基于5G 的電力調控類應用方案研究

張 然 張建洲 李建克

（1、國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京210000 2、國電南瑞南京控制系統有限公司，江蘇 南京210061）

電力調控類業務對時延、抖動、可靠性、業務隔離性、可管理性以及覆蓋區域的需求較高，現行的電力業務通訊方式有待優化提升。5G 通訊從網絡架構、邊緣計算服務、切片管理等方面提供了更好的網絡可定制性，滿足電力業務承載需求。[1]本文通過對5G 技術在電力調控類業務應用的研究，為相關理論研究和應用提供了分析和支撐。

1 目的和意義

應用5G 低延時高寬帶技術和高速數據采集傳輸技術，可實時調控的虛擬電廠系統平臺和分布式電源、負荷調控平臺，可應用于大量分布式電源和可控負荷的融入電網、需求側管理、提高電網調控能力的場景，為推動負荷聚合商參與需求側響應業務、可再生能源（光伏、風電）參與和承擔電網輔助服務等新業務提供軟件和設備的支持；應用有源電網的調控主站、滿足5G通信的配網差動保護裝置和外置嵌入式5G 電力通信終端，可面向有源配電網的調控主站如何處理5G 環境下的海量數據，解決大量分布式電源并入配電網后的新需求。[2]

目前已開展的基于5G 通訊的同步相量測量技術（PMU）電力控制試點驗證方面，電網的PMU 到電力控制主站的通信時延<10ms，通信頻次>100 幀/秒，測試數據和實驗結果充分論證了5G 網絡在電力控制業務中的高可靠性、低時延優點，可以響應電網PMU 通信頻率高、時延小、監控點多、數據復雜的電力控制業務需求。

2 關鍵技術研究目標

為避免頻率下降給電網運行帶來的巨大風險，如果出現線路切除負荷不及時徹底的情況，將會導致電力減載設施無序動作，對企業生產和居民生活造成大范圍停電影響。目前，現有的電力控制措施尚有優化提升空間，如能將海量的、分散的、可中斷負荷集中起來，共同參與毫秒級別的電力負荷精準控制，將以往的電源調控變為負荷、電源調控兼顧，從而實現源、網、荷友好互動以及電力供需實時平衡，優化范圍內結構能源配置，避免發生大面積停電事故，降低電網波動企業生產和居民生活的影響。[3]

我國的分布式電源發展分布式電源調控主要涉及接入管理、負荷預測、故障處理、電能質量四個方面，5G 通信帶來的更廣的設備連接性、更高的通信帶寬和更低的通信延遲使得集控站能獲得更強的控制能力、更多的數據信息和更快的響應速度。因此研究基于5G 技術的分布式能源調控業務，可以實現降低分布式電源接入電網過程中對電網本身的沖擊提高分布式電源利用率，提高負荷預測的準確性和實時性，抑制電網抖動提高整體電網穩定性，提高分布式電源電能質量等目標。[4]

3 解決方案

為有效保障電網的安全運行，針對電壓三相不平衡等突出問題，本文提出了基于5G 的分階段調控策略：

3.1 離散型一致性算法和5G 網絡拓撲

3.2 第二/三階段調節過程

3.3 基于網絡切片的分布式電源調控改進方案

本文提出以網絡切片為主要的橫向安全防護技術；制定網絡切片管理框架，完善整個分布式電源調控在5G 環境下的橫向安全防護系統。[5]

3.3.1 網絡切片技術

網絡切片技術將電力控制通訊網絡分割成數個虛擬終端。虛擬終端內部的網絡接入、信息傳輸和網絡核心架構在邏輯上相互獨立。5G 技術在智能電網中可劃分為eMBB、mIoT 和uRLLC 三大應用場景。5G 網絡的切片將具體的物理網絡分割為多個虛擬終端，以適應不同的應用場景。[6]

3.3.2 切片部署

根據5G 網絡切片的智能電網控制業務逐漸多元化的需求和不同應用場景，部署適用不同的網絡切片配置。[7]

a. 基于uRLLC（超高可靠低時延通信）的電力控制業務

在基于5G 網絡的電力控制業務應用中，分布式電源電壓控制、柔性可調負荷精確控制、故障切除等工作任務的執行均需要低延時、高可靠的通訊網絡。在控制器連接端，可以將UPF 部署在邊緣，采用通道化承載切片連接UPF 和5G 基站，并在UPF附近部署移動邊緣計算節點。

b. 基于eMBB（移動寬帶）的電力控制業務

電力無人機視頻巡檢、供配電場站機器人巡檢、視頻人機交互和電力VR 監控業務等對于視頻流量提出很高的要求，必須通過局域5G 切片把業務相關視頻內容接入移動邊緣計算節點進行初級處理，然后將處理結果傳送到上級控制系統。對于現場應用移動性、連續性要求高的特點，還需要在設置網絡切片時使用獨立的AMF/SMF 保障業務開展的穩定性。

c. mIoT 類（物聯）業務

圖1 第三階段下垂控制示意圖

圖2 網絡切片在電力控制網絡中的應用示意圖

基于5G 網絡的電力控制業務應用的物聯網業務覆蓋面廣，對時延、帶寬的要求較低，可以采用與現有通訊系統共享資源的模式部署，網絡承載方面使用邏輯隔離，可有效降低網絡建設運營成本和網絡切片部署復雜程度度。[8]

3.3.3 網絡切片管理

網絡切片管理應該考慮本行業的終端和服務器系統，針對分布式電源調控進行調整?？梢詰镁W絡功能虛擬化管理機制（MANO）提供管理方式，如虛擬資源的分配、上報和硬件故障報警等。[9]網絡切片管理由業務管理層、切片管理層和切片子網管理層組成。網絡切片管理還將實現網絡功能虛擬化所需操作，包括電力業務通訊頂層設計、工作票準備、網絡配置、保護激活、實時監控、自動上傳報告、參數修改以及工作終止等業務操作，實現業務全生命周期管理。[10]

4 結論

本文研究基于5G 技術在電力控制業務領域可發揮的優勢，實現配網保護、精準負荷控制、分布式能源調控、虛擬電廠、負荷調度、配電自動化等業務裝置優化配置和信息便捷交互，提高配網故障定位隔離速度，精準進行分布式電源和負荷調度控制，提升能源互聯網調控效率，為電網調控賦能。