5G通信技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

程夏威 李建平 陳強 薛晨旭 周潤

（國網(wǎng)鶴壁供電公司 河南省鶴壁市 458030）

1 前言

第五代移動通信技術(shù)（5G）使得接入網(wǎng)出現(xiàn)高寬帶、多樣化融合的趨勢。隨著5G 通信技術(shù)和電網(wǎng)的深度融合，電力系統(tǒng)表現(xiàn)處多能源、多實體、智能化發(fā)展的趨勢；與此同時電力系統(tǒng)的用戶對用電質(zhì)量的要求也日益增加，并且要求具備更快的服務(wù)響應(yīng)速度。

作為電網(wǎng)智能化發(fā)展的承上啟下環(huán)節(jié)，配電網(wǎng)直接面向終端用戶，隨著配電網(wǎng)由單電源輻射狀發(fā)展為多電源復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，傳統(tǒng)的配電網(wǎng)故障處理方式越來越不能滿足智能配電網(wǎng)的自愈需求。

傳統(tǒng)的無線通信技術(shù)雖然具有成本低廉、部署簡單以及適應(yīng)性強的特點，但是在應(yīng)用到電力專網(wǎng)通信時，還存在帶寬小、時延高以及穩(wěn)定性不足的問題，因此使得傳統(tǒng)的無線通信技術(shù)并不能廣泛應(yīng)用到實際配電網(wǎng)的控制業(yè)務(wù)中。

2 5G及在電力系統(tǒng)的應(yīng)用場景

5G 指的是第五代通信技術(shù)，雖然目前這種新型的通信方式普及率還較低，但是和4G 通信技術(shù)等之前的移動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相比，5G在實際應(yīng)用中更加表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

和傳統(tǒng)的通信技術(shù)相比，5G 通信技術(shù)具有眾多優(yōu)勢[1]：

（1）傳輸速度快、帶寬高。和目前應(yīng)用普及的4G通信技術(shù)相比，5G 的傳輸速度優(yōu)勢更加明顯，其下載速度最高可以達到每秒3.8G。

（2）時延低、可靠性強。這種低延時特性使5G 通信技術(shù)能夠滿足智能電網(wǎng)、自動巡檢等特定行業(yè)、特殊領(lǐng)域的需求。

（3）穩(wěn)定性高。5G 通信技術(shù)不僅傳輸速度快，而且在穩(wěn)定性上也比4G 通信技術(shù)有了更大的進步，對于復(fù)雜的應(yīng)用場景也更加適用，不會因為環(huán)境的復(fù)雜性而出現(xiàn)傳輸時間長或不穩(wěn)定的情形。

5G 通信技術(shù)的應(yīng)用場景更加體現(xiàn)在移動終端上，適合移動終端的特性勢必使其在電力巡檢中也有出色的表現(xiàn)：電力系統(tǒng)中傳統(tǒng)的巡檢方式一般是車輛載人定期巡檢，在農(nóng)村、山嶺、河流等區(qū)域困難重重；引入5G 通信技術(shù)后可以使用諸如智能機器人、無人機等智能設(shè)備，提高巡檢效率的同時還可以搭載更多監(jiān)測功能。

5G 通信技術(shù)能夠用于低壓用電的信息采集。220 伏-380 伏低壓的終端用戶眾多，傳統(tǒng)的通信技術(shù)并不能實現(xiàn)及時的用電數(shù)據(jù)采集。隨著5G 基站的普及，其高覆蓋特性將能夠全面采集居民和商戶的用電數(shù)據(jù)，然后在傳輸?shù)诫娏ζ髽I(yè)后進行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理、分析工作。另外，5G 通信技術(shù)的高速率、高帶寬特性也能比傳統(tǒng)的通信技術(shù)支撐更大量的數(shù)據(jù)采集，降低了數(shù)據(jù)采集成本。

5G 通信技術(shù)能夠提高負荷控制的精度。對于供電超過35kV 以上的大工業(yè)客戶，為了保證電網(wǎng)安全需要在出現(xiàn)機組跳閘、頻率波動等異常狀況時能夠?qū)崿F(xiàn)毫秒內(nèi)的定向切除負荷。傳統(tǒng)的通信技術(shù)延時較高，因此難以實現(xiàn)這一目標。5G 通信技術(shù)的延時較低，從而保證在出現(xiàn)電網(wǎng)頻率波動等異常情況時可以實現(xiàn)毫秒級的精準負荷控制。

圖1：5G 技術(shù)在差動保護中的應(yīng)用

圖2：電力網(wǎng)絡(luò)及5G 通信網(wǎng)絡(luò)融合模型

5G 通信技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電等可再生領(lǐng)域也有重要的用武之地，能夠滿足分布式能源對實時數(shù)據(jù)采集及傳輸、高速互聯(lián)等的要求，而且保證通信傳輸更加穩(wěn)定快捷。5G 通信技術(shù)的確定性及差異化網(wǎng)絡(luò)能力還能夠給配電網(wǎng)接入通信覆蓋帶來新的解決方案。在5G 實現(xiàn)城市全面覆蓋后，電力系統(tǒng)完全可以充分利用5G通道替代目前帶寬不足的4G 通道，為一些特殊場景下的超長度、超跨度的特殊設(shè)備提供在線監(jiān)測服務(wù)。

3 5G在差動保護中的應(yīng)用

在將5G 通信技術(shù)應(yīng)用于差動保護時，關(guān)鍵技術(shù)包括兩方面[1]：電流差動保護同步應(yīng)用以及5G 配電網(wǎng)電流差動保護應(yīng)用。

電力系統(tǒng)中配電網(wǎng)差動保護的信號同步一般有兩方面要求：線路兩側(cè)需要保持強一致的采樣時刻、差動繼電器在計算差動電流時應(yīng)選擇兩側(cè)相同時刻的采樣數(shù)據(jù)。實際應(yīng)用中主要的信號同步方法包括：基于數(shù)據(jù)通道的信號同步、基于GPS 同步時鐘的信號同步。本文使用國內(nèi)自主研發(fā)的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，并將由高穩(wěn)定性晶振體組成的采樣時鐘部署到電力線路兩端的保護裝置內(nèi)，設(shè)置信號同步頻率為1 秒，即每過一秒就同步一次脈沖信號，實現(xiàn)兩端采樣的嚴格同步。

為了提高差動保護的穩(wěn)定性，電力系統(tǒng)業(yè)務(wù)終端和配電主站間的數(shù)據(jù)傳輸可以根據(jù)實際情況部署5G 通信系統(tǒng)，配電網(wǎng)電流差動保護裝置可以充當(dāng)配電網(wǎng)線路保護，以在提高故障后搶修效率的同時降低停電時長。在差動保護中使用5G 通信技術(shù)后，可以解決電力系統(tǒng)中配電網(wǎng)保護裝置面臨的如下問題[3]：

（1）解決分布式電源并網(wǎng)導(dǎo)致的配電網(wǎng)不可用問題。分布式電源中的電子器件難以承受過電流以及過電壓，在出現(xiàn)故障后的電流水平會使得配電網(wǎng)中原有的繼電保護方案性能惡化。5G 的高可靠性及穩(wěn)定性會解決分布式電源并網(wǎng)導(dǎo)致的各種問題。

（2）解決電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)變化出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)性問題。在接入分布式電源后，配電網(wǎng)原有的單端放射式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)演變?yōu)槎嚯娫淳W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的通信技術(shù)并不能保證配電網(wǎng)保護隨著網(wǎng)絡(luò)拓撲的變化而變化，但5G 的確定性及差異化網(wǎng)絡(luò)能力使保護裝置可以實現(xiàn)靈活配置。

因此，可以將5G 用于電力系統(tǒng)差動保護的信號同步，有序串聯(lián)差動保護裝置、配電主站以及配電終端，并將其用于110kV 變電站間常用聯(lián)絡(luò)線的電流差動保護，如圖1 所示。

在實際應(yīng)用過程中，可以從兩端考慮電流差動保護，即配電終端采集兩側(cè)CT 的零序電流和各相電流，以此為基礎(chǔ)分別計算被保護線路的制動電流以及差動電流，然后借助5G 基站進行切片。在出現(xiàn)區(qū)內(nèi)故障后，兩端的配電終端都會引發(fā)各自的差動保護邏輯進行動作，從而達到差動保護的目的?；诖嗽?，華為完成了首個基于5G 網(wǎng)絡(luò)的差動保護場外測試，并且測試了單基站下DTU 的傳輸延時為8ms。

4 5G在電力通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制方法一般采用集中式的調(diào)度方法，即調(diào)度中心要借助通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)和電力系統(tǒng)內(nèi)所有負荷節(jié)點的通信；而新能源的并網(wǎng)等需求又導(dǎo)致電力系統(tǒng)中的通信網(wǎng)絡(luò)拓撲復(fù)雜多變。

為使電力系統(tǒng)中的通信網(wǎng)絡(luò)在受擾動后可以快速及時的響應(yīng)，降低暫態(tài)穩(wěn)定分區(qū)控制的時間，需要考慮必要的網(wǎng)絡(luò)升級優(yōu)化措施，將信息通信網(wǎng)絡(luò)升級到5G 通信網(wǎng)絡(luò)，提高信息通信延時，從而實現(xiàn)及時控制的目的?？紤]到電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)單條線路出現(xiàn)故障后通信網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸及處理的可靠性，以及通信網(wǎng)絡(luò)中最小數(shù)目PMU 的配置規(guī)則，可以定義一個電力網(wǎng)絡(luò)和信息通信網(wǎng)絡(luò)融合的模型，如圖2 所示。

由圖2 可以看出，通信網(wǎng)絡(luò)和電力網(wǎng)絡(luò)分別在通信網(wǎng)絡(luò)融合模型的上下兩側(cè)，電力網(wǎng)絡(luò)和5G 通信網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)流動即為圖中的“空間映射線”，將電力網(wǎng)絡(luò)信息上傳到通信網(wǎng)絡(luò)，并從通信網(wǎng)絡(luò)給電力網(wǎng)絡(luò)下達控制指令。5G 通信網(wǎng)絡(luò)中包括前端數(shù)據(jù)采集設(shè)備（傳感器、PDC 等）、傳輸線路（光纖線路）以及服務(wù)器等；電力網(wǎng)絡(luò)包括發(fā)電機、負荷等各種電力設(shè)備。5G 通信網(wǎng)絡(luò)的各設(shè)備間通過通信線路連接，并借助傳感和控制功能與電力網(wǎng)絡(luò)進行信息交互。

將5G 通信網(wǎng)絡(luò)和電力網(wǎng)絡(luò)融合后，新的電網(wǎng)比傳統(tǒng)的電力網(wǎng)絡(luò)具有的顯著優(yōu)勢包括：首先，能夠采集到的范圍及數(shù)據(jù)量大大增加，采集范圍的增加在某些特殊及艱苦環(huán)境就意味著效率的提高；其次，電力網(wǎng)絡(luò)和5G 通信網(wǎng)絡(luò)的連接既包括有線設(shè)備，也包括無線設(shè)備，大量的分布式設(shè)備能夠打破電力系統(tǒng)中傳統(tǒng)布線模式的瓶頸，而5G+分布式設(shè)備的輕部署、廣覆蓋等特點，可以克服電力行業(yè)的線路復(fù)雜、設(shè)備場景多變等問題。

隨著電力網(wǎng)絡(luò)的不斷增加，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，而且此時大量數(shù)據(jù)流在電力網(wǎng)絡(luò)和5G 通信網(wǎng)絡(luò)中傳輸。電力系統(tǒng)的很多特殊場景下都需要實現(xiàn)實時控制，而實時控制對5G 通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸有很高的要求。雖然可以考慮在電力系統(tǒng)的各個節(jié)點都安裝PMU，但是這種解決方法會引起信息冗余以及計算負擔(dān)，因此可以考慮優(yōu)化PMU 的配置。

對電力網(wǎng)絡(luò)中5G 通信網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸進行優(yōu)化時，主要的優(yōu)化方案包括：

（1）對電網(wǎng)同步相量測量單元（phasor measurement unit，PMU）的配置位置進行優(yōu)化選擇。

（2）減少通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的設(shè)備數(shù)目，以此在實現(xiàn)全網(wǎng)數(shù)據(jù)采集目標的同時降低開銷。

（3）借助衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)標記數(shù)據(jù)測量設(shè)備，以精確標記測量信息源。

如果母線已經(jīng)安裝了PMU 設(shè)備，那么就可以直接獲取此節(jié)點的電壓相量數(shù)據(jù)；如果節(jié)點沒有安裝PMU 設(shè)備，則可以根據(jù)基爾霍夫電流定律和歐姆定律得出虛擬測量結(jié)果。

除了上述應(yīng)用外，5G 通信技術(shù)的發(fā)展本身也能夠拉動對電力的需求。接下來幾年將是我國5G 基站建設(shè)的高峰，當(dāng)前已有的電力桿塔是5G 基站建設(shè)可以使用的資源。電力行業(yè)和5G 通信行業(yè)可以積極合作，未來的聯(lián)系也會更加緊密。

5 總結(jié)

本文首先概要介紹了5G 通信技術(shù)及其在電力系統(tǒng)中的主要應(yīng)用場景，闡述5G 可能會在電力領(lǐng)域帶來的革新性效果；然后，本文介紹了5G 在差動保護、電力通信網(wǎng)絡(luò)等具體領(lǐng)域的應(yīng)用，對于5G 通信技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究有重要的幫助作用。

總的來說，5G 通信技術(shù)對電力系統(tǒng)的影響深遠，雖然目前完全替代現(xiàn)有的電力系統(tǒng)集成設(shè)施的可行性還比較小，但是5G 通信技術(shù)在電力系統(tǒng)的移動終端領(lǐng)域有重要的優(yōu)勢，而且其差異化網(wǎng)絡(luò)能力和在特殊場景、特殊領(lǐng)域的高可靠、低延時、高穩(wěn)定能力勢必會為智能電網(wǎng)的建設(shè)帶來巨大的經(jīng)濟效益。