)電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的新型電網(wǎng)模式，實(shí)現(xiàn)各級(jí)電網(wǎng)重要廊道的監(jiān)視、巡檢，引入可視化、實(shí)時(shí)化、精益化的新型作業(yè)方式，實(shí)現(xiàn)用戶雙向互動(dòng)、用電精細(xì)化管理，開展以“互聯(lián)網(wǎng)+”為基礎(chǔ)的新的經(jīng)營(yíng)模式。這些服務(wù)需要10萬級(jí)的并發(fā)、微秒級(jí)的時(shí)延、99.999%的可靠性，以及5G網(wǎng)絡(luò)的廣泛覆蓋、大連接、低時(shí)延、高可靠、高安全等特點(diǎn)。而5G的網(wǎng)絡(luò)切片、邊緣計(jì)算等功能的集成，正好能夠滿足智能電網(wǎng)的多樣化和隔離需求，使其具有高可靠、高帶寬、高安全的特點(diǎn)，如圖1所示。

3.1 智慧發(fā)電典型場(chǎng)景

在發(fā)電領(lǐng)域，智慧電力平臺(tái)的應(yīng)用范圍包括基礎(chǔ)設(shè)施、安全、運(yùn)營(yíng)、燃料、設(shè)備、材料、運(yùn)營(yíng)、辦公等。在此基礎(chǔ)上，本文提出了兩種典型的應(yīng)用場(chǎng)景：第一，建立信息支持平臺(tái)。首先，該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)服務(wù)、4A標(biāo)準(zhǔn)化管理、流程管理；其次，整合的手機(jī)平臺(tái)主要是為了滿足手機(jī)與手機(jī)之間的兼容要求，并將其整合在一起；最后，建設(shè)三維可視化平臺(tái)，采用虛擬電廠，也就是數(shù)字孿生技術(shù)，在多源信息的基礎(chǔ)上，對(duì)全電站進(jìn)行1∶1高精度高仿真三維建模，為智能安全管理等智能化應(yīng)用提供可視化、數(shù)字化的支持平臺(tái)。第二，實(shí)現(xiàn)智能管理，涉及基礎(chǔ)設(shè)施、安全、運(yùn)營(yíng)、燃料、設(shè)備、材料、運(yùn)營(yíng)、辦公等方面。新能源如風(fēng)力、太陽(yáng)能等是新的電力系統(tǒng)，與電力系統(tǒng)結(jié)合后，將使電力系統(tǒng)由單一供電向多供電轉(zhuǎn)變。智能發(fā)電通過5G網(wǎng)絡(luò)、無人機(jī)、機(jī)器人等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電、太陽(yáng)能等新能源的智能監(jiān)控，對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行智能監(jiān)控、調(diào)速。5G分布式發(fā)電系統(tǒng)有利于提高風(fēng)電、太陽(yáng)能的發(fā)電能力，提高運(yùn)行效果，減少運(yùn)行費(fèi)用。

3.2 智慧輸電場(chǎng)景

智慧輸電場(chǎng)景主要針對(duì)輸電線路，可劃分為智慧監(jiān)控與狀態(tài)監(jiān)控。智慧巡檢則是指對(duì)輸電設(shè)備、線路進(jìn)行實(shí)地檢測(cè)，并根據(jù)實(shí)際情況分析、掌握、排除可能存在的安全隱患，保證電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行和安全。在這種情況下，必須實(shí)現(xiàn)一鍵釋放、多模式組合、自動(dòng)持續(xù)的立體巡邏模式，并通過利用物聯(lián)網(wǎng)、5GeMBB、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、AR等技術(shù)，進(jìn)行大規(guī)模的自動(dòng)巡邏，將極大地提升輸電線路的巡查效率[3]。為了保證電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，必須實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)警、分析、診斷、預(yù)測(cè)各類設(shè)備和線路狀態(tài)。在狀態(tài)監(jiān)控方面，主要是監(jiān)控傳輸過程中所涉及的設(shè)備，控制和監(jiān)控相關(guān)線路的運(yùn)行狀況，以確保與傳輸相關(guān)的設(shè)備的安全。然而，我國(guó)地域廣闊，輸電線路分布廣泛，傳統(tǒng)4G網(wǎng)絡(luò)難以有效覆蓋和監(jiān)控人口較少、地勢(shì)較差的地區(qū)。此外，各區(qū)域的天氣狀況也有很大差別，設(shè)備的操作環(huán)境（溫度和濕度）差異很大，因此對(duì)終端設(shè)備的性能和數(shù)量要求也更高。智慧輸電技術(shù)是通過5G網(wǎng)絡(luò)、無人機(jī)、機(jī)器人等，在高風(fēng)險(xiǎn)環(huán)境下，對(duì)電網(wǎng)、電廠等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并能實(shí)時(shí)獲取高清圖像或視頻。5G智慧輸電技術(shù)拓展了輸電線路智能監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，可以極大地提高巡檢工作的效率和安全可靠度、減少停電故障率和維護(hù)費(fèi)用、減少員工的人身安全風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 智慧變配電場(chǎng)景

智慧變配電應(yīng)用場(chǎng)景包括對(duì)負(fù)荷精確控制、實(shí)時(shí)顯示變電站信息、監(jiān)控配電力系統(tǒng)運(yùn)行狀況等。

（1）通過各種先進(jìn)的現(xiàn)代科技，智慧監(jiān)控機(jī)器人可以進(jìn)行有效的監(jiān)控，采集、分析、整合監(jiān)測(cè)到的圖像，迅速、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)故障，并自動(dòng)生成故障報(bào)告，極大地提高了監(jiān)測(cè)工作的效率，減少了設(shè)備和人員的費(fèi)用和風(fēng)險(xiǎn)，保障了電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。

（2）配電系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)是指通過傳感器監(jiān)測(cè)配電設(shè)備運(yùn)行狀況、運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)和防盜報(bào)警等，從而保證配電系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運(yùn)行、分布電力供應(yīng)等。在配電力系統(tǒng)運(yùn)行狀況監(jiān)控中，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、相關(guān)信息化平臺(tái)、傳感器等都是關(guān)鍵技術(shù)與裝備。具備上述技術(shù)與裝備，才能建立高品質(zhì)的監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)，以保證其正常運(yùn)行。

（3）毫秒級(jí)精確控制負(fù)載，是指在不需要任何設(shè)備的情況下，對(duì)持續(xù)運(yùn)行的負(fù)載進(jìn)行切斷，因?yàn)樗臅r(shí)間延遲在毫秒級(jí)，可以在家庭場(chǎng)景中得到廣泛應(yīng)用，且隨著生活熱水、空調(diào)等負(fù)荷的增加，它的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)也隨之增加。智慧配電網(wǎng)是指通過5G網(wǎng)絡(luò)、攝像機(jī)、無人機(jī)等設(shè)備，對(duì)配電主站、配電站、配電網(wǎng)的故障定位、故障恢復(fù)、分布式配電自動(dòng)化、微秒精確負(fù)載控制等方面的應(yīng)用。5G配電自動(dòng)化也是智能配電的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域，通過5G網(wǎng)絡(luò)的切片，可以達(dá)到毫秒級(jí)的終端對(duì)終端的通信延遲，滿足電網(wǎng)自動(dòng)化、物理、邏輯隔離的要求，為配網(wǎng)自動(dòng)化、視頻監(jiān)控和公共服務(wù)提供了有力支撐。

3.4 智慧用電場(chǎng)景

隨著人民生活水平的不斷提高，智慧用電場(chǎng)景越來越多，應(yīng)用范圍也越來越廣。從目前的情況來看，智慧用電場(chǎng)景主要包括在線業(yè)務(wù)管理、電力設(shè)備場(chǎng)景的智能檢測(cè)與管理、電力數(shù)據(jù)采集、故障分析與預(yù)警、信息的公布與互動(dòng)。通常，電力信息采集量大，需要大量的信息，并且上行流量大、下行流量小，這就使得智慧方案需要更大的終端數(shù)量、更多的時(shí)間、更高的精確度。對(duì)于這個(gè)智慧場(chǎng)景，在線業(yè)務(wù)處理主要是利用在線平臺(tái)和軟件來完成；要求對(duì)業(yè)務(wù)服務(wù)進(jìn)行全方位的訪問，并具備諸如信息和核心用戶識(shí)別的能力；在智能故障分析與警報(bào)系統(tǒng)中，為提高維修工作的質(zhì)量和工作效率，必須實(shí)現(xiàn)對(duì)搶修作業(yè)的自動(dòng)化。智慧監(jiān)控系統(tǒng)是指在具有智慧化功能的小區(qū)等區(qū)域中，對(duì)所涉及的電力設(shè)施進(jìn)行智慧監(jiān)控、監(jiān)測(cè)，并利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的全面覆蓋，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)的管理與服務(wù)的雙向交互。

智慧用電系統(tǒng)充分發(fā)揮5G強(qiáng)大的互聯(lián)功能，以及用電數(shù)據(jù)采集裝置（DCU），可自動(dòng)采集用電信息、監(jiān)測(cè)計(jì)量異常、控制大用戶負(fù)載、管理線路損耗、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)、用戶用電分析、計(jì)費(fèi)和計(jì)費(fèi)管理等。5G技術(shù)在智慧用電方面的廣泛應(yīng)用，能為供電公司優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、減少線路損耗、為客戶提供差別化的用電服務(wù)、指導(dǎo)錯(cuò)峰用電、減少用電管理和運(yùn)行費(fèi)用，提高營(yíng)業(yè)收入。

4. 基于5G技術(shù)的智慧電力平臺(tái)的價(jià)值

4.1 精益管理

智慧電力平臺(tái)為用戶提供用能報(bào)告和分析報(bào)告，以便于用戶對(duì)用能進(jìn)行更精細(xì)的管理，為用戶優(yōu)化用能狀況提出有效的意見和指導(dǎo)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)能源消耗的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)和分析[4]。

4.2 提升安全性

通過實(shí)際的使用和維修，可以有效地防止短路、過載、漏電等重大事故，但仍有很大的提高空間?；?G技術(shù)的智慧電力平臺(tái)能夠?qū)崟r(shí)收集和分析運(yùn)行數(shù)據(jù)，并通過智慧斷路器和外部傳感器的數(shù)據(jù)采集終端，為用戶提供更加完善的用電安全防護(hù)機(jī)制，從而提高電力使用者的能源使用安全性。

4.3 使操作更加簡(jiǎn)單

“四遙”的便捷功能，使用戶能夠在符合網(wǎng)絡(luò)安全標(biāo)準(zhǔn)的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)配電系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操作，從而簡(jiǎn)化了操作人員的操作，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)開關(guān)操作、參數(shù)整定等的遠(yuǎn)程操作。同時(shí)，還可以為使用者提供一定程度的智慧維護(hù)策略，例如對(duì)多余的負(fù)荷定時(shí)關(guān)掉，以節(jié)約能源等。

4.4 降低成本和提高效率

智慧運(yùn)維系統(tǒng)可以通過對(duì)用能進(jìn)行精細(xì)化的監(jiān)控管理和智慧運(yùn)維等方式，來降低用能的費(fèi)用，從而達(dá)到節(jié)能的目的。同時(shí)，還可以從資產(chǎn)管理、運(yùn)維管理等方面，進(jìn)一步提高運(yùn)維管理的工作效率，從而有效減少運(yùn)維管理的人力資源。

4.5 預(yù)測(cè)性運(yùn)維

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的應(yīng)用，使得基于5G技術(shù)的智慧電力平臺(tái)與傳統(tǒng)的工業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有著本質(zhì)的不同。它可以利用企業(yè)運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)和人工智慧引擎，對(duì)能源消耗進(jìn)行建模和分析，為能源消耗預(yù)測(cè)、設(shè)備壽命預(yù)測(cè)等提供附加價(jià)值，為客戶提供高效的操作決策，降低故障發(fā)生率，提升系統(tǒng)工作效率。

結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)信息化的快速發(fā)展，智能化電力系統(tǒng)的發(fā)展必然會(huì)更加迅速，5G技術(shù)具有先進(jìn)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可以將5G技術(shù)運(yùn)用到智慧用電場(chǎng)景中。但任何一個(gè)智能場(chǎng)景都對(duì)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提出了更高的要求，所以必須將5G技術(shù)應(yīng)用到智慧電力系統(tǒng)中，并對(duì)其進(jìn)一步完善，從而提高效率。有關(guān)企業(yè)應(yīng)對(duì)5G技術(shù)進(jìn)行深入研究，把握其技術(shù)優(yōu)勢(shì)，結(jié)合自己的具體情況，將5G技術(shù)運(yùn)用到智慧用電、智慧輸電、智慧配電等領(lǐng)域，從而推動(dòng)智慧電力系統(tǒng)的長(zhǎng)期發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介：陳浩然，本科，初級(jí)項(xiàng)目經(jīng)理，研究方向：通信技術(shù)、數(shù)字化項(xiàng)目管理。