5G通信技術在電力物聯網中的應用

張亞南，付艷芳，張巖

（北京中電飛華通信有限公司，北京,100070）

0 引言

隨著能源行業的革命性發展以及新技術與電網的深度融合，電網現在呈現出多種能源，多種網絡和多種實體的組合，需要建設新一代的電力系統。同時，在信息時代，用電用戶在用電過程中擁有更加完整的決策信息，要求用電質量更高，服務響應速度更快[1]。因此，國內外電力公司都青睞大數據，云計算，物聯網和新一代移動互聯網等新技術。在大多數研究機構中，移動互聯網技術已經成為一種成熟的技術。大數據和云計算技術在多個行業和領域中都很流行，并且目前正在進一步擴展中。但是，傳統產業與物聯網技術的結合仍處于起步階段。

物聯網（IoT）是一項新興技術，是1999年由麻省理工學院自動識別中心的Ashton教授在研究射頻識別（RFID）時首次提出的。物聯網采用各種智能設備來感知和識別物理世界。它基于互聯網和通信網絡，利用計算設施和軟件系統進行信息處理和知識挖掘[2]。通過使用物聯網技術，我們可以實現人與物之間的信息交換以及信息流的無縫鏈接，從而實現實時控制，精確管理和科學決策。電力對于我們是必不可少的，它對我們的現代社會和全球世界都具有重大影響。然而，大多數電力系統架構已經設計了五十多年，變得復雜并且不能滿足當今社會的要求。隨著“互聯網+”和“電力互聯網”時代的到來，物聯網發展迅速，并逐漸滲透到生產和生活的各個領域。將物聯網技術引入電力系統可以有效地整合和提高信息化水平，利用電力基礎設施，設備交互設施，促進先進信息通信系統服務于電網系統。在電力系統中，隨著連接設備數量的增加，通信需要更大的容量，更大的連接性和更高的數據傳輸速率，而這只有通過將5G與物聯網相結合才能實現。因為只有5G通信網絡有潛力提供顯著的低延遲、高完整性和高數據速率。5G通信網絡技術非常靈活并且功能更加完善，這提供了一個很好的平臺來解決如電力物聯網中的成本分析和功耗應用方面的許多關鍵問題[3]。

1 泛在電力物聯網

1.1 泛在電力物聯網的概念

泛在電力物聯網（UPIoT）是使用物聯網技術內置在電力系統中的無線傳感器網絡（WSN）。泛在電力物聯網充分利用了現有的電力系統通信設施，人工智能，大數據，移動互聯網以及其他先進的信息和通信技術，實現了電力系統各個環節的一切連接和人機交互，進而創造出具有狀態全面感知，信息高效處理和便捷應用能力的無處不在的能源信息網絡。在我國，UPIoT是智能互聯網+智能能源網絡的重要組成部分。UPIoT的目的是通過減少基本的物理連接來獲取所有的數據和信息。通常，UPIoT體系結構由四層組成，分別是感知層，網絡層，平臺層和應用層[4]。

感知層是UPIoT體系結構的最低層。它依賴于分布廣泛的傳感器，這一層的主要關注點是從傳統網絡系統的整個部分收集有價值的數據，包括從發電到用電的數據，并且還進行了原始數據的集成和計算。

網絡層：網絡層的主要功能是實現數據流的傳輸。網絡層基于5G和其他先進的有線或無線通信技術，通過在感知層建立WSN，將數據和實時信息關聯起來。

平臺層：實現了數據流的有效處理。從感知層收集的信息將被聚合和存儲，為每個面向應用的軟件提供數據支持。這一層主要由服務器、數據庫、平臺管理軟件組成。

應用層：基于平臺層的數據流處理結果，分析無所不在的物聯網感知到的對象信息，做出決策，反饋給對應的對象，服務于智能電網的每一個環節。它主要包括各種普遍存在的對象服務應用程序。

1.2 泛在電力物聯網的特點

UPIoT的基本特點是全天候工作、萬物互聯、無處不在，連接所有市場實體及相關設備，構建跨區域數據共享生態系統，實現數據價值的充分挖掘和新興業務的創新拓展。具體而言，UPIoT具有全面感知、連接廣泛、開放共享、創新集成等特點。

全面的感知是UPIoT的基礎，它是指UPIoT收集大量基本數據的能力。通過數據采集、轉換和提取，將各設備的完整狀態信息完全統一。完整的狀態信息不僅包括設備的運行數據，還包括設備周圍的環境數據。

廣泛的連接是UPIoT的保證，它反映了UPIoT的網絡屬性。通過用戶與設備的全面實時連接，實現了物理系統信息網絡的建設，提高了數據的綜合通信能力。依靠互聯網或專用網絡，實現了電力領域上下游企業之間的連接。

開放共享是UPIoT的定位，它是指提供開放平臺的作用。鼓勵將各種對象集成到UPIoT中并共享信息資源，從而提高整個系統的安全性和穩定性，并為新業務的發展提供基本的共享平臺。

創新集成是UPIoT的目標，它是指UPIoT的價值轉換模式。以物聯網為基礎，各學科充分挖掘數據的價值，提升管理能力，發展商業模式，創造新的商業運營環境。這四個特點相輔相成，不僅反映了UPIoT與普通物理網絡的差異，還反映了建設目標和價值發展方向。

2 電力物聯網的業務場景及通信需求

2.1 配電自動化通信需求

配電自動化系統可以使配電企業實現配電網運行監視、協調和控制。配電自動化包括配電網數據采集與監視SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)、饋線自動化、故障處理、分析應用等功能。

(1)帶寬及采集間隔

配電自動化主站對終端的常規總召頻率可根據需要設置為1分鐘/次至60分鐘/次；心跳數據幀30秒一次；主站與終端對時間隔可設置，一般每小時一次；遙信、遙控方面，主站下發命令或終端設備因突發事件主動上傳數據時，頻率不固定。根據調研情況，配電自動化終端傳輸一包數據255字節需耗時200 ms，按實時傳輸計算（不考慮存儲轉發），為避免排隊時延，帶寬應高于10.2 kbps。

(2)實時性

表1 配電自動化業務實時性指標

2.2 用電信息采集通信需求

用電信息采集系統是通過對配電變壓器和電力用戶的用電信息進行采集、處理和實時監控的系統，實現用電信息的自動采集、線損分析、電能質量監測，最終達到自動抄表、節約用電成本等目的。

（3）實時性

表2 用電信息采集業務實時性指標

（4）可靠性

用電信息采集的可靠性包括：遙控正確率≥99.99%；一次采集成功率≥95%；周期采集成功率≥99.5%（非設備故障和非通信故障條件下）。

2.3 分布式電源通信需求

分布式電源是指在用電用戶周圍裝建，運行方式以用戶端自發自用為主，以滿足電力系統和用戶特定的要求。

（1）帶寬及采集間隔

表3 分布式電源站點傳輸流量需求

（2）可靠性

表4 分布式電源接入監控系統可靠性指標

2.4 移動巡檢通信需求

移動巡檢業務包括移動巡視和移動檢修兩大類業務。移動巡視業務如不需要巡視監控功能，其余功能均可本地實現，不需要遠程通信。移動檢修業務，因具有遠程協助、移動辦公等高級功能，需要實現巡檢終端與巡檢中心之間的通信，傳輸的數據包括文字、圖片、視頻等多種形式。以典型業務類型分析，不同業務傳輸速率范圍為：語音業務8～64 kbit/s；視頻業務384 kbit/s～2Mbit/s；數據業務64 kbit/s～2 Mbit/s。

3 5G通信在電力物聯網中的應用

3.1 5G通信網絡

隨著4G網絡的標準化和成熟，國內外已經對5G移動通信系統進行了研究。5G網絡將實現真正的“萬物互聯”，并創造前所未有的新興產業規模，為移動通信帶來無限活力。5G+網絡切片技術不僅可以啟用新的電網工業控制服務，而且還可以完美繼承2/3/4G公共網絡支持的現有信息收集服務。因此，5G可以在電網內實現多層混合組網，統一管理和運維，幫助電網客戶有效節省運營成本。

電力物聯網的5G技術架構包括收集信息、管理、檢查以及在設備和聯網網絡之間共享數據的活動。在過去的幾十年里，蜂窩和無線技術發生了一場革命，從1G發展到4G，行業在這些技術的設計和應用上遇到了很多障礙。上一代4G和3G的成就將有助于5G系統的發展，后者將改變社會運行方式，并制定新的管理政策和方案。隨著技術進步帶來的數字存儲容量的增加，要在設備之間傳輸的數據的大小增加了，從而產生了對現有技術無法滿足的更高數據速率的需求。隨著5G的到來，另一個頻段被稱為毫米波(mm Wave)，這是一種30-300 GHz的超高頻率，可讓管理員訪問巨大的數據傳輸容量通道。由于4G和3G的數據傳輸容量較低，因此毫米波范圍不受不同小工具的阻礙，從而有助于加快傳輸速度。但是，5G技術的研究也面臨著以下幾個挑戰：（1）實時網絡中1Gbps-10Gbps的數據速率：數據傳輸必須比現有技術多10倍。（2）低延遲 >10ms：與LTE網絡相比，延遲必須小 10倍。（3）低成本:物聯網應以低成本傳感器、設備和部署成本為特點。（4）更多的連接設備：隨著我們正在使用物聯網系統，預計將有約800億個物聯網設備通過網絡連接。(5)更長的電池壽命：由于設備預計將是智能的，并且需要更多的功耗，因此電荷存儲和備用電池應該更多。（6）減少近90%的能源消耗：通過部署綠色技術可以減少5G技術的能源消耗，并且在大規模連接和高數據速率方面可以高效實現。

3.2 5G在電力物聯網中的應用

智能分布式配電自動化、低壓用電信息采集、分布式電源、電力巡檢等領域是5G在電力行業的重點應用場景，如表5所示。

表5 5G技術在電力物聯網中的應用場景

配電自動化的目的是提升供電可靠性，由于傳統配網采用過流保護，一旦發生停電現象，會造成較大的影響，排查時無法精準確定，所以實現配網故障精準定位，提高供電可靠性是亟待解決的問題。在配電自動化中加入5G技術，可以對故障進行精準定位，使配網故障處理時間從分鐘級提高到毫秒級。

當前，電力用戶對用電信息進行采集業務主要用于計量，數據傳輸的業務規模小、頻次低，特點是上行流量大、下行流量小。5G通信網絡可以提供海量接入和實時數據上報，幫助電力用戶完成用電信息采集。

對于傳統配電網來說，它的早期架構設計并沒有考慮分布式電源的接入。后期加入分布式電源后，網絡架構發生了很大的變化，從原來的單電源輻射狀網絡變為雙電源甚至多電源網絡。對于用戶來說，他們既是用電方，也是發電方，電流呈現出雙向流動、實時動態變化。因此，需要引入5G技術來增加配電網的可靠性、靈活性及效率。

電纜隧道解決電網供電承載的同時也面臨著巡檢困難等問題，它作為一種封閉的地下管廊在遭受火災、水淹、塌陷等問題時會對巡檢人員的生命安全造成危險，因此為了使巡檢人員避免危險、確保安全巡檢，傳統的方式是由兩人以上進行隧道內部巡檢工作，這樣就導致了巡視工作效率低下。引入5G智能巡檢機器人將極大地解決這一問題，機器人與后臺之間進行通信時，5G技術可以保證很高的傳輸速度與傳輸穩定性，巡檢機器人采用全景攝像機進行實時監控時，配合5G網絡可以實現低延時視頻觀看。引入5G網絡也可以確保傳輸鏈路數據安全。

4 結論

電力通信網絡經歷了從電力線載波到光纖再到各種無線通信的過程。物聯網完全打破了傳統時空思想的認知和局限性而達到促進客戶服務改善、質量和效率改善、電網經濟運行、新興業務價值創造和清潔能源充分吸收等多個目標。5G通信網絡技術承載著對電力物聯網的期望，5G網絡覆蓋面廣，是支持電力物聯網通信的完美之選，它將徹底改變許多日常生活活動的方式。盡管5G通信網絡具有很多優點，但是5G技術在電力物聯網中的應用是一個長期的過程，仍然需要我們進一步探索。