5G通信技術(shù)在智能電網(wǎng)的應(yīng)用

王 超，高云磊

（中通服咨詢(xún)?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，河北 石家莊 050000）

0 引 言

與傳統(tǒng)通信技術(shù)相比，5G通信技術(shù)具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，得到了廣泛應(yīng)用，有利于拓寬其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。在智能電網(wǎng)層面，5G技術(shù)的應(yīng)用可以推動(dòng)智能電網(wǎng)更加高效、快速的發(fā)展，也是通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)快速發(fā)展的關(guān)鍵一步。本文分析和探討了5G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用。

1 智能電網(wǎng)的業(yè)務(wù)特點(diǎn)

智能電網(wǎng)是指利用各種新能源技術(shù)、新材料、新設(shè)備及其優(yōu)良的傳感技術(shù)、信息技術(shù)、控制系統(tǒng)、儲(chǔ)能等新技術(shù)在傳統(tǒng)供電系統(tǒng)中的應(yīng)用，形成新一代供電系統(tǒng)。與傳統(tǒng)電網(wǎng)相比，智能電網(wǎng)信息管理和自動(dòng)化技術(shù)具有更高的水平，完成發(fā)電、配電、用電和生產(chǎn)調(diào)度階段的自動(dòng)化，合理促進(jìn)電網(wǎng)高效運(yùn)行，改善和提高電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。在智能電網(wǎng)的運(yùn)行中，通信技術(shù)充分發(fā)揮了引領(lǐng)作用。利用通信技術(shù)可以完成對(duì)電網(wǎng)的合理監(jiān)管和數(shù)據(jù)信息的采集。現(xiàn)階段智能電網(wǎng)的業(yè)務(wù)特征概括如下。

（1）穩(wěn)定性強(qiáng)。智能電網(wǎng)的管理系統(tǒng)具有先進(jìn)的技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)，具有預(yù)警信息、安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、故障檢測(cè)和自我修復(fù)等功能，顯著提高了穩(wěn)定性。在電網(wǎng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，可以保持一定的供電工作能力，減少停電帶來(lái)的負(fù)面影響。

（2）模型開(kāi)放兼容好。現(xiàn)階段相關(guān)可再生資源發(fā)電、分布式發(fā)電正在慢慢形成，促進(jìn)了電能的合理利用，同時(shí)也暴露了這些類(lèi)型電能與傳統(tǒng)電網(wǎng)的兼容問(wèn)題。根據(jù)智能電網(wǎng)的有效應(yīng)用，可以更加積極、合理地利用不同類(lèi)型的電能，全方位滿(mǎn)足各種用電需求。

（3）更強(qiáng)的交互性。智能電網(wǎng)的應(yīng)用有利于完成電力工程客戶(hù)與電力行業(yè)的雙重互動(dòng)。電力行業(yè)可以充分把握用戶(hù)需求，推動(dòng)服務(wù)質(zhì)量提升，電力工程客戶(hù)可以盡快掌握電力行業(yè)供電系統(tǒng)的現(xiàn)狀，選擇更有效的用電方式。

（4）智能電網(wǎng)可以促進(jìn)電網(wǎng)系統(tǒng)的高效運(yùn)行，整合和共享電網(wǎng)信息內(nèi)容，提高管理效率，以及電力工程資源的高效利用[1-3]。

2 5G通信技術(shù)優(yōu)勢(shì)

5G通信技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是：傳輸速率快、頻率利用率高、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)總覆蓋范圍大、兼容模式更好、成本更低。事實(shí)上，5G通信技術(shù)目前的市場(chǎng)需求是快速的數(shù)據(jù)信息傳輸速率。與4G無(wú)線通信技術(shù)相比，5G傳輸速率可以提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。從2G到4G，雖然傳輸速率變快，但是傳輸速率會(huì)受到很多因素的影響，如網(wǎng)絡(luò)寬帶資源相對(duì)有限，更大的20M載波通信資源無(wú)法滿(mǎn)足企業(yè)用戶(hù)和個(gè)人客戶(hù)的需求，700M黃金頻段在4G時(shí)期沒(méi)有使用。此外，信號(hào)發(fā)射器的質(zhì)量和周?chē)h(huán)境對(duì)其也有非常特殊的影響。但是，目前需要解決的是兼容模式。隨著5G無(wú)線通信技術(shù)的使用，兼容模式比其他幾代更具優(yōu)勢(shì)，比如兼容4G，有NSA方式，可以使用動(dòng)態(tài)頻段與2G/3G/4G共享資源。DSS技術(shù)完成了對(duì)頻率資源的靈活使用，并且受波束成形技術(shù)等外部影響，采用多天線技術(shù)，可以與其他互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)并行使用。

3 5G通信技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用

3.1 D2D技術(shù)應(yīng)用

傳統(tǒng)的無(wú)線通信接口方式依賴(lài)于通信基站，連接成本較高，數(shù)據(jù)信號(hào)覆蓋范圍相對(duì)有限，難以在電網(wǎng)中大規(guī)模使用。D2D（Device-to-Device）數(shù)據(jù)連接技術(shù)是5G進(jìn)程的關(guān)鍵。通信基站不作為中轉(zhuǎn)站，通信終端設(shè)備直接連接到網(wǎng)絡(luò)。智能能源通信終端設(shè)備普遍密度大，可以充分利用D2D的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，使數(shù)據(jù)連接質(zhì)量和互聯(lián)網(wǎng)傳輸速率大大提高，同時(shí)降低對(duì)運(yùn)營(yíng)商通信基站的依賴(lài)和運(yùn)營(yíng)成本。

3.2 多天線傳輸技術(shù)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，科技進(jìn)步帶來(lái)了頻率利用和傳輸特性的改善，推動(dòng)了大規(guī)模天線陣列和多天線通信技術(shù)的運(yùn)行。大規(guī)模天線陣列是對(duì)時(shí)空資源的深入分析和發(fā)現(xiàn)，以空分多址技術(shù)為前提，在統(tǒng)一的時(shí)間內(nèi)完成為眾多客戶(hù)服務(wù)的任務(wù)和頻率；而多天線通信技術(shù)可以共享小體積，增強(qiáng)數(shù)據(jù)信息網(wǎng)絡(luò)速度，因此特性得到了進(jìn)一步的提升。為了更好地完成Massive MIMO在各種互聯(lián)網(wǎng)通信基站上的合理布局，將應(yīng)用數(shù)字無(wú)線天線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)3D波束成形。為提高系統(tǒng)的空間可塑性，可將3D波束賦形作為改善空間區(qū)域粒度分布的必要條件，可促進(jìn)多無(wú)線天線通信技術(shù)性能的提高。

3.3 智能分布式自動(dòng)化配電

相關(guān)電力項(xiàng)目正在進(jìn)一步提高對(duì)可靠供電系統(tǒng)的要求。供電系統(tǒng)穩(wěn)定性較高的地區(qū)可以完成連續(xù)供能，安全事故隔離時(shí)間可以達(dá)到毫秒級(jí)的提升，從而為地區(qū)提供不間斷的電力服務(wù)。此外，也對(duì)領(lǐng)頭站的延誤和集中運(yùn)輸能力提出了更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。不難看出，智能分布式自動(dòng)化配電設(shè)備將是配網(wǎng)自動(dòng)化發(fā)展的主要方向，其特點(diǎn)是將原有的主網(wǎng)邏輯分布式系統(tǒng)遷移到智能配電終端設(shè)備上，依靠各終端設(shè)備之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信進(jìn)行區(qū)分，準(zhǔn)確定位和預(yù)防常見(jiàn)故障。在罕見(jiàn)故障區(qū)域修復(fù)供電系統(tǒng)運(yùn)行問(wèn)題，自動(dòng)解決常見(jiàn)故障，最大限度減少因常見(jiàn)故障造成的停電時(shí)間，完成原來(lái)的分鐘級(jí)處理到毫秒級(jí)的轉(zhuǎn)變。

3.4 分布式新能源和儲(chǔ)能并網(wǎng)

隨著大規(guī)模分布式新能源技術(shù)的不連續(xù)性和可變性，以及分布式系統(tǒng)儲(chǔ)能電站的不斷接入，智能電網(wǎng)對(duì)通信的要求正在逐步提高。目前電力工程4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在通信時(shí)延、通信速度、穩(wěn)定性、安全系數(shù)、大規(guī)模高效連接等方面都不能滿(mǎn)足其運(yùn)行要求。5G可以高效處理上述問(wèn)題，在分布式系統(tǒng)新能源技術(shù)和儲(chǔ)能技術(shù)層面進(jìn)行以下應(yīng)用。

（1）數(shù)據(jù)和信息的實(shí)時(shí)交互。根據(jù)5G帶寬測(cè)試，低延遲可完成可再生資源評(píng)估、分布式系統(tǒng)儲(chǔ)能技術(shù)調(diào)整能力評(píng)估、分布式系統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電預(yù)測(cè)分析、分布式系統(tǒng)新能源技術(shù)Harmony等數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)交互。

（2）快速準(zhǔn)確操作現(xiàn)階段分布式系統(tǒng)新能源技術(shù)。現(xiàn)階段新能源技術(shù)的關(guān)鍵是將電力工程電子系統(tǒng)接入電網(wǎng)，電力工程電子系統(tǒng)要高速傳輸，低延遲的通信級(jí)別確保其一切正常運(yùn)行。結(jié)合5G高速傳輸、低時(shí)延、帶寬測(cè)試的通信特性，可以快速對(duì)新能源技術(shù)進(jìn)行精細(xì)化操控。

3.5 采集低壓用電信息

采集用電信息（用電客戶(hù)）的業(yè)務(wù)流程是目前計(jì)量驗(yàn)證和數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)流程的關(guān)鍵。具有總流量增長(zhǎng)幅度大、下降幅度小的特點(diǎn)。目前主要的通信方式是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)外網(wǎng)地址0.230 M及其光纖傳輸，實(shí)際客戶(hù)終端設(shè)備采用載波模塊方式，主網(wǎng)按省單位集中部署。初始采集方式為每天24個(gè)測(cè)量檢查點(diǎn)，當(dāng)前重點(diǎn)為5 min和15 min采集，中間零點(diǎn)作為統(tǒng)一采集。隨著新業(yè)務(wù)流程的擴(kuò)展，互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容數(shù)據(jù)信息需要及時(shí)、實(shí)時(shí)上報(bào)。

此外，終端設(shè)備總數(shù)將進(jìn)一步增加，將用電信息內(nèi)容擴(kuò)展到家庭采集，獲取用電終端設(shè)備的所有負(fù)荷信息，完成供需平衡的精細(xì)化管理，提高避峰的合理用電情況，及時(shí)進(jìn)行電價(jià)公示方便客戶(hù)按要求下單采購(gòu)。

3.6 C-RAN傳輸網(wǎng)絡(luò)框架的應(yīng)用

C-RAN傳輸網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)是5G通信網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)發(fā)展前景。它具有快速的傳輸效率，可以滿(mǎn)足5G通信技術(shù)對(duì)信息內(nèi)容傳輸速度的要求。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將光傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)，以及遠(yuǎn)程無(wú)線天線技術(shù)。配合設(shè)備使用，促進(jìn)WiFi網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信號(hào)覆蓋范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。目前，相關(guān)領(lǐng)域的專(zhuān)家學(xué)者定制集中控制系統(tǒng)為重點(diǎn)研究對(duì)象。該框架應(yīng)用于智能能源電力工程光纖通信互聯(lián)網(wǎng)，可以進(jìn)一步降低電力網(wǎng)絡(luò)通信的運(yùn)營(yíng)成本。同時(shí)，有利于工作人員收集數(shù)據(jù)和信息，發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行中的不足[4]。

3.7 擴(kuò)大配網(wǎng)自動(dòng)化功能

配電自動(dòng)化是智能電網(wǎng)發(fā)展的重點(diǎn)之一。配電自動(dòng)化涉及多種技術(shù)，主要包括數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、電子信息技術(shù)和控制系統(tǒng)等，是技術(shù)裝備和創(chuàng)新管理協(xié)調(diào)方法。采用智能自動(dòng)化技術(shù)的配電設(shè)備可以合理提高供電系統(tǒng)的效率和電能質(zhì)量分析，降低配電系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù)成本，促進(jìn)供電系統(tǒng)可靠性的提高。

3.8 精確的負(fù)載處理

電力負(fù)荷操縱是指對(duì)電力消耗的跟蹤和檢查，當(dāng)電力負(fù)載超過(guò)預(yù)設(shè)的負(fù)載時(shí)間常數(shù)時(shí)，系統(tǒng)先發(fā)起報(bào)警，然后跳閘斷開(kāi)負(fù)載，這是一種功耗管理方法。在傳統(tǒng)的電力負(fù)荷操縱工作中，由于缺乏相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)通信，一般只進(jìn)行配電設(shè)備路由的整體拆除，對(duì)電力工程客戶(hù)造成的干擾比較大。在當(dāng)前的發(fā)展階段，電力行業(yè)要提高負(fù)載操縱的準(zhǔn)確性，減少對(duì)主要電力客戶(hù)的影響。根據(jù)精準(zhǔn)負(fù)載控制系統(tǒng)的使用，電動(dòng)汽車(chē)充電樁及其加工廠可率先切斷電源等低電平負(fù)載的非連續(xù)生產(chǎn)。應(yīng)用5G通信技術(shù)進(jìn)行負(fù)載控制，并在穩(wěn)定控制服務(wù)的支持下，充分利用5G網(wǎng)絡(luò)通信低時(shí)延、穩(wěn)定性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)[5]。

4 通信技術(shù)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

智能電網(wǎng)是我國(guó)電網(wǎng)的戰(zhàn)略定位，通信技術(shù)是智能電網(wǎng)發(fā)展的基礎(chǔ)。在配電自動(dòng)化業(yè)務(wù)過(guò)程中，以往的通信技術(shù)嚴(yán)重制約了電力設(shè)備智能化系統(tǒng)的水平，也影響了智能電網(wǎng)在時(shí)間進(jìn)度方面的發(fā)展。5G通信技術(shù)不僅是在互聯(lián)網(wǎng)的部署、項(xiàng)目投資、基建成本、功耗側(cè)覆蓋、中后期擴(kuò)容維護(hù)等方面成功應(yīng)用，同時(shí)也彌補(bǔ)了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的外網(wǎng)地址流量潛伏，具有網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)專(zhuān)用、體積大、連接率高、安全系數(shù)高等特點(diǎn)[6]。

近年來(lái)，隨著大數(shù)據(jù)在行業(yè)中的逐步推進(jìn)，供電系統(tǒng)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的需求不斷增加。電力工程無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和5G互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，依托自身優(yōu)勢(shì)，完全可以滿(mǎn)足電力工程通信系統(tǒng)和通信連接的要求。根據(jù)高寬帶網(wǎng)絡(luò)、低時(shí)延的技術(shù)特點(diǎn)，電力工程無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以完成多媒體數(shù)據(jù)發(fā)布數(shù)據(jù)信息和操作指令，在配電自動(dòng)化、應(yīng)急維護(hù)、移動(dòng)財(cái)產(chǎn)的維護(hù)和可視化管理等方面取得了明顯的效果。同樣5G的低時(shí)延和信息內(nèi)容傳輸特性也有利于降低供電系統(tǒng)潛在停電的條件和時(shí)間。當(dāng)配網(wǎng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，5G通信系統(tǒng)推動(dòng)毫秒級(jí)自動(dòng)準(zhǔn)確定位和保護(hù)，保證了故障區(qū)域的持續(xù)供電，可以大大提高應(yīng)急能力。

供電系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息安全的要求極高，電力無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是根據(jù)電力公司的要求而設(shè)計(jì)的，可以滿(mǎn)足安全要求。而5G是外網(wǎng)地址通信，極有可能會(huì)出現(xiàn)傳輸通道的堵塞，網(wǎng)絡(luò)安全防范措施雖多，但仍存在安全隱患。電力工程無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在安全系數(shù)和通信質(zhì)量方面相對(duì)較強(qiáng)，但在基建成本和全方位覆蓋方面仍存在一定的壓力，應(yīng)大量使用電力無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、電力物聯(lián)網(wǎng)流程下的采集和操作業(yè)務(wù)。

5 結(jié) 論

智能電網(wǎng)基礎(chǔ)建設(shè)對(duì)提高電網(wǎng)運(yùn)行效果、提高供電系統(tǒng)穩(wěn)定性具有核心現(xiàn)實(shí)意義。現(xiàn)階段，5G通信技術(shù)已將大量新技術(shù)應(yīng)用于智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。同時(shí)，5G通信技術(shù)在自動(dòng)化技術(shù)配電設(shè)備、負(fù)荷操控、用電信息內(nèi)容采集、分布式發(fā)電操控等領(lǐng)域也具有優(yōu)異的實(shí)際應(yīng)用效果。