5G技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘 要：電力系統(tǒng)之間大量信息的通信共享需要先進的通信技術(shù)予以保障，5G通信技術(shù)融合了智能無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、無線網(wǎng)控制承載分離技術(shù)、多制式協(xié)作與融合技術(shù)等先進的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有傳輸速率高、延遲少、節(jié)省能源等優(yōu)點，因此5G通信技術(shù)的應(yīng)用將極大地促進電力系統(tǒng)的快速發(fā)展?，F(xiàn)對5G通信技術(shù)的特點、發(fā)展現(xiàn)狀進行探討，并結(jié)合電力系統(tǒng)應(yīng)用場景對5G通信技術(shù)進行詳細介紹。

關(guān)鍵詞：5G通信;電力系統(tǒng);智能電網(wǎng)

0 ? ?引言

隨著我國社會迅速發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模不斷擴大，同時隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的推進，電力設(shè)備、電力終端、用戶陡增，設(shè)備與設(shè)備之間、設(shè)備與用戶之間、用戶與用戶之間的信息傳遞互動的需求呈爆發(fā)式增長，迫切需要高效、安全穩(wěn)定的通信技術(shù)作為支撐，提升電力系統(tǒng)的智能化、自動化、信息化水平，從而為社會經(jīng)濟的穩(wěn)定提供可靠的服務(wù)。國家電網(wǎng)公司在2019年兩會報告中提出要建設(shè)運營“泛在電力物聯(lián)網(wǎng)”，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的目的是圍繞電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)，實現(xiàn)各個環(huán)節(jié)的互聯(lián)互通，因此，通信技術(shù)在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中發(fā)揮了核心作用。

移動通信技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，取得了很大的進步，在技術(shù)、性能、應(yīng)用模式等方面都發(fā)生了質(zhì)的變化。移動通信技術(shù)先后經(jīng)歷了1G至5G時代，其中，3G時代和4G時代真正地走進了互聯(lián)網(wǎng)時代，網(wǎng)絡(luò)速度進一步加快，兼容性好、業(yè)務(wù)多樣性等特點為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展創(chuàng)造了條件。目前，中國已正式進入5G時代，通信性能及技術(shù)得到大幅度提升。每一代技術(shù)的更新?lián)Q代都給各個領(lǐng)域的快速發(fā)展帶來了機遇[1]。

1 ? ?5G通信

1.1 ? ?5G通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

5G網(wǎng)絡(luò)采用基于服務(wù)體系的架構(gòu)，5G通信系統(tǒng)由接入網(wǎng)、承載網(wǎng)和核心網(wǎng)組成。

（1）接入網(wǎng)主要由集中單元、分布單元、有源天線單元組成。集中單元從原基帶處理單元的非實時部分分割出來，負責(zé)處理非實時協(xié)議和服務(wù);分布單元是原基帶處理單元的剩余功能重新定義，負責(zé)處理物理層協(xié)議和實時服務(wù);有源天線單元由基于基帶處理單元的部分物理層處理功能與原基帶射頻拉遠及無源天線合并而成。

（2）承載網(wǎng)是基礎(chǔ)資源，必須先于無線網(wǎng)部署到位，其作用就是把網(wǎng)元的數(shù)據(jù)傳到另外一個網(wǎng)元上。承載網(wǎng)采用Mesh組網(wǎng)，逐步下沉到接入層，實現(xiàn)前傳、回傳統(tǒng)一。支持網(wǎng)絡(luò)FlexE分片;支持整網(wǎng)的SDN部署，提供整網(wǎng)的智能動態(tài)管控。接入環(huán)達到50GE，匯聚環(huán)達到200GE，核心層達到400GE。

（3）核心網(wǎng)是很多網(wǎng)元設(shè)備的通稱，是移動通信網(wǎng)絡(luò)的大腦，負責(zé)整個網(wǎng)絡(luò)的管理與控制[2]。

1.2 ? ?5G通信特點

（1）高速度。與4G網(wǎng)絡(luò)相比，5G網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度得到了大幅提升。5G基站峰值大于20 Gb/s，速度的劇增為數(shù)據(jù)的下載、上傳提供了更優(yōu)的服務(wù)。電力系統(tǒng)中存在海量數(shù)據(jù)，如監(jiān)測視頻數(shù)據(jù)、圖像、文本等，5G的高速度特點為電力系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸提供了保障[3]。

（2）高容量。4G時代，除了方便人們生活的手機、電腦、智能家電、共享汽車等設(shè)備需要使用網(wǎng)絡(luò)以外，其他很多領(lǐng)域也需要聯(lián)網(wǎng)，尤其對于復(fù)雜的電力系統(tǒng)，僅僅憑借人工對電力系統(tǒng)的操作、監(jiān)測、管理等已不能滿足快速發(fā)展的智能電力系統(tǒng)的要求。電力系統(tǒng)中很多終端設(shè)備都需要聯(lián)網(wǎng)，4G通信能夠連接的終端有限，5G的高容量特點為實現(xiàn)電力系統(tǒng)的各設(shè)備之間的互聯(lián)和智能化管理提供了保障。

（3）高可靠，低時延。在時延和可靠性方面，相比之前的蜂窩移動通信技術(shù)，5G通信有了極大的提升。5G通信技術(shù)實現(xiàn)了基站與終端間，上下行均為0.5 ms的用戶面時延。該時延是從發(fā)送方5G無線協(xié)議層入口點，經(jīng)由5G無線傳輸，到接收方5G無線協(xié)議層出口點的時間。

（4）低功耗。物聯(lián)網(wǎng)中由于終端多，充電頻繁即充電限制，給其發(fā)展帶了很大的困擾，阻礙了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。5G通信通過降低信令開銷來解決功耗高的問題，從而使設(shè)備終端長期保持在線狀態(tài)。

2 ? ?電力系統(tǒng)中5G通信技術(shù)的應(yīng)用場景

5G通信技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用多種多樣，如智能電網(wǎng)、輸電線路巡檢、智能配電網(wǎng)、泛在電力物聯(lián)網(wǎng)等，5G通信技術(shù)在電力方向的應(yīng)用，必將為整個電力系統(tǒng)帶來質(zhì)的改變。

2.1 ? ?智能電網(wǎng)

智能電網(wǎng)的主要作用是智能自動化配電、精準(zhǔn)負荷控制[4]，但其需要先進的設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和技術(shù)作為支撐。隨著數(shù)字化、智能化、智慧化技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，電網(wǎng)也逐步向低時延、高可靠方向發(fā)展。5G通信技術(shù)以其低時延、高可靠的特性實現(xiàn)了故障的智能定位、智能識別和智能處理，減少了故障停電時間長給人們帶來的不便。電力負荷控制時，解決負荷過大問題的傳統(tǒng)手段基本是通過一刀切方法切斷整條線路或者整個區(qū)域，而利用5G網(wǎng)絡(luò)可以優(yōu)先切斷非重要負荷，減少對用戶的影響，降低經(jīng)濟損失。

2.2 ? ?輸電線路巡檢

輸電線路中存在各種缺陷，如金具銹蝕、對空距離超限、絕緣子掉串、導(dǎo)線斷股等，電力運維部門每年都需要對輸電線路進行巡檢。傳統(tǒng)的線路巡檢主要采用人工巡檢的方式，此方法受惡劣環(huán)境、地形影響大，存在成本高、效率低等缺點。而利用直升機及無人機采集線路的視頻、圖片或者點云數(shù)據(jù)，可以減少環(huán)境和地形對輸電線路巡檢的影響，但4G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸存在卡頓不流暢、實時效果差等缺點。5G通信的大寬帶技術(shù)可以實時流暢地將采集的數(shù)據(jù)傳輸至終端，通過展示平臺實時對輸電線路的狀態(tài)進行監(jiān)控，以便運維人員根據(jù)監(jiān)控結(jié)果進行缺陷的修復(fù)、消缺，提高線路巡檢的準(zhǔn)確度和巡檢效率[5]。

2.3 ? ?智能配電網(wǎng)

配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備終端多，連接復(fù)雜，保證其安全穩(wěn)定運行至關(guān)重要，但目前對配電網(wǎng)狀態(tài)的監(jiān)測存在很大缺失。同時配電網(wǎng)中存在很多的拓撲關(guān)系，這些拓撲信息也很少被監(jiān)測到。5G通信可以實現(xiàn)海量信息的展示及動態(tài)感知，實現(xiàn)配電網(wǎng)運行狀態(tài)信息的透明化。同時，5G技術(shù)結(jié)合DFACTS等技術(shù)可以解決配電網(wǎng)存在的供電過程電路中斷、三相不平衡、電壓暫降等問題，從而保證設(shè)備終端的正常穩(wěn)定工作，保障配電網(wǎng)的可靠性及設(shè)備的可持續(xù)利用，并間接提高電力系統(tǒng)的經(jīng)濟效益及社會效益。5G技術(shù)結(jié)合DER滿足了網(wǎng)絡(luò)長期發(fā)展的需要，減少了成本投入，可以有效節(jié)約能源，避免資源浪費，促進電力系統(tǒng)的綠色健康發(fā)展。

2.4 ? ?泛在電力物聯(lián)網(wǎng)

5G通信技術(shù)在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用主要包括萬物互聯(lián)、精準(zhǔn)控制、海量量測、寬帶通信、高效計算等5個方面。

（1）電力網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備終端使得與電力相關(guān)的萬物關(guān)聯(lián)起來，如將家庭中電力設(shè)備終端關(guān)聯(lián)起來，形成智能家居，同時可以將不同家庭的智能電力設(shè)備關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)同層、同棟、同小區(qū)的集群;將不同共享單車進行關(guān)聯(lián)，形成區(qū)域性單車用電模式，有利于智慧交通的實現(xiàn)。

（2）5G通信低時延、高速度的特點為無人自動駕駛的發(fā)展提供了可能。在需求響應(yīng)上，低時延可以及時躲避障礙物以及控制車的行為，具有十分重要的應(yīng)用價值。在可靠性方面，相比于4G，5G可以提供穩(wěn)定性較好的信息傳輸，為泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的精準(zhǔn)控制提供基礎(chǔ)。在電能的儲存控制方面，電能輸送端、節(jié)點等的分配協(xié)調(diào)需要考慮重要企業(yè)、非重要企業(yè)、不同區(qū)域、用戶之間的用電差異性，需要在短時間內(nèi)對電能進行精準(zhǔn)分配控制。

（3）隨著電力的快速發(fā)展，電力系統(tǒng)中產(chǎn)生了海量信息，為了減少通信阻力，對信息進行了數(shù)據(jù)處理，如舍去相同數(shù)字的位數(shù)、四舍五入數(shù)據(jù)、只選擇短時間段的數(shù)據(jù)等，此操作造成了數(shù)據(jù)分析的不準(zhǔn)確。5G的通信高速度特征能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)細粒度的采集，為電力大數(shù)據(jù)分析及泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供堅實的基礎(chǔ)。

（4）海量的泛在物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)信息不僅有結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，也存在非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，如視頻、圖片、語音等。為打造透明化泛在電力物聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)海量非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的優(yōu)質(zhì)服務(wù)，5G寬帶通信能實現(xiàn)高速率的視頻通信，同時可以實現(xiàn)電力虛擬現(xiàn)實的應(yīng)用，給使用者提供全新的視覺體驗。

（5）電力相關(guān)應(yīng)用平臺需要進行大量數(shù)據(jù)的運算，如線路缺陷圖像識別、大數(shù)據(jù)分析、地圖數(shù)據(jù)等，因此需要安全穩(wěn)定的運算環(huán)境。在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)時代，云計算和邊緣計算帶需要5G通信保障其運算安全及運算速率。

3 ? ?結(jié)語

5G通信高速度、高容量、低延遲、高可靠、低功耗的特點將重構(gòu)電力系統(tǒng)的未來，也將創(chuàng)造萬物互聯(lián)的時代。本文在深入分析5G特點的基礎(chǔ)上，對5G在電力系統(tǒng)中的幾個應(yīng)用場景進行了剖析，為5G通信技術(shù)在電力系統(tǒng)中的研究與應(yīng)用提供了參考和技術(shù)支撐。

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收稿日期：2020-12-09

作者簡介：唐古玥（1987—），女，貴州人，工程師，項目經(jīng)理，主要從事工程造價及項目管理工作。