5G技術在智能電網中的研究與應用

蔣穎鋒

（南瑞電力設計有限公司，江蘇 南京 211106）

0 引 言

隨著5G建設的展開，我國電力網絡正在加速智能化轉型，在各方共同推進下，5G+智能電網逐步取得成效。我國能源行業積極實施“互聯網+”戰略，全面提高行業信息化水平和智能化水平，充分利用最新的信息通信技術和控制技術，開展智能化設備狀態監測和信息采集，實現能源行業運營模式和用能服務模式創新。隨著新業務的快速發展，原有的通信方式已無法滿足電網設備及終端高速發展的信息通信需求，亟需新的移動通信技術的支撐，以滿足日新月異的業務發展需求[1]。

1 5G技術的特點

國際電聯無線電通信部門定義了5G的3大應用場景分別為增強型移動寬帶（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）、大規模機器通信（massive Machine Type of Communication，mMTC）以及低時延高可靠通信（Ultra-reliable Low Latency Communications，uRLLC）。

eMBB是相對于4G而言，4G帶寬普遍為20 MHz，單個小區峰值速率為150 Mb/s，而5G單網絡單個小區吞吐量達10 Gb/s，支持移動速度500 km/h，用戶體驗速度可達1 Gb/s，尤其適合高清類視頻傳輸業務，與4G的帶寬相比有了質的飛躍。mMTC主要應用于連接海量傳感器的應用場景，如物聯網應用，其連接數密度每平方公里可達百萬量級。連接終端分布區域極廣，數量極大，要求網絡能夠支持海量設備的接入。mMTC可以促進萬物互聯的時代到來，物聯網時代人與物以及物與物之間的數據交流將無處不在。uRLLC主要適用于自動駕駛和智慧工廠等場景，可滿足低時延與高可靠性的應用需求，時延必須小于1 ms，可靠性可以達到99.999%。這種應用需要網絡對海量數據具有超高速低延遲處理能力[2]。

2 5G在電力系統中的應用

2.1 5G技術在控制類業務中的應用

2.1.1 電流差動保護中的應用

電流差動保護可以實時檢測電流差值、設備的模擬量、相應的運行狀態以及電流電壓等數值，能夠及時發現故障并對故障進行快速隔離，防止故障影響范圍的進一步擴大。以普通變電站間的線路作為5G電流差動保護為例，在該線路兩側分別配置電流差動保護裝置和5G通信模塊，采集兩側CT的各相電流，通過差動電流進行故障判斷，如果發生故障，則通過5G網絡及uRLLC切片保護動作出口，完成電流差動保護控制動作。利用5G的超低時延特性取代光纖差動保護的應用，可大量減少光纖在電網中的使用，尤其對于電壓等級較低的線路能實現低成本的快速部署，具有較大的經濟價值。

2.1.2 精準負荷控制系統的應用

精準負控系統主要解決電網故障初發階段頻率急速跌落、聯絡線超載以及電網旋轉備用容量不足等問題。根據控制時限要求的差異，可分為毫秒級、秒級及分鐘級控制系統。毫秒級控制系統根據頻率控制緊急程度的要求能快速切斷系統可中斷負荷，秒級和分鐘級控制系統可在一定時間內切除系統可中斷負荷，實現發電和用電功率的平衡。實現方式為將負控終端通過5G CPE設備接入5G網絡，并通過5G網絡及電力uRLLC切片接入到精切子站裝置和精切主站裝置。毫秒級控制系統的控制主站至子站的通道傳輸時間要求小于30 ms，子站到控制終端的通道傳輸時間要求小于20 ms，5G網絡的低時延特性能夠滿足這一時延要求。

2.2 5G技術在無人巡檢業務中的應用

無人巡檢業務的代表應用為變電站巡檢機器人和輸電線路無人機智能巡檢。機器人巡檢業務主要針對變電站內設備的檢測，通過車載或軌道方式用自身搭載的相關檢測設備對變電站內的目標設備進行巡視和監測，實時智能評估和診斷設備的運行狀態，自動生成巡檢線路和設備狀態檢測報告，同時將檢測報告上傳至后臺管理系統，實時更新設備相關狀態數據。通過機器人智能巡檢，機器人可取代維護人員的部分巡檢工作。目前采用的主流軌道機器人已基本具備外觀檢查、測溫、遠程控制、缺陷狀態記錄以及刀閘狀態判別等功能。巡檢機器人與5G CPE設備連接，接入5G通信網，利用eMBB切片大帶寬特性，實時上傳相關監測數據，后臺對設備數據進行實時更新，為運維人員判斷設備狀態提供依據。

無人機在線監測技術主要應用于電力線塔巡檢和輔助測繪等方面，在復雜地形和惡劣環境下大有用處。無人機應配置各種傳感器（高清相機、夜視相機、雷達等），并通過5G CPE連入5G網絡，在指定區域進行對相關線路和桿塔進行巡檢的同時，利用eMBB切片大帶寬特性將圖像和視頻實時回傳至主站，主站再據此判斷電力線路和桿塔的狀態。無人機在線監測可與虛擬現實技術融合，對傳回的數據進行再處理，實現線路狀態的可視化對比，直觀判斷設備的運行狀況，由此安排設備的檢修計劃，及時有效地排除生產安全隱患，確保電力信息系統安全穩定運行。

2.3 5G技術在高級計量業務中的應用

高級計量利用5G大連接特性，選擇mMTC切片連接海量智能電表及電網傳感單元，實現海量用電數據的及時采集，最終為用戶提供智能用電等個性化服務。

2.3.1 用電信息采集類業務

用電信息采集系統由采集器、集中器、主站、遠程及本地通道組成，用電信息采集包括上行數據和下行數據。上行數據指居民用戶、低壓工商戶以及公用配變用戶的電表數據，從采集器發送到集中器，再從集中器通過上行通道上傳至用電信息采集主站系統。下行數據指用電信息采集主站系統從集中器向電表發送各種指令，做出跳合閘，安全認證等動作的控制類業務。目前，集中器信息一般通過通信運營商網絡發送至后臺，用戶的基本用電數據一般按天、小時的頻率采集上報。結合5G大連接的特點，同時連接大量智能電表，采集和分析用戶海量的用電數據，實時感知用戶用電情況和電能質量，同時分析和管理線損情況與負荷狀態，完成智能抄表、梯度電價、負荷預測以及節約用電成本等功能。用電信息采集業務對終端量級要求很高（海量接入），但對通信時延和帶寬要求不高，實現準實時的數據信息反饋，最終為用戶提供智能用電等個性化需求。

2.3.2 電網運行狀態監測業務

電網運行狀態監測主要通過安裝同步相量測量裝置（Phasor Measurement Unit，PMU）和數據采集與監測控制系統（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）來實現。一般通過光纖網絡來實現可靠的數據傳輸，但對于低電壓等級而覆蓋面極廣的配電網，一般都因成本因素沒有進行光纖網絡覆蓋。這時可以通過將傳感器單元安裝在配電網的不同節點上，利用5G大連接特性連接海量傳感器，實時采集配電網運行狀態相關數據，如電壓幅值、相角、有功功率以及無功功率等，實時感知配電網的潮流狀態和運行參數。目前，已有部分城市試點安裝微型同步相量測量裝置（micro-Phasor Measurement Unit，micro-PMU），對配電系統故障監測范圍進一步下沉。在這種情況下，微型同步相量測量裝置的需求安裝量十分巨大，需要5G海量連接能力的支撐才能徹底解決電力系統“最后一公里”的挑戰。

3 5G技術應用的進展

2019年3月，中國電信、國家電網以及華為聯合部署江蘇省電力公司的測試環境，從QoS/SLA保障等多方面對配電自動化、精準負荷控制及用電信息采集等應用進行切片測試，并于2019年4月完成全球首次5G獨立組網的毫秒級精準負荷控制切片實驗。

2019年6月，安徽宣城電信與國網安徽信通公司合作建設的特高壓古泉站5G網絡建設圓滿完成，特高壓古泉站是昌吉-古泉1 100 kV線路的重要節點，該項目完成后能夠在古泉站內實現高清視頻監控和智能機器人巡檢等業務。5G高速無線通道為站內各項業務提供了快捷靈活的接入方式，其帶寬與時延等各項測試指標均滿足設計要求。

2020年7月，青島電信、華為以及青島供電公司共同開發的5G智能電網工程順利結束，該項目在奧帆中心等地建設30多個5G基站，實現規模連續覆蓋，標志著中國目前最大的5G智能電網正式建成。

2020年8月，由中國南方電網、中國移動以及華為聯合開發的5G授時CPE在深圳電網正式商用。5G授時CPE在配網差動保護業務中測試成功，通道延時、授時精度以及差動電流等相關指標的測試結果均達到要求，標志著5G智能電網產業鏈正在穩步走向成熟。

2020年8月，由中國電信牽頭，國內外多家產業聯盟單位共同提交的5G智能電網項目在3GPP R18中正式立項，首次定義5G智能電網端到端整體框架標準，為5G智能電網的規模發展奠定堅實的基礎。

2020年9月，福建移動、中興通訊以及國網福建公司成功在福建移動5G開放實驗室完成5G切片差動保護測試，業界首創的基于物理資源塊（Physical Resource Block，PRB）預留的無線切片實現5G端到端平均時延9 ms，滿足差動保護業務的時延要求。

4 結 論

本文初步分析了5G通信技術的特點及其在智能電網中的各類應用，智能電網與5G網絡技術相結合能夠促進智能電網各項業務的快速發展，實現電網建設的降本增效，具有較大的經濟優勢和廣闊的應用場景。同時也要認識到5G+智能電網的建設和發展是一項長期且艱巨的工程，要達到規模商用還需產業鏈上各相關企業和研究機構深化合作，才能實現產業生態的發展和共贏。