5G技術在電力系統中的應用

摘 要：電力系統之間大量信息的通信共享需要先進的通信技術予以保障，5G通信技術融合了智能無線網絡架構、無線網控制承載分離技術、多制式協作與融合技術等先進的網絡技術，具有傳輸速率高、延遲少、節省能源等優點，因此5G通信技術的應用將極大地促進電力系統的快速發展。現對5G通信技術的特點、發展現狀進行探討，并結合電力系統應用場景對5G通信技術進行詳細介紹。

關鍵詞：5G通信;電力系統;智能電網

0 ? ?引言

隨著我國社會迅速發展，電網規模不斷擴大，同時隨著智能電網建設的推進，電力設備、電力終端、用戶陡增，設備與設備之間、設備與用戶之間、用戶與用戶之間的信息傳遞互動的需求呈爆發式增長，迫切需要高效、安全穩定的通信技術作為支撐，提升電力系統的智能化、自動化、信息化水平，從而為社會經濟的穩定提供可靠的服務。國家電網公司在2019年兩會報告中提出要建設運營“泛在電力物聯網”，泛在電力物聯網的目的是圍繞電力系統各環節，實現各個環節的互聯互通，因此，通信技術在泛在電力物聯網中發揮了核心作用。

移動通信技術經過多年的發展，取得了很大的進步，在技術、性能、應用模式等方面都發生了質的變化。移動通信技術先后經歷了1G至5G時代，其中，3G時代和4G時代真正地走進了互聯網時代，網絡速度進一步加快，兼容性好、業務多樣性等特點為物聯網發展創造了條件。目前，中國已正式進入5G時代，通信性能及技術得到大幅度提升。每一代技術的更新換代都給各個領域的快速發展帶來了機遇[1]。

1 ? ?5G通信

1.1 ? ?5G通信網絡架構

5G網絡采用基于服務體系的架構，5G通信系統由接入網、承載網和核心網組成。

（1）接入網主要由集中單元、分布單元、有源天線單元組成。集中單元從原基帶處理單元的非實時部分分割出來，負責處理非實時協議和服務;分布單元是原基帶處理單元的剩余功能重新定義，負責處理物理層協議和實時服務;有源天線單元由基于基帶處理單元的部分物理層處理功能與原基帶射頻拉遠及無源天線合并而成。

（2）承載網是基礎資源，必須先于無線網部署到位，其作用就是把網元的數據傳到另外一個網元上。承載網采用Mesh組網，逐步下沉到接入層，實現前傳、回傳統一。支持網絡FlexE分片;支持整網的SDN部署，提供整網的智能動態管控。接入環達到50GE，匯聚環達到200GE，核心層達到400GE。

（3）核心網是很多網元設備的通稱，是移動通信網絡的大腦，負責整個網絡的管理與控制[2]。

1.2 ? ?5G通信特點

（1）高速度。與4G網絡相比，5G網絡的傳輸速度得到了大幅提升。5G基站峰值大于20 Gb/s，速度的劇增為數據的下載、上傳提供了更優的服務。電力系統中存在海量數據，如監測視頻數據、圖像、文本等，5G的高速度特點為電力系統中的數據傳輸提供了保障[3]。

（2）高容量。4G時代，除了方便人們生活的手機、電腦、智能家電、共享汽車等設備需要使用網絡以外，其他很多領域也需要聯網，尤其對于復雜的電力系統，僅僅憑借人工對電力系統的操作、監測、管理等已不能滿足快速發展的智能電力系統的要求。電力系統中很多終端設備都需要聯網，4G通信能夠連接的終端有限，5G的高容量特點為實現電力系統的各設備之間的互聯和智能化管理提供了保障。

（3）高可靠，低時延。在時延和可靠性方面，相比之前的蜂窩移動通信技術，5G通信有了極大的提升。5G通信技術實現了基站與終端間，上下行均為0.5 ms的用戶面時延。該時延是從發送方5G無線協議層入口點，經由5G無線傳輸，到接收方5G無線協議層出口點的時間。

（4）低功耗。物聯網中由于終端多，充電頻繁即充電限制，給其發展帶了很大的困擾，阻礙了物聯網的發展。5G通信通過降低信令開銷來解決功耗高的問題，從而使設備終端長期保持在線狀態。

2 ? ?電力系統中5G通信技術的應用場景

5G通信技術在電力系統中的應用多種多樣，如智能電網、輸電線路巡檢、智能配電網、泛在電力物聯網等，5G通信技術在電力方向的應用，必將為整個電力系統帶來質的改變。

2.1 ? ?智能電網

智能電網的主要作用是智能自動化配電、精準負荷控制[4]，但其需要先進的設備、網絡和技術作為支撐。隨著數字化、智能化、智慧化技術的發展應用，電網也逐步向低時延、高可靠方向發展。5G通信技術以其低時延、高可靠的特性實現了故障的智能定位、智能識別和智能處理，減少了故障停電時間長給人們帶來的不便。電力負荷控制時，解決負荷過大問題的傳統手段基本是通過一刀切方法切斷整條線路或者整個區域，而利用5G網絡可以優先切斷非重要負荷，減少對用戶的影響，降低經濟損失。

2.2 ? ?輸電線路巡檢

輸電線路中存在各種缺陷，如金具銹蝕、對空距離超限、絕緣子掉串、導線斷股等，電力運維部門每年都需要對輸電線路進行巡檢。傳統的線路巡檢主要采用人工巡檢的方式，此方法受惡劣環境、地形影響大，存在成本高、效率低等缺點。而利用直升機及無人機采集線路的視頻、圖片或者點云數據，可以減少環境和地形對輸電線路巡檢的影響，但4G網絡數據的傳輸存在卡頓不流暢、實時效果差等缺點。5G通信的大寬帶技術可以實時流暢地將采集的數據傳輸至終端，通過展示平臺實時對輸電線路的狀態進行監控，以便運維人員根據監控結果進行缺陷的修復、消缺，提高線路巡檢的準確度和巡檢效率[5]。

2.3 ? ?智能配電網

配電網結構復雜，設備終端多，連接復雜，保證其安全穩定運行至關重要，但目前對配電網狀態的監測存在很大缺失。同時配電網中存在很多的拓撲關系，這些拓撲信息也很少被監測到。5G通信可以實現海量信息的展示及動態感知，實現配電網運行狀態信息的透明化。同時，5G技術結合DFACTS等技術可以解決配電網存在的供電過程電路中斷、三相不平衡、電壓暫降等問題，從而保證設備終端的正常穩定工作，保障配電網的可靠性及設備的可持續利用，并間接提高電力系統的經濟效益及社會效益。5G技術結合DER滿足了網絡長期發展的需要，減少了成本投入，可以有效節約能源，避免資源浪費，促進電力系統的綠色健康發展。

2.4 ? ?泛在電力物聯網

5G通信技術在泛在電力物聯網中的應用主要包括萬物互聯、精準控制、海量量測、寬帶通信、高效計算等5個方面。

（1）電力網絡的設備終端使得與電力相關的萬物關聯起來，如將家庭中電力設備終端關聯起來，形成智能家居，同時可以將不同家庭的智能電力設備關聯，實現同層、同棟、同小區的集群;將不同共享單車進行關聯，形成區域性單車用電模式，有利于智慧交通的實現。

（2）5G通信低時延、高速度的特點為無人自動駕駛的發展提供了可能。在需求響應上，低時延可以及時躲避障礙物以及控制車的行為，具有十分重要的應用價值。在可靠性方面，相比于4G，5G可以提供穩定性較好的信息傳輸，為泛在電力物聯網的精準控制提供基礎。在電能的儲存控制方面，電能輸送端、節點等的分配協調需要考慮重要企業、非重要企業、不同區域、用戶之間的用電差異性，需要在短時間內對電能進行精準分配控制。

（3）隨著電力的快速發展，電力系統中產生了海量信息，為了減少通信阻力，對信息進行了數據處理，如舍去相同數字的位數、四舍五入數據、只選擇短時間段的數據等，此操作造成了數據分析的不準確。5G的通信高速度特征能夠實現數據細粒度的采集，為電力大數據分析及泛在電力物聯網的發展提供堅實的基礎。

（4）海量的泛在物聯網數據信息不僅有結構化的數據，也存在非結構化的數據，如視頻、圖片、語音等。為打造透明化泛在電力物聯網，實現海量非結構化數據的優質服務，5G寬帶通信能實現高速率的視頻通信，同時可以實現電力虛擬現實的應用，給使用者提供全新的視覺體驗。

（5）電力相關應用平臺需要進行大量數據的運算，如線路缺陷圖像識別、大數據分析、地圖數據等，因此需要安全穩定的運算環境。在泛在電力物聯網時代，云計算和邊緣計算帶需要5G通信保障其運算安全及運算速率。

3 ? ?結語

5G通信高速度、高容量、低延遲、高可靠、低功耗的特點將重構電力系統的未來，也將創造萬物互聯的時代。本文在深入分析5G特點的基礎上，對5G在電力系統中的幾個應用場景進行了剖析，為5G通信技術在電力系統中的研究與應用提供了參考和技術支撐。

[參考文獻]

[1] 王宏延，顧舒嫻，完顏紹澎，等.5G技術在電力系統中的研究與應用[J].廣東電力，2019，32（11）：78-85.

[2] 尹功喜.探討5G時代物聯網技術的應用[J].通訊世界，2019，26（1）：13-14.

[3] 王毅，陳啟鑫，張寧，等.5G通信與泛在電力物聯網的融合：應用分析與研究展望[J].電網技術，2019，43（5）：1575-1585.

[4] 孫柏林.5G技術在電力系統的應用[J].電氣時代，2019（12）：30-34.

[5] 趙洋，趙曉紅，任天成，等.5G通信在電力系統中的應用[J].山東電力技術，2020，47（10）：6-10.

收稿日期：2020-12-09

作者簡介：唐古玥（1987—），女，貴州人，工程師，項目經理，主要從事工程造價及項目管理工作。