5G移動(dòng)通信技術(shù)在新一代電力通信支撐網(wǎng)中的應(yīng)用分析

崔穎強(qiáng)，王 拓

（1.中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210009；2.中國(guó)通信建設(shè)第二工程局有限公司，陜西 西安 710119）

0 引 言

新一代電力通信支撐網(wǎng)作為建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)支撐，在電力系統(tǒng)發(fā)電、輸電、變電、配電、用電以及調(diào)度業(yè)務(wù)中發(fā)揮著舉足輕重的作用。以低時(shí)延高可靠、大帶寬高流量、低功耗大連接著稱的5G移動(dòng)通信技術(shù)，在電力通信支撐網(wǎng)中可組建5G虛擬專網(wǎng)，以承載對(duì)時(shí)延、安全、連接和可靠性要求高的變配電自動(dòng)化、精準(zhǔn)負(fù)荷控制等電網(wǎng)控制類業(yè)務(wù)。通過以業(yè)務(wù)性能、可靠性和建設(shè)成本較為均衡為特性的4G移動(dòng)通信技術(shù)，在電力通信支撐網(wǎng)中可組建4G無線專網(wǎng)，以承載用電信息智能采集、輸變電巡檢監(jiān)測(cè)等信息管理類業(yè)務(wù)。以大連接、廣覆蓋、低功耗、低成本以及低流量為特性的窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）可作為5G輕量化終端技術(shù)成熟前對(duì)智能電表等低功耗廣覆蓋物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景的有效補(bǔ)充。

1 5G主要關(guān)鍵技術(shù)

5G具有高速率、低時(shí)延、大容量、高可靠以及海量連接等特點(diǎn)，相較于4G和NB-IoT，在各項(xiàng)關(guān)鍵性能指標(biāo)上更為強(qiáng)大。

5G作為目前最新一代的蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)，其技術(shù)革新程度是任何一代移動(dòng)通信技術(shù)都無法比擬的。網(wǎng)絡(luò)層面，其關(guān)鍵技術(shù)主要包括軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Functions Virtualization，NFV）、網(wǎng)絡(luò)切片、移動(dòng)邊緣計(jì)算等；無線層面，包括全雙工、大規(guī)模天線技術(shù)、新的編碼技術(shù)、新的多址接入技術(shù)等。

1.1 5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)

5G網(wǎng)絡(luò)切片是指基于SDN技術(shù)和NFV技術(shù)，在通用的物理硬件平臺(tái)上構(gòu)建多個(gè)定制化、虛擬化、專用化且相互隔離的邏輯網(wǎng)絡(luò)，通過不同的邏輯網(wǎng)絡(luò)滿足不同的業(yè)務(wù)需求［1,2］。

隨著SDN技術(shù)和NFV技術(shù)的逐步成熟，5G網(wǎng)絡(luò)切片可為各行各業(yè)提供靈活、高效、可定制的虛擬專用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)業(yè)務(wù)形態(tài)的不同，網(wǎng)絡(luò)切片選取原則為：低時(shí)延高可靠業(yè)務(wù)使用超可靠低時(shí)延通信（ultra Reliable Low Latency Communication，uRLLC）切片；大帶寬高流量業(yè)務(wù)使用增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（enhance Mobile Broadband，eMBB）切片；低功耗大連接業(yè)務(wù)使用大規(guī)模機(jī)器通信（massive Machine Type Communication，mMTC）切片。

1.2 大規(guī)模天線技術(shù)

5G大規(guī)模天線技術(shù)是在4G多輸入多輸出（Multi Input Multi Output，MIMO）空間分集技術(shù)和4G智能天線波束賦型技術(shù)基礎(chǔ)上，經(jīng)過技術(shù)演進(jìn)，大幅度提升系統(tǒng)性能。

隨著5G頻率增加，天線尺寸進(jìn)一步縮小，天線數(shù)量進(jìn)一步增加。5G大規(guī)模天線技術(shù)通過對(duì)多個(gè)天線單元進(jìn)行調(diào)節(jié)，產(chǎn)生具有指向性的波束，實(shí)現(xiàn)波束賦型。波束賦性使基站側(cè)電磁波能量進(jìn)一步集中，增加基站覆蓋距離，降低干擾，有效提升小區(qū)容量，在終端側(cè)使接收信號(hào)疊加，提高接收信號(hào)強(qiáng)度，降低終端功耗。

2 5G主要應(yīng)用場(chǎng)景

電力生產(chǎn)包括發(fā)電、輸電、變電、配電以及用電5個(gè)環(huán)節(jié)。目前，在發(fā)電環(huán)節(jié)主要以5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的形式出現(xiàn)，在電力通信支撐網(wǎng)中的應(yīng)用主要面向輸電、變電、配電以及用電4個(gè)環(huán)節(jié)展開，應(yīng)用場(chǎng)景主要涵蓋了實(shí)時(shí)控制類業(yè)務(wù)和采集監(jiān)控類業(yè)務(wù)，包括配電自動(dòng)化（三遙）、配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)、分布式能源控制、精準(zhǔn)負(fù)荷控制、輸變電智能巡檢、高清視頻監(jiān)控以及低壓用電信息采集等［3］。

基于5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，可通過在公共物理網(wǎng)絡(luò)上開辟出多個(gè)相互之間物理隔離或邏輯隔離的虛擬專用網(wǎng)絡(luò)，面向電力行業(yè)各類業(yè)務(wù)需求，提供定制化的網(wǎng)絡(luò)功能。通過對(duì)不同業(yè)務(wù)形態(tài)的多種網(wǎng)絡(luò)切片組合，形成行業(yè)特色鮮明的5G虛擬專網(wǎng)。

3 5G部分應(yīng)用分析

根據(jù)5G低時(shí)延高可靠、大帶寬高流量、低功耗大連接的3大網(wǎng)絡(luò)特性，將不同類型的電力業(yè)務(wù)進(jìn)行劃分。本文主要介紹要求低時(shí)延、高可靠的5G+配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)以及大帶寬高流量和低功耗大連接的5G+電力電纜隧道（管廊）智能巡檢業(yè)務(wù)。

3.1 5G+配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)

3.1.1 配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)概述

以線路差動(dòng)保護(hù)為例，正常運(yùn)行時(shí)線路兩端的電流流入和流出相等，差動(dòng)電流等于零；當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，兩端的電流流入和流出不相等，差動(dòng)電流大于整定值時(shí)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，使線路兩側(cè)斷路器跳開，從而切斷電源［4,5］。

近年來，分布式光伏發(fā)電規(guī)模日益擴(kuò)大，此類分布式電源接入電網(wǎng)越來越多，對(duì)配電網(wǎng)的供電經(jīng)濟(jì)性以及節(jié)點(diǎn)電壓、潮流、短路電流、供電安全性、可靠性等帶來諸多影響。分布式電源產(chǎn)生的故障電流會(huì)減小甚至抵消流過繼電保護(hù)器的電流，引起原有繼電保護(hù)裝置靈敏度降低，差動(dòng)保護(hù)裝置拒操作或誤操作，進(jìn)而使電網(wǎng)故障率增加，導(dǎo)致生產(chǎn)事故逐步增多。由于配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)技術(shù)對(duì)電流采樣的時(shí)間同步精度要求較高，傳統(tǒng)的電力載波通信、微波通信等技術(shù)無法滿足，在5G技術(shù)逐步成熟并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)大面積部署之前，配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)主要依靠光纖網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)電流、電壓等信息的交互傳遞，但是光纖通道建設(shè)存在周期長(zhǎng)、成本高、難度大、通道利用率低等缺點(diǎn)，影響了差動(dòng)保護(hù)在配電網(wǎng)的推廣和應(yīng)用［6,7］。

3.1.2 配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)通信需求

差動(dòng)保護(hù)技術(shù)因其要求相互關(guān)聯(lián)的2個(gè)配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)終端必須保證時(shí)間同步，所以時(shí)間同步精度小于10 μs。為實(shí)現(xiàn)故障的快速檢測(cè)和隔離，交互信息的傳輸時(shí)延不超過15 ms，帶寬大于2 Mb/s，并要求采取端到端的安全隔離措施。

3.1.2 5G+配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)

5G技術(shù)通過網(wǎng)絡(luò)切片和移動(dòng)邊緣計(jì)算技術(shù)，提供低延時(shí)高可靠的虛擬切片網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，并通過用戶面功能（User Plane Function，UPF）下沉構(gòu)建邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，對(duì)接收到的業(yè)務(wù)信息就地處理，有效降低傳輸時(shí)延，可完全滿足配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)低時(shí)延高可靠要求，能夠根據(jù)配電網(wǎng)拓?fù)渥兓瘎?dòng)態(tài)調(diào)整差動(dòng)保護(hù)配置，為配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)提供了新的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式。另外，我國(guó)5G網(wǎng)絡(luò)采用基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)授時(shí)的高精度同步技術(shù)，其穩(wěn)定的空口百納秒級(jí)超高時(shí)間同步精度已經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間驗(yàn)證，完全滿足配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)的時(shí)間同步精度要求。

配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)屬于生產(chǎn)控制大區(qū)（安全Ⅰ區(qū)）類業(yè)務(wù)，其安全隔離要求極高。根據(jù)配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)低時(shí)延高可靠性的業(yè)務(wù)特征，為其配置uRLLC電力專用切片，無線網(wǎng)配置資源塊（Resource Block，RB）無線空口資源預(yù)留+低時(shí)延服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS），承載網(wǎng)配置FlexE接口+VPN隔離，核心網(wǎng)UPF網(wǎng)元資源在邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)專建專享，實(shí)現(xiàn)端到端的安全硬隔離。

3.2 5G+電力電纜隧道（管廊）智能巡檢

3.2.1 電力電纜隧道（管廊）智能巡檢現(xiàn)狀

隨著電力電纜隧道（管廊）精益化管理和智能化監(jiān)測(cè)的持續(xù)深化應(yīng)用，智能傳感設(shè)備及其監(jiān)控系統(tǒng)為電力運(yùn)維人員提供了更便捷的智能化運(yùn)維手段，通過前端智能感知、后端智能分析處理，配合人工智能（Artificial Intelligence，AI）機(jī)器人巡檢等新型運(yùn)維業(yè)務(wù)的應(yīng)用，可極大促進(jìn)監(jiān)控、作業(yè)、安防向智能化、可視化、高清化升級(jí)，大幅提升電力電纜隧道（管廊）的巡檢效率，有效支撐建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的迫切需求。然而監(jiān)測(cè)設(shè)備類型及其配套系統(tǒng)日益繁多，給系統(tǒng)數(shù)據(jù)的高效獲取和分析帶來了新的難題，多通信鏈路、多監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、多硬件服務(wù)、動(dòng)態(tài)預(yù)警感知不足以及智能化故障分析處理手段不足等問題突出，不滿足智慧運(yùn)維技術(shù)發(fā)展對(duì)電力電纜隧道（管廊）無人化巡檢的需要［8,9］。

3.2.1 5G+電力電纜隧道（管廊）智能巡檢技術(shù)實(shí)現(xiàn)

基于5G技術(shù)的電力電纜隧道（管廊）智能巡檢業(yè)務(wù)，通過在電力電纜隧道（管廊）內(nèi)建設(shè)5G通信小基站，使用泄漏電纜或者中繼放大器實(shí)現(xiàn)全線隧道（管廊）的5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋，為巡檢業(yè)務(wù)搭建基站獨(dú)享+UPF下沉的eMBB切片虛擬網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)電纜隧道（管廊）智能傳感設(shè)備的大帶寬和廣連接場(chǎng)景應(yīng)用。

5G技術(shù)的電力電纜隧道（管廊）智能巡檢業(yè)務(wù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式有以下2種。

（1）移動(dòng)式AI機(jī)器人巡檢。因部分電力電纜隧道（管廊）存在空間狹小、線路密集、空氣流通速度慢、敷設(shè)環(huán)境濕度大等問題，所以人工巡檢的效率和準(zhǔn)確度低，巡檢臺(tái)賬的完善性不高，且后期監(jiān)盤查詢數(shù)據(jù)耗時(shí)耗力。而移動(dòng)AI機(jī)器人可執(zhí)行虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）全景掃描、紅外裝置探測(cè)、溫度異常判斷等多任務(wù)，并可通過高清攝像頭實(shí)時(shí)3D建模探測(cè)高危環(huán)境下的隧道沉降情況、檢測(cè)隧道內(nèi)有毒有害氣體等，但因其體積較大、重量較重、靈活性較差的缺點(diǎn)，在特殊性與復(fù)雜性并存的巡線任務(wù)中適用性不高，需要結(jié)合在線傳感監(jiān)測(cè)手段，從而完善巡檢作業(yè)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)系統(tǒng)的信息共享［10］。

（2）在線式傳感監(jiān)測(cè)。在線式傳感監(jiān)測(cè)分為環(huán)控類監(jiān)測(cè)（含氣體、溫濕度、水位、煙感等）和電纜類監(jiān)測(cè)（含局放、環(huán)流、測(cè)溫等），通過高清攝像頭、氣體監(jiān)測(cè)、煙霧感應(yīng)和水位探測(cè)裝置等前端智能感應(yīng)裝置以及終端紅外測(cè)溫、接地電流在線監(jiān)測(cè)裝設(shè)備，實(shí)時(shí)獲取環(huán)境數(shù)據(jù)和電纜工作狀態(tài)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)經(jīng)過安裝5G CPE的集控式終端上傳后端分析處理設(shè)備，使運(yùn)維人員更加方便直觀的掌握現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的動(dòng)態(tài)變化情況，為電力電纜隧道（管廊）的安全高效運(yùn)行提供全方位、智能化的保護(hù)。

4 結(jié) 論

本文以5G技術(shù)特性為引，介紹了5G在新一代電力通信支撐網(wǎng)中的主要應(yīng)用場(chǎng)景，并結(jié)合uRLLC和eMBB切片場(chǎng)景分析了其在新一代電力通信支撐網(wǎng)中配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)和5G+電力電纜隧道（管廊）智能巡檢中的應(yīng)用。建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)離不開通信技術(shù)的高速發(fā)展，目前5G R17版本已經(jīng)凍結(jié)，引入Red Cap輕量化終端、天地一體新網(wǎng)絡(luò)等新技術(shù)、新特性將更高效提升5G在定位精度、時(shí)延、帶寬以及覆蓋等方面的性能，后期將有更多的智能電網(wǎng)業(yè)務(wù)可通過5G網(wǎng)絡(luò)來承載實(shí)現(xiàn)。