基于物聯(lián)網(wǎng)和5G 技術(shù)的智慧電力平臺研究

包 震

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司淮安供電分公司，江蘇 南京 223001）

0 引 言

電力系統(tǒng)是現(xiàn)代化社會不可或缺的基礎(chǔ)設(shè)施，已發(fā)展為一項系統(tǒng)化且高度復(fù)雜的系統(tǒng)。電力企業(yè)對電力系統(tǒng)運行、監(jiān)測、預(yù)警以及信息化等方面提出了極高的要求。在智能電網(wǎng)技術(shù)的推動下，智慧電力系統(tǒng)得到了快速發(fā)展，成為現(xiàn)代化電力系統(tǒng)的核心部分，被廣泛應(yīng)用于電力領(lǐng)域[1]。智慧電力平臺實現(xiàn)了智能化監(jiān)測、自動化分析、預(yù)測以及智能控制等多種功能，提高了電力系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、安全性以及經(jīng)濟(jì)性，解決了以往能源采集分布式控制存在的部分問題。相較于傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)，智慧電力系統(tǒng)可通過網(wǎng)絡(luò)將電力設(shè)備實時信息轉(zhuǎn)發(fā)至智慧電力平臺，從而實現(xiàn)監(jiān)測、預(yù)測以及故障診斷等多種智能化服務(wù)，為消費者和電力生產(chǎn)商提供全新的技術(shù)支撐和解決方案。

智慧電力平臺是智慧電力系統(tǒng)不可或缺的技術(shù)支撐體系，能夠為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行、實現(xiàn)全面協(xié)調(diào)發(fā)展以及推進(jìn)電力系統(tǒng)朝著智能、綠色、可持續(xù)化的方向發(fā)展發(fā)揮重要的作用。未來，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和智慧電力系統(tǒng)的不斷完善，智慧電力平臺將發(fā)揮越來越重要的作用。

1 物聯(lián)網(wǎng)、5G 技術(shù)與電力系統(tǒng)

1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)指通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)智能化、網(wǎng)絡(luò)化和信息化改造電力系統(tǒng)，以實現(xiàn)電力系統(tǒng)的智能化和高效化運營。其優(yōu)點主要如下：一是可靠性和穩(wěn)定性強(qiáng)，電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實時監(jiān)測電力設(shè)備、線路和變電站等的運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)故障和異常情況，并且通過自動化控制和預(yù)測維護(hù)等功能，實現(xiàn)快速響應(yīng)，從而增強(qiáng)電力系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性；二是能源效率高，電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實時監(jiān)控電力負(fù)荷，根據(jù)實時負(fù)荷狀況合理分配和調(diào)整電力資源，避免出現(xiàn)能源浪費和限電現(xiàn)象，提高能源效率；三是經(jīng)濟(jì)性提升，電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以降低電力系統(tǒng)運營和維護(hù)成本，通過預(yù)測性維護(hù)和智能化能源管理，實現(xiàn)電力系統(tǒng)的高效運行和節(jié)能降耗，從而提高經(jīng)濟(jì)性；四是環(huán)保節(jié)能，電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實現(xiàn)綠色能源和清潔能源的智能調(diào)度和管理，從而實現(xiàn)保護(hù)環(huán)境和節(jié)能降耗的目標(biāo)[2]。

1.2 5G 技術(shù)

5G 技術(shù)是一種符合新一代移動通信標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)，與之前的3G 和4G 技術(shù)相比，其在電力系統(tǒng)中應(yīng)用具有廣泛的優(yōu)越性。5G 技術(shù)具體優(yōu)點如下：一是低時延，5G 網(wǎng)絡(luò)的延遲只有毫秒級別，這意味著數(shù)據(jù)傳輸速度非常快，并且延遲非常低，這對電力系統(tǒng)中需要即時反應(yīng)和實時控制的應(yīng)用非常重要；二是大連接，5G 技術(shù)可以實現(xiàn)數(shù)百萬臺設(shè)備的連接，因此電力系統(tǒng)中不同種類的設(shè)備和系統(tǒng)都可以實現(xiàn)全面的互聯(lián)；三是高可靠性，5G 網(wǎng)絡(luò)具有高可靠性，這意味著5G 技術(shù)在電力系統(tǒng)中能夠提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)通信保證；四是高帶寬，5G 技術(shù)提供了更高的帶寬，這意味著更多的數(shù)據(jù)可以通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，使智能化電力設(shè)備擁有更高效的響應(yīng)時間；五是分層結(jié)構(gòu)，5G 技術(shù)采用了分層結(jié)構(gòu)的設(shè)計，在不同的網(wǎng)絡(luò)層可以實現(xiàn)不同的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，更好地適應(yīng)電力系統(tǒng)中不同種類的服務(wù)需求[3]。

1.3 電力系統(tǒng)

電力系統(tǒng)是由發(fā)電、輸電、變電、配電以及用電等環(huán)節(jié)組成的電能傳輸系統(tǒng)。我國電力市場的主要供應(yīng)公司是國家電網(wǎng)有限公司和中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司。電力應(yīng)用涉及各行各業(yè)，一般包括企業(yè)和大量的個人用戶。電力輔助企業(yè)的主體是電力設(shè)計、建設(shè)、設(shè)備制造等企業(yè)。電力系統(tǒng)具有強(qiáng)烈的非線性、時變、多元性，其長距離輸電還涉及電力損耗和電磁干擾等問題[4]。因此，電力系統(tǒng)的建設(shè)和運行需要多學(xué)科的綜合應(yīng)用，對于保障國家經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、安全以及可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。

2 新時代下電力行業(yè)的需求與痛點

2.1 多層次網(wǎng)絡(luò)控制需要

電力網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是一個多層次的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，重要的網(wǎng)絡(luò)層次包括國家層面、中間層面以及業(yè)務(wù)層面。對于不同的網(wǎng)絡(luò)層次，為兼顧國家和業(yè)務(wù)需要，電力網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)需要做出不同的調(diào)整，具體如下。一是國家層面，對整個電力系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一的協(xié)調(diào)和規(guī)劃。例如，根據(jù)國家政策，需要對電力系統(tǒng)在能源、環(huán)保、安全以及可持續(xù)發(fā)展方面進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃和管理，實現(xiàn)節(jié)能減排和優(yōu)化調(diào)度等目標(biāo)。二是中間層面，包括各電力企業(yè)之間的網(wǎng)絡(luò)層次。在該層面，需要兼顧各電力企業(yè)的業(yè)務(wù)需求。例如，不同電力企業(yè)之間需要進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，需要建立一套安全可靠的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和信息交換。三是業(yè)務(wù)層面，包括各電力企業(yè)下屬各級網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在該層面，需要兼顧各級網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求。例如，需要實時監(jiān)測和控制各級網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備和傳感器等，實現(xiàn)電力系統(tǒng)的快速響應(yīng)和資源調(diào)度。

電力網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的多重網(wǎng)絡(luò)層次需要兼顧國家和業(yè)務(wù)的需要，建立一套安全可靠的電力網(wǎng)絡(luò)控制體系，強(qiáng)化各網(wǎng)絡(luò)層次之間的溝通和協(xié)作，以實現(xiàn)電力系統(tǒng)的高效運行和長期穩(wěn)定。

2.2 傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)卡不能滿足電力系統(tǒng)業(yè)務(wù)升級的需要

隨著電力系統(tǒng)的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)通信在電力系統(tǒng)中扮演著越來越重要的角色。然而，傳統(tǒng)的電力物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)卡存在一些不足，不能完全滿足電力系統(tǒng)業(yè)務(wù)升級的需求，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：一是性能瓶頸，網(wǎng)卡的帶寬和速率有限，已經(jīng)無法滿足高速和大容量數(shù)據(jù)的傳輸需求；二是安全性低，傳統(tǒng)網(wǎng)卡容易遭受黑客攻擊和病毒感染，導(dǎo)致電力系統(tǒng)的安全風(fēng)險增加；三是可靠性差，傳統(tǒng)網(wǎng)卡容易出現(xiàn)故障，導(dǎo)致通信中斷和數(shù)據(jù)丟失[5]。因此，需要開發(fā)新一代的電力物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)卡，該網(wǎng)卡需要具備高速、安全、可靠等特性，以滿足電力系統(tǒng)業(yè)務(wù)升級的需求。同時，需要加強(qiáng)電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計和優(yōu)化，建立安全可靠的電力網(wǎng)絡(luò)體系，以保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和可持續(xù)發(fā)展。

2.3 高效處理和分析數(shù)據(jù)

傳統(tǒng)電力業(yè)務(wù)中心無法實時統(tǒng)計、分析和處理電力系統(tǒng)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。受限于信息傳輸速率和連接數(shù)量，控制中心無法實現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)的快速傳輸，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用也相對較少，無法實現(xiàn)電力與信息的深度融合，這成為控制中心無法實時統(tǒng)計、分析和處理數(shù)據(jù)的主要因素。此外，由于電力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)種類繁多且格式不一，為了實時進(jìn)行分析處理以滿足業(yè)務(wù)需求，必須采用高效的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，如大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)。為解決該問題，需要加快推進(jìn)電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的升級和改造，采用先進(jìn)的通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提高系統(tǒng)的帶寬和速率，同時引入大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，建立智能化的電力數(shù)據(jù)處理和分析系統(tǒng)，推動電力系統(tǒng)的數(shù)字化和智能化升級。

3 智慧電力平臺的具體應(yīng)用場景

智慧電力平臺有3大實現(xiàn)電力系統(tǒng)數(shù)字化的方式。一是使用泛在感知、高速通信和平臺存儲技術(shù)，實現(xiàn)對電力設(shè)備資產(chǎn)全方位、高精度、及時的監(jiān)測，并通過多維數(shù)據(jù)動態(tài)監(jiān)控和診斷電力設(shè)備的全生命周期，廣泛感知各類電力場景。二是智能分析，通過分析預(yù)測和模擬反饋，支持基于現(xiàn)有系統(tǒng)的運營優(yōu)化和系統(tǒng)控制的決策，實現(xiàn)各類電力場景的智能識別和分析。三是數(shù)字化自治，通過建立在跨系統(tǒng)和跨模塊數(shù)據(jù)交互基礎(chǔ)上的高度智能化運行模式，實現(xiàn)智能治理。智慧電力平臺主要應(yīng)用于以下4 個典型場景。

3.1 智慧發(fā)電典型場景

在發(fā)電領(lǐng)域，智慧電力平臺的應(yīng)用范圍十分廣泛，包括基礎(chǔ)設(shè)施、安全、運營、燃料、設(shè)備、材料、運營以及辦公等多個方面。該背景下，文章提出2 種典型的應(yīng)用場景，具體如下。

（1）建立信息支持平臺。該平臺應(yīng)包括數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)服務(wù)、4A 標(biāo)準(zhǔn)化管理以及流程管理等7 大模塊[6]。該平臺應(yīng)滿足手機(jī)與手機(jī)之間的兼容要求，并將其整合在一起，以提供更加便捷的服務(wù)。同時，采用虛擬電廠和數(shù)字孿生技術(shù)，建設(shè)三維可視化平臺，高精度和高仿真三維建模變電站，為智能安全管理等智能化應(yīng)用提供可視化和數(shù)字化的支持平臺。

（2）實現(xiàn)智能管理。智能管理涉及基礎(chǔ)設(shè)施、安全、運營、燃料、設(shè)備、材料、運營以及辦公等方面。新能源如風(fēng)力和太陽能等，與電力系統(tǒng)結(jié)合后將使電力系統(tǒng)由單一供電向多供電轉(zhuǎn)變。智能發(fā)電通過5G 網(wǎng)絡(luò)和巡檢機(jī)器人等設(shè)備實現(xiàn)對風(fēng)電和太陽能等新能源的智能監(jiān)控，并對風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行智能監(jiān)控和調(diào)速，有利于提高風(fēng)電和太陽能的發(fā)電能力，提高運行效果，減少運行費用。在充分考慮行業(yè)要求的基礎(chǔ)上，采用先進(jìn)的技術(shù)手段和方案，不斷提高智慧電力平臺的應(yīng)用價值，為電力行業(yè)的發(fā)展注入新的活力。

3.2 智慧輸電典型場景

智慧輸電場景可以分為2 個主要部分，即智慧監(jiān)控和狀態(tài)監(jiān)控。智慧監(jiān)控需要實地檢測輸電設(shè)備和線路，并根據(jù)情況分析、掌握和排除潛在的安全隱患。為了提高巡檢效率，需要設(shè)計一鍵釋放、多模式組合及自動持續(xù)的立體巡邏模式，并利用物聯(lián)網(wǎng)、5G 增強(qiáng)移動寬帶（enhance Mobile Broad Band，eMBB）、大數(shù)據(jù)、云計算以及增強(qiáng)現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）等技術(shù)進(jìn)行大規(guī)模的自動巡邏。此外，智慧輸電技術(shù)需要實時監(jiān)測、預(yù)警、分析、診斷以及預(yù)測各種設(shè)備和線路狀態(tài)，以確保電力系統(tǒng)的安全運行。由于我國地域廣闊，輸電線路分布廣泛，傳統(tǒng)4G 網(wǎng)絡(luò)難以有效覆蓋和監(jiān)控人口較少和地勢較差的地區(qū)。為解決該問題，需要利用5G 網(wǎng)絡(luò)和巡檢機(jī)器人等技術(shù)在高風(fēng)險環(huán)境下實時監(jiān)測電力系統(tǒng)，以提高巡檢效率和安全可靠性，降低停電故障率和維護(hù)費用，同時減少員工的人身安全風(fēng)險。智慧輸電技術(shù)在智能監(jiān)控方面的應(yīng)用將會得到極大拓展。

3.3 智慧變配電場景

智慧變配電的應(yīng)用場景主要包括對負(fù)荷的精確控制、實時顯示變電站信息以及監(jiān)控配電系統(tǒng)運行狀況等。為實現(xiàn)這些目標(biāo)，采用各種先進(jìn)的現(xiàn)代科技智能監(jiān)控變配電場景。例如，智慧監(jiān)控系統(tǒng)中，使用監(jiān)控機(jī)器人有效監(jiān)控電力系統(tǒng)，采集并分析監(jiān)測圖像，自動生成故障報告，從而提高監(jiān)測工作的效率，降低維護(hù)費用，減少設(shè)備和人員的安全風(fēng)險，保障電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行。

此外，配電系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測非常重要。通過傳感器監(jiān)測配電設(shè)備運行狀況、運行環(huán)境監(jiān)測和防盜報警等，可以保證配電系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行和分布電力供應(yīng)。為建立高品質(zhì)的監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)，必須使用關(guān)鍵技術(shù)與裝備，如網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、相關(guān)信息化平臺和傳感器等。只有掌握這些技術(shù)與裝備，才能有效保證配電系統(tǒng)的正常運行。

毫秒級精確負(fù)載控制可以迅速切斷持續(xù)運行的負(fù)載，因此在個體用戶場景中得到了廣泛應(yīng)用。隨著生活負(fù)載的不斷增加，智慧配電網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點也會相應(yīng)增加。智慧配電網(wǎng)是一種通過使用5G 網(wǎng)絡(luò)、攝像機(jī)、無人機(jī)等設(shè)備，對配電主站、配電站、配電網(wǎng)的故障定位、故障恢復(fù)、分布式配電自動化以及微秒級精確負(fù)載等方面進(jìn)行實時監(jiān)測和控制的系統(tǒng)。此外，5G 配電自動化是智能配電的重要應(yīng)用領(lǐng)域。借助5G網(wǎng)絡(luò)的切片，可以實現(xiàn)終端對終端之間的毫秒級延遲溝通，滿足電網(wǎng)自動化、物理隔離、邏輯隔離的需求，為配網(wǎng)自動化、視頻監(jiān)控和公共服務(wù)提供有力支持。

3.4 智慧用電場景

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，智慧用電的應(yīng)用范圍越來越廣泛。目前，主要的智慧用電場景包括在線業(yè)務(wù)處理、電力設(shè)備的智能檢測和管理、電力數(shù)據(jù)采集、故障分析和預(yù)警以及信息的公布和互動。由于電力信息采集量大、數(shù)據(jù)上行流量大且下行流量小，涉及更多的終端數(shù)量、更長的時間和更高的精確度，以保證智慧用電方案的有效性和可靠性。在線業(yè)務(wù)處理通常利用在線平臺和軟件實現(xiàn)，需要全面訪問業(yè)務(wù)服務(wù)，并具備信息和核心用戶識別等能力。為提高維修工作的效率和質(zhì)量，智能故障分析和預(yù)警系統(tǒng)需要實現(xiàn)搶修作業(yè)的自動化。智慧監(jiān)控系統(tǒng)是在智能化社區(qū)等區(qū)域，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)智能監(jiān)測和管理覆蓋的電力設(shè)施，實現(xiàn)電力系統(tǒng)的管理和服務(wù)的雙向交互。

5G 技術(shù)與智慧用電系統(tǒng)緊密結(jié)合，通過5G 網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)功能和用電數(shù)據(jù)采集裝置（Data Collection Unit，DCU），實現(xiàn)自動采集用電信息、監(jiān)測計量異常、控制大用戶負(fù)載、管理線路損耗、電能質(zhì)量監(jiān)測、用戶用電分析以及計費管理等功能[7]?；?G 技術(shù)的廣泛應(yīng)用，智慧用電可以為供電公司提供業(yè)務(wù)優(yōu)化服務(wù)和優(yōu)質(zhì)用電服務(wù)，降低線路損耗，指導(dǎo)錯峰用電，同時降低用電管理和運行成本，提高營業(yè)收入。

4 結(jié) 論

文章研究的智慧電力平臺的建設(shè)目標(biāo)是利用互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，為電力企業(yè)提供跨中國移動通信集團(tuán)有限公司、中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團(tuán)有限公司、中國電信集團(tuán)有限公司3 大運營商的連接管理和5G 網(wǎng)絡(luò)切片運營管理，從而整合終端廠商推動電網(wǎng)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)和通信設(shè)備管控。該平臺旨在提高電網(wǎng)與運營商的交互能力，幫助用戶實時掌控通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，提升精細(xì)化運維水平，降低網(wǎng)絡(luò)運營費用，提高企業(yè)競爭力。未來，智慧電力平臺將提供更豐富、多元化、靈活的網(wǎng)絡(luò)切片服務(wù)管理能力，并以更開放的架構(gòu)為電力內(nèi)部業(yè)務(wù)提供支撐服務(wù)。