5G通信技術(shù)在智能電網(wǎng)的應(yīng)用

符霄乾

（吉林吉大通信設(shè)計(jì)院股份有限公司 吉林省長(zhǎng)春市 130000）

在智能電網(wǎng)建設(shè)中，需部署智能設(shè)備，接入大量分布式能源，這就要求智能電網(wǎng)具備更強(qiáng)無(wú)線通信能力，方可保障智能電網(wǎng)可靠運(yùn)行。5G 通信技術(shù)是目前最先進(jìn)的移動(dòng)通信技術(shù)，可顯著提升無(wú)線通信速率，降低通信時(shí)延，適用于智能電網(wǎng)建設(shè)與運(yùn)行的多個(gè)場(chǎng)景，技術(shù)人員需加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)，發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

1 智能電網(wǎng)建設(shè)需求

智能電網(wǎng)涵蓋發(fā)電、輸電、變電、配電、用電、電力調(diào)度六部分，各個(gè)部分間的信息共享與交互，是智能電網(wǎng)運(yùn)行的關(guān)鍵。通信是電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃的重點(diǎn)內(nèi)容，要求電力企業(yè)做好基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，為智能電網(wǎng)建設(shè)與運(yùn)行提供光纖骨干通信網(wǎng)，這類(lèi)通信網(wǎng)絡(luò)具有大容量、高穩(wěn)定性等優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)泛在配電通信，符合當(dāng)前電網(wǎng)分布式能源接入模式[1]。綜合而言，智能電網(wǎng)的建設(shè)需求如下：

（1）配電自動(dòng)化。在智能電網(wǎng)建設(shè)中，配電自動(dòng)化為基礎(chǔ)要求，技術(shù)人員可綜合利用各項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，集成配網(wǎng)建設(shè)的饋線、設(shè)備、終端等模塊?；谟脩襞c日俱增的電力需求，配網(wǎng)模塊產(chǎn)生的數(shù)據(jù)增多，通信需求隨之增多，需配置更大容量、更高速度的通信系統(tǒng)，高效處理配網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，使智能電網(wǎng)具備自診斷、自愈功能。

（2）準(zhǔn)確負(fù)荷控制。智能電網(wǎng)中配置智能電表與智能終端，兼?zhèn)湄?fù)荷控制、計(jì)量及防盜等作用?？勺詣?dòng)完成用戶信息采集、用電管理等工作。通信技術(shù)是上述功能發(fā)揮的基礎(chǔ)，要求帶寬達(dá)到2.4kbps，確保電網(wǎng)的負(fù)荷、計(jì)量等信息在短時(shí)間內(nèi)完成遠(yuǎn)程傳輸，真正實(shí)現(xiàn)“光纖入戶”。

（3）用戶服務(wù)。在“光纖入戶”支持下，智能電網(wǎng)的用戶服務(wù)功能增多，可在計(jì)量的同時(shí)，具備電能質(zhì)量檢測(cè)、竊電行為評(píng)估、用電分析、分布式能源監(jiān)控、故障自診斷、信息交互等功能，而上述功能實(shí)現(xiàn)時(shí)，均需可靠穩(wěn)定的通信。

（4）指揮調(diào)度。在智能電網(wǎng)運(yùn)行期間，電力企業(yè)需實(shí)施線路巡查、設(shè)備檢修等工作，以確保智能電網(wǎng)長(zhǎng)久穩(wěn)定運(yùn)行。在巡查與檢修工作中，產(chǎn)生數(shù)據(jù)通信需求，應(yīng)配置完善通信系統(tǒng)，供巡查與檢修人員將采集數(shù)據(jù)傳輸至控制中心，由控制中心管理人員實(shí)施指揮調(diào)度工作，及時(shí)發(fā)現(xiàn)、排除故障。

（5）移動(dòng)辦公?；谟脩舻膹V泛用電需求，智能電網(wǎng)覆蓋農(nóng)村、城市等多個(gè)地區(qū)，需配置可靠通信裝置，確保惡劣環(huán)境下數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、全面運(yùn)輸，以便于電力企業(yè)移動(dòng)辦公，為各地區(qū)用戶提供高質(zhì)量電力業(yè)務(wù)服務(wù)[2]。

（6）安全監(jiān)控。在智能電網(wǎng)建設(shè)中，機(jī)房與變電站等場(chǎng)所可支持無(wú)人值守工作模式，通過(guò)監(jiān)控裝置、傳感器等設(shè)備，遠(yuǎn)程控制智能電網(wǎng)設(shè)備，通信是遠(yuǎn)程控制的基礎(chǔ)。

可見(jiàn)在智能電網(wǎng)建設(shè)中，各項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)均需可靠的通信基礎(chǔ)。而傳統(tǒng)通信技術(shù)存在節(jié)點(diǎn)多、建造成本高、分散性強(qiáng)、適用范圍小等缺陷，不滿足智能電網(wǎng)建設(shè)需求。5G 通信技術(shù)是最新一代的移動(dòng)通信技術(shù)，可支持不同終端間的高效通信，在智能電網(wǎng)中配置5G 通信專(zhuān)網(wǎng)，可拓展光纖專(zhuān)網(wǎng)的通信內(nèi)容，提高通信速率，在低能耗、低時(shí)延的情況下，完成可靠通信[3]。

2 5G通信技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用方式

通過(guò)上述分析可知，5G 通信技術(shù)在智能電網(wǎng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，技術(shù)人員應(yīng)根據(jù)智能電網(wǎng)的建設(shè)與運(yùn)行需求，合理利用5G 通信技術(shù)，拓展智能電網(wǎng)的功能，提高電力服務(wù)的便捷性、全面性。細(xì)化來(lái)說(shuō)，5G 通信技術(shù)通過(guò)如下關(guān)鍵技術(shù)，用于智能電網(wǎng)工程。

2.1 V2G技術(shù)

V2G 技術(shù)是指車(chē)輛—電網(wǎng)技術(shù)，是智能電網(wǎng)的新型網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模式，可在智能電網(wǎng)接入過(guò)多設(shè)備、分布式能源的情況下，加大通信網(wǎng)絡(luò)的容量，降低調(diào)度壓力，使設(shè)備與分布式能源穩(wěn)定運(yùn)行。在實(shí)際智能電網(wǎng)建設(shè)中，為發(fā)揮V2G 技術(shù)優(yōu)勢(shì)，技術(shù)人員應(yīng)構(gòu)建雙向通信基礎(chǔ)架構(gòu)，在云服務(wù)器、本地服務(wù)器、供電器、電動(dòng)汽車(chē)間形成雙向通信與電力傳輸，利用V2G 技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的密集型服務(wù)供給，實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)通信具備更低時(shí)延。細(xì)化來(lái)說(shuō)，雙向基礎(chǔ)通信架構(gòu)由電力傳輸線路與通信線路構(gòu)成，具體傳輸方向如下：云服務(wù)器和本地服務(wù)器實(shí)現(xiàn)雙向信息通信；本地服務(wù)器與供電器實(shí)現(xiàn)雙向信息通信；供電器和電動(dòng)汽車(chē)實(shí)現(xiàn)雙向信息通信與電力傳輸。

在實(shí)際應(yīng)用中，基于電動(dòng)汽車(chē)的不確定性，智能電網(wǎng)可根據(jù)通信數(shù)據(jù)類(lèi)型，設(shè)置不同工作模式，以實(shí)現(xiàn)電力服務(wù)的智能化供給。例如，在電動(dòng)汽車(chē)以電源、數(shù)據(jù)通信的默認(rèn)訪問(wèn)點(diǎn)和供電器的數(shù)據(jù)聚合器連接時(shí)，智能電網(wǎng)以家庭模式供電；在電動(dòng)汽車(chē)以臨時(shí)連接點(diǎn)和供電器的數(shù)據(jù)聚合器連接時(shí)，智能電網(wǎng)一訪問(wèn)模式供電，使智能電網(wǎng)始終維持高效運(yùn)行狀態(tài)，增強(qiáng)運(yùn)行效益，減少能耗。

2.2 云—邊緣計(jì)算技術(shù)

在5G 通信技術(shù)支持下，技術(shù)人員可引進(jìn)云計(jì)算技術(shù)，將其與電力物聯(lián)網(wǎng)整合，加強(qiáng)對(duì)智能電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的管理。但在實(shí)際運(yùn)行中，該技術(shù)不能妥善處理智能電網(wǎng)邊緣設(shè)備的數(shù)據(jù)，使智能電網(wǎng)管理出現(xiàn)盲區(qū)。為應(yīng)對(duì)該現(xiàn)象，技術(shù)人員可整合云計(jì)算與邊緣計(jì)算技術(shù)，將云—邊緣計(jì)算技術(shù)用于智能電網(wǎng)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)的分布式管理，便于數(shù)據(jù)分析，使電力服務(wù)更符合用戶需求。在智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理中，可采用三種計(jì)算方式，針對(duì)本地終端，可采用本地計(jì)算方式；針對(duì)云端數(shù)據(jù)，采用云計(jì)算方式；針對(duì)邊緣終端，采用邊緣計(jì)算方式[4]。

同時(shí)，技術(shù)人員應(yīng)根據(jù)智能電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能的數(shù)據(jù)需求，優(yōu)化配置電力系統(tǒng)的計(jì)算方式，并根據(jù)電力系統(tǒng)的資源條件，設(shè)置算法的各項(xiàng)參數(shù)，以獲取更為全面、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)通信提供便利。

2.3 5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)

基于智能電網(wǎng)的海量數(shù)據(jù)通信需求，技術(shù)人員應(yīng)在低成本、低能耗的基礎(chǔ)上，保障數(shù)據(jù)可靠通信。5G 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)可將智能電網(wǎng)的物理網(wǎng)絡(luò)劃分為若干個(gè)邏輯虛擬網(wǎng)絡(luò)，這類(lèi)虛擬網(wǎng)絡(luò)具有獨(dú)立性，根據(jù)智能電網(wǎng)的不同功能需求，提供定制服務(wù)，協(xié)調(diào)配置智能電網(wǎng)的各項(xiàng)資源。對(duì)于智能電網(wǎng)而言，其網(wǎng)絡(luò)切片可實(shí)現(xiàn)通信時(shí)延、通信可靠性、通信業(yè)務(wù)隔離、業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)、終端量級(jí)、帶寬等需求，為不同功能提供不同網(wǎng)絡(luò)切片，滿足其需求。

例如，在智能分布式配電自動(dòng)化系統(tǒng)中，對(duì)通信時(shí)延、通信可靠性、通信業(yè)務(wù)隔離、業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)四方面有高要求，對(duì)帶寬要求偏低；在分布式電源系統(tǒng)中，對(duì)通信可靠性、終端量級(jí)有高要求，對(duì)帶寬要求偏低；在毫秒級(jí)精準(zhǔn)負(fù)荷控制中，對(duì)通信時(shí)延、通信可靠性及業(yè)務(wù)隔離有高要求，帶寬、終端量級(jí)、業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)的要求為中高水平；在低壓用電信息采集系統(tǒng)中，對(duì)終端量級(jí)有高要求，對(duì)通信時(shí)延、業(yè)務(wù)隔離的要求偏低。

3 5G通信技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用場(chǎng)景

基于5G 通信技術(shù)各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的功能，可將其用于智能電網(wǎng)的不同場(chǎng)景，發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢(shì)，強(qiáng)化智能電網(wǎng)的各項(xiàng)功能。本文總結(jié)以下5G 通信技術(shù)在智能電網(wǎng)中的典型應(yīng)用場(chǎng)景。

3.1 配電自動(dòng)化場(chǎng)景

在智能電網(wǎng)中，配電自動(dòng)化屬于低時(shí)延需求場(chǎng)景。在配電自動(dòng)化建設(shè)中，我國(guó)電網(wǎng)表現(xiàn)出電壓升高、交直流電混聯(lián)等特征，對(duì)配電自動(dòng)化的安全性提出更高要求，在電力配網(wǎng)時(shí)，應(yīng)合理布置安全保護(hù)裝置，確保智能電網(wǎng)運(yùn)行期間，遇到大功率沖擊現(xiàn)象時(shí)，可自動(dòng)切除發(fā)電機(jī)及相應(yīng)符合，避免智能電網(wǎng)出現(xiàn)連鎖故障。在智能電網(wǎng)的分布式接入中，常用保護(hù)裝置為分布式饋線保護(hù)，其保護(hù)系統(tǒng)中配置通信技術(shù)，可全面整合智能電網(wǎng)各個(gè)變電站的運(yùn)行數(shù)據(jù)，精確定位故障點(diǎn)，在饋線保護(hù)切除負(fù)荷時(shí)，可精確切除故障位置。在實(shí)際數(shù)據(jù)通信中，多個(gè)變電站實(shí)施通信，極易出現(xiàn)通信延時(shí)問(wèn)題，導(dǎo)致故障點(diǎn)不能及時(shí)隔離，擴(kuò)大故障范圍，影響電網(wǎng)安全性。

5G 通信技術(shù)可妥善解決上述問(wèn)題，降低通信時(shí)延，提高通信效率，將網(wǎng)絡(luò)延遲控制在1ms 內(nèi)。相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)指出，如果網(wǎng)絡(luò)延遲為10ms，當(dāng)分布式饋線保護(hù)系統(tǒng)實(shí)施故障隔離時(shí)，可在故障出現(xiàn)的100ms 內(nèi)完成隔離。而5G 通信系統(tǒng)可將網(wǎng)絡(luò)延遲縮小10 倍，進(jìn)一步提高保護(hù)隔離效率，實(shí)現(xiàn)可靠、安全供電。同時(shí)，和光纖通信相比，5G 通信技術(shù)在分布式饋線系統(tǒng)中部署更為便捷，可降低配電自動(dòng)化建設(shè)成本。

3.2 負(fù)荷控制場(chǎng)景

在智能電網(wǎng)中，負(fù)荷控制屬于高容量需求場(chǎng)景，通過(guò)智能電網(wǎng)的狀態(tài)感知、負(fù)荷預(yù)測(cè)與負(fù)荷控制，實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)負(fù)荷的智能控制，使智能電網(wǎng)服務(wù)供給更為智能、全面。

在狀態(tài)感知中，目前電網(wǎng)系統(tǒng)配置的SCADA 系統(tǒng)僅可感知三相電壓與電流的數(shù)值，不能感知相角在不同階段的變化，不滿足智能電網(wǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信需求。5G 通信技術(shù)的應(yīng)用，可拓展智能電網(wǎng)通信系統(tǒng)的功能，利用其高密度連接優(yōu)勢(shì)，在智能電網(wǎng)上部署大量檢測(cè)元件，全面感知智能電網(wǎng)在不同節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)，綜合評(píng)估智能電網(wǎng)運(yùn)行是否安全，進(jìn)而提高智能電網(wǎng)穩(wěn)定性。例如，某技術(shù)人員在智能電網(wǎng)系統(tǒng)中嵌入線性潮流模型，可全面感知智能電網(wǎng)的電壓、功率及相角都等參數(shù)，并在5G 通信技術(shù)支持下實(shí)現(xiàn)PMU時(shí)序數(shù)據(jù)的無(wú)損傳輸，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行中狀態(tài)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)評(píng)估。

在負(fù)荷預(yù)測(cè)中，5G 通信技術(shù)可將電網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)整合，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)中各項(xiàng)設(shè)備、各個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)共享。同時(shí)，5G 通信技術(shù)可擴(kuò)大智能電網(wǎng)容量，支持海量設(shè)備與各項(xiàng)能源接入智能電網(wǎng)，綜合采集用戶信息，如生活信息、交通網(wǎng)信息、電網(wǎng)信息等，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)用戶的綜合負(fù)荷，為電力用戶構(gòu)建精準(zhǔn)畫(huà)像，明確其用電需求，以此開(kāi)展智能電網(wǎng)調(diào)度工作，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷精準(zhǔn)控制。細(xì)化來(lái)說(shuō)，在5G 通信技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)上，智能電網(wǎng)可根據(jù)海量數(shù)據(jù)，評(píng)估用戶在電、熱、冷、氣等多種能源的負(fù)荷，為負(fù)荷控制提供參考。

在負(fù)荷控制中，5G 通信技術(shù)可將負(fù)荷控制工作細(xì)化至智能電網(wǎng)的具體設(shè)備，如智能電網(wǎng)中的照明燈、空調(diào)系統(tǒng)等，一旦某個(gè)設(shè)備出現(xiàn)故障，可在不切除饋線的基礎(chǔ)上，自動(dòng)切斷故障負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)中分布式能源的精準(zhǔn)管控，提高智能電網(wǎng)運(yùn)行可靠性，

3.3 安全監(jiān)控場(chǎng)景

在智能電網(wǎng)中，安全監(jiān)控屬于高帶寬需求場(chǎng)景，智能電網(wǎng)的監(jiān)控通過(guò)圖像與視頻的采集來(lái)實(shí)現(xiàn)。而在圖像、視頻數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，基于其大容量特征，需通信系統(tǒng)具備較高的速率與帶寬。5G 通信技術(shù)在安全監(jiān)控場(chǎng)景中的應(yīng)用，可顯著提高通信速率與通信帶寬，支持大容量文件傳輸，保障通信圖像與視頻的清晰、準(zhǔn)確。同時(shí)，技術(shù)人員可利用5G 通信技術(shù)的歷史傳輸數(shù)據(jù)，組織監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)實(shí)施機(jī)器學(xué)習(xí)，在后續(xù)通信傳輸過(guò)程中，可智能診斷電網(wǎng)運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)的圖像與視頻，及時(shí)發(fā)現(xiàn)智能電網(wǎng)運(yùn)行異常，向監(jiān)控中心的值班人員報(bào)警。例如，配電房安全監(jiān)控中，電力企業(yè)通常采用無(wú)人機(jī)與攝像裝置實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。在傳統(tǒng)通信模式下，無(wú)人機(jī)巡檢不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信，配電房攝像裝置需有線專(zhuān)網(wǎng)，光纖鋪設(shè)成本較高。5G 通信技術(shù)可使無(wú)人機(jī)將實(shí)時(shí)采集圖像與視頻信息傳輸至監(jiān)控中心，無(wú)需在配電房鋪設(shè)大量光纖，節(jié)約成本。

同時(shí)，在智能電網(wǎng)的多種能源接入發(fā)展模式下，安全監(jiān)控需求增多，如太陽(yáng)能接入的智能電網(wǎng)，需對(duì)光伏發(fā)電實(shí)施短期預(yù)測(cè)，評(píng)估光伏設(shè)備的光照情況，精準(zhǔn)預(yù)測(cè)光伏發(fā)電的出力數(shù)值，便于智能電網(wǎng)管理。因光伏器件所處的地理位置不同，受到的光照不同，單純根據(jù)天氣預(yù)報(bào)不能精準(zhǔn)預(yù)測(cè)光伏出力，易使智能電網(wǎng)生產(chǎn)調(diào)度工作出現(xiàn)偏差。5G 通信技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高清圖像的智能感知，在光伏器件附近安裝遠(yuǎn)端攝像頭，采集光伏器件周?chē)奶炜請(qǐng)D像，計(jì)算機(jī)可根據(jù)圖像信息實(shí)施云彩遮擋因子分析，預(yù)測(cè)天空中云彩的運(yùn)行路徑，以此預(yù)測(cè)光伏器件出力。在實(shí)際應(yīng)用中，5G 通信技術(shù)可實(shí)現(xiàn)小時(shí)級(jí)乃至分鐘級(jí)的光伏出力預(yù)測(cè)，合理調(diào)度區(qū)域智能電網(wǎng)的供電，以保障穩(wěn)定、持續(xù)供電，避免光伏出力不足引發(fā)停電事故。

4 結(jié)論

綜上所述，智能電網(wǎng)的配電自動(dòng)化、負(fù)荷控制、用戶服務(wù)、指揮調(diào)度等功能，均需可靠的通信技術(shù)支持。通過(guò)本文的分析，技術(shù)人員可在智能電網(wǎng)建設(shè)中應(yīng)用V2G 技術(shù)、云—邊緣計(jì)算技術(shù)、5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)等5G 通信技術(shù)，用于高容量、低時(shí)延、高帶寬等需求場(chǎng)景，如配電自動(dòng)化、負(fù)荷控制、安全監(jiān)控等，提升智能電網(wǎng)的智能化水平。