基于ISO方法論下的5G電力行業(yè)標準化效益評估

關鍵詞：ISO方法論，5G，電力行業(yè)，效益評估

DOI編碼：10.3969/j.issn.1674-5698.2024.10.016

0 引言

電力通信網(wǎng)是電力系統(tǒng)的重要基礎設施，是確保電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行的重要手段，保證了各類電力業(yè)務的安全性、實時性、準確性和可靠性要求。隨著大規(guī)模新能源接入、用電負荷需求側響應等業(yè)務快速發(fā)展，各類電力終端、用電客戶的通信需求暴漲，海量設備需實時監(jiān)測或控制，信息雙向交互頻繁，傳統(tǒng)光纖通信專網(wǎng)難以滿足海量的采集控制終端接入需求[1]。因此，具有大帶寬、低時延、高速率、廣連接、低能耗特點的5G技術應用，能夠以更低的建設成本、更快的建設周期，提供近似于光纖通信的通道性能和高可靠性，提供面向電力行業(yè)的經(jīng)濟靈活、安全可靠、全方位覆蓋的定制化“行業(yè)專網(wǎng)”—— 5G電力虛擬專網(wǎng)服務[2]，可更好地滿足電網(wǎng)業(yè)務差異化需求，進一步提升電網(wǎng)企業(yè)對自身業(yè)務的自主可控能力和運營效率。

本文的總體目標是以效益提升為導向，圍繞深圳5G電力行業(yè)主要應用場景，從深圳供電局5G應用場景中選取發(fā)揮效益價值較大的業(yè)務場景，對深圳供電局5G技術應用現(xiàn)狀以及5G技術與標準應用創(chuàng)造的綜合效益進行分析研究，從而幫助深圳供電局總結和輸出5G應用先進經(jīng)驗及創(chuàng)新管理模式，推動業(yè)務工作高質(zhì)量發(fā)展，提升生產(chǎn)管理水平。

1 價值鏈分析

1.1 產(chǎn)業(yè)價值鏈

價值鏈是指一連串與產(chǎn)出某些輸出、產(chǎn)品或服務相關的系列活動。產(chǎn)品或服務按照規(guī)定的順序貫穿所有的活動，并在每個環(huán)節(jié)獲得增值。在深圳市電力行業(yè)，電力從生產(chǎn)到消費的全過程價值鏈如圖1所示。深圳供電局在電力行業(yè)價值鏈中涉及“輸電、變電、配電、用電”等環(huán)節(jié)，處于電力行業(yè)價值鏈核心地位。

1.2 公司價值鏈

根據(jù)邁克爾·波特提出的“價值鏈分析法”，結合深圳供電局的業(yè)務布局，可以得出其公司價值鏈如圖2所示。

深圳供電局在深圳市電力行業(yè)中處于核心位置，涵蓋了行政管理、研發(fā)、工程、采購等支撐業(yè)務部門，以及輸電、變電、配電、電力調(diào)度、市場和客戶服務等主要業(yè)務部門。

深圳供電局內(nèi)部價值鏈涵蓋了行政管理、研發(fā)、工程、采購等支撐業(yè)務，以及輸電、變電、配電、電力調(diào)度、市場和客戶服務等主要業(yè)務。行政管理主要包括人力、財務、信息中心、資產(chǎn)管理、安全監(jiān)督等基礎支撐運營活動，確保企業(yè)各項業(yè)務的順利開展和企業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展；研發(fā)和設計主要包括對電網(wǎng)規(guī)劃和技術創(chuàng)新活動；工程主要包括電網(wǎng)線路改造建設、傳輸設備改造、5G無線專網(wǎng)建設、虛擬電廠建設等規(guī)劃和實施活動；采購主要包括設備、軟件、服務等采購活動；輸電管理主要包括輸電設備的維護、檢修和更新改造，以及輸電線路的巡視和故障處理等活動，確保電力傳輸?shù)姆€(wěn)定性和效率；變電管理主要包括變電站的建設、運營和維護等活動，確保變電設施的安全和高效，支持電網(wǎng)可靠運行；配電管理主要包括監(jiān)控和維護配電系統(tǒng)，優(yōu)化配電網(wǎng)絡結構等活動，提升電力供應的可靠性和服務質(zhì)量；電力調(diào)度主要包括對整個電網(wǎng)的運行控制和協(xié)調(diào)，合理調(diào)配電力資源等活動，確保電力供應的連續(xù)性和穩(wěn)定性；市場和客戶服務主要包括優(yōu)化電力營商環(huán)境，高質(zhì)量的建成現(xiàn)代供電服務體系，為客戶提供供電優(yōu)質(zhì)服務。

2 關鍵價值驅動因素和評估范圍

2.1 關鍵價值驅動因素

根據(jù)ISO方法論2 .0中的定義，價值驅動因素是能夠為深圳供電局帶來競爭優(yōu)勢的關鍵組織能力，在本文中主要指能夠為深圳供電局帶來高效管理能力和服務的關鍵因素。通過對深圳供電局內(nèi)部相關人員的訪談，總結出本文的關鍵價值驅動因素見表1。

2.2 評估范圍

評估范圍僅限于使用標準能產(chǎn)生明顯的效益的業(yè)務環(huán)節(jié)以及與關鍵價值驅動因素密切相關的活動。根據(jù)調(diào)研結果顯示，深圳供電局在“工程、輸電管理、配電管理、變電管理和電力調(diào)度”等領域開展探索5G創(chuàng)新應用產(chǎn)生較明顯的效益價值，因此本文選定的評估范圍見表2。

3 標準在價值鏈中的應用

本文所界定的評估范圍內(nèi)，確定了深圳供電局待評價的關鍵業(yè)務環(huán)節(jié)。通過調(diào)研、訪談的形式，深入了解深圳供電局在關聯(lián)業(yè)務活動中的標準應用情況，識別出評估范圍內(nèi)使用的標準，見表3。

4 選擇關鍵營運指標以確定標準的影響

通過對評估對象的詳細調(diào)研，結合評估對象提供的相關數(shù)據(jù)，分析和整理出衡量標準影響的營運指標，見表4。

5 標準效益的定性定量評估

5.1 工程

5.1.1 節(jié)約投資成本

在使用5G標準后，深圳供電局一方面規(guī)范了配電自動化規(guī)劃、設計以及配電設備選址優(yōu)化、運行監(jiān)測、能效、安全性、經(jīng)濟性評估評價等方面的技術要求，另一方面明確了配電開關、配電柜、母線裝置、電纜線路、接地裝置和二次回路接線等電氣裝置及系統(tǒng)化工程的施工、驗收、工程質(zhì)量檢測等技術指標，從而可以利用5G無線通道承載配網(wǎng)自動化“三遙”業(yè)務，有效解決了城市環(huán)境光纖敷設困難的制約，避免配網(wǎng)光纖易受外力破壞的風險，提高了配網(wǎng)線路的運行安全水平。按每臺交換機采購和部署0.2萬元，非新建線路敷設光纜每公里6萬元造價估算，2021年減少配置100臺交換機，減少敷設光纜50公里，可節(jié)省交換機購置施工費20萬元及光纜敷設費300萬元，共計節(jié)省320萬元；2022年新增1000個節(jié)點，距離500千米，共計可節(jié)省3200萬元；2023年新增900個節(jié)點，距離450千米，共計可節(jié)省2880萬元；3年共計節(jié)省6400萬元。

在使用5G標準后，深圳供電局增強了虛擬電廠對通信網(wǎng)絡廣連接、端到端數(shù)據(jù)傳輸、多協(xié)議轉換、負荷端海量接入等技術要求，實現(xiàn)了通過虛擬電廠來聚合分布式發(fā)電站和用戶側資源參與電網(wǎng)削峰填谷，不需要新建發(fā)電機組及配套輸變電設備，節(jié)約了發(fā)電容量投資成本。以某200MW虛擬電廠應用試點為例，硬件投資成本約1700～3500萬元，建設虛擬電廠平臺的開發(fā)費用約1000萬元，運行成本按總投資成本的5%考慮，約為135～225萬元，綜合計算該虛擬電廠的成本約為2700～4500萬元，單位投資成本約200元/kW。根據(jù)計算，相比于傳統(tǒng)能源發(fā)電，建設200MW虛擬電廠預計可節(jié)約發(fā)電容量投資4.6～12.9億元[3]，見表5。

5.1.2 節(jié)約土地資源

在使用5G標準后，深圳供電局在不占用土地資源、不進行變電站擴容、不新建變電站、不需新建輸電通道的前提下，基于虛擬電廠就可滿足現(xiàn)階段部分電力用戶的負荷要求，從而降低電力基礎設施投資成本，提升電力資本運營效率。如建設200MW燃氣電廠需占地3.63萬平方米，按每平米3萬元的工業(yè)用地價格計算，建設燃氣電廠的土地資源總價值在9～10億元，若采用虛擬電廠則可節(jié)約相應價值的土地資源。

5.2 輸電管理環(huán)節(jié)

5.2.1 輸電線路監(jiān)控效率

在使用5 G標準后，深圳供電局解決了5 G基站、5G終端設備與輸電桿塔共站址的場景中的電磁兼容、電磁干擾等技術難題，從而基于5G通信遠程控制5G攝像頭、5G無人機，實現(xiàn)輸電線路巡檢場景遠端圖像回傳、線路監(jiān)測和巡檢。在線監(jiān)測視頻采集終端（攝像頭、無人機）內(nèi)置了5G模組，通過就近的5G基站，將產(chǎn)生的高清數(shù)據(jù)流（圖片、視頻）回傳至深圳供電局電力專用核心網(wǎng)（管理區(qū)），再通過公司內(nèi)部傳輸網(wǎng)專線送達視頻監(jiān)控主站。無人機在每個巡視點拍攝約10張照片，利用5G相比于4G更大的帶寬和更低的時延特性，可傳輸更清晰的數(shù)據(jù)流，系統(tǒng)分析準確率將大大提升。而相較于人工巡檢，效率更是大幅增長。

據(jù)統(tǒng)計，巡視一回50 0千伏輸電線路，傳統(tǒng)人工巡視需要2個人巡視10天?，F(xiàn)在通過5G輸電智能巡檢系統(tǒng)，只需要1個人兩個小時完成巡視，使得工作人員有更充裕時間對巡檢照片進行細致分析。綜合看，智能巡視效率較人工作業(yè)提升了11倍，見表6。

5.2.2 輸電線路溫度異常檢測

在電力系統(tǒng)中，輸電線路設備溫度是影響電力系統(tǒng)的可靠性的關鍵因素之一。當設備溫度異常時，不僅可能導致設備的使用壽命縮短，更可能引發(fā)設備損壞，進而造成線路跳閘等嚴重后果。因此，在使用5G標準后，深圳供電局規(guī)范了在輸電線路及終端廠塔部署5G終端設備的相關要求，包括硬件部署建設、軟件部署等操作要求以及支撐系統(tǒng)功能、數(shù)據(jù)接口、數(shù)據(jù)采集的相關技術要求，實現(xiàn)了基于紅外測溫技術對輸電設備進行潛在故障的檢測，確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

深圳供電局在輸電線路及終端廠塔中裝備了集成紅外熱像儀的5G攝像頭，該設備擁有最高可達2560×1440的分辨率，能夠實時輸出清晰圖像，使得對變壓器等關鍵設備本體及重要部位的紅外測溫更為精準。尤其是，相較于4G，利用5G提升了數(shù)據(jù)傳輸速率、熱成像圖像或視頻的清晰度和測溫準確率，為設備的安全穩(wěn)定運行提供了強有力的技術支撐。

5.3 變電管理環(huán)節(jié)

在使用5G標準后，深圳供電局不僅明確了變電站部署5G終端時的電磁兼容、電磁干擾等性能指標要求規(guī)定，而且規(guī)范了5G終端接入網(wǎng)絡時涉及的安全相關要求，如：終端接入身份鑒權、終端接入權限、接入?yún)f(xié)議、終端反向鑒權網(wǎng)絡等技術規(guī)范。由此，深圳供電局通過在變電站內(nèi)的監(jiān)測終端加裝5G CPE，實現(xiàn)5G信號轉換，利用就近的5G基站，將產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流通過5G移動通信網(wǎng)回傳至公司電力專用核心網(wǎng)（管理區(qū)），再通過公司內(nèi)部傳輸網(wǎng)專線送達變電站智能運行支持平臺。變電站的終端設備有5G攝像頭、5G巡檢機器人等，實現(xiàn)遠端圖像回傳、站內(nèi)監(jiān)測和巡檢。

據(jù)統(tǒng)計，500 kV變電站，約有15， 000個巡檢點，人工巡檢需2人×4小時×4天，巡視結束后，人員還需2小時填寫巡檢報告；而通過攝像頭以及機器人巡檢只需1～2個小時即可完成9 0%的巡檢范圍，巡檢后通過5G上傳數(shù)據(jù)到指揮中心，自動生成巡檢報告。2023年深圳供電局已開展遠程巡視任務826次，比傳統(tǒng)人工巡視減少到站352次，節(jié)省約2336小時，實現(xiàn)站內(nèi)巡視綜合效率提升2.7倍。

5.4 配電管理環(huán)節(jié)

5.4.1 故障檢測

在使用5G標準后，深圳供電局根據(jù)配電網(wǎng)線路5G通信的技術要求、接口要求（包括授時接口、故障檢測接口等）、功能要求（包括通信規(guī)約、對時方式等）、性能要求（包括對時精度、保護動作時限等）等技術指標，實現(xiàn)5G和配網(wǎng)自動化自愈技術融合應用，使得平均故障處理時間縮短了28分鐘，停電影響范圍從線路級縮小至節(jié)點級，減少因停電造成較大輿情影響，兼顧了供電可靠性與公共安全風險。按照深圳供電局用戶年平均停電次數(shù)0.27次、單位小時停電損失80元/kW計算。在5G應用示范區(qū)，2021年負載負荷至16MW，減少用戶損失16.13萬元；2022年負載負荷至10 0MW，減少用戶損失100.8萬元；2023年負載負荷至150MW，減少用戶損失151.2萬元；3年共計減少損失268.13萬元，見表7。

計算公式如下：

減少的用戶停電損失=負荷（kW）×平均停電次數(shù)（次）×縮短的平均故障處理時間（小時）×單位小時停電損失（元/kW）。

5.4.2 故障隔離

在使用5G標準后，深圳供電局規(guī)范了智能配電網(wǎng)性能監(jiān)測、故障修復等操作要求，實現(xiàn)5G無線通道承載配網(wǎng)自動化“三遙”業(yè)務，在遙信系統(tǒng)發(fā)生故障時能夠迅速感知并傳輸故障信息，實現(xiàn)故障隔離。據(jù)統(tǒng)計，2023年發(fā)生3122次配網(wǎng)故障，綜合選線準確率（含選線與輪切）超96%，每次減少負荷損失約0.8萬元，2023年減少約2497萬元。

5.4.3 節(jié)約人力成本

在使用5G標準后，深圳供電局基于5G網(wǎng)絡電力通信，實現(xiàn)了配電線路接地故障處理人力成本降低。深圳供電局按2023年1025次線路接地故障來估算，每次減少調(diào)度員及巡線人員共15小時，則2023年全年減少勞動量約1025×15=15，375小時/人次。

5.4.4 節(jié)約配電成本

在使用5G標準后，深圳供電局明確了5G網(wǎng)絡通道承載電力業(yè)務的業(yè)務定義、通信需求、地址分配、承載協(xié)議等用電行為技術指標要求，實現(xiàn)了通過網(wǎng)荷智能互動控制系統(tǒng)挖掘柔性負荷的用電行為特征，合理安排可平移、可轉移、多類柔性負荷參與輸-配-用的多時間尺度協(xié)同調(diào)度，優(yōu)化調(diào)整電網(wǎng)運行方式10 0 0 余項，有效降低負荷用電成本和系統(tǒng)運行成本，實現(xiàn)負荷曲線峰谷差、安全裕度的有益調(diào)整。以深圳2021年夏大方式（夏季為滿足電力需求，電力系統(tǒng)全接線、全開機的運行方式）為例，減少發(fā)電成本約1.32億元，減少社會用電成本約2.45億元。

5.4.5 應急安全

在使用5G標準后，深圳供電局增強電力5G應急網(wǎng)絡的速率、時延等確定性保障以及安全和空口物理隔離等技術指標要求，實現(xiàn)了網(wǎng)荷智能互動控制系統(tǒng)的在線預警分析和輔助決策功能，提高輸電斷面供電能力，顯著提升了緊急情況電網(wǎng)安全穩(wěn)定水平。2021年“查帕卡”臺風襲擊期間，借助輔助決策信息10分鐘內(nèi)快速化解了50 0kV鵬城片網(wǎng)單回220kV線路串供4座220kV變電站運行風險，為有效支撐調(diào)度處置突發(fā)故障和風險控制提供技術保障，提升了深圳調(diào)度運行控制水平。

5.4.6 精準負荷控制

在使用5G 標準后，深圳供電局明確了覆蓋增強、低時延高可靠等通信技術指標要求，實現(xiàn)了通過網(wǎng)荷智能互動控制系統(tǒng)來達到廣覆蓋、低時延、高可靠的精準負荷控制，該系統(tǒng)使負荷控制對象由原來的1座變電站縮小到用戶分支負荷，控制精度達0.01MW，響應速度小于100ms，可靈活避開重要用戶、民生負荷，縮小停電范圍，確保電網(wǎng)嚴重故障時沖擊社會正常運轉。利用裝置運行狀態(tài)統(tǒng)一描述方法實現(xiàn)了輸-配-用緊急控制系統(tǒng)運行狀態(tài)實時監(jiān)視、快速統(tǒng)計與可視化展示，顯著提高了緊急控制系統(tǒng)運行可靠性，降低系統(tǒng)日常運維費用，為高密度負荷城市電網(wǎng)抵御嚴重故障提供技術保障。

5.5 電力調(diào)度環(huán)節(jié)

5.5.1 降低停電損失

在使用5G標準后，深圳供電局利用“5G+虛擬電廠”，實現(xiàn)分布式負荷資源可觀、可測、可控，精準動態(tài)處置調(diào)度。在負荷高峰時期，傳統(tǒng)的錯峰限電在應對尖峰負荷壓力的同時，將影響工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)進度和產(chǎn)品質(zhì)量，給企業(yè)造成一定的經(jīng)濟損失。虛擬電廠通過優(yōu)化用電方式，避免錯峰限電造成的損失。以深圳供電局某200MW虛擬電廠應用試點所在地和用電量測算的度電經(jīng)濟損失成本約為28.57元/kW，預計該虛擬電廠可避免錯峰限電尖峰電量約為331.2MWh，總計可避免經(jīng)濟損失約956.3萬元[3]。

5.5.2 節(jié)能減排

在使用5G標準后，深圳供電局通過“5G+虛擬電廠”發(fā)揮靈活調(diào)節(jié)作用，調(diào)動儲能、電動汽車、蓄冰/蓄冷空調(diào)負荷等資源在負荷低谷時段消納清潔能源，降低高峰負荷需求、減少火電出力?；痣姲l(fā)電量減少一方面節(jié)約了燃煤，另一方面降低了二氧化碳和二氧化硫排放，有利于促進節(jié)能減排。采用200MW虛擬電廠每年的節(jié)能減排效益見表8。

6 結論

本文采用ISO方法論，基于標準對各營運指標影響的量化計算得出，深圳供電局在探索5G+智慧電網(wǎng)的試點中，標準對工程、輸電、變電、配電和電力調(diào)度等業(yè)務環(huán)節(jié)的經(jīng)濟、社會和環(huán)境方面均有不同的貢獻。

在工程環(huán)節(jié)，深圳供電局通過使用5G相關標準，減少交換機的采購和部署、光纜敷設等，減少配電線路自動化改造投資成本，降低故障檢測和故障隔離損失。同時，在不占用土地資源、不進行變電站擴容、不新建變電站、不需新建輸電通道的前提下，實現(xiàn)“5G+虛擬電廠”替代燃氣電廠，節(jié)省了土地資源投資成本。

在輸電管理環(huán)節(jié)，深圳供電局通過使用5G相關標準實現(xiàn)了基于5G攝像頭、5G無人機等設備提升輸電線路的監(jiān)控效率、熱成像圖像或視頻的清晰度和測溫準確率，保障設備的安全穩(wěn)定運行。

在變電管理環(huán)節(jié)，深圳供電局通過使用5G相關標準實現(xiàn)了變電站內(nèi)5G攝像頭、巡檢機器人等應用全覆蓋，極大提升了站內(nèi)巡視綜合效率。

在配電管理環(huán)節(jié)，深圳供電局通過使用5G相關標準縮短了平均故障處理時間，并使停電影響范圍從線路級縮小至節(jié)點級，減少因停電造成較大輿情影響，兼顧了供電可靠性與公共安全風險，提升電網(wǎng)安全穩(wěn)定水平。另一方面，也實現(xiàn)了配電網(wǎng)故障隔離，降低配電線路接地故障處理人力成本。

在電力調(diào)度環(huán)節(jié)，深圳供電局通過使用5G相關標準，實現(xiàn)了利用“5G+虛擬電廠”來優(yōu)化用電方式，減少在負荷高峰時期因錯峰限電給企業(yè)帶來的停電經(jīng)濟損失。此外，還通過“5G+虛擬電廠”來調(diào)動儲能、電動汽車、建筑樓宇等負荷資源，消納清潔能源，減小火電出力，降低二氧化碳、二氧化硫等溫室氣體排放，有效促進節(jié)能減排。