淺析第五代通信技術(shù)和能源互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展趨勢

王君岑梓華劉勁彬宋澤生何新宇梁薇薇黃映武

淺析第五代通信技術(shù)和能源互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展趨勢

王君1，4，岑梓華1，劉勁彬1，宋澤生2，何新宇1，梁薇薇3，黃映武1

（1.中山大學(xué)南方學(xué)院，廣東 廣州 510970；2.南昌大學(xué)，江西 南昌 510970；3.重慶郵電大學(xué)，重慶 400065；4.廣州恒通智聯(lián)科技有限公司，廣東 廣州 510630）

第五代通信技術(shù)的出現(xiàn)使得人工智能、大數(shù)據(jù)、能源等領(lǐng)域發(fā)展迅速，其中第五代通信技術(shù)網(wǎng)絡(luò)在能源領(lǐng)域引發(fā)了深層次的變革，對能源行業(yè)的設(shè)施規(guī)劃等具有廣泛而深遠(yuǎn)的影響力，而以第五代通信技術(shù)為代表的先進(jìn)信息通信技術(shù)和能源互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展具有廣闊的應(yīng)用前景。介紹了能源互聯(lián)網(wǎng)的概念特征、發(fā)展現(xiàn)狀以及主要使用的技術(shù)，并且淺析了第五代通信技術(shù)和能源互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)，尋找兩者之間的契合點，并探討了兩者相互促進(jìn)的未來發(fā)展之路。

能源互聯(lián)網(wǎng)；第五代通信技術(shù)；融合發(fā)展；關(guān)鍵技術(shù)

能源是現(xiàn)代社會賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)。自20世紀(jì)末以來，化石能源等不可再生能源的日漸枯竭使得人類迫切需要尋找新的能源。為了應(yīng)對能源危機，各國開始研究新能源技術(shù)，力求尋得清潔、環(huán)保、不會枯竭的可再生能源。然而可再生能源難以集中采集和統(tǒng)一管理，不適宜大規(guī)模利用。因此，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)的交互性、不受時間空間的限制等特點，能源互聯(lián)網(wǎng)的提出很好地突破了可再生能源的限制[1]。正在大力發(fā)展的第五代通信技術(shù)有著高速率、低時延等獨有的特點，將第五代通信技術(shù)應(yīng)用于能源互聯(lián)網(wǎng)中，有望解決其中的一些難點。

1 能源互聯(lián)網(wǎng)

能源互聯(lián)網(wǎng)這一概念是由美國學(xué)者杰里米·里夫金（JEREMY R）提出的。他認(rèn)為：“基于可再生能源的、分布式、開放共享的網(wǎng)絡(luò)，即能源互聯(lián)網(wǎng)?！蹦茉椿ヂ?lián)網(wǎng)可以理解為：通過綜合運用先進(jìn)的電力電子技術(shù)、通信技術(shù)，在現(xiàn)有電網(wǎng)的基礎(chǔ)上，使用分布式能量采集裝置、分布式能量儲存裝置，將新型電力網(wǎng)絡(luò)、石油網(wǎng)絡(luò)、天然氣網(wǎng)絡(luò)等能源節(jié)點互聯(lián)起來，以實現(xiàn)雙向流動的能源交換與信息共享。通俗來說，能源互聯(lián)網(wǎng)是把互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與可再生能源相結(jié)合，在能源開采、配送和利用上從傳統(tǒng)的集中式轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芑姆稚⑹?，從而將全球的電網(wǎng)變?yōu)橐粋€能源共享網(wǎng)絡(luò)。

1.1 能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀

目前，能源互聯(lián)網(wǎng)在發(fā)展過程中主要有以下幾個難點。

長距離傳輸。能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢是走向能源全球化，而發(fā)展能源全球化的第一步是建設(shè)起國家級能源互聯(lián)網(wǎng)，然后再擴(kuò)大到建設(shè)洲級能源互聯(lián)網(wǎng)，最終建成世界級能源互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)能源全球化。在這三個階段的建設(shè)過程中，克服全球各地的長距離且錯綜復(fù)雜的地形，以達(dá)到安全傳輸能源這一問題仍需解決。

能源消耗。由于遠(yuǎn)距離傳輸，運輸路途中將出現(xiàn)能源消耗，因此能源利用率偏低。針對這一難點，發(fā)展特高壓柔性直流輸電技術(shù)、超導(dǎo)技術(shù)和管道儲能技術(shù)等克服能源消耗這一難點的技術(shù)是當(dāng)務(wù)之急，這些技術(shù)能使能源在不同地方長距離傳輸時的適應(yīng)性更好、可控性更高、傳輸時間更短，提高能源的利用率[2]。

儲能容量。目前全球儲能設(shè)備裝機容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其所需能量，并且儲能設(shè)備的分布不夠均勻，現(xiàn)實中儲能抽水模式占據(jù)儲能方式的絕大部分，而能源互聯(lián)網(wǎng)追求低成本高分布的儲能方式。因此需要發(fā)展低成本高容量、分布均勻的儲能系統(tǒng)。

信息數(shù)據(jù)安全。對于能源互聯(lián)網(wǎng)來說，信息數(shù)據(jù)的安全極為重要，由于能源互聯(lián)網(wǎng)的體系十分龐大，需要處理分析決策的數(shù)據(jù)量相當(dāng)巨大，因此對數(shù)據(jù)安全尤為重視。然而現(xiàn)在的大數(shù)據(jù)技術(shù)還不足以支撐起處理海量數(shù)據(jù)的同時還具有足夠強大的抗干擾以及識別錯誤信息的能力[3]。

1.2 能源互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

新能源發(fā)電技術(shù)。新能源指的是以清潔、低碳為主，新技術(shù)開發(fā)的可再生能源，包括太陽能、生物質(zhì)能、風(fēng)能、地?zé)崮?、波浪能、洋流能和潮汐能等。能源互?lián)網(wǎng)將通過新能源發(fā)電技術(shù)構(gòu)建出可持續(xù)發(fā)展的能源體系[4]。

電力電子技術(shù)。能源互聯(lián)網(wǎng)各級節(jié)點的實現(xiàn)都離不開電力電子技術(shù)的支撐。固態(tài)變壓器是目前能源互聯(lián)網(wǎng)的研究重點之一[5]，它通過電力電子技術(shù)，實現(xiàn)電能的控制與傳輸，且體積較小，質(zhì)量較輕；電氣隔離功能保證了接口的安全性，能量控制單元利用自動控制技術(shù)能夠感知能量供需的變化，保障能量實時供給和穩(wěn)定高效[6]。

儲能技術(shù)。相比于普通電網(wǎng)系統(tǒng)的用戶側(cè)，分布式的能源互聯(lián)網(wǎng)的用戶側(cè)同時也具備產(chǎn)能功能，因此需要相應(yīng)的儲能設(shè)備。同時，由于可再生能源的滲透率較高，因此需要在產(chǎn)能側(cè)集中配備較大規(guī)模的儲能系統(tǒng)[7-8]。

信息技術(shù)。建立能源互聯(lián)網(wǎng)的目的是要實現(xiàn)較大范圍內(nèi)的能量生產(chǎn)、交換和傳輸，因此信息的采集分析輸出是必不可少的。通過傳感技術(shù)、大數(shù)據(jù)云計算技術(shù)、通信技術(shù)等先進(jìn)信息技術(shù)，能源互聯(lián)網(wǎng)將能夠?qū)崿F(xiàn)信息在各設(shè)備之間高效準(zhǔn)確的雙向傳遞[9]。

2 第五代通信技術(shù)與能源互聯(lián)網(wǎng)的融合發(fā)展

能源互聯(lián)網(wǎng)通過通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的傳遞、信息技術(shù)連接的紐帶，目前第五代通信技術(shù)的發(fā)展正在如火如荼地進(jìn)行中。第五代通信技術(shù)作為目前的前沿技術(shù)，帶有自身的優(yōu)勢，將作為能源互聯(lián)網(wǎng)的信息技術(shù)支撐。由于近年來信息數(shù)據(jù)以爆炸式增長，現(xiàn)有通信系統(tǒng)難以滿足，因此第五代通信技術(shù)應(yīng)運而生。同時移動互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展驅(qū)動著第五代通信技術(shù)的進(jìn)步，相比于以往的通信系統(tǒng)，第五代通信技術(shù)的無線覆蓋性能、傳輸時延、系統(tǒng)安全等優(yōu)點更符合時代的需求，用戶體驗也將得到顯著的提高。

高速率、覆蓋廣、低時延、低能耗是第五代通信技術(shù)和能源互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展的趨勢。

高速率。第五代通信技術(shù)具有高速率傳輸?shù)奶攸c。相比于4G，第五代通信技術(shù)的傳輸速率更高，傳輸速率可達(dá) 10 GB/s。在能源互聯(lián)網(wǎng)中，各類傳感器是采集數(shù)據(jù)的主要工具。有了高速率的第五代通信技術(shù)作為支撐，傳感器采集到的數(shù)據(jù)能更快地進(jìn)行傳輸，實時采集數(shù)據(jù)變?yōu)榭赡躘10]。對數(shù)據(jù)進(jìn)行更精準(zhǔn)的分析，為大數(shù)據(jù)分析提供堅實的基礎(chǔ)和為海量數(shù)據(jù)的傳輸提供強有力支撐。

覆蓋廣。在大部分地區(qū)日常生活中的大多數(shù)場景第五代通信技術(shù)網(wǎng)絡(luò)都已覆蓋，同時地形復(fù)雜的地區(qū)也正在積極部署第五代通信技術(shù)網(wǎng)絡(luò)，這很好地解決了能源互聯(lián)網(wǎng)在一些偏僻地區(qū)無法進(jìn)行信息傳輸?shù)膯栴}。

低時延。在能源互聯(lián)網(wǎng)中，存在許多設(shè)備協(xié)同控制的場景，且由于能源互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備海量的特性，對通信低時延有著較高的要求。第五代通信技術(shù)空口時延達(dá)到1 ms，端到端時延小于10 ms，為設(shè)備的及時靈活響應(yīng)提供支撐。

低能耗。低能耗對于有海量設(shè)備連接的能源互聯(lián)網(wǎng)來說較為重要。若傳感器或其他設(shè)備時常需要更換電池或充電，則對該區(qū)域的能源流動有一定的阻礙，第五代通信技術(shù)功耗低這一特點則能解決這一問題[3]。

3 第五代通信技術(shù)與能源互聯(lián)網(wǎng)融合關(guān)鍵技術(shù)

為應(yīng)對未來持續(xù)增長的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求，第五代通信技術(shù)的發(fā)展尤為重要。第五代通信技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)如超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、大規(guī)模MIMO技術(shù)等能夠改善第五代通信技術(shù)的性能，得以應(yīng)用于能源互聯(lián)網(wǎng)中[11]。

3.1 超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)是第五代通信技術(shù)網(wǎng)絡(luò)的一項關(guān)鍵技術(shù)，它能有效提高傳輸速率、頻譜效率。密集的網(wǎng)絡(luò)部署將縮小站點與站點間的距離，由于一定區(qū)域內(nèi)的站點數(shù)增加了，甚至也可能出現(xiàn)站點對活躍用戶數(shù)一對一服務(wù)的現(xiàn)象[12]。

3.2 大規(guī)模MIMO技術(shù)

MIMO技術(shù)在4G時代就已經(jīng)在應(yīng)用，即在發(fā)送端和接收端放置多個天線，形成多條路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。這能使通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率在不增加帶寬的情況下，成倍地提高。大規(guī)模MIMO技術(shù)則是在MIMO技術(shù)的基礎(chǔ)上的擴(kuò)展。在天線數(shù)量上，大規(guī)模MIMO基站側(cè)放置有從幾十到幾千規(guī)模的天線陣列，拓寬了信號覆蓋的維度。同時，大規(guī)模MIMO技術(shù)的抗干擾能力也得到了提升[13]。

4 結(jié)束語

能源互聯(lián)網(wǎng)是未來能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向，而第五代通信技術(shù)將是能源互聯(lián)網(wǎng)在信息技術(shù)上的支撐。能源互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)各種設(shè)備的協(xié)調(diào)與交互需要強大信息網(wǎng)絡(luò)的支撐。信息技術(shù)中的第五代通信技術(shù)則能很好地為能源互聯(lián)網(wǎng)中的信息傳輸、需求響應(yīng)、能源控制等問題提供服務(wù)。在第五代通信技術(shù)的輔助下，能源互聯(lián)網(wǎng)將有更好的發(fā)展。

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TK01

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.08.018

2095－6835（2021）08－0052－02

王君（1987—），男，雙學(xué)位碩士，CCF會員（會員號：C5030G），研究方向為智能圖像處理、機器視覺。

岑梓華（1999—），女，本科，研究方向為電氣工程及其自動化。

〔編輯：王霞〕