能源互聯(lián)網(wǎng)背景下5G網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)

周強(qiáng), 劉見龍，周文安

(北京郵電大學(xué), 北京市100876)

能源互聯(lián)網(wǎng)背景下5G網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)

周強(qiáng), 劉見龍，周文安

(北京郵電大學(xué), 北京市100876)

能源互聯(lián)網(wǎng)需要將能量流和信息流進(jìn)行耦合，建立全新的能源體系，分析現(xiàn)有的能源互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)及對信息通信技術(shù)的需求，結(jié)合目前5G網(wǎng)絡(luò)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，闡述5G網(wǎng)絡(luò)在能源互聯(lián)網(wǎng)背景下面臨的大規(guī)模傳感器接入和組網(wǎng)技術(shù)、分布式能源管理、面向能源互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用架構(gòu)以及網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)質(zhì)量(quality of experience，QoE)和信息安全4個(gè)方面的挑戰(zhàn)。能源互聯(lián)網(wǎng)是一次重大的能源變革，信息通信技術(shù)是實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，綜述能源互聯(lián)網(wǎng)背景下5G網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)，為未來能源互聯(lián)網(wǎng)中信息通信技術(shù)的應(yīng)用指明方向。

能源互聯(lián)網(wǎng)；5G網(wǎng)絡(luò)；信息通信技術(shù)；挑戰(zhàn)

0 引 言

能源是人類生存發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。當(dāng)今世界，能源問題和環(huán)境問題日益突出，威脅到人類的可持續(xù)發(fā)展。在全球氣候變化和能源緊缺的背景下，人們一方面尋找可持續(xù)利用、又清潔無污染的可再生能源資源，如水能、風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能和海洋能等；另一方面人們在思考如何依靠通信信息、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、控制技術(shù)有效地協(xié)調(diào)與利用資源，以解決難題。未來學(xué)家里夫金提出“要進(jìn)行全面的變革，通過變革將能量流和信息流進(jìn)行耦合，最后建立一個(gè)全新的能源體系——能源互聯(lián)網(wǎng)”。

能源互聯(lián)網(wǎng)與智能電網(wǎng)之間存在著一些相似和區(qū)別。在電網(wǎng)層面，能源互聯(lián)網(wǎng)中的一些特點(diǎn)在智能電網(wǎng)理論中也提過，但能源互聯(lián)網(wǎng)相比于智能電網(wǎng)更關(guān)注新能源的占比和影響；在能源層面，相比智能電網(wǎng)，能源互聯(lián)網(wǎng)試圖把各種能源組合成一個(gè)超級網(wǎng)絡(luò)，包含智能通信、智能電網(wǎng)、智能交通等眾多智能與綠色概念。國內(nèi)外研究和實(shí)踐中，美國雖尚未明確提出能源互聯(lián)網(wǎng)概念，但其提出的智能電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵有很多相似之處；德國在智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了E-Energy的技術(shù)創(chuàng)新促進(jìn)計(jì)劃；2014年，中國國家電網(wǎng)公司倡議構(gòu)建全球能源互聯(lián)網(wǎng)。

在歐美地區(qū)，智能電網(wǎng)的研究在20世紀(jì)90年代末至本世紀(jì)初便已經(jīng)開展，主要有以下兩種發(fā)展模式。

(1)集中的、自上而下的模式，這種模式的代表是美國。美國最早提出的“復(fù)雜交互式網(wǎng)絡(luò)/系統(tǒng)”是美國現(xiàn)代智能電網(wǎng)的原型，隨后的“Intelli grid”項(xiàng)目進(jìn)行了智能電網(wǎng)的信息通信架構(gòu)研究，后來規(guī)劃了“Grid2030”遠(yuǎn)景圖并提升為國家戰(zhàn)略，致力于建立橫跨美國4個(gè)時(shí)區(qū)的統(tǒng)一電網(wǎng)。

(2)分散、合作的模式，這種模式的代表是歐洲地區(qū)。歐洲智能電網(wǎng)主要側(cè)重于分布式清潔能源的利用，如風(fēng)能、太陽能等。歐洲各國也對各自電網(wǎng)進(jìn)行了改造，以便打造新型能源網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)能源的全局科學(xué)的調(diào)配，代表性的有丹麥智能電網(wǎng)系統(tǒng)和德國的E-Energy系統(tǒng)。

在能源互聯(lián)網(wǎng)中，通信技術(shù)充當(dāng)中樞神經(jīng)系統(tǒng)，是能源合理調(diào)配的前提和實(shí)現(xiàn)保障，促進(jìn)未來新的應(yīng)用和服務(wù)的產(chǎn)生。在能源互聯(lián)網(wǎng)中，各種傳感器組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要支撐無處不在的采集、傳輸，新的電力服務(wù)和交易平臺(tái)需要更好的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的保證。5G技術(shù)目前發(fā)展如火如荼，相比于4G網(wǎng)絡(luò)，下一代5G網(wǎng)絡(luò)的愿景在于提供非常高的數(shù)據(jù)速率(通常為Gbps)和極低的延遲，用戶的體驗(yàn)質(zhì)量(quality of experience，QoE)將顯著改善。在現(xiàn)有的4G網(wǎng)絡(luò)中，不斷增加的智能設(shè)備、新興的多媒體應(yīng)用以及指數(shù)上漲的無線數(shù)據(jù)需求是網(wǎng)絡(luò)的一大負(fù)擔(dān)。5G無線網(wǎng)絡(luò)通過提高數(shù)據(jù)傳輸速率、容量、時(shí)延、服務(wù)質(zhì)量(qualityof service，QoS)有望解決目前能源互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)難點(diǎn)[1-2]。

本文首先介紹能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展概況，通過分析能源互聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)，結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，目前信息互聯(lián)網(wǎng)采用的相應(yīng)技術(shù)，闡述在能源互聯(lián)網(wǎng)背景下，5G網(wǎng)絡(luò)所面臨的挑戰(zhàn)。

1 能源互聯(lián)網(wǎng)與5G技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展

1.1 國內(nèi)外現(xiàn)有能源互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)分析

能源互聯(lián)網(wǎng)是一種在現(xiàn)有電網(wǎng)基礎(chǔ)上，通過先進(jìn)的電力電子技術(shù)和信息技術(shù)，融合了大量分布式可再生能源發(fā)電裝置和分布式儲(chǔ)能裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)能量和信息雙向流動(dòng)的電力對等互聯(lián)共享網(wǎng)絡(luò)。能源互聯(lián)網(wǎng)是把一個(gè)集中式、單向、生產(chǎn)者控制的電網(wǎng)，轉(zhuǎn)變成大量分布式輔助、較少集中式和與更多的消費(fèi)者互動(dòng)的電網(wǎng)。圖1為基于該理念的能源互聯(lián)網(wǎng)示意圖。

早在1998年，美國電科院(EPRI)開始進(jìn)行“復(fù)雜交互式網(wǎng)絡(luò)/系統(tǒng)”(complex interactive networks/systems initiative，CIN/SI)研究；2002年，美國電科院又提出“Intelli grid”項(xiàng)目研究，進(jìn)行智能電網(wǎng)的信息通信架構(gòu)的研究；2003年，美國規(guī)劃了“Grid2030”遠(yuǎn)景圖及路線圖；2009年，奧巴馬將智能電網(wǎng)提升為國家戰(zhàn)略，致力于建立橫跨美國4個(gè)時(shí)區(qū)的統(tǒng)一電網(wǎng)；2009年，美國能源部宣布出資智能電網(wǎng)項(xiàng)目開發(fā)和資助智能電網(wǎng)的示范項(xiàng)目，同時(shí)IBM公司、通用電氣公司和谷歌公司獲得研究智能電表及電表省電應(yīng)用軟件的資助。

圖1 能源互聯(lián)網(wǎng)示意圖Fig.1 Energy Internet

2008年美國北卡萊納大學(xué)主持FREEDM(future renewable electric energy delivery and management)系統(tǒng)研究，該系統(tǒng)效仿互聯(lián)網(wǎng)中的核心路由器，提出了能源路由器的概念并進(jìn)行了原型實(shí)現(xiàn)。美國加州大學(xué)伯克利分校的研究團(tuán)隊(duì)關(guān)注智能電網(wǎng)的底層信息架構(gòu)，提出“以信息為中心的能源網(wǎng)絡(luò)”架構(gòu)[3]。

歐洲智能電網(wǎng)側(cè)重于清潔能源的利用。2002年，歐洲提出“歐洲智能能源”計(jì)劃，并資助歐盟各國和地區(qū)開展節(jié)約能源和發(fā)展可再生能源的行動(dòng)；2005年，歐洲智能電網(wǎng)技術(shù)論壇成立，該論壇主要對未來電網(wǎng)的發(fā)展前景和需求進(jìn)行研究，正式啟動(dòng)未來電網(wǎng)智能電網(wǎng)(SmartGrid)技術(shù)平臺(tái)；2009年，歐盟發(fā)布了戰(zhàn)略能源技術(shù)計(jì)劃(SET-Plan)路線圖，旨在加速技術(shù)發(fā)展和大規(guī)模應(yīng)用，其中智能電網(wǎng)作為第一批啟動(dòng)的6個(gè)重點(diǎn)研發(fā)投資方向之一，提出了2010至2020年智能電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展路線[4]。

E-Energy是2008年德國在智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)上推出的一個(gè)技術(shù)創(chuàng)新促進(jìn)計(jì)劃，是基于信息通信技術(shù)(information communication technology, ICT)的未來能源系統(tǒng)。它提出打造新型能源網(wǎng)絡(luò)，在整個(gè)能源供應(yīng)體系中實(shí)現(xiàn)綜合數(shù)字化互聯(lián)以及計(jì)算機(jī)控制和監(jiān)測的目標(biāo)。瑞士的研究團(tuán)隊(duì)則設(shè)計(jì)了能源集線器，并設(shè)想以此設(shè)備構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)。意大利、西班牙和荷蘭都在進(jìn)行智能電網(wǎng)的建設(shè)，他們致力于智能電表、互動(dòng)式電能源網(wǎng)絡(luò)以及智慧城市方面[5]的研究。

中國的智能電網(wǎng)項(xiàng)目是從2007年開始實(shí)施的，國內(nèi)一些電力電網(wǎng)公司以及中科院電工研究所等單位先后啟動(dòng)了智能電網(wǎng)相關(guān)試點(diǎn)工程與實(shí)踐研究。在2009年的特高壓輸電技術(shù)國際會(huì)議上，國家電網(wǎng)公司提出2016至2020年建成統(tǒng)一的“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”；2014年7月，國家電網(wǎng)公司在美國華盛頓召開的電氣與電子工程師學(xué)會(huì)電力與能源協(xié)會(huì)2014年會(huì)上，面向國際電力學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的代表，呼吁構(gòu)建全球能源互聯(lián)網(wǎng)。2011年，中國首個(gè)智能電網(wǎng)綜合示范工程在中新天津生態(tài)城投運(yùn)，是當(dāng)時(shí)國際上的覆蓋區(qū)域最廣、功能最齊全的智能電網(wǎng)示范區(qū)[6]。

通過以上對比分析，能源互聯(lián)網(wǎng)在美國、歐洲和中國主要有集中、自上而下模式和分散、合作兩種模式。美國和中國由于廣闊的疆域與自然形成的能源布局，集中式的超級電網(wǎng)會(huì)在未來能源互聯(lián)網(wǎng)中占據(jù)重要地位；歐盟本身是一個(gè)區(qū)域一體化組織，分散式模式更適合歐盟的進(jìn)一步發(fā)展。在這兩種模式下，能源互聯(lián)網(wǎng)都是把一個(gè)集中式的、單向的、生產(chǎn)者控制的電網(wǎng)，通過電力技術(shù)和信息技術(shù)轉(zhuǎn)變成由大量可再生能源組成的分布式電網(wǎng)和使更多的消費(fèi)者互動(dòng)的電網(wǎng)。以上各國的能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展歷程如圖2所示。

未來網(wǎng)絡(luò)的設(shè)想是任何人和設(shè)備在任何地方任何時(shí)間都可以接入網(wǎng)絡(luò)，共享信息和數(shù)據(jù)。相比于4G無線網(wǎng)絡(luò)，5G有更高的網(wǎng)絡(luò)容量，比4G提升1 000倍；數(shù)據(jù)速率從4G的100 Mb/s到幾十Gb/s；端到端延遲從4G的十幾 ms減少到5G的幾 ms；5G將支持大量設(shè)備的接入、降低花費(fèi)并讓用戶有更好的QoE[2]。

圖2 各國或地區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展圖Fig.2 Energy internet development in different countries

1.2 5G現(xiàn)有技術(shù)和發(fā)展

5G網(wǎng)絡(luò)的研究正在如火如荼地進(jìn)行，表1是一些主要廠商進(jìn)行的5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)想和試驗(yàn)。愛立信預(yù)計(jì)5G發(fā)展應(yīng)該以向后兼容的方式從現(xiàn)有4G LTE網(wǎng)絡(luò)開始，這有助于抑制使用相同的載波頻率的傳統(tǒng)設(shè)備[7]。高通正在發(fā)展和推動(dòng)4G和5G的并行實(shí)現(xiàn)，通過增加大量的新服務(wù)，建立統(tǒng)一的平臺(tái)有助于降低成本和節(jié)能效率[8]。華為正在與國際組織、眾多大學(xué)、政府以及生態(tài)系統(tǒng)合作伙伴進(jìn)行5G的關(guān)鍵創(chuàng)新[9]。日本的NTT DoCoMo認(rèn)為較高和較低頻段的集成是5G部署的關(guān)鍵，較低頻段將負(fù)責(zé)基本的覆蓋，而較高頻段將提供更高的數(shù)據(jù)速率[10]。諾基亞認(rèn)為優(yōu)化頻譜使用，提高性能是實(shí)現(xiàn)5G無線網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵[11]。三星的5G愿景是將數(shù)十億自組織設(shè)備連接起來，開啟物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代[12]。5G市場各廠商和運(yùn)營商對5G的發(fā)展觀點(diǎn)和5G試驗(yàn)如表1、2所示。

表1 市場對5G的發(fā)展觀點(diǎn)
Table 1 Development perspectives on 5G

表2 5G廠商和運(yùn)營商對5G的試驗(yàn)Table 2 5G tests conducted by manufacturers and operators

5G無線通信致力于在無線數(shù)據(jù)速率大小、增加帶寬、覆蓋以及連通性、降低時(shí)延和能量消耗方面取得進(jìn)展。能源互聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)應(yīng)用，其中覆蓋大區(qū)域的智能測量設(shè)備對網(wǎng)絡(luò)的接入將會(huì)是對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)挑戰(zhàn)，5G無線網(wǎng)絡(luò)將在降低數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延、提高可靠性以及提供實(shí)時(shí)的可操作性方面取得進(jìn)步，能源互聯(lián)網(wǎng)將是5G無線網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)應(yīng)用，推動(dòng)5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展[13]。下一代5G無線網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖3所示。

圖3 5G無線網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.3 5G wireless network

2 能源互聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)和信息通信領(lǐng)域需求

能源互聯(lián)網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)能源和信息雙向流動(dòng)的對等網(wǎng)絡(luò)，開放、對等、互聯(lián)和分享是能源互聯(lián)網(wǎng)的基本特征[14-17]。

能源互聯(lián)網(wǎng)中信息采集和數(shù)據(jù)傳輸需要5G網(wǎng)絡(luò)高速的數(shù)據(jù)傳輸速率和低時(shí)延，以保證電網(wǎng)中信息流的雙向傳輸以及業(yè)務(wù)的進(jìn)行；多元化的數(shù)據(jù)融合與信息展示平臺(tái)是數(shù)據(jù)匯聚點(diǎn)和能源互聯(lián)網(wǎng)上信息加工后的展示，需要采用大數(shù)據(jù)技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘和分析，對數(shù)據(jù)處理結(jié)果進(jìn)行針對性地輸出和應(yīng)用；能源互聯(lián)網(wǎng)上的高級應(yīng)用是面對能源互聯(lián)網(wǎng)上的各個(gè)單元提供服務(wù)和應(yīng)用的平臺(tái)，需要5G網(wǎng)絡(luò)提供相應(yīng)的QoE保障和安全保障。

要適應(yīng)全球能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展以及信息通信的大幅擴(kuò)張，對信息通信的安全性、實(shí)時(shí)性以及可靠性有更高的要求，需要信息通信領(lǐng)域有更大的創(chuàng)新和突破。

3 能源互聯(lián)網(wǎng)下5G網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)

能源效率和電力風(fēng)險(xiǎn)是當(dāng)今世界面臨的關(guān)鍵問題，發(fā)電多樣化、需求響應(yīng)、可再生能源的接入以及降低CO2排放等問題不能通過現(xiàn)有電網(wǎng)來解決。通過集成智能控制、傳感以及信息通信技術(shù)，能源互聯(lián)網(wǎng)革新了發(fā)電、分布式能源的應(yīng)用以及電力消耗的問題，能源互聯(lián)網(wǎng)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)能源和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將是能源互聯(lián)網(wǎng)的信息技術(shù)支撐，能源互聯(lián)網(wǎng)需要解決智能測量、需求響應(yīng)、分布式能源控制、傳輸網(wǎng)絡(luò)管理以及服務(wù)平臺(tái)建設(shè)等方面的問題。在能源互聯(lián)網(wǎng)背景下，5G網(wǎng)絡(luò)需要提高數(shù)據(jù)傳輸速率，降低延遲，更好的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量保證；其次需要提高網(wǎng)絡(luò)密集程度，實(shí)現(xiàn)超大的網(wǎng)絡(luò)容量，實(shí)現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通；第三還需要靈活依據(jù)能源互聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)給出相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；最后能源互聯(lián)網(wǎng)的安全問題也是一個(gè)重要挑戰(zhàn)。圖4給出了能源互聯(lián)網(wǎng)背景下，5G網(wǎng)絡(luò)面臨的主要挑戰(zhàn)。

圖4 能源互聯(lián)網(wǎng)背景下5G網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)Fig.4 Challenges of 5G network in energy internet

3.1 大規(guī)模傳感器接入和組網(wǎng)技術(shù)

在能源互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)信息采集和傳輸層，需要在現(xiàn)有電網(wǎng)基礎(chǔ)上，部署廣泛的傳感設(shè)備來實(shí)時(shí)獲得數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，經(jīng)過處理之后反饋回來對能源互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。數(shù)據(jù)的采集和傳輸一般使用大量嵌入式傳感器來完成，形成傳感器網(wǎng)絡(luò)[18-19]。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks, WSNs)就是由這些傳感器節(jié)點(diǎn)組成，它們一般部署在一個(gè)監(jiān)測區(qū)域來協(xié)作地感知、收集和處理感知信息，通過自組織的方式相連，然后將處理后的信息通過多跳的方式傳輸?shù)交?。無線傳感器之間通信頻率選擇，傳感器能量供應(yīng)問題的解決以及傳感器位置部署的優(yōu)化和維護(hù)等問題，是在能源互聯(lián)網(wǎng)背景下5G網(wǎng)絡(luò)面臨的重要挑戰(zhàn)。

3.1.1 傳感器間通信頻率的選擇

無線通信的容量與頻譜效率和帶寬相關(guān)。當(dāng)前，幾乎所有的無線通信頻譜在300 MHz和3 GHz之間，這個(gè)帶寬在各種環(huán)境下?lián)碛锌煽康膹V播特點(diǎn)，但是在增加移動(dòng)容量和連接上不理想，因此，下一代5G網(wǎng)絡(luò)要探索波段在3～300 GHz的未用的mm波。無線電頻譜帶寬在各國都是寶貴的資源，為了滿足未來能源互聯(lián)網(wǎng)上更多設(shè)備的接入和網(wǎng)絡(luò)容量的擴(kuò)展，獲取相應(yīng)的mm波頻段對能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展是十分必要的。

3.1.2 傳感器能量供應(yīng)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，由于其低成本和高可靠性，該技術(shù)在未來能源互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備監(jiān)控和故障檢測上有廣泛的應(yīng)用前景。無線傳感器的節(jié)點(diǎn)通常由電池進(jìn)行供電，當(dāng)電池的電量用完時(shí)，節(jié)點(diǎn)就會(huì)失效，從而導(dǎo)致無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的失效。在電力網(wǎng)絡(luò)中，傳感器布置的環(huán)境通常較為惡劣，更換電池比較困難，而且給龐大數(shù)量的傳感器更換電池也是不太現(xiàn)實(shí)的。在能源互聯(lián)網(wǎng)中，解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)能量供應(yīng)是一個(gè)挑戰(zhàn)。

3.1.3 傳感器異構(gòu)節(jié)點(diǎn)位置部署優(yōu)化

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，負(fù)責(zé)與外網(wǎng)(如Internet，5G網(wǎng)絡(luò)等)連接的節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)相對于一般的傳感器節(jié)點(diǎn)有更多的處理能力和資源，可以持續(xù)供電，這些節(jié)點(diǎn)屬于異構(gòu)節(jié)點(diǎn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命和成本與異構(gòu)節(jié)點(diǎn)的部署有很大的關(guān)系，同時(shí)，這種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)服務(wù)的阻塞率、非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的平均傳輸時(shí)間以及網(wǎng)絡(luò)負(fù)載等都要進(jìn)行考慮，以獲得最好的通信傳輸效果[20]。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)或會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，因此路由算法必須考慮由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化而引起的路由維護(hù)問題。

在能源互聯(lián)網(wǎng)的傳感器和設(shè)備接入和組網(wǎng)方面，主要面臨著未來5G網(wǎng)絡(luò)中的無線電頻段的選擇和獲取，傳感器設(shè)備的能量供應(yīng)和節(jié)點(diǎn)部署的挑戰(zhàn)。

3.2 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的分布式能源管理

能源互聯(lián)網(wǎng)需要大量的分布式能源和可再生能源接入和互聯(lián)，對這些分布式能源的控制和管理向5G邊緣網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提出了挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)智能測量、動(dòng)態(tài)電價(jià)、智能家庭控制系統(tǒng)、實(shí)時(shí)用電信息反饋以及調(diào)度和負(fù)載控制需要5G網(wǎng)絡(luò)提供功能強(qiáng)大的控制管理系統(tǒng)。

3.2.1 基于數(shù)據(jù)的管理

負(fù)荷預(yù)測是能源互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行和調(diào)度的重要內(nèi)容。實(shí)現(xiàn)負(fù)荷預(yù)測需要大量的歷史同期數(shù)據(jù)及天氣環(huán)境數(shù)據(jù)等，大數(shù)據(jù)技術(shù)在其中起著關(guān)鍵作用。由于能源互聯(lián)網(wǎng)采集的數(shù)據(jù)充分且全面，通過專用的數(shù)據(jù)處理框架和高性能的計(jì)算機(jī)，將實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的負(fù)荷預(yù)測。

能源互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測是基于數(shù)據(jù)管理的一個(gè)重要內(nèi)容。風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行環(huán)境惡劣，采用基于數(shù)據(jù)挖掘的分布式能源的運(yùn)行狀況的評估，監(jiān)測發(fā)電機(jī)組的損耗、疲勞情況等，提高運(yùn)行安全性，避免安全事故，降低運(yùn)維成本；依照監(jiān)測到的各區(qū)域的用電情況，進(jìn)行需求側(cè)響應(yīng)。

故障分析是能源互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)的另一個(gè)應(yīng)用。根據(jù)能源互聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)分析網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀況，實(shí)現(xiàn)快速精準(zhǔn)的故障定位，減少傳統(tǒng)定位的成本，提高效率。圖5展示了能源互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)以及大數(shù)據(jù)處理方法。

圖5 能源大數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理方法Fig.5 Energy big data and data processing methods

3.2.2 分布式能源管理

能源互聯(lián)網(wǎng)中存在許多智能設(shè)備，這些設(shè)備上傳數(shù)據(jù)和共享通信基礎(chǔ)設(shè)施，在能源互聯(lián)網(wǎng)依據(jù)設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并將這些數(shù)據(jù)分析結(jié)果輸出到各種設(shè)備上去，完成對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的調(diào)控和管理，完成這些過程需要對網(wǎng)絡(luò)的延遲等有較高的要求?；谠朴?jì)算的理念，移動(dòng)邊緣網(wǎng)可以支持云環(huán)境管理的切換和對各種設(shè)備產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，這樣大部分的計(jì)算決策可由移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行管理，降低了5G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)呢?fù)擔(dān)[21-24]。

能源互聯(lián)網(wǎng)連接著眾多的用戶，基于霧計(jì)算的理念，基于本地用戶資源建立本地云，本地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的管理和計(jì)算，保障數(shù)據(jù)隱私和安全，很好地解決網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)和服務(wù)計(jì)算問題[25]。

對分布式能源進(jìn)行管理和控制是在能源互聯(lián)網(wǎng)背景下5G網(wǎng)絡(luò)面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)，將5G邊緣網(wǎng)絡(luò)管理的理念引入能源互聯(lián)網(wǎng)，將各種智能設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理分散在各處可以有效提高網(wǎng)絡(luò)管理的能力和效率是5G網(wǎng)絡(luò)需要解決的問題。

3.3 應(yīng)用架構(gòu)

3.3.1 高級應(yīng)用的開發(fā)

能源公共服務(wù)平臺(tái)的定位是多元化的數(shù)據(jù)融合與信息展示支撐平臺(tái)，依托底層傳感器網(wǎng)絡(luò)采集的可靠數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)挖掘和分類存儲(chǔ)，構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)平臺(tái)。服務(wù)平臺(tái)的開發(fā)要能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化，將數(shù)據(jù)變換成圖形或圖像顯示出來，實(shí)現(xiàn)能源生產(chǎn)者和能源消耗者的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制，并實(shí)現(xiàn)與能源互聯(lián)網(wǎng)的交互與主動(dòng)優(yōu)化控制；能源互聯(lián)網(wǎng)通過分布式能源的接入，通過能量交換機(jī)實(shí)現(xiàn)電能的雙向流動(dòng)，建立能源在線交易平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)用電單元多余電能的共享[21]。

3.3.2 移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用

現(xiàn)代無線通信技術(shù)改變了我們的生活方式，為有一個(gè)富有成效的生活，我們需要從不同來源獲取和分享信息。能源互聯(lián)網(wǎng)上擁有龐大數(shù)量的智能設(shè)備和應(yīng)用，對數(shù)據(jù)的需求會(huì)不斷提高，網(wǎng)絡(luò)容量也需要大幅提高。隨著5G通信技術(shù)的到來，頻譜效率和容量將比4G網(wǎng)絡(luò)獲得更大的提升，有助于解決未來能源互聯(lián)網(wǎng)對網(wǎng)絡(luò)要求不斷提升的問題。未來能源互聯(lián)網(wǎng)上也像互聯(lián)網(wǎng)一樣會(huì)產(chǎn)生許多的移動(dòng)設(shè)備和應(yīng)用，如電動(dòng)汽車，5G的一個(gè)趨勢是連接人與機(jī)器以及機(jī)器與機(jī)器(machine to machine，M2M)通信，借助5G無線技術(shù)，能源互聯(lián)網(wǎng)將深入社會(huì)各個(gè)方面。

從商業(yè)的角度來看，能源互聯(lián)網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)能量和信息雙向流動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)，提供可靠的交易平臺(tái)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用將是未來5G網(wǎng)絡(luò)需要探索的商業(yè)模式[21]。

3.4 5G網(wǎng)絡(luò)QoE支持和安全支持

在能源互聯(lián)網(wǎng)中，下到底層的傳感器數(shù)據(jù)采集傳輸，上到能源交易平臺(tái)客戶的交易結(jié)算，這些都需要5G網(wǎng)絡(luò)對不同服務(wù)提供相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量保證，實(shí)現(xiàn)資源的靈活配置和調(diào)用，基于SDN的三層網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，即數(shù)據(jù)平面、控制平面以及應(yīng)用平面的結(jié)構(gòu)劃分可以實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)資源的靈活配置和調(diào)度，在能源互聯(lián)網(wǎng)中基于SDN理念進(jìn)行5G網(wǎng)絡(luò)布置，完成能源互聯(lián)網(wǎng)不同服務(wù)對網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的不同需求，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的最優(yōu)配置[26-27]。

在能源互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，傳統(tǒng)的信息系統(tǒng)安全策略無法直接應(yīng)用到工業(yè)控制系統(tǒng)中，因此保證能源互聯(lián)網(wǎng)的安全性是一個(gè)必須解決的重要問題。

能源互聯(lián)網(wǎng)的安全運(yùn)行不僅需要骨干網(wǎng)絡(luò)的安全穩(wěn)定、抗攻擊性強(qiáng)，對能源互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行所依賴的整個(gè)信息環(huán)境的安全也同樣有嚴(yán)格的要求，建立一套覆蓋物理層到應(yīng)用層的縱深信息安全防御體系是對能源互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)支撐。

建立縱深的安全防御體系需要對分布式能源發(fā)電、接入、傳感器網(wǎng)絡(luò)部署等基礎(chǔ)設(shè)施的安全進(jìn)行關(guān)注，也需要在信息通信、數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)方面保證數(shù)據(jù)的安全性，對于更上層的應(yīng)用，如大數(shù)據(jù)挖掘分析、能源交易平臺(tái)建設(shè)，要注意數(shù)據(jù)的隱私保護(hù)，保護(hù)用戶信息不受攻擊。

4 結(jié) 論

能源互聯(lián)網(wǎng)是傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)裂解的最好觸媒，它推動(dòng)能源設(shè)施從孤島系統(tǒng)、自動(dòng)化運(yùn)轉(zhuǎn)到柔性能源生態(tài)集群，會(huì)是人類智能化歷史上最大的產(chǎn)業(yè)升遷。信息通信技術(shù)是實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，信息通信技術(shù)在能源的安全、調(diào)度和智能化利用方面有重要作用，全球能源互聯(lián)網(wǎng)需要將各種能源轉(zhuǎn)換為電能，通過電網(wǎng)和電力通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)能源和信息的共享。在能源互聯(lián)網(wǎng)的背景下，本文分析了5G網(wǎng)絡(luò)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、分布式管理和控制、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用以及網(wǎng)絡(luò)安全方面面臨的一些挑戰(zhàn)，展望了未來能源互聯(lián)網(wǎng)的場景應(yīng)用。

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(編輯 劉文瑩)

Challenges of 5G network in Energy Internet

ZHOU Qiang, LIU Jianlong, ZHOU Wenan

(Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China)

Energy internet needs to be coupled with energy flow and information flow for establishing a new energy system. This paper analyzes the current energy internet architecture and the demand for information and communication technology. With the current research status and development trend of 5G network, this paper expounds four main challenges of 5G network in the context of energy internet, including large-scale sensor access and networking technology, distributed energy management, application architecture for energy internet and quality of experience (QoE) and information security. Energy internet is a great reform of energy, and information and communication technology is one of the key technologies to realize it. This paper summarizes the challenges of 5G network under the background of energy internet, and gives reference for future applications of information and communication technology in energy internet.

energy internet; 5G network; information and communication technology; challenges

TM 73

A

1000-7229(2017)05-0062-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2017.05.008

2017-01-09

周強(qiáng)(1992)，男，博士研究生，主要研究方向?yàn)槲磥頍o線網(wǎng)絡(luò)；

劉見龍(1988)，男，博士研究生，主要研究方向?yàn)镈2D；

周文安(1971)，女，副教授，主要研究方向?yàn)橄乱淮鸁o線寬帶網(wǎng)絡(luò)和無線互聯(lián)網(wǎng)，服務(wù)科學(xué)與服務(wù)工程。