5G通信與泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的融合研究

傅 宇

（廣東宜通衡?？萍加邢薰?，廣東 廣州 510000）

0 引言

我國在2016年，發(fā)布了智慧型能源的指導(dǎo)意見，要求各企業(yè)加強(qiáng)信息與物理系統(tǒng)的融合，建立全新的商業(yè)模式，提高能源的使用效率。而促進(jìn)5G通信與泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的融合，不僅是響應(yīng)國家提倡的可再生能源政策，也是促進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要方式，為了保證二者的融合質(zhì)量，首先要全面掌握二者特征與特點，確保結(jié)合效果得到完整呈現(xiàn)。

1 5G通信與泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的基本概述

1.1 5G通信

5G通信即是第五代移動通信技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)人與人的在線交流，為用戶提供虛擬現(xiàn)實環(huán)境，并通過數(shù)字信號的增強(qiáng)，使人們產(chǎn)生身臨其境的感受，得到高質(zhì)量的服務(wù)體驗，當(dāng)前5G技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，不僅能滿足智能家居、工業(yè)控制等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求，還能有效解決復(fù)雜的通信問題，是我國經(jīng)濟(jì)社會進(jìn)行智能化、網(wǎng)絡(luò)化轉(zhuǎn)型的重要基礎(chǔ)設(shè)施。其工作原理是以數(shù)字信號為基礎(chǔ)，利用電磁波的自由傳播，使不同的頻譜頻率在有限的范圍內(nèi)進(jìn)行高效移動，從而實現(xiàn)資源的在線分享[1]。

5G技術(shù)的基本特征可概括為“3高2低”，即是指：（1）高速率，5G通信的峰值效率需要滿足10-20Gb/s，使視頻、VR信息在傳輸時能夠保持穩(wěn)定、高效，不會受網(wǎng)絡(luò)波動的影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)誤差；（2）高容量。與傳統(tǒng)的4G通信相比，5G通信進(jìn)一步擴(kuò)展了自身能夠連接的終端設(shè)備數(shù)量，每平方公里可以支持100萬個移動產(chǎn)品的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，使信息傳遞的區(qū)域范圍更廣，為電力系統(tǒng)的信息互聯(lián)提供了巨大的發(fā)揮空間；（3）高可靠性，5G技術(shù)能夠使空中接口的延遲降至1ms，從而大幅度提升信號的抗干擾能力，有效降低數(shù)據(jù)單元在傳送時無法抵達(dá)信息終點的可能性，在保證通信可靠性的同時也加強(qiáng)了電力系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量；（4）低能耗，5G通信可以通過優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，降低傳感器與設(shè)備進(jìn)行信息交互的次數(shù)，以此起到延長電池壽命的作用；（5）低時延，5G的頻譜效率要比LTE的傳遞速率高出3倍以上，流量密度可達(dá)10Mbps/m2，移動性也能夠滿足大部分工業(yè)應(yīng)用場景，使電力系統(tǒng)能夠響應(yīng)各種數(shù)據(jù)變化，并為物聯(lián)網(wǎng)提供有效的技術(shù)支持。

1.2 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)是在2019年由國家電網(wǎng)在三型兩網(wǎng)建設(shè)中提出的，重在加強(qiáng)互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的能源戰(zhàn)略部署，使電網(wǎng)運(yùn)行更安全、更高效。其基本結(jié)構(gòu)可分為：感知層，即是借助內(nèi)置傳感器，將實時采集的電網(wǎng)信息以及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，通過智能系統(tǒng)傳遞到各個區(qū)域內(nèi)的電能表中，以供用戶進(jìn)行查看；網(wǎng)絡(luò)層，是將移動通信和局域網(wǎng)中的通信協(xié)議進(jìn)行實現(xiàn)，使各個傳感器都能實現(xiàn)遠(yuǎn)程操控的功能；管理層，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲，并借助互聯(lián)網(wǎng)完成相關(guān)信息的跨主體傳遞，從而為電網(wǎng)技術(shù)人員提供真實、有效的數(shù)據(jù)參數(shù)和應(yīng)用理論；應(yīng)用層，能夠完成電力與信息的互聯(lián)互通，并借此拓展更多的業(yè)務(wù)模式，在提高用戶服務(wù)質(zhì)量的同時，推動泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展，促進(jìn)通信網(wǎng)、業(yè)務(wù)網(wǎng)的深入融合，加強(qiáng)電力設(shè)備的包容性。

2 5G通信與泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的融合分析

2.1 5G通信提升泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用性能

2.1.1 動態(tài)檢測

5G通信的自治優(yōu)化技術(shù)能夠提高電網(wǎng)及電力設(shè)備的動態(tài)監(jiān)測質(zhì)量，使相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)被實時傳遞到操作平臺，幫助工作人員及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障和異常，從而提高解決效率。通過在配電網(wǎng)的各個節(jié)點處安裝傳感電源、變壓器等裝置，使電壓的幅值、相角以及設(shè)備網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行參數(shù)都能夠被系統(tǒng)精準(zhǔn)捕捉，并通過后臺程序分析，進(jìn)一步優(yōu)化電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。而且技術(shù)人員還可以利用5G技術(shù)低時延的特點，通過在配電系統(tǒng)中安裝溫度感應(yīng)器，來實時獲取電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，從而在進(jìn)行后期維護(hù)、檢修時能夠使治理方案更具有針對性，減少不必要的資金支出[2]。

2.1.2 精準(zhǔn)控制

由于5G技術(shù)的傳遞速率極高，能夠使智能系統(tǒng)及時響應(yīng)各種應(yīng)用需求，并作出正確、合理的變化，從而達(dá)到精準(zhǔn)控制的目的。比如在無人汽車領(lǐng)域，5G通信能夠為車載裝置提供可靠的數(shù)據(jù)支撐，使行駛中的汽車，可以以最低的處理時效，進(jìn)行啟動、停止、轉(zhuǎn)彎等決策，以此起到保護(hù)人身安全的作用。同時，5G技術(shù)可以大幅度強(qiáng)化泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的儲能控制功能，并根據(jù)不同的用戶需求，進(jìn)行差異化信息管理，確保系統(tǒng)的高效運(yùn)行并保持較高的靈活度，提高信號交換的效率。除此之外，在電子設(shè)備控制方面，5G技術(shù)能夠使配電網(wǎng)的可接入數(shù)量大幅提升，進(jìn)一步實現(xiàn)可再生能源的重復(fù)使用。

2.1.3 測量與計算

5G通信具有萬物互聯(lián)功能，能夠?qū)⒑Ａ繑?shù)據(jù)進(jìn)行在線交互，改變了以往由于上傳速率低下，傳輸?shù)男畔?nèi)容只能保留最基本的應(yīng)用參數(shù)的工作模式，使電力系統(tǒng)能夠進(jìn)行多元化的數(shù)據(jù)采集，確保重要信息不會在傳遞的過程中，出現(xiàn)遺漏、缺失的情況。比如：傳統(tǒng)的居家智能電表，只能以小時為信息單位，保留用戶當(dāng)天用電量的信息。這種記錄方式不僅復(fù)雜、繁瑣，還使后續(xù)的分析工作難度增大，無法準(zhǔn)確讀取用戶的實際用電值。但5G通信則可有效解決此類問題，其本身的通信速率極高，甚至能夠達(dá)到秒級的用電功率記錄，可以將家庭用電設(shè)備按照使用類型進(jìn)行能源劃分，幫助技術(shù)人員在讀取相關(guān)數(shù)據(jù)時，能夠建立更詳細(xì)的電能分布圖，從而減少研究誤差，并為用戶制定更科學(xué)的用電計劃。

2.1.4 寬帶通信

第一，5G通信的性能增強(qiáng)技術(shù)，可以使泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的配電感知功能更全面、更個性化，通過在無人機(jī)內(nèi)應(yīng)用5G通信，可以使電力線路的畫面以視頻形式傳遞到操作平臺，幫助決策者制定更完善的處理策略，而且無人機(jī)除了檢查設(shè)備的運(yùn)行情況，還能對光伏板沾灰量和儲能裝置的安全程度進(jìn)行有效監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)其安全系數(shù)低于標(biāo)準(zhǔn)值，會立即發(fā)出警戒信號，提醒管理人員進(jìn)行清洗、加固等工作，保證用電設(shè)備的高效運(yùn)行。第二，在VR虛擬現(xiàn)實方面，5G通信能夠?qū)⑻摂M環(huán)境構(gòu)造的更真實，為使用者提供高質(zhì)量的視覺體驗，將其運(yùn)用在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中，可以實現(xiàn)配電網(wǎng)絡(luò)的全方位呈現(xiàn)，幫助技術(shù)人員了解區(qū)域內(nèi)的具體細(xì)節(jié)，使后續(xù)的巡查、管理工作更方便，從而節(jié)約人力、物力、財力資源的使用。

2.2 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)加強(qiáng)5G通信的能效管理

2.2.1 降低能耗

5G通信系統(tǒng)的耗電比極高，隨著該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，通信基站的建設(shè)數(shù)量也越來越多，如果不及時控制運(yùn)行過程中產(chǎn)生的能源消耗，會使企業(yè)無法承受成倍增長的費(fèi)用支出，影響泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的有效使用。為了解決此類問題，需要進(jìn)一步提高泛在電力物聯(lián)網(wǎng)與電力配電網(wǎng)的聯(lián)系，實現(xiàn)能源與信息的高度耦合，確保在二者的作用下，使5G通信能夠獲取充足的應(yīng)用能源。比如當(dāng)夜晚通信負(fù)載較低的情況下，可以適當(dāng)減少電子設(shè)備的運(yùn)行功率，甚至在不影響系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提下，可直接關(guān)?；荆柚鋬?nèi)部的儲能裝置，進(jìn)行低功率能源傳送，維持通信的基本消耗。而運(yùn)營商也可適當(dāng)降低使用電價，幫助UPS電池進(jìn)行負(fù)荷調(diào)整，加強(qiáng)5G通信的能耗管理。

2.2.2 完成供需互動

首先5G基站的功率需要重新分配，將泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中的資源效率通過功率放大器進(jìn)行增加，使?jié)M足性能約束條件的數(shù)據(jù)吞吐量能夠符合系統(tǒng)容量，保證電力系統(tǒng)的最優(yōu)配置。其次，要避免大量能源對信息傳輸造成不利影響，通過大量收集設(shè)備周圍可再生能源，將其有規(guī)劃的分配到通信基站中，可以減少不必要的電能支出，加強(qiáng)5G通信能效管理質(zhì)量。最后，要完成多元化的商業(yè)模式，促進(jìn)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的可持續(xù)發(fā)展，比如在可交易能源環(huán)境下進(jìn)行P2P交易，借助5G通信技術(shù)低能耗的特點，減少通信成本?；蛘呓⑻摂M電廠，借助5G通信高容量的優(yōu)勢，將海量對象儲存在系統(tǒng)內(nèi)，當(dāng)進(jìn)行能源調(diào)用時，可在云端進(jìn)行在線匹配，選在最佳的管理計劃，以此協(xié)調(diào)電廠的運(yùn)營模式，確保虛擬電廠能夠穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

3 結(jié)束語

綜上所述，通過分析當(dāng)前5G通信與泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的基本定義和相關(guān)特征，提出二者在動態(tài)檢測、精準(zhǔn)控制、測量與計算、寬帶通信等方向上的應(yīng)用融合，以及泛在電力物聯(lián)網(wǎng)對5G通信能效管理的優(yōu)化方式，幫助各企業(yè)更好的運(yùn)用相關(guān)技術(shù)，保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，促進(jìn)行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，以此達(dá)到二者同步發(fā)展的目標(biāo)。