5G移動通信技術在新一代電力通信支撐網中的應用分析

崔穎強，王 拓

（1.中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210009；2.中國通信建設第二工程局有限公司，陜西 西安 710119）

0 引 言

新一代電力通信支撐網作為建設堅強智能電網的基礎支撐，在電力系統發電、輸電、變電、配電、用電以及調度業務中發揮著舉足輕重的作用。以低時延高可靠、大帶寬高流量、低功耗大連接著稱的5G移動通信技術，在電力通信支撐網中可組建5G虛擬專網，以承載對時延、安全、連接和可靠性要求高的變配電自動化、精準負荷控制等電網控制類業務。通過以業務性能、可靠性和建設成本較為均衡為特性的4G移動通信技術，在電力通信支撐網中可組建4G無線專網，以承載用電信息智能采集、輸變電巡檢監測等信息管理類業務。以大連接、廣覆蓋、低功耗、低成本以及低流量為特性的窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）可作為5G輕量化終端技術成熟前對智能電表等低功耗廣覆蓋物聯網應用場景的有效補充。

1 5G主要關鍵技術

5G具有高速率、低時延、大容量、高可靠以及海量連接等特點，相較于4G和NB-IoT，在各項關鍵性能指標上更為強大。

5G作為目前最新一代的蜂窩移動通信技術，其技術革新程度是任何一代移動通信技術都無法比擬的。網絡層面，其關鍵技術主要包括軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）、網絡功能虛擬化（Network Functions Virtualization，NFV）、網絡切片、移動邊緣計算等；無線層面，包括全雙工、大規模天線技術、新的編碼技術、新的多址接入技術等。

1.1 5G網絡切片技術

5G網絡切片是指基于SDN技術和NFV技術，在通用的物理硬件平臺上構建多個定制化、虛擬化、專用化且相互隔離的邏輯網絡，通過不同的邏輯網絡滿足不同的業務需求［1,2］。

隨著SDN技術和NFV技術的逐步成熟，5G網絡切片可為各行各業提供靈活、高效、可定制的虛擬專用移動網絡。根據業務形態的不同，網絡切片選取原則為：低時延高可靠業務使用超可靠低時延通信（ultra Reliable Low Latency Communication，uRLLC）切片；大帶寬高流量業務使用增強型移動寬帶（enhance Mobile Broadband，eMBB）切片；低功耗大連接業務使用大規模機器通信（massive Machine Type Communication，mMTC）切片。

1.2 大規模天線技術

5G大規模天線技術是在4G多輸入多輸出（Multi Input Multi Output，MIMO）空間分集技術和4G智能天線波束賦型技術基礎上，經過技術演進，大幅度提升系統性能。

隨著5G頻率增加，天線尺寸進一步縮小，天線數量進一步增加。5G大規模天線技術通過對多個天線單元進行調節，產生具有指向性的波束，實現波束賦型。波束賦性使基站側電磁波能量進一步集中，增加基站覆蓋距離，降低干擾，有效提升小區容量，在終端側使接收信號疊加，提高接收信號強度，降低終端功耗。

2 5G主要應用場景

電力生產包括發電、輸電、變電、配電以及用電5個環節。目前，在發電環節主要以5G+工業互聯網的形式出現，在電力通信支撐網中的應用主要面向輸電、變電、配電以及用電4個環節展開，應用場景主要涵蓋了實時控制類業務和采集監控類業務，包括配電自動化（三遙）、配網差動保護、分布式能源控制、精準負荷控制、輸變電智能巡檢、高清視頻監控以及低壓用電信息采集等［3］。

基于5G網絡切片技術，可通過在公共物理網絡上開辟出多個相互之間物理隔離或邏輯隔離的虛擬專用網絡，面向電力行業各類業務需求，提供定制化的網絡功能。通過對不同業務形態的多種網絡切片組合，形成行業特色鮮明的5G虛擬專網。

3 5G部分應用分析

根據5G低時延高可靠、大帶寬高流量、低功耗大連接的3大網絡特性，將不同類型的電力業務進行劃分。本文主要介紹要求低時延、高可靠的5G+配電網差動保護業務以及大帶寬高流量和低功耗大連接的5G+電力電纜隧道（管廊）智能巡檢業務。

3.1 5G+配電網差動保護

3.1.1 配電網差動保護業務概述

以線路差動保護為例，正常運行時線路兩端的電流流入和流出相等，差動電流等于零；當線路發生故障時，兩端的電流流入和流出不相等，差動電流大于整定值時差動保護動作，使線路兩側斷路器跳開，從而切斷電源［4,5］。

近年來，分布式光伏發電規模日益擴大，此類分布式電源接入電網越來越多，對配電網的供電經濟性以及節點電壓、潮流、短路電流、供電安全性、可靠性等帶來諸多影響。分布式電源產生的故障電流會減小甚至抵消流過繼電保護器的電流，引起原有繼電保護裝置靈敏度降低，差動保護裝置拒操作或誤操作，進而使電網故障率增加，導致生產事故逐步增多。由于配電網差動保護技術對電流采樣的時間同步精度要求較高，傳統的電力載波通信、微波通信等技術無法滿足，在5G技術逐步成熟并實現網絡大面積部署之前，配電網差動保護業務主要依靠光纖網絡實現電流、電壓等信息的交互傳遞，但是光纖通道建設存在周期長、成本高、難度大、通道利用率低等缺點，影響了差動保護在配電網的推廣和應用［6,7］。

3.1.2 配網差動保護通信需求

差動保護技術因其要求相互關聯的2個配網差動保護終端必須保證時間同步，所以時間同步精度小于10 μs。為實現故障的快速檢測和隔離，交互信息的傳輸時延不超過15 ms，帶寬大于2 Mb/s，并要求采取端到端的安全隔離措施。

3.1.2 5G+配網差動保護技術實現

5G技術通過網絡切片和移動邊緣計算技術，提供低延時高可靠的虛擬切片網絡場景，并通過用戶面功能（User Plane Function，UPF）下沉構建邊緣計算節點，對接收到的業務信息就地處理，有效降低傳輸時延，可完全滿足配網差動保護業務低時延高可靠要求，能夠根據配電網拓撲變化動態調整差動保護配置，為配網差動保護提供了新的技術實現方式。另外，我國5G網絡采用基于北斗衛星導航系統授時的高精度同步技術，其穩定的空口百納秒級超高時間同步精度已經過長時間驗證，完全滿足配網差動保護業務的時間同步精度要求。

配網差動保護業務屬于生產控制大區（安全Ⅰ區）類業務，其安全隔離要求極高。根據配網差動保護業務低時延高可靠性的業務特征，為其配置uRLLC電力專用切片，無線網配置資源塊（Resource Block，RB）無線空口資源預留+低時延服務質量（Quality of Service，QoS），承載網配置FlexE接口+VPN隔離，核心網UPF網元資源在邊緣計算節點專建專享，實現端到端的安全硬隔離。

3.2 5G+電力電纜隧道（管廊）智能巡檢

3.2.1 電力電纜隧道（管廊）智能巡檢現狀

隨著電力電纜隧道（管廊）精益化管理和智能化監測的持續深化應用，智能傳感設備及其監控系統為電力運維人員提供了更便捷的智能化運維手段，通過前端智能感知、后端智能分析處理，配合人工智能（Artificial Intelligence，AI）機器人巡檢等新型運維業務的應用，可極大促進監控、作業、安防向智能化、可視化、高清化升級，大幅提升電力電纜隧道（管廊）的巡檢效率，有效支撐建設堅強智能電網的迫切需求。然而監測設備類型及其配套系統日益繁多，給系統數據的高效獲取和分析帶來了新的難題，多通信鏈路、多監測系統、多硬件服務、動態預警感知不足以及智能化故障分析處理手段不足等問題突出，不滿足智慧運維技術發展對電力電纜隧道（管廊）無人化巡檢的需要［8,9］。

3.2.1 5G+電力電纜隧道（管廊）智能巡檢技術實現

基于5G技術的電力電纜隧道（管廊）智能巡檢業務，通過在電力電纜隧道（管廊）內建設5G通信小基站，使用泄漏電纜或者中繼放大器實現全線隧道（管廊）的5G網絡覆蓋，為巡檢業務搭建基站獨享+UPF下沉的eMBB切片虛擬網絡，實現電纜隧道（管廊）智能傳感設備的大帶寬和廣連接場景應用。

5G技術的電力電纜隧道（管廊）智能巡檢業務技術實現方式有以下2種。

（1）移動式AI機器人巡檢。因部分電力電纜隧道（管廊）存在空間狹小、線路密集、空氣流通速度慢、敷設環境濕度大等問題，所以人工巡檢的效率和準確度低，巡檢臺賬的完善性不高，且后期監盤查詢數據耗時耗力。而移動AI機器人可執行虛擬現實（Virtual Reality，VR）全景掃描、紅外裝置探測、溫度異常判斷等多任務，并可通過高清攝像頭實時3D建模探測高危環境下的隧道沉降情況、檢測隧道內有毒有害氣體等，但因其體積較大、重量較重、靈活性較差的缺點，在特殊性與復雜性并存的巡線任務中適用性不高，需要結合在線傳感監測手段，從而完善巡檢作業，實現各個系統的信息共享［10］。

（2）在線式傳感監測。在線式傳感監測分為環控類監測（含氣體、溫濕度、水位、煙感等）和電纜類監測（含局放、環流、測溫等），通過高清攝像頭、氣體監測、煙霧感應和水位探測裝置等前端智能感應裝置以及終端紅外測溫、接地電流在線監測裝設備，實時獲取環境數據和電纜工作狀態數據。數據經過安裝5G CPE的集控式終端上傳后端分析處理設備，使運維人員更加方便直觀的掌握現場設備的動態變化情況，為電力電纜隧道（管廊）的安全高效運行提供全方位、智能化的保護。

4 結 論

本文以5G技術特性為引，介紹了5G在新一代電力通信支撐網中的主要應用場景，并結合uRLLC和eMBB切片場景分析了其在新一代電力通信支撐網中配網差動保護和5G+電力電纜隧道（管廊）智能巡檢中的應用。建設堅強智能電網離不開通信技術的高速發展，目前5G R17版本已經凍結，引入Red Cap輕量化終端、天地一體新網絡等新技術、新特性將更高效提升5G在定位精度、時延、帶寬以及覆蓋等方面的性能，后期將有更多的智能電網業務可通過5G網絡來承載實現。