5G通信技術(shù)在電力物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

張亞南，付艷芳，張巖

（北京中電飛華通信有限公司，北京,100070）

0 引言

隨著能源行業(yè)的革命性發(fā)展以及新技術(shù)與電網(wǎng)的深度融合，電網(wǎng)現(xiàn)在呈現(xiàn)出多種能源，多種網(wǎng)絡(luò)和多種實(shí)體的組合，需要建設(shè)新一代的電力系統(tǒng)。同時(shí)，在信息時(shí)代，用電用戶在用電過程中擁有更加完整的決策信息，要求用電質(zhì)量更高，服務(wù)響應(yīng)速度更快[1]。因此，國內(nèi)外電力公司都青睞大數(shù)據(jù)，云計(jì)算，物聯(lián)網(wǎng)和新一代移動互聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)。在大多數(shù)研究機(jī)構(gòu)中，移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)成為一種成熟的技術(shù)。大數(shù)據(jù)和云計(jì)算技術(shù)在多個行業(yè)和領(lǐng)域中都很流行，并且目前正在進(jìn)一步擴(kuò)展中。但是，傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合仍處于起步階段。

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）是一項(xiàng)新興技術(shù)，是1999年由麻省理工學(xué)院自動識別中心的Ashton教授在研究射頻識別（RFID）時(shí)首次提出的。物聯(lián)網(wǎng)采用各種智能設(shè)備來感知和識別物理世界。它基于互聯(lián)網(wǎng)和通信網(wǎng)絡(luò)，利用計(jì)算設(shè)施和軟件系統(tǒng)進(jìn)行信息處理和知識挖掘[2]。通過使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，我們可以實(shí)現(xiàn)人與物之間的信息交換以及信息流的無縫鏈接，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，精確管理和科學(xué)決策。電力對于我們是必不可少的，它對我們的現(xiàn)代社會和全球世界都具有重大影響。然而，大多數(shù)電力系統(tǒng)架構(gòu)已經(jīng)設(shè)計(jì)了五十多年，變得復(fù)雜并且不能滿足當(dāng)今社會的要求。隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”和“電力互聯(lián)網(wǎng)”時(shí)代的到來，物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展迅速，并逐漸滲透到生產(chǎn)和生活的各個領(lǐng)域。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入電力系統(tǒng)可以有效地整合和提高信息化水平，利用電力基礎(chǔ)設(shè)施，設(shè)備交互設(shè)施，促進(jìn)先進(jìn)信息通信系統(tǒng)服務(wù)于電網(wǎng)系統(tǒng)。在電力系統(tǒng)中，隨著連接設(shè)備數(shù)量的增加，通信需要更大的容量，更大的連接性和更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，而這只有通過將5G與物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合才能實(shí)現(xiàn)。因?yàn)橹挥?G通信網(wǎng)絡(luò)有潛力提供顯著的低延遲、高完整性和高數(shù)據(jù)速率。5G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)非常靈活并且功能更加完善，這提供了一個很好的平臺來解決如電力物聯(lián)網(wǎng)中的成本分析和功耗應(yīng)用方面的許多關(guān)鍵問題[3]。

1 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)

1.1 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的概念

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)（UPIoT）是使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)內(nèi)置在電力系統(tǒng)中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)充分利用了現(xiàn)有的電力系統(tǒng)通信設(shè)施，人工智能，大數(shù)據(jù)，移動互聯(lián)網(wǎng)以及其他先進(jìn)的信息和通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了電力系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的一切連接和人機(jī)交互，進(jìn)而創(chuàng)造出具有狀態(tài)全面感知，信息高效處理和便捷應(yīng)用能力的無處不在的能源信息網(wǎng)絡(luò)。在我國，UPIoT是智能互聯(lián)網(wǎng)+智能能源網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。UPIoT的目的是通過減少基本的物理連接來獲取所有的數(shù)據(jù)和信息。通常，UPIoT體系結(jié)構(gòu)由四層組成，分別是感知層，網(wǎng)絡(luò)層，平臺層和應(yīng)用層[4]。

感知層是UPIoT體系結(jié)構(gòu)的最低層。它依賴于分布廣泛的傳感器，這一層的主要關(guān)注點(diǎn)是從傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的整個部分收集有價(jià)值的數(shù)據(jù)，包括從發(fā)電到用電的數(shù)據(jù)，并且還進(jìn)行了原始數(shù)據(jù)的集成和計(jì)算。

網(wǎng)絡(luò)層：網(wǎng)絡(luò)層的主要功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的傳輸。網(wǎng)絡(luò)層基于5G和其他先進(jìn)的有線或無線通信技術(shù)，通過在感知層建立WSN，將數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)信息關(guān)聯(lián)起來。

平臺層：實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)流的有效處理。從感知層收集的信息將被聚合和存儲，為每個面向應(yīng)用的軟件提供數(shù)據(jù)支持。這一層主要由服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫、平臺管理軟件組成。

應(yīng)用層：基于平臺層的數(shù)據(jù)流處理結(jié)果，分析無所不在的物聯(lián)網(wǎng)感知到的對象信息，做出決策，反饋給對應(yīng)的對象，服務(wù)于智能電網(wǎng)的每一個環(huán)節(jié)。它主要包括各種普遍存在的對象服務(wù)應(yīng)用程序。

1.2 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)

UPIoT的基本特點(diǎn)是全天候工作、萬物互聯(lián)、無處不在，連接所有市場實(shí)體及相關(guān)設(shè)備，構(gòu)建跨區(qū)域數(shù)據(jù)共享生態(tài)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)價(jià)值的充分挖掘和新興業(yè)務(wù)的創(chuàng)新拓展。具體而言，UPIoT具有全面感知、連接廣泛、開放共享、創(chuàng)新集成等特點(diǎn)。

全面的感知是UPIoT的基礎(chǔ)，它是指UPIoT收集大量基本數(shù)據(jù)的能力。通過數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換和提取，將各設(shè)備的完整狀態(tài)信息完全統(tǒng)一。完整的狀態(tài)信息不僅包括設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，還包括設(shè)備周圍的環(huán)境數(shù)據(jù)。

廣泛的連接是UPIoT的保證，它反映了UPIoT的網(wǎng)絡(luò)屬性。通過用戶與設(shè)備的全面實(shí)時(shí)連接，實(shí)現(xiàn)了物理系統(tǒng)信息網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，提高了數(shù)據(jù)的綜合通信能力。依靠互聯(lián)網(wǎng)或?qū)Ｓ镁W(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了電力領(lǐng)域上下游企業(yè)之間的連接。

開放共享是UPIoT的定位，它是指提供開放平臺的作用。鼓勵將各種對象集成到UPIoT中并共享信息資源，從而提高整個系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，并為新業(yè)務(wù)的發(fā)展提供基本的共享平臺。

創(chuàng)新集成是UPIoT的目標(biāo)，它是指UPIoT的價(jià)值轉(zhuǎn)換模式。以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，各學(xué)科充分挖掘數(shù)據(jù)的價(jià)值，提升管理能力，發(fā)展商業(yè)模式，創(chuàng)造新的商業(yè)運(yùn)營環(huán)境。這四個特點(diǎn)相輔相成，不僅反映了UPIoT與普通物理網(wǎng)絡(luò)的差異，還反映了建設(shè)目標(biāo)和價(jià)值發(fā)展方向。

2 電力物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)場景及通信需求

2.1 配電自動化通信需求

配電自動化系統(tǒng)可以使配電企業(yè)實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)視、協(xié)調(diào)和控制。配電自動化包括配電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)、饋線自動化、故障處理、分析應(yīng)用等功能。

(1)帶寬及采集間隔

配電自動化主站對終端的常規(guī)總召頻率可根據(jù)需要設(shè)置為1分鐘/次至60分鐘/次；心跳數(shù)據(jù)幀30秒一次；主站與終端對時(shí)間隔可設(shè)置，一般每小時(shí)一次；遙信、遙控方面，主站下發(fā)命令或終端設(shè)備因突發(fā)事件主動上傳數(shù)據(jù)時(shí)，頻率不固定。根據(jù)調(diào)研情況，配電自動化終端傳輸一包數(shù)據(jù)255字節(jié)需耗時(shí)200 ms，按實(shí)時(shí)傳輸計(jì)算（不考慮存儲轉(zhuǎn)發(fā)），為避免排隊(duì)時(shí)延，帶寬應(yīng)高于10.2 kbps。

(2)實(shí)時(shí)性

表1 配電自動化業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)性指標(biāo)

2.2 用電信息采集通信需求

用電信息采集系統(tǒng)是通過對配電變壓器和電力用戶的用電信息進(jìn)行采集、處理和實(shí)時(shí)監(jiān)控的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)用電信息的自動采集、線損分析、電能質(zhì)量監(jiān)測，最終達(dá)到自動抄表、節(jié)約用電成本等目的。

（3）實(shí)時(shí)性

表2 用電信息采集業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)性指標(biāo)

（4）可靠性

用電信息采集的可靠性包括：遙控正確率≥99.99%；一次采集成功率≥95%；周期采集成功率≥99.5%（非設(shè)備故障和非通信故障條件下）。

2.3 分布式電源通信需求

分布式電源是指在用電用戶周圍裝建，運(yùn)行方式以用戶端自發(fā)自用為主，以滿足電力系統(tǒng)和用戶特定的要求。

（1）帶寬及采集間隔

表3 分布式電源站點(diǎn)傳輸流量需求

（2）可靠性

表4 分布式電源接入監(jiān)控系統(tǒng)可靠性指標(biāo)

2.4 移動巡檢通信需求

移動巡檢業(yè)務(wù)包括移動巡視和移動檢修兩大類業(yè)務(wù)。移動巡視業(yè)務(wù)如不需要巡視監(jiān)控功能，其余功能均可本地實(shí)現(xiàn)，不需要遠(yuǎn)程通信。移動檢修業(yè)務(wù)，因具有遠(yuǎn)程協(xié)助、移動辦公等高級功能，需要實(shí)現(xiàn)巡檢終端與巡檢中心之間的通信，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包括文字、圖片、視頻等多種形式。以典型業(yè)務(wù)類型分析，不同業(yè)務(wù)傳輸速率范圍為：語音業(yè)務(wù)8～64 kbit/s；視頻業(yè)務(wù)384 kbit/s～2Mbit/s；數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)64 kbit/s～2 Mbit/s。

3 5G通信在電力物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

3.1 5G通信網(wǎng)絡(luò)

隨著4G網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化和成熟，國內(nèi)外已經(jīng)對5G移動通信系統(tǒng)進(jìn)行了研究。5G網(wǎng)絡(luò)將實(shí)現(xiàn)真正的“萬物互聯(lián)”，并創(chuàng)造前所未有的新興產(chǎn)業(yè)規(guī)模，為移動通信帶來無限活力。5G+網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)不僅可以啟用新的電網(wǎng)工業(yè)控制服務(wù)，而且還可以完美繼承2/3/4G公共網(wǎng)絡(luò)支持的現(xiàn)有信息收集服務(wù)。因此，5G可以在電網(wǎng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)多層混合組網(wǎng)，統(tǒng)一管理和運(yùn)維，幫助電網(wǎng)客戶有效節(jié)省運(yùn)營成本。

電力物聯(lián)網(wǎng)的5G技術(shù)架構(gòu)包括收集信息、管理、檢查以及在設(shè)備和聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)之間共享數(shù)據(jù)的活動。在過去的幾十年里，蜂窩和無線技術(shù)發(fā)生了一場革命，從1G發(fā)展到4G，行業(yè)在這些技術(shù)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用上遇到了很多障礙。上一代4G和3G的成就將有助于5G系統(tǒng)的發(fā)展，后者將改變社會運(yùn)行方式，并制定新的管理政策和方案。隨著技術(shù)進(jìn)步帶來的數(shù)字存儲容量的增加，要在設(shè)備之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的大小增加了，從而產(chǎn)生了對現(xiàn)有技術(shù)無法滿足的更高數(shù)據(jù)速率的需求。隨著5G的到來，另一個頻段被稱為毫米波(mm Wave)，這是一種30-300 GHz的超高頻率，可讓管理員訪問巨大的數(shù)據(jù)傳輸容量通道。由于4G和3G的數(shù)據(jù)傳輸容量較低，因此毫米波范圍不受不同小工具的阻礙，從而有助于加快傳輸速度。但是，5G技術(shù)的研究也面臨著以下幾個挑戰(zhàn)：（1）實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)中1Gbps-10Gbps的數(shù)據(jù)速率：數(shù)據(jù)傳輸必須比現(xiàn)有技術(shù)多10倍。（2）低延遲 >10ms：與LTE網(wǎng)絡(luò)相比，延遲必須小 10倍。（3）低成本:物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)以低成本傳感器、設(shè)備和部署成本為特點(diǎn)。（4）更多的連接設(shè)備：隨著我們正在使用物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，預(yù)計(jì)將有約800億個物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)連接。(5)更長的電池壽命：由于設(shè)備預(yù)計(jì)將是智能的，并且需要更多的功耗，因此電荷存儲和備用電池應(yīng)該更多。（6）減少近90%的能源消耗：通過部署綠色技術(shù)可以減少5G技術(shù)的能源消耗，并且在大規(guī)模連接和高數(shù)據(jù)速率方面可以高效實(shí)現(xiàn)。

3.2 5G在電力物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

智能分布式配電自動化、低壓用電信息采集、分布式電源、電力巡檢等領(lǐng)域是5G在電力行業(yè)的重點(diǎn)應(yīng)用場景，如表5所示。

表5 5G技術(shù)在電力物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用場景

配電自動化的目的是提升供電可靠性，由于傳統(tǒng)配網(wǎng)采用過流保護(hù)，一旦發(fā)生停電現(xiàn)象，會造成較大的影響，排查時(shí)無法精準(zhǔn)確定，所以實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)故障精準(zhǔn)定位，提高供電可靠性是亟待解決的問題。在配電自動化中加入5G技術(shù)，可以對故障進(jìn)行精準(zhǔn)定位，使配網(wǎng)故障處理時(shí)間從分鐘級提高到毫秒級。

當(dāng)前，電力用戶對用電信息進(jìn)行采集業(yè)務(wù)主要用于計(jì)量，數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)規(guī)模小、頻次低，特點(diǎn)是上行流量大、下行流量小。5G通信網(wǎng)絡(luò)可以提供海量接入和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上報(bào)，幫助電力用戶完成用電信息采集。

對于傳統(tǒng)配電網(wǎng)來說，它的早期架構(gòu)設(shè)計(jì)并沒有考慮分布式電源的接入。后期加入分布式電源后，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)發(fā)生了很大的變化，從原來的單電源輻射狀網(wǎng)絡(luò)變?yōu)殡p電源甚至多電源網(wǎng)絡(luò)。對于用戶來說，他們既是用電方，也是發(fā)電方，電流呈現(xiàn)出雙向流動、實(shí)時(shí)動態(tài)變化。因此，需要引入5G技術(shù)來增加配電網(wǎng)的可靠性、靈活性及效率。

電纜隧道解決電網(wǎng)供電承載的同時(shí)也面臨著巡檢困難等問題，它作為一種封閉的地下管廊在遭受火災(zāi)、水淹、塌陷等問題時(shí)會對巡檢人員的生命安全造成危險(xiǎn)，因此為了使巡檢人員避免危險(xiǎn)、確保安全巡檢，傳統(tǒng)的方式是由兩人以上進(jìn)行隧道內(nèi)部巡檢工作，這樣就導(dǎo)致了巡視工作效率低下。引入5G智能巡檢機(jī)器人將極大地解決這一問題，機(jī)器人與后臺之間進(jìn)行通信時(shí)，5G技術(shù)可以保證很高的傳輸速度與傳輸穩(wěn)定性，巡檢機(jī)器人采用全景攝像機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控時(shí)，配合5G網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)低延時(shí)視頻觀看。引入5G網(wǎng)絡(luò)也可以確保傳輸鏈路數(shù)據(jù)安全。

4 結(jié)論

電力通信網(wǎng)絡(luò)經(jīng)歷了從電力線載波到光纖再到各種無線通信的過程。物聯(lián)網(wǎng)完全打破了傳統(tǒng)時(shí)空思想的認(rèn)知和局限性而達(dá)到促進(jìn)客戶服務(wù)改善、質(zhì)量和效率改善、電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、新興業(yè)務(wù)價(jià)值創(chuàng)造和清潔能源充分吸收等多個目標(biāo)。5G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)承載著對電力物聯(lián)網(wǎng)的期望，5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣，是支持電力物聯(lián)網(wǎng)通信的完美之選，它將徹底改變許多日常生活活動的方式。盡管5G通信網(wǎng)絡(luò)具有很多優(yōu)點(diǎn)，但是5G技術(shù)在電力物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用是一個長期的過程，仍然需要我們進(jìn)一步探索。