5G通信技術(shù)在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用

費貴榮

(泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇泰州 225300)

2016年，國家發(fā)改委、能源局、工信部正式提出了《關(guān)于推進“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導(dǎo)意見》，其明確要求我國的能源互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)必須提高資源的利用率，并且進一步實現(xiàn)能源可再生利用，使可再生能源消納的比例更高。2019年，國家電網(wǎng)有限公司提出了建設(shè)“泛在電力物聯(lián)網(wǎng)”的目標(biāo)，并且明確強調(diào)了“泛在電力物聯(lián)網(wǎng)”的地位和價值。對于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)而言，它也可以將其定義為物聯(lián)網(wǎng)，它只是泛在電力物聯(lián)網(wǎng)里面的一種形式而已?；诖?，隨后相關(guān)研究者提出了5G 通信技術(shù)，該技術(shù)想要投入實際使用的話，還需要建設(shè)5G通信基站，該建設(shè)工作需要花費大量的時間和資金。5G 通信技術(shù)在2020 年時被運用于大部分行業(yè)。該文主要分析和研究了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的研究框架，并且從5G 通信和泛在電力物聯(lián)網(wǎng)相互融合的層面，對5G 通信技術(shù)的實際價值和應(yīng)用，以及相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)等進行了全面的分析，最后對5G通信網(wǎng)能效管理問題展開了研究，并就5G 通信技術(shù)提出了對應(yīng)的展望。

1 支撐泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的5G通信概念

1.1 5G通信基本原理

通信技術(shù)從2G 時代開始，幾乎都是使用數(shù)字信號，即使是最新的5G通信也不例外。對于移動通信而言，它主要是借助電磁波來傳輸相關(guān)的信息，并且在信號發(fā)生器和信號接收器的設(shè)備基礎(chǔ)上，對輸入和輸出過來的電磁波進行調(diào)制和解調(diào)等過程，從而得到人們所需的信息。但是，無線通信和有線通信也有不同之處。無線通信主要利用的是電磁波在空氣中的反射和衍射等特性，使電磁波達到指定的位置，從而實現(xiàn)信息的傳輸和接收。5G 通信同樣也運用到了上面的所有東西，但與2G、3G和4G不同的是，5G通信在信息傳輸速度、效能和可靠性方面都遠遠的超過了前幾代移動通信技術(shù)，比如：5G 通信的峰值速度都大于20 Gbps，并且5G 通信的頻段也已經(jīng)提升至30～300 GHz 之間，這些都為進一步拓展資源打下了一定的基礎(chǔ)。

1.2 5G通信基本特征

5G通信的基本特征可以分為以下5個方面。

1.2.1 高速率

與前幾代移動通信技術(shù)相比，5G通信技術(shù)在峰值速率和區(qū)域速率上得到了巨大提高，比如：5G 通信技術(shù)的峰值速率最小也有20 Gbps。對于區(qū)域速率而言，它比最近一代移動通信4G的區(qū)域速度要快上1 000倍左右，這些都體現(xiàn)了5G通信的高速率的特點。

1.2.2 高容量

對于之前的4G移動通信而言，該移動通信技術(shù)在實際工作過程中經(jīng)常會受到終端數(shù)量被限制的影響，反觀5G通信技術(shù)，該移動通信技術(shù)配備了非常多的移動終端，進一步解決了終端數(shù)量被限制的問題，從而為萬物信息互聯(lián)打下了結(jié)實的基礎(chǔ)。

1.2.3 高可靠性

5G 通信在傳輸數(shù)據(jù)時，被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)非常穩(wěn)定，比如：通過使用5G 通信技術(shù)去傳輸一個32 字節(jié)的數(shù)據(jù)時，該數(shù)據(jù)在第二層數(shù)據(jù)單元的傳輸正確率趨近于100%，這樣一來，電力系統(tǒng)和電力通信的穩(wěn)定性也得到了保障[1]。

1.2.4 低時延

4G 通信技術(shù)的時延一般維持在50 ms，該延時并不會影響通話，但是考慮到一些工業(yè)對延時的要求非常嚴(yán)格，而通過使用5G 通信技術(shù)，能夠更大程度地縮短時延，當(dāng)下5G 通信技術(shù)可以將時延維持在1 ms 左右，這就能滿足工業(yè)對延時的實際需求。

1.2.5 低能耗

一些通信設(shè)備需要定期更換電池，并且這些通信設(shè)備消耗的能源比較大，這就造成了巨大的能源損耗。而在使用5G通信技術(shù)之后，它可以借助通信硬件協(xié)議來嚴(yán)格地控制能源的損耗，使實際工作過程中消耗更少的能源。

2 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的概念簡介

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)（UPIoT）主要由物聯(lián)網(wǎng)、電力網(wǎng)、泛在網(wǎng)三大要素組成?！胺涸凇北憩F(xiàn)出來的“萬物互聯(lián)”的特性廣泛地存在于電力互聯(lián)網(wǎng)當(dāng)中，而泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的特征可以歸納為復(fù)雜性、包容性、開放性和創(chuàng)新性這4種。（1）復(fù)雜性主要針對的是電力網(wǎng)和通信網(wǎng)等的融合過程，該過程需要先進的設(shè)備和技術(shù)來實現(xiàn)。（2）包容性則針對的是電力系統(tǒng)中的實物，例如變壓器和配輸電設(shè)備等，當(dāng)然也涉及了居民的電力設(shè)備。（3）開放性主要針對的是服務(wù)的對象，該服務(wù)對象包含了電網(wǎng)企業(yè)自身和各個電力用戶，通過開放的形式，從而為電網(wǎng)企業(yè)帶來更高的經(jīng)濟收益。（4）創(chuàng)新性則針對的是數(shù)據(jù)采集和控制等，通過對電力互聯(lián)網(wǎng)的各項功能和商業(yè)模式進行創(chuàng)新，使電網(wǎng)企業(yè)能夠更加穩(wěn)定地經(jīng)營下去[2]。

與傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)不同，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)將一些電子設(shè)備、家用電器通過電力網(wǎng)絡(luò)與通信網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，實現(xiàn)了兩者的互聯(lián)互通。與此同時，由于電力網(wǎng)本身所具有的特點，它擁有海量的用戶，這些用戶又會衍生出不同的需求，這就給泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的拓展提供了契機，如社會網(wǎng)、交易網(wǎng)、業(yè)務(wù)網(wǎng)、資金網(wǎng)等。

與物聯(lián)網(wǎng)相同的是，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)同樣由4 個層次構(gòu)成。（1）感知層。即通過傳感器對電力設(shè)備的實物狀態(tài)進行監(jiān)測，如智能傳感器不僅可以得到每個家庭的電量使用情況，還可以根據(jù)所在系統(tǒng)應(yīng)用的電壓狀態(tài)，對特定區(qū)域的空氣濕度和溫度進行測定。（2）網(wǎng)絡(luò)層。將移動通信網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、無線局域網(wǎng)連接在一起，在特定的運行規(guī)范下，接入各式的傳感設(shè)備中，因而具有超強的拓展性。（3）平臺層。即利用大數(shù)據(jù)云服務(wù)，將各個網(wǎng)絡(luò)層傳輸過程中的數(shù)據(jù)統(tǒng)一收集存儲到一個數(shù)據(jù)庫中，期間可以實現(xiàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)的跨平臺、跨部門共享。（4）應(yīng)用層。是泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的重點，旨在為用戶、電網(wǎng)工作人員等人的決策制定提供支持，在這一過程中推進電力新興業(yè)務(wù)拓展以及商業(yè)模式的創(chuàng)新。

電力物聯(lián)網(wǎng)是計算機科學(xué)與技術(shù)不斷發(fā)展下的產(chǎn)物，是現(xiàn)代高新技術(shù)的智慧結(jié)晶。簡而言之，電力物聯(lián)網(wǎng)就是利用現(xiàn)代通信技術(shù)和現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等高新技術(shù)的不斷發(fā)展，將這些高新技術(shù)與傳統(tǒng)電力基礎(chǔ)設(shè)施進行連接，將通信設(shè)備資源與電力基礎(chǔ)資源進行有效的整合，形成電力系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)信息庫平臺。通過數(shù)據(jù)的收集、分析、處理和應(yīng)用，為大眾構(gòu)建全新的電力系統(tǒng)使用環(huán)境和電力系統(tǒng)使用體驗。在提升電力基礎(chǔ)設(shè)備運行效率的同時，有效提高電力系統(tǒng)的信息化建設(shè)水平，改良電力基礎(chǔ)系統(tǒng)的使用效率，使電力系統(tǒng)富有“智慧化和智能化”。為電力基礎(chǔ)設(shè)備的運轉(zhuǎn)提供有效的數(shù)據(jù)支撐，改變電力系統(tǒng)固有的“低效率”印象，使電力基礎(chǔ)系統(tǒng)能夠更好地滿足大眾的使用需求，更好地為大眾營造良好的電力使用環(huán)境[3-4]。

3 5G通信與泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的融合研究

3.1 動態(tài)監(jiān)測

5G通信具有自治優(yōu)化技術(shù)，可以更好地提升電力設(shè)備的監(jiān)測效果，實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測，能夠?qū)崟r將設(shè)備的運行數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控平臺，一旦出現(xiàn)異常能夠及時發(fā)出報警信號，幫助工作人員快速鎖定故障點，可以快速做出反應(yīng)。通過在配電網(wǎng)的各個節(jié)點上安裝變壓器及傳感電源等設(shè)備，能夠精準(zhǔn)捕捉到電力設(shè)備的運行參數(shù)和配電網(wǎng)的電壓幅值變化情況，并將各數(shù)據(jù)傳送到后臺，用于優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。此外，還可以借助5G 通信技術(shù)的低時延特點，安裝溫度感應(yīng)器來實時了解設(shè)備的運行情況，為及時檢修與定期維護提供數(shù)據(jù)，既保證了配電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，又節(jié)省了維護檢修的成本。

3.2 精準(zhǔn)控制

隨著我國的5G通信技術(shù)的提出，我國實現(xiàn)無人駕駛和智能車載變得可能。在5G通信技術(shù)的基礎(chǔ)上，電網(wǎng)企業(yè)能夠更加高效地控制電網(wǎng)系統(tǒng)的需求響應(yīng)，從而有效地處理調(diào)頻和尺度方面的問題，使得所有的用電設(shè)備之間的延時更短。對于儲能控制方面而言，通過使用5G通信技術(shù)，電網(wǎng)企業(yè)能夠進一步管理系統(tǒng)里面的儲能，并且在電網(wǎng)企業(yè)的“云儲能”當(dāng)中，在5G 通信技術(shù)的協(xié)助下，用戶的差異化需求和互動問題都可以被解決，使電網(wǎng)企業(yè)能夠更好地控制儲能[5]。

3.3 寬帶通信

首先，將5G 技術(shù)應(yīng)用到無人機中，可以把巡檢中產(chǎn)生的畫面以影像視頻的方式，實時傳送到控制平臺，以便管理人員實時了解線路情況，并能夠為科學(xué)決策奠定基礎(chǔ)。同時，還能夠借助無人機，有效監(jiān)測光伏板的沾灰量以及儲能裝置的安全運行，一旦在監(jiān)測時發(fā)現(xiàn)安全運行系數(shù)降低，或運行異常，可以立即發(fā)送報警信號，引發(fā)管理人員的主意，讓管理人員派專人來清理光伏板，做好相關(guān)設(shè)備的檢修維護。其次，將VR技術(shù)應(yīng)用其中，可以利用5G技術(shù)來打造更為真實的虛擬場景，提高工作人員的視覺體現(xiàn)。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)和5G通信技術(shù)的融合，可以讓VR技術(shù)充分發(fā)揮優(yōu)勢，全方位地、立體化地將配電網(wǎng)絡(luò)運行情況展現(xiàn)在工作人員面前，更為清晰明了地觀察運行故障問題，為后續(xù)的巡查管理工作提供助力。

3.4 供需互動

5G通信系統(tǒng)的耗電量是非常大的，而且隨著無線技術(shù)的不斷發(fā)展，基站的建設(shè)將會不斷增加，若不對其進行有效的控制，將會導(dǎo)致成本的增加，影響泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的有效應(yīng)用。若想妥善解決這種難題，就必須要強化配電網(wǎng)中泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，并積極推進與5G 技術(shù)的融合。從根本上講，通信網(wǎng)和配電網(wǎng)之間，是一種“能量”與“信息”的耦合關(guān)系。其中，配電網(wǎng)能夠為通信網(wǎng)的正常運行提供可靠能源，通信網(wǎng)則能夠為配電網(wǎng)的高效運行提供信息交互。而二者交互所用的媒介，便是基站。在通信網(wǎng)中，基站是主要的收發(fā)終端，也是無線信息的中轉(zhuǎn)站；在電網(wǎng)中，不間斷電源（UPS）是電力系統(tǒng)中的主要消耗量，為了確保通信的實時性和可靠性，UPS 是一種電能和能量存儲裝置的雙重集合。另外，為改善系統(tǒng)的運行可靠性，應(yīng)該采用冗余組態(tài)的方式，將基站密度和基站UPS 緊密結(jié)合起來，基站個數(shù)和基站UPS 電池的個數(shù)可能多于通信一般需求的個數(shù)。

在這種背景下，電網(wǎng)運營商可以深入與通信運營商的合作，達到更為緊密的供求互動。比如：在夜間，如果通信負(fù)荷不大，可以暫時關(guān)閉一些基站，實現(xiàn)節(jié)約能耗的效果。如此一來，不僅能夠滿足系統(tǒng)的正常運行，還可以充分利用這些多余的基站存儲設(shè)備，讓通信運營商提供較低的價格，同時也會根據(jù)價格的變化來調(diào)節(jié)UPS的充放電負(fù)荷；在日間供電，在保證供電可靠性的情況下，在電網(wǎng)電價高的情況下，通信運營商可以選擇使用多余的電能[6]。

3.5 萬物互聯(lián)

隨著我國電力網(wǎng)絡(luò)不斷發(fā)展，我國絕大多數(shù)的地區(qū)已經(jīng)被電力網(wǎng)絡(luò)所覆蓋，并且用電設(shè)備的數(shù)量也在逐漸增加，為了進一步提高用電設(shè)備的利用率和安全性，可以考慮將家用電力進行互聯(lián)，使居民家中的各種用電設(shè)備更加智能化，使居民日常的用電更加安全。通過將電動汽車進行互聯(lián)，從而為我國建設(shè)智慧城市打下一定的基礎(chǔ)。此外，將配變電裝置有效地互聯(lián)起來，它能夠協(xié)助電網(wǎng)企業(yè)更加高效地管理電力系統(tǒng)的運行情況，使得配電系統(tǒng)能夠更加高效、穩(wěn)定地工作下去。然而，電網(wǎng)企業(yè)需要重點關(guān)注整個配電系統(tǒng)當(dāng)中的配電網(wǎng)層面，現(xiàn)如今，在沒有使用5G通信之前，我國在該層面上還是存在一些問題，導(dǎo)致一些重要的信息互聯(lián)不能有效地互通，從而阻礙了正常的信息傳輸。通過使用5G 通信技術(shù)，它能夠進一步地解決這些問題，使萬物互聯(lián)得以完成。

4 5G 通信技術(shù)就在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域應(yīng)用存在的問題

4.1 智能數(shù)據(jù)分析水平低

據(jù)了解，目前5G通信技術(shù)還沒有在全國范圍內(nèi)普及，電力系統(tǒng)的信息處理工作也沒有在技術(shù)層面上取得重大突破。主要原因是智能數(shù)據(jù)分析方案推廣范圍較低。目前，相關(guān)行業(yè)對云計算智能數(shù)據(jù)信息分析技術(shù)的普及關(guān)注不夠，在建設(shè)5G 通信網(wǎng)絡(luò)速率時，沒有得到相關(guān)技術(shù)和信息的支持。在多種因素共同作用下，國內(nèi)智能化數(shù)據(jù)分析水平未能跟上時代發(fā)展的步伐，難以為5G技術(shù)的推廣奠定堅實的基礎(chǔ)[7]。

4.2 5G通信技術(shù)信息應(yīng)用深度不足

在當(dāng)前的5G通信技術(shù)應(yīng)用過程中，特別是相關(guān)技術(shù)電力物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用，在網(wǎng)絡(luò)速率方面仍然缺乏必要的重視。所以，很多電力部門在對電力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行采集分析的過程中，難以把握無約束通信網(wǎng)絡(luò)密度特征的主要內(nèi)容，也無法充分發(fā)揮電力系統(tǒng)信息資源采集的優(yōu)勢，這直接導(dǎo)致5G通信技術(shù)在信息應(yīng)用上無法達到相應(yīng)的深度。

5 5G 通信技術(shù)在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的優(yōu)化應(yīng)用策略

5.1 提高智能數(shù)據(jù)分析水平

在探索和應(yīng)用5G通信技術(shù)的過程中，相關(guān)人員必須對智能數(shù)據(jù)進行深入的分析和討論，以確保不受限制的信息和不受限制的通用技術(shù)能夠充分發(fā)揮其價值。特別是在電力系統(tǒng)管理過程中，信息處理與分析具有重要的應(yīng)用價值。如果數(shù)據(jù)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性不高，智能數(shù)據(jù)開發(fā)的水平也會受到影響。為了使互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展速度滿足人們的實際需要，推動5G通信技術(shù)的深入研究十分重要，5G技術(shù)的應(yīng)用不僅可以推動現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進一步完善，而且可以保證物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和完善。為了保證智能數(shù)據(jù)與各元素之間的關(guān)系始終遵循一致性的特點，在智能數(shù)據(jù)分析過程中，工作人員需要使用相關(guān)公式進行一系列的計算操作。

5.2 助力5G通信技術(shù)的不斷推廣

5G 通信技術(shù)在信息化社會構(gòu)建中最大的阻力來自5G 技術(shù)在大眾群體中認(rèn)知程度的不足。隨著社會的發(fā)展與科技的進步，雖然在當(dāng)前5G通信技術(shù)已經(jīng)成為大眾口中的高頻熱詞，但基于5G通信技術(shù)對大眾生活帶來“改變”的認(rèn)知程度不足，造成5G通信技術(shù)的應(yīng)用無法取得預(yù)期的成效。針對這一問題，應(yīng)當(dāng)加大對于5G通信技術(shù)的推廣力度，采取理論與實踐相結(jié)合的辦法，使大眾產(chǎn)生對于5G通信技術(shù)的認(rèn)同感，為5G通信技術(shù)在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用掃清障礙。

5.3 “5G通信網(wǎng)-電力網(wǎng)”聯(lián)合仿真

電力仿真對于整個的5G通信網(wǎng)-電力網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)工作而言是非常重要的，通過使用電力仿真，電網(wǎng)企業(yè)能夠更加清晰地了解電力系統(tǒng)的實際運行情況，從而準(zhǔn)確地判斷出電力系統(tǒng)的相關(guān)方案是否存在安全性問題?，F(xiàn)如今，我國最為突出的兩個仿真軟件是PSCAD和OPNET，這兩種技術(shù)能夠提高整個電力系統(tǒng)的安全性。對于未來的5G 通信網(wǎng)-電力網(wǎng)，研究人員主要會對電力系統(tǒng)的深度耦合進行探究，并且對5G通信網(wǎng)和電力網(wǎng)之間的影響進行分析，從而研制出更加合理的聯(lián)合仿真軟件[8]。

5.4 多元化的商業(yè)模式

在5G通信技術(shù)的幫助下，我國的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)能夠生成更加新穎的商業(yè)模式，從而為我國各個行業(yè)和所有商業(yè)部門提供幫助。比如：相關(guān)的商家在進行能源交易時，可以在5G通信基礎(chǔ)上制定出個人和個人之間的交易方式，使我國的商業(yè)模式更加的多元化?！叭邇傻亍彪m然是5G通信的特征和優(yōu)點，但是同樣包含了通信網(wǎng)絡(luò)安全隱患，在進行物質(zhì)通信時，要從實際情況出發(fā)，確定基礎(chǔ)信息評估要求，明確技術(shù)挑戰(zhàn)思路。依據(jù)信息安全、技術(shù)規(guī)范等，對電力物聯(lián)產(chǎn)業(yè)進行升級，不斷提升信息安全系統(tǒng)的管理規(guī)范要求，結(jié)合設(shè)施操作的規(guī)范和密集度水平，確定安全保護系統(tǒng)流程，結(jié)合用戶信息安全隱私數(shù)據(jù)，分析確定不同的數(shù)據(jù)信息和密鑰標(biāo)準(zhǔn)要求，確保數(shù)據(jù)信息的真實準(zhǔn)確，提升數(shù)據(jù)共享融合機制，確保數(shù)據(jù)的歸屬準(zhǔn)確有效性。

6 結(jié)語

綜上所述，5G技術(shù)的發(fā)展對人類文明進步具有里程碑意義。尤其是在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的運行中，5G的應(yīng)用更是有舉足輕重的作用。相關(guān)從業(yè)者應(yīng)當(dāng)不斷改善數(shù)據(jù)分析水平低等問題，不斷強化5G技術(shù)在泛在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用效果，以使得未來的“萬物互聯(lián)”成為可能。