電力物聯網數據傳輸方案：現狀與基于5G技術的展望

黃彥欽 余 浩 尹鈞毅 孟國棟 成永紅

（西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室 西安 710049）

0 引言

隨著工業4.0時代的到來，以“信息物理系統（Cyber Physical System, CPS）”，“物聯網（Internet of Things, IoT）”等為基礎技術架構的戰略部署[1-2]再度引發了人們對于建設能源互聯網的深入思考。自能源互聯網這一概念提出以來，其在我國的發展便緊密圍繞電力系統，通過融入以大數據、云計算、物聯網、移動互聯網等為代表的互聯網技術[3-4]，以期跨領域實現與可再生能源系統以及其他能源系統深度的數據融合和高度的系統協調運行，從而最終形成一個高效智能且雙向互動的能源服務網絡，推動社會與經濟的可持續發展[5-9]。

當前，電力物聯網作為物聯網架構在電力行業的具體表現形式和應用落地，是電力行業向能源互聯網發展革新的過渡形態。在能源互聯網的建設愿景中，電力物聯網將發展成為一個數據流與能量流緊密結合的系統。其中，數據流的形成依托先進的數據感知、數據傳輸、數據分析及數據共享技術，數據流是實現合理調配和管理能量流的關鍵前提和必要保障[4]，它對系統的運行性能起著決定性作用[10-11]：一方面，在電網的各環節上盡可能全面地部署了感知終端，獲取類型豐富且多樣化的數據信息，依托實時響應且高度可靠的數據傳輸技術將信息傳輸至數據平臺，進行數據挖掘、融合分析，并將分析結果進行反饋，從而滿足隨著電網建設規模擴大和智能化進程中對規劃建設、生產決策、運營維護、監測調控、資產管理等內在業務的需求[12-14]；另一方面，在能源互聯網中，通過對接入的電力網、熱能能源網、太陽能能源網等其他能源系統分享的數據進行交互分析[1]，從而由數據傳輸網絡向可再生能源及其他能源系統反饋協調運行的對應信息[15-16]，以形成一種多能源協調互補的能源網絡。

由此可見，數據傳輸技術是實現監測、控制和管理的基本手段，是應對電力物聯網發展中數字化變革與大數據挑戰的核心要素，也是建設能源互聯網的重要支撐[17-18]，對其展開研究具有極其重要的意義。現階段，電力物聯網中數據傳輸技術的選擇方案包括了各種有線和無線技術，它們在諸如傳輸速率、功耗、覆蓋范圍等方面都有自己獨特的優勢。但由于缺乏統一的標準化平臺，數據之間的共享交互能力差，一些技術在網絡訪問和傳輸能力上不足，且存在時延無法滿足特定業務需求等問題，這些都使得電力物聯網應對數字化變革乏力，嚴重阻礙了電力物聯網的進一步發展[19]。故引入能夠應對數字化變革與能源革命，促進電力物聯網建設完善，且支持能源互聯網相關業務發展的數據傳輸方案顯得至關重要。

伴隨著5G技術的成熟，其憑借高速率、低延遲、高帶寬和支持大規模接入等特性將適應絕大部分電網業務的數據傳輸需求，有望應對目前電力物聯網面臨的數字化挑戰。且通過該項先進通信技術能夠映射出更多的電網業務，助力新興產業的發展，這將為電力物聯網帶來顛覆性的變革，為電力物聯網的建設提供強有力的支持。

因此，本文梳理了電力物聯網中的數據傳輸網絡，分析了現有數據傳輸方案應用現狀，認為5G作為無線傳輸奇點技術，將能夠成為數字化戰略先導，引領電力物聯網應對數字化發展。最后，展望了5G應用于電力物聯網中將會面臨的挑戰，分析了未來電力物聯網數據傳輸方案的發展趨勢。

1 電力物聯網中的數據傳輸方案

近些年，隨著大數據、人工智能、智能感知、物聯網及無線通信等技術的大力發展和推行，使得在電網內進行更加全面的數據獲取、數據分析、以及價值信息分享和利用等逐漸成為可能。面對這樣的數字化變革挑戰，先進的數據傳輸技術作為建設電力物聯網的核心要素之一，是電網系統運行的重要支撐。它不僅為采集的各類電力相關數據提供了安全、高效的傳輸通道以助力計算分析，還為發布控制、檢修類信息提供了實時、可靠的承載，也為對內對外分享整合的各類電力數據信息提供了橋梁。在美國國會的一項研究報告中也同樣指出：電網四大建設目標將緊密圍繞高效、安全且可靠的數據傳輸方案來最終實現，如圖1所示[20]。

圖1 電網建設的四大目標Fig.1 Four goals of power grid construction

1.1 電力物聯網構架

電力物聯網包括感知層、網絡層、平臺層和應用層四層結構[21]，如圖2所示。其中感知層是電力物聯網的底層基礎，需要由該層完成各類數據的采集以及就地處理等工作。在這個環節中，由微型化、智能化的傳感器對電力設備運行狀態、氣象環境、用戶信息等數據進行全面獲取，通過傳輸路徑輸送至本地數據中心，過程中由邊緣計算模塊等配合進行數據的本地化處理；本地數據中心（如變電站數據中心[23]、光伏發電站數據中心等）作為感知層內的基本單元，它們之間、以及感知層與平臺層間廣域范圍內的業務信息傳輸則依靠網絡層來實現；平臺層作為管理環節，負責電力物聯網業務數據流的統一接入管理，并對業務信息進行高效處理；應用層則向下反饋調節信息并對外輸出價值信息，實現規劃建設、生產運行、經營管理、客戶服務等對內、對外業務的支撐[21-22]。

圖2 電力物聯網構架Fig.2 The structure of PIoT

1.2 電力物聯網中的數據傳輸網絡

電力物聯網中的數據傳輸網絡一方面承載由海量傳感器、智能電器設備等采集的信息流接入上位機、云平臺、智能電表等本地數據中心；另一方面，支撐了本地數據中心之間，或本地數據中心與電網數據中臺間的信息互聯[24]；同時，對于由綜合分析、評價產生的信息，電網系統仍需借助數據傳輸網絡反饋這些調控信息并對其中的價值信息進行外部分享，以此完成電力信息的雙向流動和對外價值創造，電力物聯網中的數據傳輸網絡如圖3所示。由此可見，數據的傳輸需求貫通整個電力物聯網的構架，協調電力系統整體的高效運行。

圖3 電力物聯網中的數據傳輸網絡Fig.3 Data transmission network of PIoT

1.3 數據傳輸方案在電網中的應用現狀

經過多年經營建設，電力行業中數據傳輸方案應用場景總體上可以劃分為：采集、控制和電力業務信息傳遞三大類。現階段，不同數據傳輸方案的使用滿足眼下的暫時性需求，基本能保障各類電力業務安全、可靠的運行。數據傳輸方案可劃分為有線和無線的形式，用以實現遠程數據傳輸或者本地數據傳輸[22]。

有線傳輸方案主要包括光纖、電力線載波、以太網及總線等技術[22,25-26]。早期主要依靠總線或以太網技術滿足來自采集或控制的數據傳輸需求。而對于業務信息的傳輸，則主要采用電力線載波技術和工業以太網技術[27]。例如，在采集場景中，西安交通大學成永紅教授團隊[28-29]基于現場總線技術開發了國內第一套電力設備綜合在線監測系統，該系統通過PXI總線集成技術實現了單臺變壓器的多參量在線監測，起到了良好的示范性作用；湖南大學汪沨等[30]通過以太網技術設計了GIS設備的局部放電監測系統。在控制信息傳輸場景中，山東大學趙建國等[31]研究了基于總線技術的繼電保護系統；楊奇遜等[32]基于總線通信構建了應用于變壓器差動保護的過程總線通信實驗平臺。隨著光纖技術開始在電力行業中應用，其憑借傳輸速率、帶寬、可靠性和實時性[33]等方面的優勢，逐漸替代了以太網和總線技術中以同軸線纜以及雙絞線等為主的傳輸介質，并衍生出了xPON光纖技術，用以滿足電網中采集、控制、業務信息流動等諸多業務場合對數據傳輸可靠性、實時性等的苛刻需求[34]。據統計，截至2019年，35kV及以上廠站、自有物業辦公場所/營業所已經實現了光纖全覆蓋[35]。

各類有線傳輸的方式應用至今，雖然能夠基本滿足電網中的數據傳輸需求，但卻存在布線、改線繁瑣及通信網絡擴展升級受限等問題。除此之外，在傳輸過程中，線路噪聲、線路易老化受損等問題都會大大提高工業成本并降低工作效率[36-37]。所以，有線方式在一定程度上制約了電網發展的靈活性。

另一方面，在我國電力部門發布的文件中指出：做好安全隔離措施的前提下，無線傳輸可以應用于電力行業[27]。無線傳輸技術憑借靈活強大的擴展性、可嵌入性和較低的成本等優勢協同物聯網技術逐漸在電力行業中獲得了良好的應用，并在采集、控制和業務信息傳遞三大類場景中取代了部分有線傳輸的方案。

當前應用在電力行業的無線傳輸方案主要有230MHz無線電力專網、3/4G蜂窩技術、衛星通信技術、WiFi、ZigBee、Bluetooth、低功耗廣域網（Low-Power Wide-Area Network, LPWAN）技術等多種方案[22,25,38-39]。無線傳輸技術投入初期，主要替代本地通信網絡中使用有線方式的采集類業務，選擇如WiFi、ZigBee、Bluetooth等技術作為無線方案。這些無線傳輸方案傳輸距離較短，傳輸速率有限，僅適合傳輸部分基礎類型的數據，無法滿足圖像、視頻等需要高帶寬數據傳輸的需求，它們的主要性能參數見表1[24,40-42]。

表1 短程無線傳輸技術性能對比Tab.1 Performance comparison of short-range wireless transmission technologies

表1 中，ZigBee技術的時延可以達到ms級，這使其能夠滿足一些對時延要求不高的短程控制類型業務對響應速度的要求，所以ZigBee技術也常常用于部分自動控制類業務[25]。

隨著蜂窩技術、衛星技術、低功耗廣域網（Low-Power Wide-Area Network, LPWAN）技術的迅速發展，以及電力行業對于電力無線專網的大力建設，無線傳輸方案在覆蓋面積、設備功耗、可靠性等方面得到了大力提升[40,43-44]。其中，隨著物聯網技術發展而來的LPWAN技術更是憑借其低功耗、覆蓋面廣的突出優勢成為了關注熱點。LPWAN技術根據使用頻譜是否被授權，可以分為基于蜂窩技術、工作在運營商授權頻譜下的窄帶物聯網（Narrow Band IoT, NB-IoT）技術和增強型機器類通信（eMTC），以及工作在非授權頻譜的遠距離無線電（Long Range, LoRa）技術和Sigfox技術，這些技術的主要性能指標對比見表2[45-46]。

表2 LPWAN技術特點對比Tab.2 Comparison of LPWAN technical features

NB-IoT技術與eMTC技術憑借其與運營商的綁定關系以及傳輸距離長、容量大、抗干擾能量強的性能特點，常常與3/4G蜂窩技術、230MHz/4G電力無線專網組合完成數據采集工作，以及密級較低的控制類或電力業務信息傳遞類業務。對于偏遠地區及長距離輸電線路等存在信號盲區的場合，常常通過衛星通信與LoRa或Sigfox技術相互配合來完成采集類業務的數據回傳[22]。

綜上所述，無線傳輸方案能夠在采集類業務中基本取代有線方案進行更加便捷的分布式采集，有助于推動新時代數字化進程。然而，相比于有線方式，由于無線方式在傳輸途中將無法避免干擾和惡意攻擊等物理隔離和安全性問題，所以對于電力行業中密級度高的控制信息和電力業務信息的傳輸仍需依賴光纖專網等技術來實現。

電力物聯網的進一步建設和發展在繼續推進，隨著對于源、網、荷、儲中的各環節部署更多的智能感知設備，以及精準控制和雙向互動需求的加深，數據傳輸方案服務的采集、控制和業務信息傳遞類業務將會發生革命性的改變。

1）在采集類應用場景中，將會迎來三個方面的深化[35]。①采集范圍拓寬：由電力一次設備信息采集擴展到電力二次設備及各類環境控制、多媒體場景、用戶側等的信息數據采集，以期獲取更加全面的數字化感知，加強對于電力資產的管理，加深對電力物聯網和能源互聯網能量流動的了解。②采集內容多元化：在基礎數據、圖像、語音的采集基礎上，增加高清視頻的回傳，用以應對巡檢、監控、應急現場自組網綜合應用等電網大視頻應用的需求。③采集頻次實時化：對于滿足未來用電負荷需求側管理，用戶實時定價等應用的發展，采集頻次由當前的天、小時為單位的采集被期望提升到min級的準實時水平。

2）在控制類應用場景中，隨著分布式能源調控、負荷精確控制等應用的發展，時延的需求將達到ms級。

3）業務信息傳遞場景中，在保障精確實時、安全保密的信息傳遞前提下加強雙向互動，以達到加強管理協調各類電力業務的目的。

綜上所述，在電力物聯網的進一步建設中，數據傳輸需求將呈現爆發式增長，且對于無線傳輸方案的速率、連接密度、帶寬和時延等有著更高的要求[19]。雖然，無線傳輸技術為了滿足不斷提升的業務需求，發展了v5.2低功耗藍牙、北斗四代等新技術，但應對電力物聯網數字化變革還是顯得乏力，難以支撐數字時代下電力物聯網的發展。作為電力物聯網建設中的核心技術，數據傳輸面臨著巨大的挑戰[47-48]，急需引入能夠實現安全可靠、靈活接入、雙向實時互動的“泛在化、全覆蓋、高效率”無線傳輸方案予以支撐。值得慶幸的是，隨著5G技術在其他行業領域應用的逐漸成熟，國內外許多專家學者一致認為電力物聯網將會是5G應用的最大場景之一[49-52]。在2016年的一份歐盟報告中提到，5G技術將是未來電網的核心，將有助于解決并應對一些挑戰，例如對連接大量傳感器場景，5G技術能以高度的安全性和可靠性應對無處不在的通信覆蓋范圍[43]。此外，歐盟資助的幾個5G試點項目也分別對基于5G技術的電網使用案例進行實驗[53-55]。5G作為無線通信技術奇點，將會是替代電力物聯網中絕大部分無線和有線傳輸方案的新選擇，成為推動電網邁向數字化監控和管理的核心[56]。

2 5G引領電力物聯網的新時代變革

5G是指蜂窩網絡的第五代技術標準。5G發展迅速，已經于2020年底在全球多個國家實現商用化[57]，其在帶寬、時延、傳輸速率等性能指標上都擁有遠超于現有4G對應指標的優勢[27]。

2.1 5G在電力物聯網中的適用性分析

國際電信聯盟（ITU）對5G基本特征概況為：高速率、高容量、高可靠性、低時延與低功耗。這樣的特性被稱為“三高兩低”[58]。

1）5G數據傳輸峰值速度（理論最高速度）上行可達10Gbit/s，下行20Gbit/s，約為4G技術的20倍[27]。對于電力系統中的海量、多元化數據采集業務，高速率可以為其提供有力支撐[58]。

2）5G具有百兆甚至千兆赫茲的頻譜寬度，能夠在每平方公里支持100萬個設備的高密度連接，且每平方米支持10Mbit/s的大容量數據傳輸，該性能指標是4G技術的上百倍[27]。這將能夠為電力物聯網各領域（特別在配電通信網“最后一英里”無線接入挑戰）中需要接入海量終端設備的高級計量業務、電網大視頻應用等業務提供更優的解決方案。

3）5G通過多連接技術支撐其高可靠性[27]。其理論指標為0.001%丟包率，可與光纖通信相媲美，有望為電力系統提供高可靠性的無線數據連接。

4）在低時延方面，根據歐洲電信標準協會、華為公司和IEEE的標準，表3列舉了當前電網中幾個典型業務對于傳輸延遲的要求[52,59-60]。

表3 電網中不同典型業務的的延遲要求Tab.3 Delay time requirements of different typical services in power grid

4G時延往往超過50ms，這樣的性能對于上述場景并不適用。但5G端到端延遲的預期性能指標為1ms，能針對許多協同控制場景提供靈活和及時的響應。

5）5G具有低功耗特征。通過優化休眠/活動比、設置無數據傳輸時的休眠以及網絡切片技術，可讓設備以低功耗方式運行，保持電力物聯網中智能終端設備的較低能耗，從而保持較低的維護成本和設備成本，確保了設備壽命（對于工業應用，通常至少10年）[61]。

我國尤其重視5G技術在電網建設中的應用。全球能源互聯研究院的白韋等[47]認為首先明確5G技術是否適用于電力無線傳輸業務是未來電力系統規劃和建設的關鍵，他們通過分析典型的電子無線傳輸業務與5G技術的兼容性，提出了一種基于灰色系統的無線網絡業務與無線網絡技術適應度評價模型，對典型的電子無線通信業務和5G技術解決方案之間的適應度進行了評估，結果表明，5G解決方案適用于電網中典型的配電自動化、負載控制業務和分布式發電機和電能數據采集業務，5G技術在電力無線傳輸領域具有廣闊的應用前景。此外，在我國2018年發布的《5G助力智能電力應用白皮書》及2020年發布的《5G行業虛擬專網網絡架構》中都表示5G能更好地在安全可靠數據傳輸、可管可控等方面助力電力物聯網的典型業務應用，推動電力能源管理由粗放型向精細化轉變。未來，我國將在政策方面全面支持建設5G業務并合理地運用到電力行業中開發其最大價值，這無疑將推動電力物聯網在我國的進一步發展。

2.2 5G技術在電力物聯網中的研究現狀

ITU定義了5G三大場景：增強移動帶寬（Enhanced Mobile Broadband, eMBB）、超高可靠低時延通信（Ultra-Reliable and Low Latency Communications,uRLLC）和大規模機器類通信（Massive Machine Type Communications, mMTC），如圖4所示。

圖4 5G 三大應用場景Fig.4 Three application scenarios of 5G

定義eMBB典型的應用包括超高清視頻、虛擬現實、增強現實等。uRLLC典型的應用包括自動駕駛、工業控制、遠程醫療手術、智能電網、智能運輸、公共保護和救災等的無線控制，這類場景聚焦對時延和可靠性極其敏感的業務。mMTC典型的應用包括智能電網、智能家居和智慧城市等，這類場景對連接密度要求較高，呈現行業多樣異構性和差異化。

不難看出，5G的三大應用場景是對電力物聯網中數據傳輸方案三大應用場景的進一步深化。國內外相關專家學者也按照5G的三大應用場景對電力物聯網業務進行劃分，并開展了相關的研究工作。

2.2.1 電力物聯網eMBB場景

eMBB場景主要滿足一些高帶寬業務需求，是對數據采集類應用場景和業務信息傳輸場景的加強。目前，電力物聯網在這方面的應用主要是電網大視頻，包括了變電站機器人巡檢、輸電線路無人機在線監測、配電房視頻監控、移動式現場施工作業管控及應急現場自組網綜合應用等[35]。已經有不少研究人員嘗試應用5G技術在某些場景中做了實驗，并取得了一定成果。中國聯通聯合東莞市供電局在變電站內設置了基于5G的無人機110kV線路定點巡航[62]，在回傳的高清視頻/圖像中，能夠清晰讀取銘牌信息與線路狀態，有效提升巡檢工作效率。趙雷等[63]基于5G模組開發了巡檢機器人，解決了現有4G技術中由于帶寬不足導致的視頻圖像丟幀卡頓、網絡延時高等問題，提高了巡檢效率。

隨著電力物聯網建設的不斷推進，未來基于多維度感知電網的運行狀態是十分必要的，對于大視頻的采集必不可少。通常，對于復雜多樣性環境的清晰拍攝和錄像需要至少200Mbit/s帶寬的支持并具備較大范圍通信距離，現有的無線傳輸方式很難同時滿足這些要求，而5G將為這項服務的發展提供強有力的支持[38]。

2.2.2 電力物聯網uRLLC場景

uRLLC場景是對控制類應用場景和業務信息傳輸場景的加強，主要包括電力物聯網中的無線控制及電力系統調度信息傳輸等業務。電力系統生產控制區域的不同服務對延遲和可靠性有不同的要求，特定的業務包括分布式配電自動化、分布式能源調控、配電網差動電流保護和用電負荷需求側響應等。中國南方電網公司在2018年的一份報告中對于未來上述業務的關鍵需求指標進行了匯總[35]，見表4。

表4 控制類業務需求指標Tab.4 The indicators control business demanded

現有數據傳輸方案如電力光纖、無線專網等存在成本高、穩定性差、時延較高等多種問題[65]。而5G技術有望為這些需要低延遲和高可靠性的服務提供支持。文獻[64-65]都基于5G數據傳輸技術和差動電流保護系統的結合做了嘗試，工程示范中差動保護動作延時大約在67~71ms，且穩定性良好。為了滿足ms級精確負荷控制服務的延遲目標，華為的研究人員提出了一種新穎的物聯網-電網（Internet of Things-Grid，IoT-G）數據傳輸方案[50]，該技術是5G技術完全成熟前的過渡，繼承了5G系統的低延遲設計概念，支持頻譜聚合技術。現場測試結果表明，IoT-G數據傳輸方案在延遲、數據速率、容量和共存性方面滿足對電網服務的要求。

2.2.3 電力物聯網mMTC場景

mMTC場景的關鍵用途是連接部署的海量感知終端設備，滿足海量連接的業務需求，是對采集類業務的全面完善。目前在電網中，一方面，由于數據傳輸技術的限制，很多感知終端僅收集和上傳部分信息；另一方面，局部系統中僅配備了非常稀疏的感知終端，這種“稀疏的數字化”在對設備和系統的運行監測方面留下了諸多盲點，很多值得監測的物理、化學、氣象狀態及用電信息等數據產生了遺漏。在電力物聯網中通過使用更多的感知設備，可以對電力設備運行狀態、電網中的能量流動等進行更加深入的了解[61]，并有助于實現用電環節（分布式電源、充電樁、居民用戶等）的信息采集、能效管理、智能電器等雙向交互服務[25]。在文獻[66]中介紹了智能電網如何受益于5G環境中的先進分布式狀態估計方法，概述了新興的分布式狀態估計解決方案，該文作者認為，5G的出現將極大地促進廣域測量系統所需的分布式信息獲取和處理服務的提供，從而為未來分布式智能電網服務的發展提供理想的舞臺。英國愛丁堡大學的Mehdi Zeinali教授和John Thompson教授[52]認為，在所有用戶端配備大量基于5G數據傳輸模塊的智能電表能夠實現客戶和電力公司之間的雙向通信，從而優化自動計量基礎設施（Automated Metering Infrastructure, AMI），是實現高效能源管理系統的重要一步，仿真結果表明，他們所提出的基于5G的智能計量通信，具有更好的覆蓋范圍和鏈路可靠性：在全區域部署情況下，可將停電用戶數減少到5%以下。此外，文獻[18]中比較了兩種不同的配電網運行監控和控制策略：基于4G的集中式管理方法和基于5G的分布式管理方法。文中觀點認為，電網應用中將需要更大規模、更加普遍的實時監控、數據采集（Supervisory Control And Data Acquisition, SCADA）及控制業務以加強電網中分布式管理能力，這將迫切地需要5G無線傳輸技術來介入。

3 電力物聯網-5G應用挑戰和數據傳輸方案發展趨勢

3.1 5G應用挑戰

當前，各類數據傳輸方案正在不斷地發生著演進，v5.2低功耗藍牙、NB-IoT、xPON光纖、北斗四代衛星等都為電網提供了更高效率的數據信息傳輸方案，但要滿足電力物聯網在數字化變革與能源革命下的建設要求，打造具備統一標準、高度響應能力、高魯棒性和強可擴展性的數據傳輸網絡，還有許多問題亟待解決。

新興的5G數據傳輸技術憑借其突出的性能優勢、能夠利用現有通信基礎設施的便利性[67]以及支持網絡切片技術等優勢逐步取代現有的部分無線和有線傳輸方案，在響應當前需求的同時，還能夠變被動為主動地引導全面性的業務發展，在電力物聯網中的應用勢在必行。但在應用初期，也可預見性地存在一些挑戰，主要包括：

1）5G與現有數據傳輸方案的融合，共存問題

對于電力物聯網數據傳輸方案的選擇，需要綜合考慮傳輸數據密級、業務特征及通信物理環境等問題。5G無法完全取代當前的數據傳輸方案。例如，對于需要嚴格保障安全性與可靠性的控制信號、調度語音等數據的傳輸方面，目前5G技術由于無法排除受干擾及被攻擊的可能性，無法替代電力光纖專線在其中的作用[27,68]。5G與現有多樣化數據傳輸方案的異構化融合將是一項挑戰，它們的共存與相互協作將是常態。

2）5G在電力物聯網中的時間同步問題

作為通信承載網絡中必不可少的支撐部分，時間同步技術在其中起著非常關鍵的作用。通過解決如何聯合衛星技術建設高精度天地一體化時間同步網絡；如何優化現有同步傳輸技術（如1588v2），提高單個終端節點的時間處理精度等問題，從而提供統一時間基準，保證傳輸數據的有效性，滿足同步相量測量、數字差動保護、故障測距等的業務需求顯得十分重要。

3）5G終端設備以及通信基站的能耗管理

5G無線傳輸系統的主要耗電環節是海量的通信終端設備及通信基站。隨著電力物聯網時代的到來，部署超級密集的通信終端設備及基站，巨大的能耗將是可預見性的，故提升5G數據傳輸能效對于電力物聯網來說十分重要。對于5G終端設備，除了直接入手硬件，開發低能耗器件外，考慮如何利用射頻、溫差等環境參數獲取能量，研究一體化低功耗無源設計將是研究者們思考的方向。對于通信基站，優化基站設置以能效最大化為運營思路、與配電網供需互動[58]并利用可再生能源將是可行的方案。

4）5G無線傳輸的安全性問題

5G作為新一代無線蜂窩技術，其在電力物聯網中使用的通信網絡可以是私有的也可以是公有的。在加強電力5G專網建設的同時，共享經濟時代下，通過已有通信基礎設備組建的公共網絡完成電力物聯網部分業務數據的傳輸將是一個趨勢[56]。無線傳輸方式和公共網絡的使用都會給電網帶來新類型的安全風險。保障5G網絡接入安全、5G終端安全、切片安全、邊緣計算安全，支持統一的身份管理與認證，支持多元化信任關系構建，探索隱私保護策略，以及建立并分析對應的威脅模型，這些研究都將有助于建立5G無線傳輸技術在電力物聯網中的安全性使用標準。

3.2 數據傳輸方案發展趨勢

對于電力物聯網中數據傳輸方案，其發展趨勢主要體現在以下兩個方面：

1）順應數字化發展變革，面向多元化的海量信息

現階段電網中的數據傳輸需求主要來自各類電力設備的運行監測與控制，用電信息的采集和電力系統的調度等。但隨著電力物聯網建設目標中對于分布式采集類業務更加全面深化、控制類業務與主網精準聯動等要求的提升，以及對于配合人工智能和大數據技術實現全面感知分析、加強用戶側的雙向互動、互聯協調多種能源等多層次、多方面新要求的提出，使得電力物聯網中的數據流動信息具有更加鮮明的多樣性、復雜性、海量化等特點。

在通信內容更加豐富的趨勢下，要有針對性地考慮業務通信需求的差異化，實現相互安全隔離、功能可定制的數據傳輸服務，并在對應帶寬、速率、時延等方面做出適應與提升，從而支持電力物聯網中多元融合的大數據分析。

2）構建一體化通信架構

面對未來多樣化的業務形式和海量的信息交互，需要建立“綜合接入、一體承載、業務貫通”[69]的通信架構建設理念。構建一體化的通信網絡是必然的趨勢，由統一的平臺提供安全可靠、承載能力強勁的數據傳輸網絡，進行感知層內基本單元的信息交互、統一向上至平臺層的數據接入，或以應用層信息進行對內、對外的反饋、交互，實現業務貫通。一體化的通信網絡憑借覆蓋面廣、資源調配靈活，必將促使電力物聯網的信息化、專業化、科學化水平進一步深入。這將為電網的數據共享和能源互動奠定基礎，協助未來能源互聯網的業務發展。

4 結論

本文以電力物聯網中的數據傳輸方案為研究對象，首先結合當下的數字化變革和能源革命討論了在建設電力物聯網過程中研究數據傳輸技術的重要性。通過梳理電力物聯網構架，分析了其中的數據傳輸網絡，將數據傳輸方案根據應用場景劃分為采集、控制和業務信息傳遞三大類，然后梳理、討論了現有數據傳輸方案在三大場景中的應用現狀，并分析了數字化變革下三大場景的業務深化與變革，提出了數字化變革下電力物聯網建設對于數據傳輸方案的新要求。當前數據傳輸方案應對數字化變革乏力，作者認為5G作為無線傳輸奇點技術將能夠應對挑戰，于是從5G技術特征出發，分析了5G技術在電力物聯網中的適用性，然后對國內外學者在電力物聯網場景中的5G應用實驗進行了列舉和討論，得出5G技術必將在電力物聯網和能源互聯網的建設中占有重要席位這一結論。最后，本文預見了5G應用于電力物聯網中將會面臨的方案融合、高精度時間同步、能耗管理以及安全性問題，展望了未來電力物聯網在朝著能源互聯網演進過程中，其數據傳輸方案將承載多元化的海量信息，并將以一體化通信架構發展。