5G賦能電力系統(tǒng)的應(yīng)用研究

劉曉江

摘要：隨著5G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的成熟，其在各行各業(yè)的應(yīng)用不斷深入。通過電力系統(tǒng)對通信網(wǎng)絡(luò)需求的分析描述了5G技術(shù)的適用性，5G電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計分析明確了5G架構(gòu)面向行業(yè)而生的天然性。對5G電力系統(tǒng)關(guān)鍵業(yè)務(wù)應(yīng)用場景進(jìn)行了深入研究，論證了5G技術(shù)能夠有效推動電力行業(yè)痛點問題解決的必然性。為了進(jìn)一步提升電力系統(tǒng)的數(shù)字化和智能化，應(yīng)積極研究和推進(jìn)5G技術(shù)在電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：5G技術(shù)；電力系統(tǒng)；應(yīng)用場景

中圖分類號：TN929文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1008-1739（2022）22-63-4

0引言

電力行業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)、支柱產(chǎn)業(yè)和戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，發(fā)展電力信息化、智能電網(wǎng)及電力物聯(lián)網(wǎng)等產(chǎn)業(yè)是實現(xiàn)我國能源生產(chǎn)、消費(fèi)、技術(shù)和體制革命的重要手段。隨著通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，電力行業(yè)從之前的大機(jī)組電網(wǎng)互聯(lián)，再到現(xiàn)階段正在蓬勃發(fā)展的電網(wǎng)智能管理，逐步邁向網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的全面自動化和智能化[1-2]。

為促進(jìn)電力行業(yè)的發(fā)展，國家發(fā)改委、能源局等多個部門和多個省市陸續(xù)頒布了多項指導(dǎo)意見和階段規(guī)劃，旨在加快電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施智能化改造和智能微電網(wǎng)建設(shè)，提高電力系統(tǒng)互補(bǔ)互濟(jì)和智能調(diào)節(jié)能力[3-4]。

“十四五”期間我國經(jīng)濟(jì)需要保持平穩(wěn)增長，必須充分釋放以5G技術(shù)為代表的前沿數(shù)字技術(shù)創(chuàng)新對經(jīng)濟(jì)社會高質(zhì)量發(fā)展的基礎(chǔ)和帶動作用[5]。本文重點圍繞5G技術(shù)賦能電力系統(tǒng)及支撐電力系統(tǒng)應(yīng)用升級等方面進(jìn)行研究，通過技術(shù)完善促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級，進(jìn)一步提升電力系統(tǒng)的智能化水平。

1 5G賦能數(shù)字電網(wǎng)

1.1 5G發(fā)展現(xiàn)狀

ITU定義了5G的三大標(biāo)準(zhǔn)場景：增強(qiáng)移動寬帶eMBB、海量機(jī)器類通信mMTC和高可靠低時延通信URLLC。為了進(jìn)一步適應(yīng)行業(yè)的發(fā)展，滿足產(chǎn)業(yè)愿景，業(yè)界開始定義5.5G，旨在提升個人實時交互體驗，增強(qiáng)蜂窩物聯(lián)能力，探索5G場景的增強(qiáng)和擴(kuò)展。因此，5.5G在5G基礎(chǔ)上擴(kuò)展了三大新場景，包括上行超寬帶UCBC、寬帶實時交互RTBC和通信感知融合HCS，把5G場景定義的三角形變成5.5G的六邊形，從支撐萬物互聯(lián)到使能萬物智聯(lián)[6]。

以擴(kuò)展顯示XR為代表的帶寬實時交互的應(yīng)用場景，既支持醫(yī)療、教育、電子商務(wù)、工業(yè)與制造等面向行業(yè)的2B應(yīng)用，也支持包括影視、直播、游戲和社交等面向消費(fèi)者的2C應(yīng)用。XR產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展對網(wǎng)絡(luò)傳輸提出了大帶寬、低時延、低抖動、高可靠和低能耗的要求，包括下行帶寬至少100 Mb/s以上，且上行帶寬相對于4G網(wǎng)絡(luò)也有近10倍提升的訴求，同時要求空口時延不大于10 ms。此外，大帶寬XR業(yè)務(wù)帶來系統(tǒng)容量壓力，視頻編碼和網(wǎng)絡(luò)傳輸帶來時延抖動，小尺寸XR終端的節(jié)能需求以及復(fù)雜的無線環(huán)境帶來空口的高可靠傳輸。

上行超寬帶場景，數(shù)字世界和物理世界的融合傳輸交互將成為現(xiàn)實，移動網(wǎng)絡(luò)需要實現(xiàn)泛在萬兆體驗，助力全行業(yè)的數(shù)字孿生和智能化升級。低頻更適合廣域覆蓋，但是帶寬資源相對匱乏，高頻則帶寬優(yōu)勢明顯且更適合話務(wù)熱點熱區(qū)。6 GHz作為黃金中頻匯集了低頻的覆蓋優(yōu)勢和高頻的容量優(yōu)勢，對于充分釋放5G高速率以及其他各項能力至關(guān)重要。因此，網(wǎng)絡(luò)需要定義更優(yōu)的輔助上行、超大規(guī)模天線技術(shù)以及大規(guī)模分布式M-MIMO等技術(shù)，使得在比特能效和比特成本上具備前所未有的投資效率和價值，為數(shù)字強(qiáng)國建設(shè)注入新動力。

面向通信感知融合場景的通感一體化的研究將基于移動通信網(wǎng)絡(luò)與感知系統(tǒng)一體化設(shè)計展開。5G階段，通過軟硬件共享，利用5G大帶寬、多天線等技術(shù)提高感知分辨率至厘米級，實現(xiàn)對位置、速度和角度等信息探測感知。因此，這種場景需要一張高可靠高精度泛在覆蓋的通感深度融合網(wǎng)絡(luò)，它將定義一個從可靠性、精度、覆蓋和靈活度等更為嚴(yán)苛的通感一體化的網(wǎng)絡(luò)。

5G商用3年，應(yīng)用不斷拓展和深入，目前已經(jīng)進(jìn)入到規(guī)?；l(fā)展的關(guān)鍵時期，正逐步從“樣板間”走向“商品房”，應(yīng)用的發(fā)展離不開技術(shù)的支持，5.5G技術(shù)的定義能夠支撐產(chǎn)業(yè)迸發(fā)出更強(qiáng)大的生命力，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1.2電力發(fā)展現(xiàn)狀

電力發(fā)展歷經(jīng)4個時期，20世紀(jì)前半期第二次工業(yè)革命興起，第一代電網(wǎng)以小機(jī)組、低電壓和小電網(wǎng)為主；到20世紀(jì)后半期，隨著規(guī)模化工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，電網(wǎng)演進(jìn)到第二代，以大機(jī)組、超高電壓和互聯(lián)電網(wǎng)為主，第一代和第二代電力能源結(jié)構(gòu)以煤炭、天然氣等化石能源為主為用戶提供電力服務(wù)。21世紀(jì)初，化石能源逐漸枯竭、環(huán)境污染形勢嚴(yán)峻，電力行業(yè)進(jìn)入以安全、可靠、綠色、高效智能電網(wǎng)時代，電力能源結(jié)構(gòu)逐步向風(fēng)、光、水等可再生能源為主過渡。現(xiàn)階段第四次工業(yè)革命開始，數(shù)字經(jīng)濟(jì)快速崛起，電力行業(yè)走向本地安全、綠色消納、平臺賦能、數(shù)據(jù)驅(qū)動、開放共享、價值創(chuàng)造的數(shù)字電網(wǎng)時代，以數(shù)據(jù)為生產(chǎn)要素，為用戶提供電力增值服務(wù)。

電力行業(yè)主要涉及發(fā)電、輸電、變電、配電和用電五大環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)均存在一系列的問題和挑戰(zhàn)[7-8]。發(fā)電環(huán)節(jié)，隨著我國新能源發(fā)電的快速發(fā)展，可再生大量并網(wǎng)將給運(yùn)行和管理帶來挑戰(zhàn)。輸電環(huán)節(jié)，輸電網(wǎng)覆蓋面積大，既有城市的地下電纜又有高壓線路，傳統(tǒng)以人工巡檢為主的作業(yè)效率低下且存在網(wǎng)絡(luò)故障監(jiān)測困難的問題。變電環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的電力生產(chǎn)控制業(yè)務(wù)已基于光纖實現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行，但隨著物聯(lián)網(wǎng)及智能變站的業(yè)務(wù)發(fā)展，大帶寬、高可靠的無線通信解決方案亟待加強(qiáng)。配電環(huán)節(jié)，配電主網(wǎng)已經(jīng)實現(xiàn)光纖覆蓋，但是電網(wǎng)末端仍出現(xiàn)不可管控狀態(tài)，端側(cè)設(shè)備眾多造成光纖覆蓋成本高、維護(hù)難等系列問題。用電環(huán)節(jié)，隨著大規(guī)模配電網(wǎng)自動化的發(fā)展，各類電網(wǎng)端側(cè)設(shè)備需求飛速增長，傳統(tǒng)的光纖專網(wǎng)方案建設(shè)成本高、周期長，不能及時響應(yīng)快速靈活的接入需求。

1.3 5G賦能電力

電力對網(wǎng)絡(luò)性能的需求多種多樣，整體分為生產(chǎn)控制類和信息采集二大類[9]，對通信網(wǎng)絡(luò)的需求如表1所示。

5G技術(shù)以其特有的高帶寬、低時延、高可靠等優(yōu)勢可以為新型電力系統(tǒng)帶來更靈活經(jīng)濟(jì)、更安全可靠和低時延確定性的網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)，通過解決電力業(yè)務(wù)系統(tǒng)五大環(huán)節(jié)中的問題及痛點，極大地提升電網(wǎng)的運(yùn)行效率。5G在電力行業(yè)各個環(huán)節(jié)的應(yīng)用示意如圖1所示。

在發(fā)電環(huán)節(jié)，5G可提供集群調(diào)度、移動巡檢、新能源電站監(jiān)控和發(fā)電廠監(jiān)控等服務(wù)，實現(xiàn)廠區(qū)無人化巡檢、機(jī)器視覺視頻安防等應(yīng)用；在輸電環(huán)節(jié)，5G可提供視頻監(jiān)控、移動巡檢、輸電線狀態(tài)監(jiān)測和無人機(jī)巡檢等服務(wù)，實現(xiàn)精細(xì)化、大范圍的全天候巡檢；在變電環(huán)節(jié)，5G可提供視頻監(jiān)控、變電站環(huán)境監(jiān)測、變電設(shè)備監(jiān)測和機(jī)器人巡檢等服務(wù)，及時發(fā)現(xiàn)、排除設(shè)備故障；在配電環(huán)節(jié)，5G可提供配電自動化、配網(wǎng)搶修、配變機(jī)器人巡檢和配電設(shè)備環(huán)境監(jiān)測等服務(wù)，實現(xiàn)配網(wǎng)差動保護(hù)，保障配電作業(yè)安全；在用電環(huán)節(jié)，5G可提供用電信息采集/負(fù)控、智能家居、源網(wǎng)荷互動控制和電動汽車充電樁等服務(wù)，實現(xiàn)電能質(zhì)量高頻監(jiān)測的規(guī)模部署，促進(jìn)優(yōu)化用電。5G技術(shù)通過提供可靠的通信網(wǎng)絡(luò)支撐電力行業(yè)的各個環(huán)節(jié)應(yīng)用，為電力行業(yè)深度賦能。

2 5G電力網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

面向電力系統(tǒng)應(yīng)用的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要包括3種：公網(wǎng)切片、混合組網(wǎng)和專網(wǎng)專用[10]。

2.1公網(wǎng)切片

公網(wǎng)切片基于公網(wǎng)提供服務(wù)，利用端到端QoS或切片技術(shù)，為電力用戶提供一張時延和帶寬有保障的、與公眾網(wǎng)絡(luò)普通用戶數(shù)據(jù)隔離的虛擬專有網(wǎng)絡(luò)。其中，核心網(wǎng)控制面、用戶面和基站均由移動運(yùn)營商提供。

該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的優(yōu)勢是降低電力用戶的建網(wǎng)和運(yùn)維成本，確定網(wǎng)絡(luò)需求后可按需配置、方便快捷，但是由于通信網(wǎng)絡(luò)對電力用戶不可控，存在無法獨立運(yùn)營數(shù)據(jù)、安全性不夠的風(fēng)險。

2.2混合組網(wǎng)

混合組網(wǎng)是復(fù)用部分公網(wǎng)資源，并根據(jù)電力行業(yè)特殊的訴求將部分網(wǎng)絡(luò)資源歸電力用戶獨享。以5G數(shù)據(jù)分流技術(shù)為基礎(chǔ)，通過無線和控制網(wǎng)元的靈活定制，為電力用戶構(gòu)建一張增強(qiáng)帶寬、低時延、數(shù)據(jù)不出園的基礎(chǔ)連接網(wǎng)絡(luò)。其中，核心網(wǎng)控制面和用戶面由移動運(yùn)營商提供，基站由電力客戶自建。

該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的優(yōu)勢是能夠?qū)崿F(xiàn)電力用戶數(shù)據(jù)不出廠，保證數(shù)據(jù)的安全性，但是由于基站非獨立運(yùn)營，也存在無法滿足電力業(yè)務(wù)動態(tài)需求的問題。

2.3專網(wǎng)專用

專網(wǎng)專用是采用專用頻率為電力行業(yè)建立與公網(wǎng)完全物理隔離的行業(yè)專網(wǎng)，利用5G組網(wǎng)、切片和邊緣計算等技術(shù)，采用專有無線設(shè)備和核心網(wǎng)一體化設(shè)備，為電力用戶構(gòu)建一張增強(qiáng)帶寬、低時延、物理封閉的基礎(chǔ)連接網(wǎng)絡(luò)。其中，核心網(wǎng)控制面、用戶面和基站均由電力客戶自建。

該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的優(yōu)勢是自主運(yùn)營，獨立、安全、可控，所有業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)均由客戶自己監(jiān)管，但是由于所有設(shè)備均由客戶自建運(yùn)營，成本偏高。而且目前5G沒有行業(yè)專用頻段，獨立建網(wǎng)需要與移動運(yùn)營商達(dá)成一致。

綜上所述，3種電力行業(yè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案面向的應(yīng)用場景有所差異，在實際部署時需要根據(jù)當(dāng)前業(yè)務(wù)所處的環(huán)節(jié)和作業(yè)任務(wù)具體分析。

3 5G電力應(yīng)用研究

3.1 5G+無人機(jī)智能巡檢

傳統(tǒng)的電力輸電線路巡檢為人工方式，需要專門配備電力人員定期到現(xiàn)場查勘線路和設(shè)備運(yùn)行情況，然而傳統(tǒng)巡檢方式一是部分施工地點危險性高、巡檢難度大，二是人工作業(yè)存在效率低、不確定性等問題。為改善一線作業(yè)人員的工作環(huán)境，降低作業(yè)風(fēng)險，同時提升巡檢效率，重點研究5G+無人機(jī)在輸電沿線巡檢中的應(yīng)用。

5G+無人機(jī)智能巡檢場景示意如圖2所示，利用無線自組網(wǎng)和現(xiàn)有5G網(wǎng)絡(luò)的有機(jī)融合，可實現(xiàn)輸電沿線桿塔的無線信號覆蓋，保證無人機(jī)的飛行控制和重點區(qū)域視頻監(jiān)控的回傳。無人機(jī)巡線的記錄數(shù)據(jù)首先經(jīng)由5G行業(yè)網(wǎng)關(guān)，然后利用5G網(wǎng)絡(luò)實時回傳到數(shù)據(jù)中心。通過無人機(jī)短距離線路詳檢、長距離線路普查和惡劣自然環(huán)境下的線路巡檢等形式，可有效識別引流線/導(dǎo)線有無斷股、桿塔有無損壞變形、絕緣子有無破損閃絡(luò)、防震錘有無變形、耐張線夾有無松脫以及地面環(huán)境有無異常等內(nèi)容。

3.2 5G+配網(wǎng)自動化接入

配電網(wǎng)自動化是對配電網(wǎng)中的各類設(shè)備的運(yùn)行工況進(jìn)行實時監(jiān)測、監(jiān)控的集成系統(tǒng)，將配電網(wǎng)的檢測計量、故障探測定位、自動控制、規(guī)劃和數(shù)據(jù)統(tǒng)計管理集為一體。為解決早期配網(wǎng)環(huán)節(jié)中多依賴簡單的過流、過壓邏輯，無法實現(xiàn)分段隔離和缺少快速數(shù)據(jù)回傳手段的問題，重點研究5G在配網(wǎng)自動化過程中的應(yīng)用。

5G+配網(wǎng)自動化接入場景示意如圖3所示，配電自動化業(yè)務(wù)終端與5G行業(yè)網(wǎng)關(guān)相連，基于5G網(wǎng)絡(luò)將采集到的配網(wǎng)電流向量數(shù)據(jù)實時回傳到中心系統(tǒng)，供配電自動化主站快速決策，實時完成在線監(jiān)測、診斷、故障隔離和供電恢復(fù)等作業(yè)，進(jìn)一步減小停電范圍和停電時間。5G網(wǎng)絡(luò)通過提供穩(wěn)定快速和低時延傳輸?shù)耐ㄐ拍芰Γ闻渚W(wǎng)環(huán)節(jié)實現(xiàn)及時有效的實時監(jiān)測。