基于5G的智能配電網(wǎng)業(yè)務(wù)場(chǎng)景應(yīng)用分析

李娜，楊振億，曾杰，鐘可悅，彭紫薇，伍翔

(國網(wǎng)湖南省電力有限公司婁底供電分公司，湖南婁底 417000)

0 引言

能源互聯(lián)網(wǎng)(Energy Internet，EI)的建設(shè)為提高電力系統(tǒng)運(yùn)行水平和電網(wǎng)資產(chǎn)運(yùn)營(yíng)效率開辟了一條新路[1]。

隨著新能源的高比例接入、電力電子裝置的大量投入，電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和形態(tài)不斷發(fā)生變化，電網(wǎng)安全運(yùn)行受到嚴(yán)重挑戰(zhàn)。同時(shí)，受到電力市場(chǎng)開放、降低輸配電價(jià)和電量增長(zhǎng)減速等因素驅(qū)動(dòng)，電網(wǎng)業(yè)務(wù)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，對(duì)現(xiàn)有電網(wǎng)帶來了巨大挑戰(zhàn)，因此建設(shè)能源互聯(lián)網(wǎng)迫在眉睫[2-5]。配電網(wǎng)承擔(dān)著連接輸電與用戶的重要作用，其承裁的功能也在逐漸發(fā)生改變。特別是高比例分布式可再生能源的集群效應(yīng)、電動(dòng)汽車的廣泛推廣、用戶側(cè)要求的不斷增加和多樣化，配電網(wǎng)已不再只是單向電能的提供者，而是正在向更加高級(jí)的角色轉(zhuǎn)變。

能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)下的配電網(wǎng)，其全面感知能力將得到很大的改善，并且能夠消納分布式可再生能源，提高電網(wǎng)應(yīng)對(duì)負(fù)荷波動(dòng)能力，滿足用戶多樣性用能需求，促進(jìn)電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)部門向樞紐型、平臺(tái)型、共享型企業(yè)轉(zhuǎn)型。第五代移動(dòng)通信(以下簡(jiǎn)稱5G)作為一種新興技術(shù)，以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，給智能配電網(wǎng)建設(shè)提供了一條新的途徑。5G通信具有高速率、高容量、高可靠性、低時(shí)延與低能耗這“三高兩低”的特點(diǎn)[6]，而對(duì)于能源互聯(lián)網(wǎng)而言，海量的數(shù)據(jù)傳輸，萬物互聯(lián)、電力系統(tǒng)可靠性、靈活響應(yīng)以及電池壽命保障等方面有著很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此能夠利用5G對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行融合發(fā)展[7-8]。

5G技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)得到了廣泛的關(guān)注，且在電力系統(tǒng)領(lǐng)域得到一定的應(yīng)用，主要可以分為:

1)5G通信技術(shù)在能源互聯(lián)網(wǎng)的初步應(yīng)用研究。文獻(xiàn)[6]深入探討5G與能源互聯(lián)網(wǎng)的深度結(jié)合，同時(shí)分析了5G通信在能源互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用場(chǎng)景，總結(jié)了5G支持能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。文獻(xiàn)[7]闡述了5G在未來電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，并根據(jù)5G通信的高帶寬、高容量以及低時(shí)延的特點(diǎn)，對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)中的可能應(yīng)用場(chǎng)景展開了探討。文獻(xiàn)[8]揭示了5G在智能電網(wǎng)中的初步應(yīng)用研究，并對(duì)其技術(shù)的合理性、優(yōu)勢(shì)等進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[9]中，闡述了利用“比特”驅(qū)動(dòng)“瓦特”，對(duì)電網(wǎng)中的重要通信業(yè)務(wù)場(chǎng)景進(jìn)行了分析，總結(jié)了不同場(chǎng)景下5G利用的業(yè)務(wù)特征以及技術(shù)指標(biāo)。文獻(xiàn)[10]闡述了5G在物聯(lián)網(wǎng)中的動(dòng)力作用和挑戰(zhàn)。

2)5G通信技術(shù)在智能配電網(wǎng)的具體應(yīng)用場(chǎng)景分析。文獻(xiàn)[11]對(duì)一種利用5G技術(shù)的配電網(wǎng)自適應(yīng)差動(dòng)保護(hù)進(jìn)行了技術(shù)探討，利用插值同步法，實(shí)現(xiàn)故障的定位與隔離。文獻(xiàn)[12]對(duì)于現(xiàn)在配電網(wǎng)所用的接入網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)給出了其傳輸系統(tǒng)的各種通信技術(shù)應(yīng)用前景，對(duì)以后配用電通信接入網(wǎng)傳輸系統(tǒng)的方向給出了建議。文獻(xiàn)[13]揭示了5G時(shí)代物聯(lián)網(wǎng)能夠?qū)⑴潆娋€路出現(xiàn)的故障即時(shí)傳送到監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提高電能利用率，評(píng)估配電風(fēng)險(xiǎn)等。文獻(xiàn)[14]利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及無線傳感器，在線路每基桿塔安裝傳感器，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，使故障定位更加準(zhǔn)確，并且適用于偏遠(yuǎn)地區(qū)以及環(huán)境惡劣地區(qū)，有著更高的性價(jià)比。文獻(xiàn)[15-16]在實(shí)物資產(chǎn)管理中使用無線射頻技術(shù) (Radio Frequency Identification，RFID)，提高管理效率。

本文從能源互聯(lián)網(wǎng)的基本概念、總體框架出發(fā)，結(jié)合5G通信技術(shù)特點(diǎn)，重點(diǎn)分析配電網(wǎng)中的典型廣域開放業(yè)務(wù)場(chǎng)景?；谂潆娮詣?dòng)化、配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)以及精準(zhǔn)負(fù)荷控制三個(gè)業(yè)務(wù)場(chǎng)景，詳細(xì)分析5G技術(shù)在配電網(wǎng)業(yè)務(wù)場(chǎng)景的特點(diǎn)及應(yīng)用需求。同時(shí)對(duì)不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景特點(diǎn)及其關(guān)鍵通信需求進(jìn)行分析總結(jié)，并將現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)與5G網(wǎng)絡(luò)在關(guān)鍵性能上進(jìn)行對(duì)比分析。最后對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)在能源互聯(lián)網(wǎng)中配電網(wǎng)廣域開放業(yè)務(wù)場(chǎng)景進(jìn)行總結(jié)與展望。

1 能源互聯(lián)網(wǎng)下配電網(wǎng)架構(gòu)

1.1 能源互聯(lián)網(wǎng)

萬物互聯(lián)指無論什么時(shí)間、地點(diǎn)、人、物之間信息的互相連接以及交互，而在電力系統(tǒng)的具體表現(xiàn)形式即為能源互聯(lián)網(wǎng)。能源互聯(lián)網(wǎng)不僅在技術(shù)上有所創(chuàng)新，同時(shí)也拓寬了管理理念和思維，對(duì)電力系統(tǒng)內(nèi)而言是質(zhì)效提升，對(duì)電力系統(tǒng)外是融通發(fā)展。

智能配電網(wǎng)將相應(yīng)設(shè)備、供應(yīng)商、電力客戶以及人和物連接起來[17]，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，為電網(wǎng)、發(fā)電廠、電力用戶、供應(yīng)商服務(wù)；以電網(wǎng)為連接點(diǎn)，充分挖掘平臺(tái)和共享作用，為電力行業(yè)以及更多市場(chǎng)主體發(fā)展提供價(jià)值服務(wù)[18]。換言之，就是把5G技術(shù)運(yùn)用起來，在電網(wǎng)的用戶側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、發(fā)電側(cè)以及廠商，利用數(shù)據(jù)信息廣泛交互和充分共享，大幅提高能源生產(chǎn)、消費(fèi)與相應(yīng)裝備制造水平[19-20]。

1.2 能源互聯(lián)網(wǎng)下配電網(wǎng)架構(gòu)

智能配電網(wǎng)主要包括端、邊、管和云4個(gè)部分[21]，具體框架如圖1所示。

圖1 能源互聯(lián)網(wǎng)下配電網(wǎng)框架

“端”主要解決數(shù)據(jù)的采集問題，統(tǒng)一終端標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)不同專業(yè)之間數(shù)據(jù)同源采集，實(shí)現(xiàn)配電側(cè)采集監(jiān)控深度覆蓋?！斑叀迸c“端”更為接近，主要是提供數(shù)據(jù)的邊緣計(jì)算，解決數(shù)據(jù)管理問題，實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模終端統(tǒng)一物聯(lián)管理，深化配電網(wǎng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)中心建設(shè)，提升數(shù)據(jù)高效處理和云霧協(xié)同能力?！肮堋敝饕槍?duì)數(shù)據(jù)的傳輸問題處理，加強(qiáng)電力無線專網(wǎng)和終端通信建設(shè)，增強(qiáng)帶寬，達(dá)到深度全覆蓋，滿足新業(yè)務(wù)發(fā)展需要?！霸啤敝饕鉀Q配電網(wǎng)數(shù)據(jù)的價(jià)值創(chuàng)造問題，全面支撐配電網(wǎng)中核心業(yè)務(wù)智慧化運(yùn)營(yíng)，為能源互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)服務(wù)，提升管理水平和加快業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型。

能源互聯(lián)網(wǎng)匯總配電網(wǎng)業(yè)務(wù)中每個(gè)資源，為項(xiàng)目建設(shè)、定址規(guī)劃、生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)、綜合服務(wù)、新業(yè)務(wù)提出、新模式發(fā)展、企業(yè)環(huán)境保護(hù)構(gòu)建等方面，提供了充足有效的信息和數(shù)據(jù)支撐[22]。堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)兩者相互促進(jìn)、共同進(jìn)步，構(gòu)建了強(qiáng)而有力的價(jià)值創(chuàng)造平臺(tái)，形成了能源流、業(yè)務(wù)流、數(shù)據(jù)流“多流合一”的能源互聯(lián)網(wǎng)。

2 5G使能配電網(wǎng)

隨著科技的迅猛發(fā)展和人們的使用需求多樣化，5G應(yīng)運(yùn)而生。眾所周知，頻率越高，能使用的頻率資源越豐富，可實(shí)現(xiàn)的傳輸速率就越高。5G以其超高傳輸速率(＞10 Gbit/s)、超高連接數(shù)密度(＞10 K終端數(shù))、超低時(shí)延(空口時(shí)延＜1 ms)的優(yōu)點(diǎn)，滿足萬物互聯(lián)的技術(shù)需求[23]。

在能源互聯(lián)網(wǎng)下，5G技術(shù)為配電通信網(wǎng)“最后一公里”無線接入提供了一種更優(yōu)的解決方案。5G網(wǎng)絡(luò)有著高帶寬、低時(shí)延、大規(guī)模連接優(yōu)勢(shì)，承載垂直行業(yè)更多樣化的業(yè)務(wù)需求。特別是網(wǎng)絡(luò)切片、邊緣計(jì)算兩大創(chuàng)新功能的應(yīng)用，改變了傳統(tǒng)業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)方式和作業(yè)模式，為電力行業(yè)用戶打造了定制的“電力行業(yè)專網(wǎng)”。相比于以往的4G、光纖專網(wǎng)等移動(dòng)通信技術(shù)，5G技術(shù)可以更好地滿足電網(wǎng)業(yè)務(wù)的安全性、可靠性和靈活性需求[24]，實(shí)現(xiàn)差異化服務(wù)保障，提升了電網(wǎng)企業(yè)對(duì)自身網(wǎng)絡(luò)體系的控制能力。

2.1 5G網(wǎng)絡(luò)特征分析

5G通信包含5個(gè)主要特征，簡(jiǎn)單來說是“三高兩低”的特點(diǎn)，即高速率、高容量、高可靠性、低時(shí)延以及低能耗。

1)高速率。對(duì)于4G而言，5G通信峰值速度上行可達(dá)10 Gbit/s，下行20 Gbit/s，速度提升高達(dá)數(shù)百倍以上。在能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)下，大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)等能夠利用5G通信網(wǎng)絡(luò)的高速率進(jìn)行傳輸。

2)高容量。5G采用微基站技術(shù)。微基站和傳統(tǒng)的宏基站不同，微基站覆蓋范圍小、功率低，可以減小宏基站的功率消耗，可以達(dá)到更好、更廣的覆蓋效果。正是基于此種情況，5G網(wǎng)絡(luò)下能夠支持高密度的移動(dòng)終端。

3)高可靠性。5G技術(shù)的可靠性與4G網(wǎng)絡(luò)相比，5G網(wǎng)絡(luò)的可靠性能夠達(dá)到99.99%，能夠很好地滿足能源互聯(lián)網(wǎng)下各類電力業(yè)務(wù)的需求。

4)低時(shí)延。5G使用D2D(Device to Device)傳輸模式，直接設(shè)備與設(shè)備之間進(jìn)行通信，節(jié)約了資源，并降低了時(shí)延。4G網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延在30～90 ms，對(duì)于5G而言時(shí)延小于1 ms，時(shí)延更短。

5)低能耗。5G通信中利用網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，優(yōu)化硬件協(xié)議，利用相應(yīng)的控制策略，生成特定數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)以及處理路徑，達(dá)到低能耗的特點(diǎn)。

2.2 網(wǎng)絡(luò)切片

以往的通信網(wǎng)絡(luò)，對(duì)不同的業(yè)務(wù)都直接實(shí)行“一刀切”的做法，當(dāng)前不同的業(yè)務(wù)場(chǎng)景已經(jīng)不再適用。5G網(wǎng)絡(luò)切片定義網(wǎng)絡(luò)(Software Defined Networking，SDN)和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(Network Function Virtualization，NFV)技術(shù)[25]，針對(duì)不同的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能，將單一物理網(wǎng)絡(luò)分割成兩個(gè)甚至更多獨(dú)立的端到端邏輯網(wǎng)絡(luò)，這些邏輯網(wǎng)絡(luò)彼此相互隔離并且具有可編程性。通過SDN的集中控制，將數(shù)據(jù)平面與控制平面解耦合，簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)管理，使路由配置更加靈活，實(shí)現(xiàn)了軟硬件解耦、基礎(chǔ)設(shè)施資源共享和按需調(diào)度。

配電網(wǎng)有著許多不同的業(yè)務(wù)需求，每種業(yè)務(wù)需求對(duì)容量、時(shí)延、帶寬、安全、可靠性等要求各不相同，每種業(yè)務(wù)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的需求也都各不相同，5G網(wǎng)絡(luò)切片能夠?qū)Σ煌男枨蠼⒉煌木W(wǎng)絡(luò)[26-27]，滿足精準(zhǔn)控制的要求。例如在配電自動(dòng)化中，可能會(huì)出現(xiàn)短路、斷路等各種故障，此時(shí)需要對(duì)故障進(jìn)行快速定位和隔離處理，因此需要具備多時(shí)間尺度的特征[28]。對(duì)于集中式配電自動(dòng)化，其時(shí)延要求達(dá)到秒級(jí)，而分布式饋線自動(dòng)化(Feeder Automation，F(xiàn)A)的時(shí)延要求卻達(dá)到了毫秒級(jí)。

在配電網(wǎng)狀態(tài)檢測(cè)方面，目前配電網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)范圍很小，微型同步相角量測(cè)單元(micro-PMU)只裝設(shè)在少部分關(guān)鍵區(qū)域，用于監(jiān)測(cè)配電網(wǎng)發(fā)生的故障問題[29-31]。但在能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)下，未來的配電網(wǎng)將能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)PMU進(jìn)行全面的監(jiān)測(cè)，從而監(jiān)測(cè)的海量數(shù)據(jù)需要高效低時(shí)延的傳輸，而5G網(wǎng)絡(luò)的高效低時(shí)延特點(diǎn)剛好可以滿足配電網(wǎng)的監(jiān)測(cè)需要，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)絡(luò)中電力設(shè)備信息的互聯(lián)互通，幫助調(diào)度人員進(jìn)行綜合分析，評(píng)估電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，為電力設(shè)備檢修安排提供參考。

隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的不斷建設(shè)和發(fā)展，在未來的配電網(wǎng)絡(luò)中將會(huì)有大量電力電子裝置的接入，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)可再生能源消納、儲(chǔ)能裝置的接入、SVG的控制。在這種情況下，配電網(wǎng)中的裝置控制精度要求非常高，而以往的通信網(wǎng)絡(luò)的控制精度無法達(dá)到此類高要求。

綜上所述，在配電網(wǎng)層面，不同的業(yè)務(wù)需求對(duì)控制精度、時(shí)延等要求各不相同，而5G網(wǎng)絡(luò)“三高兩低”的優(yōu)勢(shì)，決定了配電網(wǎng)中的各個(gè)業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)能夠由5G網(wǎng)絡(luò)切片獨(dú)立供應(yīng)，各個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間相互隔離，有效提高了接入網(wǎng)的工作效率和資源利用率，未來的電力配電網(wǎng)將極大受益于網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)。

2.3 邊緣計(jì)算

配電網(wǎng)系統(tǒng)有大量的分布節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)也都分布在不同的節(jié)點(diǎn)中，如果所有的數(shù)據(jù)均從各節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)浇y(tǒng)一平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，會(huì)存在傳輸誤差、信息安全隱患等問題，而5G網(wǎng)絡(luò)的邊緣計(jì)算[32]在此種情況下具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)，原來的分布式節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)能夠直接在邊緣側(cè)進(jìn)行計(jì)算，利用不同邊緣計(jì)算的協(xié)調(diào)來得到全局結(jié)果。例如在分布式配電網(wǎng)中進(jìn)行電壓控制分析時(shí)，可以利用當(dāng)前的優(yōu)化算法，在邊緣側(cè)展開邊緣計(jì)算，通過邊緣之間的通信迭代，獲取全局聚類結(jié)果，實(shí)現(xiàn)海量用戶用電模式的提取，提高了數(shù)據(jù)的分析效率和安全性。

3 5G在配電網(wǎng)典型業(yè)務(wù)場(chǎng)景分析

3.1 配電自動(dòng)化

配電自動(dòng)化是基于一次網(wǎng)架及其設(shè)備，利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信、現(xiàn)代電子傳感技術(shù)，以配電自動(dòng)化系統(tǒng)為中心，將配電網(wǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)以及非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行信息整合和集成，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)正常運(yùn)行及事故情況下的監(jiān)測(cè)、保護(hù)及控制的目的。

配電終端作為配電自動(dòng)化系統(tǒng)的神經(jīng)軀干，安裝于配電網(wǎng)線路中，負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)采集、控制和通信等功能，其主要包括站所終端DTU(distribution terminal unit)、饋線終端FTU (feeder terminal unit)、配變終端TTU(transformer terminal unit)等。饋線自動(dòng)化作為配電自動(dòng)化建設(shè)的重要組成部分，主要采用集中型、就地型(電壓時(shí)間型、電壓電流時(shí)間混合型)、智能分布式三種方式。對(duì)于就地型饋線自動(dòng)化配電終端無需通信，發(fā)生故障后利用站內(nèi)開關(guān)多次重合閘與配電終端之間固有時(shí)間邏輯配合隔離故障，故障隔離速度相對(duì)較慢。非故障區(qū)域用戶需要感受多次重復(fù)停電，用電感受較差，主要應(yīng)用于C、D類供電可靠性要求不高區(qū)域以及部分B類供電區(qū)域。對(duì)于集中型饋線自動(dòng)化，配電自動(dòng)化終端監(jiān)測(cè)和采集配電網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)狀態(tài)并傳輸至主站，主站利用饋線線路或全網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)信息進(jìn)行綜合分析判斷和處理，從而進(jìn)行故障線路或設(shè)備的定位、隔離和恢復(fù)供電，保證供電可靠性，主要應(yīng)用于A+、A類供電區(qū)域以及部分B類區(qū)域。對(duì)于智能分布式饋線自動(dòng)化，相鄰的配電自動(dòng)化終端之間進(jìn)行通信，通過分布式分析判斷或處理，具有故障隔離快、非故障區(qū)域無需停電的優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于A+、A類供電區(qū)域以及部分B類區(qū)域。

如圖2至圖4所示，若F1故障，電源1斷路，區(qū)域1、2停電，在人工配電中，沒有通信網(wǎng)絡(luò)，需要由人工對(duì)其進(jìn)行排查，恢復(fù)供電。在集中式配電自動(dòng)化中，則可以由控制中心遠(yuǎn)程進(jìn)行定位、隔離與恢復(fù)供電，網(wǎng)絡(luò)延時(shí)須小于100 ms，但此時(shí)所用的光纖專網(wǎng)、無線專網(wǎng)和公網(wǎng)成本高，工程復(fù)雜。在智能分布式配電自動(dòng)化中，可以利用5G網(wǎng)絡(luò)切片的高可靠性、低時(shí)延性，在F1故障時(shí)，相關(guān)的STU在電源1斷路前完成自動(dòng)故障定位、隔離與恢復(fù)，并且能夠在短時(shí)間內(nèi)完成，滿足毫秒級(jí)的時(shí)間尺度，基本上能夠?qū)崿F(xiàn)不停電。

圖2 配網(wǎng)故障人工處理模式

圖3 集中型饋線自動(dòng)化

圖4 智能分布式饋線自動(dòng)化

配電自動(dòng)化的關(guān)鍵通信需求[33-35]見表1。分布式FA還有高精時(shí)鐘同步(要求10μs)、終端永久在線以及連續(xù)通信(1 s)的要求。

表1 配電自動(dòng)化關(guān)鍵通信需求

3.2 配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)

差動(dòng)保護(hù)的工作原理是保護(hù)終端比較兩端或多端同時(shí)刻的電流值(矢量)，當(dāng)電流差值超過整定值時(shí)判定為故障發(fā)生，斷開其中的斷路器或開關(guān)，執(zhí)行差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)故障的精確定位和隔離。差動(dòng)保護(hù)對(duì)電流差值的判斷是基于同一時(shí)刻的電流值，要求相互關(guān)聯(lián)的2個(gè)或多個(gè)差動(dòng)保護(hù)終端必須在時(shí)間上同步，且同步精度小于10μs，交互信息的端到端傳輸時(shí)延最大不超過15 ms，且為高頻通信(0.833 ms交互一次)，高達(dá)百Gbit級(jí)別，因此對(duì)通信的時(shí)延、可用性、可靠性要求非常高。

隨著分布式電源不斷地接入到配電網(wǎng)中，配電網(wǎng)故障電流等級(jí)、潮流方向發(fā)生了很大的變化，傳統(tǒng)的三段式過流保護(hù)已經(jīng)難以滿足配電網(wǎng)保護(hù)“四性”的要求。光纖差動(dòng)保護(hù)適用于配電網(wǎng)故障處理，但光纖鋪設(shè)的成本較高，同時(shí)部分無光纖地段也無法進(jìn)行差動(dòng)保護(hù)。4G通信的傳輸帶寬有限，而5G通信能夠在通道質(zhì)量、通道帶寬、時(shí)間同步方面滿足配電網(wǎng)通信的要求。配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)中關(guān)鍵通信需求[36]見表2。差動(dòng)保護(hù)原理如圖5所示。

表2 配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)關(guān)鍵通信需求

圖5 差動(dòng)保護(hù)原理

由表2以及配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)的需求可知，配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)的要求更高，要求高精時(shí)鐘同步(10μs)、終端永久在線、高頻通信(1/12或1/24 s)。

3.3 精準(zhǔn)負(fù)荷控制

通過對(duì)負(fù)荷進(jìn)行精準(zhǔn)的調(diào)控，能夠減小電網(wǎng)中由于負(fù)荷過高導(dǎo)致的大規(guī)模停電的風(fēng)險(xiǎn)。例如在夏季的用電負(fù)荷高峰時(shí)，電網(wǎng)滿載運(yùn)行，如果電力系統(tǒng)中交直流特高壓出現(xiàn)故障，調(diào)控中心可以快速準(zhǔn)確地改變用戶側(cè)的用電負(fù)荷，使得電力系統(tǒng)的供用電保持平衡，在一定程度上減小電力系統(tǒng)大規(guī)模停電的風(fēng)險(xiǎn)。在精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)的建設(shè)期間，利用5G網(wǎng)絡(luò)切片，按需求對(duì)不同業(yè)務(wù)進(jìn)行分割，從而在發(fā)生電網(wǎng)各類過負(fù)荷、過載故障的時(shí)候，可以對(duì)負(fù)荷進(jìn)行精確控制，保障重要用電，這對(duì)城市生活以及工業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。此外，可以根據(jù)用電的重要程度，對(duì)負(fù)荷進(jìn)行優(yōu)先等級(jí)劃分和排序，即使在發(fā)生過負(fù)荷事故時(shí)，也能夠準(zhǔn)確地對(duì)負(fù)荷進(jìn)行調(diào)節(jié)，暫時(shí)對(duì)優(yōu)先級(jí)較低的工業(yè)用電及其他用電進(jìn)行停電操作，保證優(yōu)先級(jí)高的重要負(fù)荷的用電，比如醫(yī)院和居民用電等，從而保證負(fù)荷的平衡。根據(jù)不同控制要求以及時(shí)間尺度，結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)，可以將負(fù)荷控制分為快速負(fù)荷控制的毫秒級(jí)時(shí)間尺度的控制系統(tǒng)、秒級(jí)控制系統(tǒng)以及分鐘級(jí)時(shí)間尺度的控制系統(tǒng)。精準(zhǔn)負(fù)荷控制如圖6所示，圖中優(yōu)先級(jí)為1類負(fù)荷優(yōu)先2類負(fù)荷，2類負(fù)荷優(yōu)先3類負(fù)荷。

圖6 精準(zhǔn)負(fù)荷控制

當(dāng)前的配電網(wǎng)缺少通信網(wǎng)絡(luò)的支持，對(duì)于負(fù)荷，只能實(shí)行一刀切的操作，方式單一；而精準(zhǔn)負(fù)荷控制，能夠根據(jù)優(yōu)先級(jí)順序，優(yōu)先切除非重要負(fù)荷，保證重要負(fù)荷的供電。精準(zhǔn)負(fù)荷控制，結(jié)合5G無線公網(wǎng)及5G切片技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)高可靠性的切除非重要負(fù)荷，從而可以依據(jù)控制要求實(shí)現(xiàn)快速負(fù)荷控制的毫秒級(jí)控制系統(tǒng)和更加友好互動(dòng)的秒級(jí)/分鐘級(jí)控制系統(tǒng)，其關(guān)鍵通信需求[37]見表3。

表3 精準(zhǔn)負(fù)荷控制關(guān)鍵通信需求

精準(zhǔn)負(fù)荷控制中，終端需要滿足永久在線和連續(xù)通信(1 s)要求，以實(shí)現(xiàn)不同時(shí)間尺度上的控制。

3.4 總結(jié)對(duì)比

目前電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)種類較多，通過對(duì)配電自動(dòng)化中的中壓載波通信、精準(zhǔn)負(fù)荷控制中光纖專網(wǎng)、配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)中的4G網(wǎng)絡(luò)和5G通信在帶寬、時(shí)延、可靠性等方面進(jìn)行對(duì)比分析，可以得到如圖7所示的結(jié)果。

圖7 通信網(wǎng)絡(luò)性能對(duì)比分析

圖中數(shù)字4.0表示性能最好，比如時(shí)延低、可靠性高；數(shù)字逐漸減小，表示性能越差，比如時(shí)延高，可靠性差，成本高等。

從圖7中可以看出，在帶寬上，5G網(wǎng)絡(luò)明顯優(yōu)于其他通信網(wǎng)絡(luò)，5G的帶寬能夠達(dá)到1～10 Gbit/s，存在明顯優(yōu)勢(shì)。在時(shí)延和可靠性上，5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)延能夠比光纖更快，光纖專網(wǎng)能夠達(dá)到1.5 ms，可靠性也能達(dá)到99%，4G可靠性能達(dá)到97%；而5G網(wǎng)絡(luò)達(dá)到1 ms，可靠性達(dá)到99.99%，能夠滿足能源互聯(lián)網(wǎng)下配電網(wǎng)中精準(zhǔn)控制要求，快速處理業(yè)務(wù)的能力。在安全性上，5G網(wǎng)絡(luò)的安全性僅次于PLC和光纖，可以滿足電網(wǎng)安全性需求；在成本上，PLC的成本最低，5G與4G相對(duì)PLC而言較高，但后期投入更小，組網(wǎng)更加靈活可靠；在傳輸距離上，光纖在傳輸距離上占有一定的優(yōu)勢(shì)，5G與4G網(wǎng)絡(luò)在傳輸距離上較短，4G的基站較大，5G要覆蓋同一個(gè)區(qū)域，需要的5G基站數(shù)量將大大超過4G。為了減輕網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方面的成本壓力，5G采用微基站技術(shù)。微基站和傳統(tǒng)的宏基站不同，微基站覆蓋范圍小，功率低，可以減小宏基站的功率消耗，可以達(dá)到更好的覆蓋效果，滿足5G通信的各種技術(shù)要求。

綜上所述，5G雖然存在一些不足，但其整體優(yōu)勢(shì)大于其他通信網(wǎng)絡(luò)。在配電網(wǎng)業(yè)務(wù)中，對(duì)于時(shí)延、可靠性、安全性、后期低維護(hù)性的要求比較高，而對(duì)于成本要求較小，5G可以保證配電網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的準(zhǔn)確性、快速性以及實(shí)時(shí)性，更適用于配電業(yè)務(wù)的各類場(chǎng)景。

在5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和能源互聯(lián)網(wǎng)背景下，能夠?qū)崿F(xiàn)配電網(wǎng)絡(luò)的高度自動(dòng)化和精準(zhǔn)負(fù)荷控制，具備較高的安全級(jí)別。由于當(dāng)前數(shù)據(jù)分析不足，許多數(shù)據(jù)的潛在價(jià)值并沒有被充分發(fā)掘出來。未來能夠利用5G網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)，在配電網(wǎng)中將進(jìn)行大規(guī)模的使用，進(jìn)行深度融合，充分發(fā)掘海量數(shù)據(jù)信息，通過5G網(wǎng)絡(luò)與配電系統(tǒng)的聯(lián)合仿真，對(duì)海量對(duì)象進(jìn)行控制，進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，達(dá)到萬物相互協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的透明化與實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)感知。

4 結(jié)語

5G通信的廣泛應(yīng)用將給能源互聯(lián)網(wǎng)帶來翻天覆地的變化。本文從能源互聯(lián)網(wǎng)的基本概念和總體框架出發(fā)，結(jié)合5G通信切片技術(shù)和邊緣計(jì)算特點(diǎn)，重點(diǎn)分析了能源互聯(lián)網(wǎng)下配電網(wǎng)中三個(gè)典型廣域開放應(yīng)用場(chǎng)景。將配電自動(dòng)化、配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)、精準(zhǔn)負(fù)荷控制三個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景的特點(diǎn)及業(yè)務(wù)需求進(jìn)行了總結(jié)，分析了5G網(wǎng)絡(luò)在不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景下的優(yōu)點(diǎn)和關(guān)鍵通信技術(shù)。從三個(gè)業(yè)務(wù)場(chǎng)景的詳細(xì)分析中展現(xiàn)了5G網(wǎng)絡(luò)在配電網(wǎng)中應(yīng)用的可行性和優(yōu)越性。本文的理論分析成果對(duì)5G在配電網(wǎng)中的實(shí)際應(yīng)用起到一定的推動(dòng)作用。