5G通信技術在電力系統中的應用

程夏威 李建平 陳強 薛晨旭 周潤

（國網鶴壁供電公司 河南省鶴壁市 458030）

1 前言

第五代移動通信技術（5G）使得接入網出現高寬帶、多樣化融合的趨勢。隨著5G 通信技術和電網的深度融合，電力系統表現處多能源、多實體、智能化發展的趨勢；與此同時電力系統的用戶對用電質量的要求也日益增加，并且要求具備更快的服務響應速度。

作為電網智能化發展的承上啟下環節，配電網直接面向終端用戶，隨著配電網由單電源輻射狀發展為多電源復雜網絡，傳統的配電網故障處理方式越來越不能滿足智能配電網的自愈需求。

傳統的無線通信技術雖然具有成本低廉、部署簡單以及適應性強的特點，但是在應用到電力專網通信時，還存在帶寬小、時延高以及穩定性不足的問題，因此使得傳統的無線通信技術并不能廣泛應用到實際配電網的控制業務中。

2 5G及在電力系統的應用場景

5G 指的是第五代通信技術，雖然目前這種新型的通信方式普及率還較低，但是和4G 通信技術等之前的移動網絡技術相比，5G在實際應用中更加表現出廣闊的應用前景。

和傳統的通信技術相比，5G 通信技術具有眾多優勢[1]：

（1）傳輸速度快、帶寬高。和目前應用普及的4G通信技術相比，5G 的傳輸速度優勢更加明顯，其下載速度最高可以達到每秒3.8G。

（2）時延低、可靠性強。這種低延時特性使5G 通信技術能夠滿足智能電網、自動巡檢等特定行業、特殊領域的需求。

（3）穩定性高。5G 通信技術不僅傳輸速度快，而且在穩定性上也比4G 通信技術有了更大的進步，對于復雜的應用場景也更加適用，不會因為環境的復雜性而出現傳輸時間長或不穩定的情形。

5G 通信技術的應用場景更加體現在移動終端上，適合移動終端的特性勢必使其在電力巡檢中也有出色的表現：電力系統中傳統的巡檢方式一般是車輛載人定期巡檢，在農村、山嶺、河流等區域困難重重；引入5G 通信技術后可以使用諸如智能機器人、無人機等智能設備，提高巡檢效率的同時還可以搭載更多監測功能。

5G 通信技術能夠用于低壓用電的信息采集。220 伏-380 伏低壓的終端用戶眾多，傳統的通信技術并不能實現及時的用電數據采集。隨著5G 基站的普及，其高覆蓋特性將能夠全面采集居民和商戶的用電數據，然后在傳輸到電力企業后進行后續的數據處理、分析工作。另外，5G 通信技術的高速率、高帶寬特性也能比傳統的通信技術支撐更大量的數據采集，降低了數據采集成本。

5G 通信技術能夠提高負荷控制的精度。對于供電超過35kV 以上的大工業客戶，為了保證電網安全需要在出現機組跳閘、頻率波動等異常狀況時能夠實現毫秒內的定向切除負荷。傳統的通信技術延時較高，因此難以實現這一目標。5G 通信技術的延時較低，從而保證在出現電網頻率波動等異常情況時可以實現毫秒級的精準負荷控制。

圖1：5G 技術在差動保護中的應用

圖2：電力網絡及5G 通信網絡融合模型

5G 通信技術在風力發電、生物質發電等可再生領域也有重要的用武之地，能夠滿足分布式能源對實時數據采集及傳輸、高速互聯等的要求，而且保證通信傳輸更加穩定快捷。5G 通信技術的確定性及差異化網絡能力還能夠給配電網接入通信覆蓋帶來新的解決方案。在5G 實現城市全面覆蓋后，電力系統完全可以充分利用5G通道替代目前帶寬不足的4G 通道，為一些特殊場景下的超長度、超跨度的特殊設備提供在線監測服務。

3 5G在差動保護中的應用

在將5G 通信技術應用于差動保護時，關鍵技術包括兩方面[1]：電流差動保護同步應用以及5G 配電網電流差動保護應用。

電力系統中配電網差動保護的信號同步一般有兩方面要求：線路兩側需要保持強一致的采樣時刻、差動繼電器在計算差動電流時應選擇兩側相同時刻的采樣數據。實際應用中主要的信號同步方法包括：基于數據通道的信號同步、基于GPS 同步時鐘的信號同步。本文使用國內自主研發的北斗導航系統，并將由高穩定性晶振體組成的采樣時鐘部署到電力線路兩端的保護裝置內，設置信號同步頻率為1 秒，即每過一秒就同步一次脈沖信號，實現兩端采樣的嚴格同步。

為了提高差動保護的穩定性，電力系統業務終端和配電主站間的數據傳輸可以根據實際情況部署5G 通信系統，配電網電流差動保護裝置可以充當配電網線路保護，以在提高故障后搶修效率的同時降低停電時長。在差動保護中使用5G 通信技術后，可以解決電力系統中配電網保護裝置面臨的如下問題[3]：

（1）解決分布式電源并網導致的配電網不可用問題。分布式電源中的電子器件難以承受過電流以及過電壓，在出現故障后的電流水平會使得配電網中原有的繼電保護方案性能惡化。5G 的高可靠性及穩定性會解決分布式電源并網導致的各種問題。

（2）解決電力系統網絡拓撲結構變化出現的結構性問題。在接入分布式電源后，配電網原有的單端放射式網絡結構演變為多電源網絡結構，傳統的通信技術并不能保證配電網保護隨著網絡拓撲的變化而變化，但5G 的確定性及差異化網絡能力使保護裝置可以實現靈活配置。

因此，可以將5G 用于電力系統差動保護的信號同步，有序串聯差動保護裝置、配電主站以及配電終端，并將其用于110kV 變電站間常用聯絡線的電流差動保護，如圖1 所示。

在實際應用過程中，可以從兩端考慮電流差動保護，即配電終端采集兩側CT 的零序電流和各相電流，以此為基礎分別計算被保護線路的制動電流以及差動電流，然后借助5G 基站進行切片。在出現區內故障后，兩端的配電終端都會引發各自的差動保護邏輯進行動作，從而達到差動保護的目的。基于此原理，華為完成了首個基于5G 網絡的差動保護場外測試，并且測試了單基站下DTU 的傳輸延時為8ms。

4 5G在電力通信網絡中的應用

傳統的電力系統網絡控制方法一般采用集中式的調度方法，即調度中心要借助通信網絡實現和電力系統內所有負荷節點的通信；而新能源的并網等需求又導致電力系統中的通信網絡拓撲復雜多變。

為使電力系統中的通信網絡在受擾動后可以快速及時的響應，降低暫態穩定分區控制的時間，需要考慮必要的網絡升級優化措施，將信息通信網絡升級到5G 通信網絡，提高信息通信延時，從而實現及時控制的目的。考慮到電力系統網絡單條線路出現故障后通信網絡進行數據傳輸及處理的可靠性，以及通信網絡中最小數目PMU 的配置規則，可以定義一個電力網絡和信息通信網絡融合的模型，如圖2 所示。

由圖2 可以看出，通信網絡和電力網絡分別在通信網絡融合模型的上下兩側，電力網絡和5G 通信網絡間的數據流動即為圖中的“空間映射線”，將電力網絡信息上傳到通信網絡，并從通信網絡給電力網絡下達控制指令。5G 通信網絡中包括前端數據采集設備（傳感器、PDC 等）、傳輸線路（光纖線路）以及服務器等；電力網絡包括發電機、負荷等各種電力設備。5G 通信網絡的各設備間通過通信線路連接，并借助傳感和控制功能與電力網絡進行信息交互。

將5G 通信網絡和電力網絡融合后，新的電網比傳統的電力網絡具有的顯著優勢包括：首先，能夠采集到的范圍及數據量大大增加，采集范圍的增加在某些特殊及艱苦環境就意味著效率的提高；其次，電力網絡和5G 通信網絡的連接既包括有線設備，也包括無線設備，大量的分布式設備能夠打破電力系統中傳統布線模式的瓶頸，而5G+分布式設備的輕部署、廣覆蓋等特點，可以克服電力行業的線路復雜、設備場景多變等問題。

隨著電力網絡的不斷增加，網絡拓撲結構也越來越復雜，而且此時大量數據流在電力網絡和5G 通信網絡中傳輸。電力系統的很多特殊場景下都需要實現實時控制，而實時控制對5G 通信網絡的數據傳輸有很高的要求。雖然可以考慮在電力系統的各個節點都安裝PMU，但是這種解決方法會引起信息冗余以及計算負擔，因此可以考慮優化PMU 的配置。

對電力網絡中5G 通信網絡的信息傳輸進行優化時，主要的優化方案包括：

（1）對電網同步相量測量單元（phasor measurement unit，PMU）的配置位置進行優化選擇。

（2）減少通信網絡內的設備數目，以此在實現全網數據采集目標的同時降低開銷。

（3）借助衛星導航系統標記數據測量設備，以精確標記測量信息源。

如果母線已經安裝了PMU 設備，那么就可以直接獲取此節點的電壓相量數據；如果節點沒有安裝PMU 設備，則可以根據基爾霍夫電流定律和歐姆定律得出虛擬測量結果。

除了上述應用外，5G 通信技術的發展本身也能夠拉動對電力的需求。接下來幾年將是我國5G 基站建設的高峰，當前已有的電力桿塔是5G 基站建設可以使用的資源。電力行業和5G 通信行業可以積極合作，未來的聯系也會更加緊密。

5 總結

本文首先概要介紹了5G 通信技術及其在電力系統中的主要應用場景，闡述5G 可能會在電力領域帶來的革新性效果；然后，本文介紹了5G 在差動保護、電力通信網絡等具體領域的應用，對于5G 通信技術在電力系統中的應用研究有重要的幫助作用。

總的來說，5G 通信技術對電力系統的影響深遠，雖然目前完全替代現有的電力系統集成設施的可行性還比較小，但是5G 通信技術在電力系統的移動終端領域有重要的優勢，而且其差異化網絡能力和在特殊場景、特殊領域的高可靠、低延時、高穩定能力勢必會為智能電網的建設帶來巨大的經濟效益。