基于5G 的電力調(diào)控類應(yīng)用方案研究

張 然 張建洲 李建克

（1、國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京210000 2、國電南瑞南京控制系統(tǒng)有限公司，江蘇 南京210061）

電力調(diào)控類業(yè)務(wù)對時延、抖動、可靠性、業(yè)務(wù)隔離性、可管理性以及覆蓋區(qū)域的需求較高，現(xiàn)行的電力業(yè)務(wù)通訊方式有待優(yōu)化提升。5G 通訊從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、邊緣計算服務(wù)、切片管理等方面提供了更好的網(wǎng)絡(luò)可定制性，滿足電力業(yè)務(wù)承載需求。[1]本文通過對5G 技術(shù)在電力調(diào)控類業(yè)務(wù)應(yīng)用的研究，為相關(guān)理論研究和應(yīng)用提供了分析和支撐。

1 目的和意義

應(yīng)用5G 低延時高寬帶技術(shù)和高速數(shù)據(jù)采集傳輸技術(shù)，可實(shí)時調(diào)控的虛擬電廠系統(tǒng)平臺和分布式電源、負(fù)荷調(diào)控平臺，可應(yīng)用于大量分布式電源和可控負(fù)荷的融入電網(wǎng)、需求側(cè)管理、提高電網(wǎng)調(diào)控能力的場景，為推動負(fù)荷聚合商參與需求側(cè)響應(yīng)業(yè)務(wù)、可再生能源（光伏、風(fēng)電）參與和承擔(dān)電網(wǎng)輔助服務(wù)等新業(yè)務(wù)提供軟件和設(shè)備的支持；應(yīng)用有源電網(wǎng)的調(diào)控主站、滿足5G通信的配網(wǎng)差動保護(hù)裝置和外置嵌入式5G 電力通信終端，可面向有源配電網(wǎng)的調(diào)控主站如何處理5G 環(huán)境下的海量數(shù)據(jù)，解決大量分布式電源并入配電網(wǎng)后的新需求。[2]

目前已開展的基于5G 通訊的同步相量測量技術(shù)（PMU）電力控制試點(diǎn)驗(yàn)證方面，電網(wǎng)的PMU 到電力控制主站的通信時延<10ms，通信頻次>100 幀/秒，測試數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分論證了5G 網(wǎng)絡(luò)在電力控制業(yè)務(wù)中的高可靠性、低時延優(yōu)點(diǎn)，可以響應(yīng)電網(wǎng)PMU 通信頻率高、時延小、監(jiān)控點(diǎn)多、數(shù)據(jù)復(fù)雜的電力控制業(yè)務(wù)需求。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究目標(biāo)

為避免頻率下降給電網(wǎng)運(yùn)行帶來的巨大風(fēng)險，如果出現(xiàn)線路切除負(fù)荷不及時徹底的情況，將會導(dǎo)致電力減載設(shè)施無序動作，對企業(yè)生產(chǎn)和居民生活造成大范圍停電影響。目前，現(xiàn)有的電力控制措施尚有優(yōu)化提升空間，如能將海量的、分散的、可中斷負(fù)荷集中起來，共同參與毫秒級別的電力負(fù)荷精準(zhǔn)控制，將以往的電源調(diào)控變?yōu)樨?fù)荷、電源調(diào)控兼顧，從而實(shí)現(xiàn)源、網(wǎng)、荷友好互動以及電力供需實(shí)時平衡，優(yōu)化范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)能源配置，避免發(fā)生大面積停電事故，降低電網(wǎng)波動企業(yè)生產(chǎn)和居民生活的影響。[3]

我國的分布式電源發(fā)展分布式電源調(diào)控主要涉及接入管理、負(fù)荷預(yù)測、故障處理、電能質(zhì)量四個方面，5G 通信帶來的更廣的設(shè)備連接性、更高的通信帶寬和更低的通信延遲使得集控站能獲得更強(qiáng)的控制能力、更多的數(shù)據(jù)信息和更快的響應(yīng)速度。因此研究基于5G 技術(shù)的分布式能源調(diào)控業(yè)務(wù)，可以實(shí)現(xiàn)降低分布式電源接入電網(wǎng)過程中對電網(wǎng)本身的沖擊提高分布式電源利用率，提高負(fù)荷預(yù)測的準(zhǔn)確性和實(shí)時性，抑制電網(wǎng)抖動提高整體電網(wǎng)穩(wěn)定性，提高分布式電源電能質(zhì)量等目標(biāo)。[4]

3 解決方案

為有效保障電網(wǎng)的安全運(yùn)行，針對電壓三相不平衡等突出問題，本文提出了基于5G 的分階段調(diào)控策略：

3.1 離散型一致性算法和5G 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h3>

3.2 第二/三階段調(diào)節(jié)過程

3.3 基于網(wǎng)絡(luò)切片的分布式電源調(diào)控改進(jìn)方案

本文提出以網(wǎng)絡(luò)切片為主要的橫向安全防護(hù)技術(shù)；制定網(wǎng)絡(luò)切片管理框架，完善整個分布式電源調(diào)控在5G 環(huán)境下的橫向安全防護(hù)系統(tǒng)。[5]

3.3.1 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)將電力控制通訊網(wǎng)絡(luò)分割成數(shù)個虛擬終端。虛擬終端內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)接入、信息傳輸和網(wǎng)絡(luò)核心架構(gòu)在邏輯上相互獨(dú)立。5G 技術(shù)在智能電網(wǎng)中可劃分為eMBB、mIoT 和uRLLC 三大應(yīng)用場景。5G 網(wǎng)絡(luò)的切片將具體的物理網(wǎng)絡(luò)分割為多個虛擬終端，以適應(yīng)不同的應(yīng)用場景。[6]

3.3.2 切片部署

根據(jù)5G 網(wǎng)絡(luò)切片的智能電網(wǎng)控制業(yè)務(wù)逐漸多元化的需求和不同應(yīng)用場景，部署適用不同的網(wǎng)絡(luò)切片配置。[7]

a. 基于uRLLC（超高可靠低時延通信）的電力控制業(yè)務(wù)

在基于5G 網(wǎng)絡(luò)的電力控制業(yè)務(wù)應(yīng)用中，分布式電源電壓控制、柔性可調(diào)負(fù)荷精確控制、故障切除等工作任務(wù)的執(zhí)行均需要低延時、高可靠的通訊網(wǎng)絡(luò)。在控制器連接端，可以將UPF 部署在邊緣，采用通道化承載切片連接UPF 和5G 基站，并在UPF附近部署移動邊緣計算節(jié)點(diǎn)。

b. 基于eMBB（移動寬帶）的電力控制業(yè)務(wù)

電力無人機(jī)視頻巡檢、供配電場站機(jī)器人巡檢、視頻人機(jī)交互和電力VR 監(jiān)控業(yè)務(wù)等對于視頻流量提出很高的要求，必須通過局域5G 切片把業(yè)務(wù)相關(guān)視頻內(nèi)容接入移動邊緣計算節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初級處理，然后將處理結(jié)果傳送到上級控制系統(tǒng)。對于現(xiàn)場應(yīng)用移動性、連續(xù)性要求高的特點(diǎn)，還需要在設(shè)置網(wǎng)絡(luò)切片時使用獨(dú)立的AMF/SMF 保障業(yè)務(wù)開展的穩(wěn)定性。

c. mIoT 類（物聯(lián)）業(yè)務(wù)

圖1 第三階段下垂控制示意圖

圖2 網(wǎng)絡(luò)切片在電力控制網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用示意圖

基于5G 網(wǎng)絡(luò)的電力控制業(yè)務(wù)應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)覆蓋面廣，對時延、帶寬的要求較低，可以采用與現(xiàn)有通訊系統(tǒng)共享資源的模式部署，網(wǎng)絡(luò)承載方面使用邏輯隔離，可有效降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)運(yùn)營成本和網(wǎng)絡(luò)切片部署復(fù)雜程度度。[8]

3.3.3 網(wǎng)絡(luò)切片管理

網(wǎng)絡(luò)切片管理應(yīng)該考慮本行業(yè)的終端和服務(wù)器系統(tǒng)，針對分布式電源調(diào)控進(jìn)行調(diào)整。可以應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化管理機(jī)制（MANO）提供管理方式，如虛擬資源的分配、上報和硬件故障報警等。[9]網(wǎng)絡(luò)切片管理由業(yè)務(wù)管理層、切片管理層和切片子網(wǎng)管理層組成。網(wǎng)絡(luò)切片管理還將實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化所需操作，包括電力業(yè)務(wù)通訊頂層設(shè)計、工作票準(zhǔn)備、網(wǎng)絡(luò)配置、保護(hù)激活、實(shí)時監(jiān)控、自動上傳報告、參數(shù)修改以及工作終止等業(yè)務(wù)操作，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)全生命周期管理。[10]

4 結(jié)論

本文研究基于5G 技術(shù)在電力控制業(yè)務(wù)領(lǐng)域可發(fā)揮的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)保護(hù)、精準(zhǔn)負(fù)荷控制、分布式能源調(diào)控、虛擬電廠、負(fù)荷調(diào)度、配電自動化等業(yè)務(wù)裝置優(yōu)化配置和信息便捷交互，提高配網(wǎng)故障定位隔離速度，精準(zhǔn)進(jìn)行分布式電源和負(fù)荷調(diào)度控制，提升能源互聯(lián)網(wǎng)調(diào)控效率，為電網(wǎng)調(diào)控賦能。