新時(shí)期5G 移動(dòng)通信在電力通信中的運(yùn)用與關(guān)鍵技術(shù)

張 晗

（國(guó)電南瑞南京控制系統(tǒng)有限公司，江蘇 南京 211106）

隨著科技的快速發(fā)展，移動(dòng)通信技術(shù)已成為現(xiàn)代社會(huì)不可或缺的一部分。5G 作為第五代移動(dòng)通信技術(shù)，憑借其超高速、低延遲、大連接數(shù)等特點(diǎn)，正在為全球各行各業(yè)帶來(lái)翻天覆地的變革。電力行業(yè)作為現(xiàn)代社會(huì)的基礎(chǔ)設(shè)施，更是與移動(dòng)通信技術(shù)結(jié)合得越來(lái)越緊密。在新的技術(shù)背景下，5G 如何與電力通信相結(jié)合，充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，提高電力系統(tǒng)的效率和可靠性，是電力行業(yè)和通信行業(yè)都十分關(guān)心的問(wèn)題。

1 新時(shí)期5G 移動(dòng)通信在電力通信中的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 DSS

DSS 主要允許運(yùn)營(yíng)商在同一頻帶上同時(shí)部署4G LTE 和5GNR，而無(wú)需進(jìn)行單獨(dú)的、靜態(tài)的頻率分配。在電力通信中，隨著新技術(shù)的引入和傳統(tǒng)技術(shù)的淘汰，頻譜資源變得極為寶貴。DSS 的引入，使得電力通信系統(tǒng)能夠充分、高效地利用已有的頻譜資源，同時(shí)在引進(jìn)5G技術(shù)時(shí)，無(wú)需大規(guī)模地更換或升級(jí)現(xiàn)有設(shè)備。首先，通過(guò)DSS，電力通信系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際的通信需求，動(dòng)態(tài)地分配頻譜資源給4G 或5G，這不僅能提高頻譜使用的效率，還為大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等電力應(yīng)用帶來(lái)了更加流暢的通信體驗(yàn)。其次，DSS 技術(shù)的引入極大地降低了5G 在電力通信中的部署門(mén)檻，電力公司可以在現(xiàn)有的4G 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上逐步、靈活地進(jìn)行5G 技術(shù)的部署和擴(kuò)張。最后，DSS 還能確保電力通信的連續(xù)性和穩(wěn)定性，即使在進(jìn)行技術(shù)升級(jí)或更換時(shí)，也不會(huì)出現(xiàn)通信中斷或數(shù)據(jù)丟失的情況。

1.2 eMBB

eMBB 旨在提供比4G 更高的數(shù)據(jù)速率、更大的網(wǎng)絡(luò)容量和更好的用戶體驗(yàn)。在電力通信領(lǐng)域，其在數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程控制及設(shè)備間通信中都扮演著至關(guān)重要的角色。其一，與傳統(tǒng)的寬帶技術(shù)相比，eMBB 可以支持高達(dá)10Gbps 的峰值數(shù)據(jù)速率，這意味著對(duì)于電力系統(tǒng)中的大量數(shù)據(jù)傳輸，如智能電表讀數(shù)、故障數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)等，都可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的高速傳輸。這對(duì)電力系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制操作至關(guān)重要，為電力工作人員提供前所未有的便捷。其二，隨著智能電網(wǎng)的不斷發(fā)展，大量的傳感器、控制器和其他終端設(shè)備都需要高速、穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)連接。eMBB 技術(shù)可以確保這些設(shè)備得到連續(xù)且高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，從而提高整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。其三，eMBB 還為電力通信帶來(lái)了更高的網(wǎng)絡(luò)容量，即使在多用戶、多設(shè)備的環(huán)境下，也能確保每個(gè)終端得到足夠的網(wǎng)絡(luò)資源，從而避免網(wǎng)絡(luò)擁塞和延遲的問(wèn)題。

1.3 mMTC

mMTC 旨在為大量的低功耗、小數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備提供有效的連接，其核心是滿足海量設(shè)備間的通信需求。在電力通信中，mMTC 的引入代表對(duì)未來(lái)智能電網(wǎng)無(wú)比巨大的期待。隨著電力系統(tǒng)向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展，大量的傳感器、智能計(jì)量設(shè)備、分布式能源資源等設(shè)備被廣泛部署，它們不斷地產(chǎn)生、傳輸數(shù)據(jù)，對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)提出更為嚴(yán)苛的要求。首先，mMTC技術(shù)能夠處理極大的連接密度，理論上可以支持每平方公里上百萬(wàn)個(gè)設(shè)備的連接，這為電力系統(tǒng)中海量的設(shè)備連接提供可能。在此基礎(chǔ)上，由于這些設(shè)備往往是低功耗、小數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，mMTC 技術(shù)還為其提供極低的能耗解決方案，從而大大延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。此外，mMTC 在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上也要進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)短數(shù)據(jù)包傳輸、簡(jiǎn)化的信號(hào)流程等技術(shù)手段，確保低延遲和高可靠性的數(shù)據(jù)傳輸，這對(duì)于電力系統(tǒng)中的故障檢測(cè)、狀態(tài)監(jiān)控、實(shí)時(shí)控制等場(chǎng)景至關(guān)重要。

2 新時(shí)期5G 移動(dòng)通信在電力通信中的運(yùn)用問(wèn)題

2.1 設(shè)備兼容性不統(tǒng)一

電力行業(yè)中的通信網(wǎng)絡(luò)往往由不同供應(yīng)商、不同生產(chǎn)年代的設(shè)備構(gòu)成，這些設(shè)備在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議和性能上存在差異，因此在整合5G 技術(shù)時(shí)，面臨著多種設(shè)備間的兼容性問(wèn)題。首先，“設(shè)備兼容性不統(tǒng)一”最直接的表現(xiàn)是在不同設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，可能由于協(xié)議不匹配或傳輸格式的差異導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失或錯(cuò)誤。在電力通信中，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)傳輸是至關(guān)重要的，任何的數(shù)據(jù)延遲或誤差都可能影響到電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。其次，由于設(shè)備間的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議差異，電力企業(yè)在采購(gòu)新設(shè)備或升級(jí)舊設(shè)備時(shí)，往往需要進(jìn)行大量的定制化開(kāi)發(fā)和調(diào)試工作，這不僅增加了投資成本，也延長(zhǎng)了項(xiàng)目的實(shí)施周期。此外，設(shè)備之間的不統(tǒng)一也給后期的維護(hù)和管理帶來(lái)了挑戰(zhàn)，需要更多的人力和物力投入。最后，隨著5G 技術(shù)的引入，電力通信網(wǎng)絡(luò)的更新?lián)Q代速度加快，但由于設(shè)備兼容性問(wèn)題，很多先進(jìn)的技術(shù)和功能無(wú)法完全應(yīng)用，導(dǎo)致通信網(wǎng)絡(luò)的性能沒(méi)有得到充分的發(fā)揮。這也意味著，電力企業(yè)在引入5G 技術(shù)時(shí)，無(wú)法完全享受到其帶來(lái)的技術(shù)紅利。

2.2 延時(shí)優(yōu)化的不完善

5G 技術(shù)承諾超低時(shí)延的通信體驗(yàn)，這對(duì)于電力行業(yè)，尤其是在復(fù)雜的電網(wǎng)調(diào)度和實(shí)時(shí)控制中，是至關(guān)重要的。然而，當(dāng)前的延時(shí)優(yōu)化尚未達(dá)到電力行業(yè)的嚴(yán)格要求，這在多個(gè)方面都有所體現(xiàn)，并對(duì)電力通信的穩(wěn)定性和效率產(chǎn)生影響。首先，盡管5G 技術(shù)具有低延時(shí)的天然優(yōu)勢(shì)，但在真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，由于頻譜擁塞、硬件設(shè)備的限制或信號(hào)干擾等問(wèn)題，實(shí)際的通信延時(shí)可能遠(yuǎn)高于理論值。在電力系統(tǒng)中，對(duì)于某些關(guān)鍵操作，如斷路器的快速切換或故障的實(shí)時(shí)檢測(cè)，即使是毫秒級(jí)的延時(shí)也可能導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。其次，電力通信網(wǎng)絡(luò)往往覆蓋范圍廣泛，涉及多個(gè)網(wǎng)絡(luò)層次和協(xié)議，這增加了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膹?fù)雜性。盡管5G 技術(shù)提供了多種延時(shí)優(yōu)化的手段，如網(wǎng)絡(luò)切片、邊緣計(jì)算等，但在真實(shí)應(yīng)用中，如何根據(jù)電力系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行精細(xì)化的延時(shí)優(yōu)化仍是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。最后，隨著電力設(shè)備和系統(tǒng)的智能化，對(duì)通信延時(shí)的要求也越來(lái)越高。如，未來(lái)的智能電網(wǎng)需要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的分布式能源資源的協(xié)同調(diào)度，這對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性提出了更高的要求。而當(dāng)前的5G 技術(shù)在這方面的優(yōu)化還不足以滿足這些需求。

2.3 網(wǎng)絡(luò)安全保障不足

隨著電力系統(tǒng)越來(lái)越依賴于先進(jìn)的通信技術(shù)，任何通信網(wǎng)絡(luò)的安全漏洞都可能對(duì)電力供應(yīng)鏈產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。其一，5G 技術(shù)采用開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，雖然提升了電力通信的靈活性和效率，但也給攻擊者提供了更多的攻擊入口。尤其是在電力通信中，一旦某些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)受到攻擊，可能會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)的整體失效，進(jìn)一步引發(fā)大規(guī)模的電力中斷。其二，隨著電力設(shè)備日益智能化，越來(lái)越多的設(shè)備與通信網(wǎng)絡(luò)相連接。這意味著，一旦通信網(wǎng)絡(luò)的安全遭到威脅，不僅會(huì)使傳輸?shù)臄?shù)據(jù)受到泄露的風(fēng)險(xiǎn)，還可能導(dǎo)致設(shè)備的遠(yuǎn)程控制權(quán)被非法篡奪。如，智能變電站如果被惡意攻擊，可能會(huì)導(dǎo)致輸電過(guò)程中的電壓、電流等參數(shù)失控，給用戶帶來(lái)安全隱患。其三，5G 通信技術(shù)的快速迭代和更新，使得網(wǎng)絡(luò)安全策略和措施經(jīng)常需要更新，而電力系統(tǒng)作為一個(gè)龐大而復(fù)雜的體系，其網(wǎng)絡(luò)安全更新和維護(hù)的周期相對(duì)較長(zhǎng)，這種不同步也增加了電力通信網(wǎng)絡(luò)的安全風(fēng)險(xiǎn)。電力通信中數(shù)據(jù)量巨大，涉及多個(gè)環(huán)節(jié)，如電量采集、遠(yuǎn)程控制、故障預(yù)警等，一旦這些數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中被篡改或偽造，可能會(huì)對(duì)電力調(diào)度、運(yùn)行、維護(hù)等環(huán)節(jié)造成混亂，甚至引發(fā)安全事故[1]。

3 新時(shí)期5G 移動(dòng)通信在電力通信中的運(yùn)用策略

3.1 推進(jìn)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一

電力行業(yè)中的通信網(wǎng)絡(luò)往往涵蓋多種設(shè)備，來(lái)自不同供應(yīng)商，不同生產(chǎn)年代，因此設(shè)備間的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議和性能存在巨大差異[2]。這種差異不僅增加了電力企業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本，還可能對(duì)電力通信的效率和穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面影響。為實(shí)現(xiàn)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，電力企業(yè)和通信技術(shù)供應(yīng)商需要聯(lián)合制定一套統(tǒng)一的設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議。這需要雙方深入探討當(dāng)前的技術(shù)趨勢(shì)、市場(chǎng)需求和技術(shù)挑戰(zhàn)，以確保所制定的標(biāo)準(zhǔn)能夠滿足電力行業(yè)的實(shí)際需求，同時(shí)也能夠適應(yīng)未來(lái)的技術(shù)發(fā)展。同時(shí)，在推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的過(guò)程中，也需要注重實(shí)際應(yīng)用的驗(yàn)證。電力企業(yè)可以選擇一些具有代表性的項(xiàng)目進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的試點(diǎn)應(yīng)用，通過(guò)這些項(xiàng)目收集反饋，不斷完善和修訂標(biāo)準(zhǔn)。在這個(gè)過(guò)程中，還需要加強(qiáng)與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織的溝通和合作，確保所制定的標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)保持一致，從而提高我國(guó)電力通信技術(shù)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。此外，培訓(xùn)和教育也是推進(jìn)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的重要環(huán)節(jié)[3]。電力企業(yè)和通信技術(shù)供應(yīng)商需要聯(lián)合開(kāi)展一系列的培訓(xùn)活動(dòng)，向業(yè)內(nèi)人員普及新的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，提高業(yè)內(nèi)人員的認(rèn)知度和應(yīng)用能力。同時(shí)，也需要加強(qiáng)與高校和研究機(jī)構(gòu)的合作，將新的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議納入教學(xué)和研究?jī)?nèi)容，為電力行業(yè)培養(yǎng)更多的高素質(zhì)人才[4]。

3.2 完善延遲優(yōu)化技術(shù)

電力行業(yè)中，時(shí)延問(wèn)題對(duì)于系統(tǒng)的穩(wěn)定性、效率及安全操作有著直接的影響。5G 技術(shù)的出現(xiàn)為電力通信提供了低延遲的可能，但要真正滿足電力行業(yè)的實(shí)際需求，仍需進(jìn)一步完善延遲優(yōu)化技術(shù)。電力通信場(chǎng)景多種多樣，從電廠的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄茈娋W(wǎng)的控制指令，都有不同的時(shí)延要求。為滿足這些要求，電力企業(yè)需要深入研究各種場(chǎng)景的通信特點(diǎn)，結(jié)合5G 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，制定出針對(duì)性的延遲優(yōu)化方案[5]。例如，電力企業(yè)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，為不同的電力通信場(chǎng)景分配專屬的網(wǎng)絡(luò)資源，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝Ш头€(wěn)定。同時(shí)，邊緣計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用也為延遲優(yōu)化提供了新的思路。通過(guò)將數(shù)據(jù)處理和分析任務(wù)從中心服務(wù)器移到網(wǎng)絡(luò)邊緣，可以有效減少數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸距離和時(shí)間，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更低的時(shí)延。電力企業(yè)可以結(jié)合自身的業(yè)務(wù)特點(diǎn)，部署合適的邊緣計(jì)算設(shè)備和系統(tǒng)，以滿足實(shí)時(shí)性的要求。

除此之外，對(duì)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和協(xié)議進(jìn)行優(yōu)化也是完善延遲技術(shù)的重要手段。電力企業(yè)可以與通信技術(shù)供應(yīng)商緊密合作，對(duì)現(xiàn)有的設(shè)備進(jìn)行升級(jí)或更換，確保其支持低延遲的通信。同時(shí)，電力企業(yè)也可以引入新的通信協(xié)議，如QUIC 協(xié)議，進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省ｋ娏ζ髽I(yè)和通信技術(shù)供應(yīng)商還需加強(qiáng)研發(fā)力度，持續(xù)關(guān)注延遲優(yōu)化技術(shù)的最新進(jìn)展，探索更多的優(yōu)化方法和技術(shù)。例如，電力企業(yè)可以通過(guò)引入機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)，對(duì)電力通信的數(shù)據(jù)流進(jìn)行智能分析和調(diào)度，實(shí)現(xiàn)更加精細(xì)化的延遲優(yōu)化。

3.3 強(qiáng)化網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)

隨著電力通信越來(lái)越依賴于現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，尤其是5G 技術(shù)的廣泛應(yīng)用，電力系統(tǒng)的安全性面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。任何一次網(wǎng)絡(luò)攻擊都可能導(dǎo)致電力系統(tǒng)的運(yùn)行異常，甚至可能引發(fā)大規(guī)模的停電事件，給社會(huì)經(jīng)濟(jì)帶來(lái)巨大的損失。為強(qiáng)化電力通信網(wǎng)絡(luò)的安全防護(hù)，電力行業(yè)需要建立一個(gè)完善的網(wǎng)絡(luò)安全管理體系。這個(gè)體系應(yīng)該涵蓋網(wǎng)絡(luò)安全的各個(gè)方面，從基礎(chǔ)的物理安全到高級(jí)的網(wǎng)絡(luò)入侵檢測(cè)和響應(yīng)。例如，電力企業(yè)可以設(shè)置多層的防火墻系統(tǒng)，對(duì)所有進(jìn)出電力通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)控和過(guò)濾，確保只有合法和安全的數(shù)據(jù)能夠進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，電力企業(yè)也需要加強(qiáng)與通信技術(shù)供應(yīng)商的合作，共同研發(fā)更加先進(jìn)和可靠的網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)。例如，電力企業(yè)可以引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)，確保電力通信數(shù)據(jù)的完整性和不可篡改性；或者采用深度學(xué)習(xí)算法，對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行智能分析，實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)并預(yù)防潛在的網(wǎng)絡(luò)攻擊。除技術(shù)層面的防護(hù)，人為因素也是網(wǎng)絡(luò)安全的重要環(huán)節(jié)。電力企業(yè)應(yīng)該定期對(duì)員工進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)安全培訓(xùn)，提高其安全意識(shí)，確保其在日常工作中不會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)安全的漏洞。

此外，電力企業(yè)還可以建立專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)安全團(tuán)隊(duì)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行24 小時(shí)的監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理任何安全問(wèn)題。電力行業(yè)還需要與國(guó)家的網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)構(gòu)進(jìn)行緊密合作，共同應(yīng)對(duì)更大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)攻擊。在面對(duì)跨國(guó)的網(wǎng)絡(luò)安全事件時(shí)，電力企業(yè)和國(guó)家機(jī)構(gòu)之間的合作是關(guān)鍵，只有通過(guò)共同的努力，才能確保電力通信網(wǎng)絡(luò)的安全。綜合考慮，強(qiáng)化網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)不僅是電力通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)工作，也是確保電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。在5G 技術(shù)廣泛應(yīng)用的新時(shí)期，電力行業(yè)必須重視網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題，采取有力措施，確保電力通信網(wǎng)絡(luò)的安全和穩(wěn)定。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著5G 移動(dòng)通信技術(shù)在全球范圍內(nèi)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，其在電力通信領(lǐng)域的融入和利用已逐漸成為一個(gè)不可或缺的技術(shù)革新方向。這種新興通信技術(shù)不僅顯著提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎退俣?，更為電力通信帶?lái)了一系列前所未有的技術(shù)革新和應(yīng)用解決策略。然而，這種技術(shù)融合的過(guò)程中同樣伴隨著一系列技術(shù)和應(yīng)用上的挑戰(zhàn)，這些問(wèn)題需要電力和通信行業(yè)的科研人員和工程師深入探討和持續(xù)攻關(guān)。幸運(yùn)的是，隨著各領(lǐng)域的緊密合作和技術(shù)創(chuàng)新不斷深入，筆者堅(jiān)信，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，電力通信將迎來(lái)一個(gè)更加智能化、高效率和安全穩(wěn)定的發(fā)展新時(shí)代。