5G通信技術(shù)的發(fā)展及在電力系統(tǒng)的應(yīng)用

劉孝鑫，楊 光

（1.西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065；2.航空工業(yè)自控所，陜西 西安 710065）

1 5G通信技術(shù)發(fā)展

5G通信技術(shù)即第五代移動(dòng)通信技術(shù)，具備通信帶寬大、可靠性高及傳輸時(shí)延低等優(yōu)勢(shì)。5G網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)以其遠(yuǎn)超第四代移動(dòng)通信的數(shù)據(jù)傳輸速率、超高的實(shí)時(shí)能力以及全域空間的連接能力，逐步成為國(guó)家未來的戰(zhàn)略基礎(chǔ)技術(shù)。

1.1 5G通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)家工信部于2019年10月宣布正式啟動(dòng)第五代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。和傳統(tǒng)4G網(wǎng)絡(luò)相比，5G通信的傳輸速率峰值可達(dá)10 Gbit/s，這比4G高出2個(gè)數(shù)量級(jí)。同時(shí)由于其設(shè)計(jì)規(guī)劃之初就提出的低于1 ms的網(wǎng)絡(luò)延遲要求，使得通過5G網(wǎng)絡(luò)傳輸信息的質(zhì)量非常高，也極大提升了用戶的使用體驗(yàn)。5G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用能夠有效地提升系統(tǒng)的信息存儲(chǔ)與處理能力，從而促進(jìn)信息傳輸?shù)倪M(jìn)步，并且具有良好的應(yīng)用前景[1,2]。

5G 網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過之前的4G/3G/2G 網(wǎng)絡(luò)，甚至強(qiáng)于部分現(xiàn)有的有線互聯(lián)網(wǎng)。鑒于其非常高的數(shù)據(jù)傳輸率，5G在電力系統(tǒng)通信方面也有巨大的優(yōu)勢(shì)。通過將5G技術(shù)與云計(jì)算、大數(shù)據(jù)以及人工智能相結(jié)合，加速電力系統(tǒng)向數(shù)字化和智能化轉(zhuǎn)型。在電力系統(tǒng)中推進(jìn)5G通信技術(shù)應(yīng)用可以有效提高電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸效率，減少線纜投資，降低系統(tǒng)運(yùn)行成本[3]，進(jìn)一步促進(jìn)我國(guó)電力系統(tǒng)的高速高效發(fā)展。

1.2 5G網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h3>

5G通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要由核心網(wǎng)、宏基站，微基站等部分組成。其中核心網(wǎng)用于系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)傳輸，是全網(wǎng)絡(luò)的指揮中心。宏基站通過光纖鏈路或微波與核心網(wǎng)相連，作為重要中樞系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)的基站和用戶的無線通信。

2 5G通信技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

世界各國(guó)電力系統(tǒng)正加速向智能化升級(jí)，信息傳輸也快速向5G時(shí)代邁進(jìn)。結(jié)合我國(guó)電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、配電、用電和應(yīng)急通信等環(huán)節(jié)，未來5G通信技術(shù)將逐步發(fā)揮重要作用。

2.1 高清視頻數(shù)據(jù)服務(wù)

傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)中的視頻監(jiān)控功能，主要實(shí)現(xiàn)包括圖像監(jiān)視、安全防護(hù)、故障診斷等功能[4]，因此對(duì)數(shù)據(jù)傳輸帶寬的需求有著較高的要求。5G網(wǎng)絡(luò)的高帶寬特性，使得原有的視頻監(jiān)控系統(tǒng)向著更加高清的方向發(fā)展。目前4G通信技術(shù)無法保證完整的數(shù)據(jù)傳輸，從而導(dǎo)致后臺(tái)數(shù)據(jù)分析和指令決策等功能易出現(xiàn)偏差。為避免信息傳輸過程的不可控因素，可以將圖像處理及決策系統(tǒng)前移，與視頻采集端結(jié)合。這樣的解決方案雖然可以避免通信網(wǎng)絡(luò)的影響，但是不便于集中管理，同時(shí)遠(yuǎn)端集成較高性能的處理單元不僅成本高，并且為保障相關(guān)設(shè)備的環(huán)境要求，使其對(duì)環(huán)控又提出了更高的要求。而5G技術(shù)的應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)高清視頻數(shù)據(jù)傳輸，其低時(shí)延可以讓控制終端迅速獲取高清圖像，結(jié)合中央控制室內(nèi)的更高性能的運(yùn)行平臺(tái)及其更強(qiáng)大的解算能力，使得圖像識(shí)別、處理、融合更容易實(shí)現(xiàn)，成本更低廉。并且通過中央控制臺(tái)內(nèi)集中式的操作，使得多個(gè)分系統(tǒng)間可以聯(lián)動(dòng)，避免了單一監(jiān)測(cè)點(diǎn)輸出而其他子系統(tǒng)無法支撐的情況出現(xiàn)[4]。

2.2 基于5G的傳感聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

隨著通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，其通訊速率逐步升高并且傳輸延遲降低，使得各種物、人及其集成的傳感器均可以接入網(wǎng)絡(luò)。而多種不同設(shè)備通過移動(dòng)通信技術(shù)接入網(wǎng)絡(luò)，可以更加方便地實(shí)現(xiàn)各種設(shè)備的遠(yuǎn)程智能操控，為工作和生活提供便利[5]。在傳統(tǒng)4G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用時(shí)，人們可以通過網(wǎng)絡(luò)把設(shè)備或家用電器與手機(jī)相連，這樣可以實(shí)現(xiàn)一定程度的遠(yuǎn)程操作。但是受限于帶寬及網(wǎng)絡(luò)延遲，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)不能支撐過于復(fù)雜或?qū)崟r(shí)性要求較高的連接。5G通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋面更廣，同時(shí)小于1 ms的網(wǎng)絡(luò)通信延遲使得控制與動(dòng)作部分可以獨(dú)立，實(shí)現(xiàn)分布式應(yīng)用。

在電力系統(tǒng)中，原受制于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模及綜合成本考慮，部分遠(yuǎn)端監(jiān)測(cè)點(diǎn)不能通過有線方式連接，但原有通信網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲較大，其監(jiān)測(cè)點(diǎn)信息僅能作為數(shù)據(jù)記錄功能，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)閉環(huán)。同時(shí)一些較偏遠(yuǎn)地區(qū)的開關(guān)或控制動(dòng)作接點(diǎn)，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)闹萍s，其控制器必須與動(dòng)作接點(diǎn)集成，造成了整體設(shè)備造價(jià)上升?，F(xiàn)在通過5G技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)功能。將原系統(tǒng)內(nèi)各類型信息傳感器、射頻識(shí)別器、紅外感應(yīng)器等接入網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到原獨(dú)立功能的聯(lián)動(dòng)，并且逐步豐富了對(duì)全系統(tǒng)信息狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和控制。5G通信技術(shù)可以支持更大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)連接，不僅為電力系統(tǒng)后續(xù)容量擴(kuò)充打好了基礎(chǔ)，同時(shí)也使得每個(gè)終端的流量消耗降低，從而減少了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的成本，并且使得電力系統(tǒng)內(nèi)通信質(zhì)量不斷提高[5]。

2.3 多終端移動(dòng)控制及通信

在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，諸如電廠內(nèi)的智能巡檢系統(tǒng)，其主要以傳感器和數(shù)據(jù)采集為主要應(yīng)用場(chǎng)景。目前的應(yīng)用中多采用有線通信方式，但其很難滿足終端移動(dòng)性的要求，導(dǎo)致巡檢點(diǎn)靈活性差、覆蓋范圍小。部分技術(shù)廠商為提升靈活性而開發(fā)出基于藍(lán)牙、4G網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的無線連接解決方案，但是因?yàn)橐陨蟽煞N通信不能解決延遲的問題，使得移動(dòng)終端通信應(yīng)用時(shí)易出現(xiàn)卡頓或異常，從而影響整個(gè)工序的監(jiān)測(cè)質(zhì)量[6]。

5G網(wǎng)絡(luò)可以滿足500 km/h的移動(dòng)性能，同時(shí)對(duì)于超高的連接密度也有能力支持，因此在風(fēng)電場(chǎng)、光伏電站、火電廠、變電站等對(duì)移動(dòng)性及連接密度要求較高的數(shù)據(jù)交互場(chǎng)景中，5G技術(shù)可以作為有線連接的補(bǔ)充，甚至可以作為主要通信網(wǎng)絡(luò)使用，這樣既保證了通信時(shí)效性，也大大降低了電纜成本，提升電站整體收益[7]。

2.4 智能電網(wǎng)及無線接入技術(shù)

電力系統(tǒng)覆蓋范圍廣，在水電站、火電廠、光熱電站等生產(chǎn)環(huán)境較為復(fù)雜的場(chǎng)景中，可以使用無線通信技術(shù)替代鋪設(shè)有線電纜，有效減少電纜溝中電纜數(shù)量，避免電纜故障導(dǎo)致的生產(chǎn)事故及安全隱患。而對(duì)于電網(wǎng)來說，安全可靠運(yùn)行是第一考慮要素。系統(tǒng)內(nèi)不同環(huán)節(jié)的數(shù)字化、智能化應(yīng)用，對(duì)通信技術(shù)的需求不完全相同，比如配電網(wǎng)控制對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信的延遲和可靠性要求較高，而變電、輸電網(wǎng)的巡檢機(jī)器人應(yīng)用對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膸捯蟾惹?。前文已?jīng)提到的智能電網(wǎng)內(nèi)高帶寬要求的應(yīng)用場(chǎng)景將率先施行，如智能監(jiān)控、無人機(jī)智能巡檢等應(yīng)用可有效降低工作人員安全風(fēng)險(xiǎn)并提高運(yùn)行效率。而智能電網(wǎng)建設(shè)環(huán)節(jié)中，由于配電自動(dòng)化、負(fù)荷精準(zhǔn)控制、配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)、配網(wǎng)PMU、智能分布式FA等業(yè)務(wù)的強(qiáng)實(shí)時(shí)需求，目前5G網(wǎng)絡(luò)也逐步在改造傳統(tǒng)電網(wǎng)業(yè)務(wù)，使其具備數(shù)字化產(chǎn)業(yè)升級(jí)的能力。并且5G網(wǎng)絡(luò)的高兼容連接特性將支撐電信息采集、配網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、智能家居等電能計(jì)量及用電管理等場(chǎng)景方面有著長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展，以此來提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)信息綜合程度，提高用戶用電效率，并且提供更加豐富的電負(fù)荷業(yè)務(wù)。整個(gè)電網(wǎng)的智能化程度正在不斷提升，但整體落地還牽扯到低成本的5G工業(yè)模塊的配套，以及知識(shí)產(chǎn)權(quán)方面的全面自主可控，因此未來關(guān)于智能電網(wǎng)及其無線接入還有廣闊的市場(chǎng)前景[8]。

3 結(jié) 論

本文通過分析5G 通信技術(shù)的發(fā)展及關(guān)鍵特性，并梳理提出5G 通信技術(shù)在電力系統(tǒng)應(yīng)用的相關(guān)方向并提出初步實(shí)施策略。5G通信技術(shù)的產(chǎn)生，不但解決了基礎(chǔ)通信的問題，同時(shí)給各領(lǐng)域發(fā)展也帶來了技術(shù)支持。在5G技術(shù)的支撐下，大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、高清圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)鹊靡燥w速發(fā)展。而在整個(gè)社會(huì)技術(shù)變革的大背景下，因?yàn)槲覈?guó)所擁有的5G具有其特定優(yōu)勢(shì)，使得電力系統(tǒng)內(nèi)的很多應(yīng)用將向著更加專業(yè)、高效的方向發(fā)展，并且通過更多數(shù)據(jù)的收集和分析使得多領(lǐng)域的專家合作變得尤為迫切，以此推動(dòng)我國(guó)智能型電網(wǎng)更好的發(fā)展。