基于5G通信的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的設計與研究

周屋梁

（廣州健新科技有限責任公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

隨著我國市場經(jīng)濟的發(fā)展，人們的工作和生活對電力通信網(wǎng)絡的需求越來越高。電網(wǎng)為滿足需求不斷擴張，帶來了新的挑戰(zhàn)。在智能技術的支持下，電網(wǎng)建設階段要做好電力設備、終端設備與用戶間的溝通。5G通信技術能確保設備和用戶間的溝通傳輸高效、快速、安全以及穩(wěn)定，使得電力系統(tǒng)向自動化和智能化方向發(fā)展。在跨越階段要將物聯(lián)網(wǎng)融入電力企業(yè)，利用5G通信技術全面檢驗數(shù)據(jù)信息和網(wǎng)絡信息，充分展現(xiàn)5G通信技術和物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)點，使其發(fā)揮最大價值與作用，推進電力企業(yè)在市場經(jīng)濟背景下快速可持續(xù)發(fā)展。

1 5G通信的特點

與傳統(tǒng)通信相比，5G通信的信號數(shù)據(jù)傳輸速度更快，可滿足現(xiàn)階段多元化信息技術、智能技術的需求和用戶不斷提高的要求，大大提高了傳輸性能和傳輸速率。5G通信技術具有成本投入低、可靠性高、覆蓋范圍廣泛和延時低的特點，采用開放的技術架構(gòu)?，F(xiàn)階段，5G技術通信在電力企業(yè)大范圍使用，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)信息的快速傳輸和大容量存儲[1]。

2 電力物聯(lián)網(wǎng)

目前，電力網(wǎng)絡已經(jīng)成為我國發(fā)展不可缺少的重要組成部分，幾乎覆蓋了所有地區(qū)。覆蓋地區(qū)的電力網(wǎng)絡中，每一個客戶端連接著不計其數(shù)的電器。電力系統(tǒng)要實現(xiàn)可持續(xù)健康發(fā)展，需要將電力設備與物理對象相連接實現(xiàn)信息互聯(lián)，從而建立符合用戶需求的物聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)電器的互通與互聯(lián)，推進生產(chǎn)、生活以及家居朝著自動化和智能化方向發(fā)展，提高人們的生活品質(zhì)，實現(xiàn)覆蓋地區(qū)的智能化。物聯(lián)網(wǎng)應用廣泛，得到了重視。例如，配備全國聯(lián)網(wǎng)電器裝置，可利用智能終端實時動態(tài)監(jiān)測電網(wǎng)運行軌跡與狀態(tài)，全面分析數(shù)據(jù)，提高電力系統(tǒng)調(diào)度的科學性和合理性，確保配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行[2]。

各種傳輸與轉(zhuǎn)換設備共同組成了電力網(wǎng)，利用光纖傳輸設備實現(xiàn)信息的相互連接與傳遞。但是，實際應用中，配電網(wǎng)存在較多問題，無法利用現(xiàn)階段的相關技術不斷拓展。電器利用傳統(tǒng)的物理性連接模式存在連接質(zhì)量差、外部影響多等缺點。因此，在電力系統(tǒng)信息互聯(lián)階段，要與5G通信技術相結(jié)合，實現(xiàn)電力設備在配電網(wǎng)中的穩(wěn)定可靠連接，最大限度地發(fā)揮其傳輸功能與轉(zhuǎn)換功能。在相對規(guī)模較大的場景，要將電力系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)實現(xiàn)鏈路串聯(lián)，從而全面分析社會不同層面的耗電特征?；ヂ?lián)網(wǎng)系統(tǒng)容量具有高強度與高連接特點。應用5G通信技術不僅實現(xiàn)了電子設備與物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合，而且能有效解決很多電力問題，使得交通網(wǎng)絡、家用電器連網(wǎng)等變得更加安全可靠，且操作簡便快捷[3]。

3 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)與5G通信技術融合的意義

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)主要由平臺層、網(wǎng)絡層和感知層3部分組成，利用網(wǎng)絡物理設計形成專業(yè)性較強的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)框架。應用泛在電力物聯(lián)網(wǎng)能有效滿足現(xiàn)階段電力發(fā)展需求，通過合理調(diào)整泛在電力資源配置，結(jié)合備用設備進行合理規(guī)劃，能提高信息識別功能。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)能大范圍應用我國現(xiàn)階段的信息網(wǎng)絡技術與無線技術，掌握電力網(wǎng)絡的實施動態(tài)和實際分布情況[4]。將5G通信技術與泛在電力物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設相結(jié)合，建設后可實現(xiàn)對大量數(shù)據(jù)信息的精準收集與分析處理，實現(xiàn)電力系統(tǒng)在運行過程中的精準控制，確保數(shù)據(jù)信息的準確性，同時大幅提高數(shù)據(jù)信息的傳輸速率。在5G通信技術與泛在電力物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合的過程中，融入人工智能技術可以簡化泛在物聯(lián)網(wǎng)通信，加快泛在網(wǎng)絡的發(fā)展。在泛在物聯(lián)網(wǎng)運行階段的實際數(shù)據(jù)信息發(fā)送前，需要整合、分析和處理收集的大量數(shù)據(jù)信息，得到初步預測和發(fā)展目標，為后續(xù)可持續(xù)工作提供基礎。此外，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)在應用運行階段要注意數(shù)據(jù)的可靠性，提高安全性保護措施，詳細分析傳感器系統(tǒng)下數(shù)據(jù)信息的工作運行軌跡與狀態(tài)，分析判斷整體網(wǎng)絡通信，并將判斷得到的最終結(jié)果傳輸給用戶終端。其他通信技術與5G通信技術在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)下的性能參數(shù)對比如表1所示[5]。

表1 不同通信協(xié)議的性能參數(shù)對比

4 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的設計與研究

4.1 傳統(tǒng)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)設計與研究

電網(wǎng)系統(tǒng)從變電站到客戶端，涉及的感知區(qū)域范圍在不斷變小，而設備存儲量在不斷變大，以滿足電力物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的逐級控制要求。為滿足泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設要求，在智能物聯(lián)體系上需要不斷強化邊緣與終端的連接互動功能，以確保區(qū)域自治等場景下的應用。

近年來，電力企業(yè)在技術應用上不斷改進與調(diào)整，建設了一種單一性的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡整體框架。與其他物聯(lián)網(wǎng)類似，它主要是由感知層、網(wǎng)絡層、平臺層以及應用層4部分構(gòu)成，如圖1所示[6]。

圖1 傳統(tǒng)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)設計框架

傳統(tǒng)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中，感知層主要是對智能化的終端標準做統(tǒng)一接入，將接入后采集的大量數(shù)據(jù)源信息利用網(wǎng)絡層多協(xié)議自組網(wǎng)絡傳輸?shù)絻?nèi)部專網(wǎng)，然后和互聯(lián)外網(wǎng)結(jié)合，將信息上傳至國家電網(wǎng)構(gòu)建的平臺層。通常國家電網(wǎng)構(gòu)建的平臺層屬于一體化國網(wǎng)云平臺，會全面分析、整合、存儲上傳來的數(shù)據(jù)信息，再將整合后的數(shù)據(jù)傳送到最后的應用層，通過應用層實現(xiàn)用戶定向服務和遠程監(jiān)控?？梢钥闯?，在整個框架運轉(zhuǎn)過程中，平臺層是整個物聯(lián)網(wǎng)在運行階段的核心。平臺層和網(wǎng)絡層利用發(fā)送的數(shù)據(jù)信息有效控制電力終端[7]。

4.2 新型泛在電力物聯(lián)網(wǎng)設計與研究

現(xiàn)階段，在我國電力建設上，電力物聯(lián)網(wǎng)的應用已經(jīng)能解決一些傳統(tǒng)電力在測量階段遇到的問題，但在整體網(wǎng)絡框架方面仍然存在弊端。一方面，一體化國網(wǎng)云平臺在上傳數(shù)據(jù)的分析整合過程中形式過于單一，且因為技術限制無法滿足用戶日益增長的電力需求，也無法實現(xiàn)電力系統(tǒng)的自動化和智能化控制。另一方面，在整體框架采用多種通信協(xié)議結(jié)合的基礎上，才能完成各層間的數(shù)據(jù)分析與傳輸，且不同地區(qū)采用的通信技術方式也會出現(xiàn)偏差，造成通信協(xié)議不兼容、信號錯誤以及信號差等問題。

在新型電力物聯(lián)網(wǎng)技術研發(fā)應用中，應將其與5G通信技術有機結(jié)合，以其他通信協(xié)議為輔助，構(gòu)建能滿足用戶、電力企業(yè)等多機構(gòu)需求的整體電力物聯(lián)網(wǎng)框架，從發(fā)電、變電、輸電以及配電4個方面的應用出發(fā)，展開對新型泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的設計與研究[8]。

發(fā)電環(huán)節(jié)的應用。新型泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)電環(huán)節(jié)，主要涉及太陽能光伏發(fā)電、風力發(fā)電、核能發(fā)電以及火力發(fā)電等方面。將5G通信技術與物聯(lián)網(wǎng)技術相結(jié)合，可提高風力發(fā)電的智能化水平，從而不斷提高發(fā)電效率。

變電環(huán)節(jié)的應用。變電環(huán)節(jié)主要是對如電流、電壓等指標作出調(diào)控，以滿足工業(yè)生產(chǎn)、居民生活對電力的需求。在5G通信環(huán)境下，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術，能實現(xiàn)變電環(huán)節(jié)網(wǎng)絡的高精準性，再利用遙感監(jiān)測技術對變電站進行動態(tài)實時數(shù)據(jù)監(jiān)測、收集、傳輸以及分析等，從而為運維人員提供檢測技術服務，確保電力系統(tǒng)運行的安全性。

輸電環(huán)節(jié)的應用。電力系統(tǒng)輸電環(huán)節(jié)主要是利用物聯(lián)網(wǎng)技術中的感知層，對相關電路安裝傳感器，結(jié)合網(wǎng)絡終端對電力系統(tǒng)線路實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)輸送與監(jiān)控。傳感器具有的高敏感性和高靈活性，在線路發(fā)生故障時第一時間進行診斷并發(fā)出預警，再通過智能設備將故障信息上傳共享，使得電力人員在監(jiān)控室就能實現(xiàn)對電力系統(tǒng)的控制。

配電環(huán)節(jié)的應用。配電環(huán)節(jié)主要是連接用戶所需的電網(wǎng)流程部分。物聯(lián)網(wǎng)與用戶連接過程中，需使配電網(wǎng)處于最佳的應用環(huán)境。物聯(lián)網(wǎng)在配電環(huán)節(jié)的應用能實現(xiàn)電力傳輸階段對用戶用電功率需求的精準分析，以便結(jié)合用戶用電需求和實際用電情況對電力傳輸作出精準調(diào)控，實現(xiàn)電力資源合理調(diào)配，降低電力能源損耗，避免浪費[9]。

5 5G通信與泛在電力物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合的應用展望

5.1 雙網(wǎng)聯(lián)合優(yōu)化

現(xiàn)階段5G通信技術與泛在電力物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合形成的低功耗優(yōu)勢還不夠明顯，但隨著未來通信量的不斷增加，低耗能優(yōu)勢會不斷凸顯。5G通信技術與泛在電力物聯(lián)網(wǎng)上主要起到相互協(xié)調(diào)、供需以及互動等作用，從而實現(xiàn)2者結(jié)合后的優(yōu)化。但是，5G通信技術需要高電力保障，在電力系統(tǒng)覆蓋較弱地區(qū)、通信需求量較高地區(qū)進行雙網(wǎng)優(yōu)化。在具體實踐中需要與地區(qū)實際情況相結(jié)合，以制定科學合理的發(fā)展策略。

5.2 雙網(wǎng)安全隱私性

隨著5G通信技術應用的快速發(fā)展，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)運行過程中實現(xiàn)了物與物之間的信息數(shù)據(jù)傳遞與共享，但這種信息數(shù)據(jù)的傳遞存在隱私暴露隱患，因此在未來技術研發(fā)階段要重視安全隱私問題。在電力系統(tǒng)中存儲電網(wǎng)安全數(shù)據(jù)信息，并在保障安全數(shù)據(jù)信息時依據(jù)等級進行詳細劃分，設置多層權(quán)限，確保在安全環(huán)境中實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳遞與共享，提供5G通信與電力網(wǎng)絡雙重信息的安全隱私保障。

5.3 多元化商業(yè)模式

5G通信技術在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)應用結(jié)合階段，為電力領域與電力企業(yè)帶來了新機遇。因此，可以利用新型運營模式實現(xiàn)電力系統(tǒng)商業(yè)操作的多元化模式。例如，5G通信技術支持端與端的相互信息傳遞，為P2P能源交易提供技術支持[10]。

6 結(jié) 論

5G通信技術為泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的設計與研究帶來了更多機遇，實現(xiàn)了高速度、高容量、低成本、高可靠性、廣覆蓋以及低延時等。將5G通信技術特點應用于電力物聯(lián)網(wǎng)不同場景構(gòu)建階段，可改善當前的電力運用模式，為用戶更好地提供服務，為電力企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎。