5G移動通信與物聯網技術在電力系統中的應用

韓子媛 王莉

1．中國電建集團河南省電力勘測設計院有限公司；2．河南工業大學電氣工程學院

本文基于智能電網和電力物聯網建設的背景下，研究探討5G移動通信與物聯網技術在電力系統中的應用。首先介紹5G和物聯網技術的內涵及特點，探討泛在電力物聯網基本架構功能及對通信業務的需求，重點分析了5G網絡切片、IAB技術與邊緣計算技術特征及在電力物聯網中的應用。

隨著電力行業的不斷發展，尤其是2019年國家電網提出了建設運營強智能電網和泛在電力物聯網的戰略部署，將電力用戶、電網企業、供應商及其設備等人物、物物互聯，推動電力行業智能化、信息化進程。以5G為代表的移動通信技術正在與AI、大數據結合，開啟一個萬物互聯的全新時代。本文研究探討在智能電網和電力物聯網建設的背景下，5G移動通信技術與物聯網融合應用以提高電力系統智能管控、運維水平。

1 5G移動通信技術

5G是具有高帶寬、低時延和大連接特點的新一代寬帶移動通信技術，是實現人機物互聯的網絡基礎設施。國際電信聯盟（ITU）定義了5G的三大類應用場景，即增強移動寬帶（eMBB）、超高可靠低時延通信(uRLLC)和海量機器類通信(mMTC)。增強移動寬帶（eMBB）主要面向移動互聯網流量爆炸式增長，為移動互聯網用戶提供更加極致的應用體驗；超高可靠低時延通信(uRLLC)主要面向工業控制、遠程醫療、自動駕駛等對時延和可靠性具有極高要求的垂直行業應用需求；海量機器類通信(mMTC)主要面向智慧城市、智能家居、環境監測等以傳感和數據采集為目標的應用需求。ITU定義了5G八大關鍵性能指標，其中高帶寬、低時延、大連接成為5G最突出的特征，用戶體驗速率達1Gbps，時延低至1ms，用戶連接能力達100萬連接/平方公里。5G網絡技術的到來，為電力系統的發展帶來了機遇和挑戰，成為支撐電力行業數字化、網絡化、智能化轉型的關鍵新型基礎設施。

2 物聯網技術

物聯網（IoT）是各種傳感技術的綜合應用，通過射頻識別、全球定位系統等信息傳感設備，按照約定的協議，構成物物相連的網絡進行信息交換和通信。物聯網的網絡架構由感知層、網絡層和應用層組成。隨著物聯網不斷發展，國際電信聯盟（ITU）、歐洲智能系統集成技術平臺（EPoSS）、歐盟物聯網研究項目組（CERP-IoT）等機構給出各自的“物聯網”定義。智能電網的運行包括發電、輸電、變電、配電和用電等五個環節，物聯網對提升智能電網信息采集、信息智能處理和信息雙向交互具有重要作用，在智能電表、發電設備的狀態預測和調控、變電站視頻智能監控、輸變電線路監控與動態維護等方面得到廣泛應用，全面提升電力信息感知效果。其中，建立高速、實時和雙向的通信網絡和系統才能使智能電網成為一個動態信息交互處理的大型基礎設施。

3 5G移動通信在電力系統物聯網中的應用

3.1 泛在電力物聯網對通信業務的需求

電力系統物聯網需要具備復雜全面感知、高效處理海量電力信息和數據和低延時響應控制來實現電力系統各環節互聯互通，被稱為泛在電力物聯網（UPIoT)。泛在電力物聯網在結構上分別由感知層、網絡層、平臺層和應用層組成。感知層位于泛在電力物聯網最底層，基于現場傳感器采集從發電到用電所需的基礎海量數據；網絡層是基于5G或其余有線或無線通信技術實現數據流的傳輸；平臺層主要進行對感知層獲取的海量數據進行處理和計算；應用層基于平臺層對數據處理的結果進行分析決策與反饋。泛在電力物聯網對通信業務的需求主要為對網絡層的網絡接入與傳輸能力、網絡帶寬與時延方面提出更高的要求。

3.2 5G網絡切片

5G技術的高帶寬、低時延、大連接突出特征與電力系統海量數據傳輸、靈活響應和遠程控制、長距離萬物信息互聯的基本需求非常吻合。5G網絡切片又為更靈活的電力連接支持，滿足不同、多樣化的電力業務場景需求提供了定制化專用網絡。網絡切片就是根據使用場景將一個物理網絡劃分為多個邏輯網絡，不同的場景使用不同的邏輯網絡。5G網絡切片總體框架示意圖如圖1所示。從圖1中可以看出，5G端到端網絡切片框架由網絡切片管理域和網絡切片業務域組成，網絡切片管理域具備通信服務管理、網絡切片管理、網絡切片子網絡管理等功能；網絡切片業務域包括終端用戶（UE）、無線接入網子切片、承載網子切片、核心網子切片和數據網絡（DN）組成。

圖1 5G網絡切片總體框架示意圖Fig.1 Schematic diagram of general framework of 5G Network Slicing

(1)5G網絡高寬帶特性典型應用：電力行業對語音、視頻等帶寬要求非常高的業務場景，如變電站智能巡檢實現主站遠程對變電站現場作業全過程安全管控、音視頻互動等功能、電力線與桿塔無人機巡檢等業務需求，能夠高速率實現視頻數據回傳與快速拼接，實現復雜惡劣環境下實時監測電力線路運行狀態，如配電網虛擬現實業務能夠實時更新高清畫面，實現配電網全景圖等；(2)低時延特性典型應用：電力是以光速進行傳播，為了及時響應電力的各種變化，需要進行低時延的精準控制。典型的業務場景為重點解決電網故障初期的精準負荷控制，實現發用電平衡，精準負荷控制系統處理故障通道傳輸時間總時延要求小于50ms；在配網差動保護場景中，結合5G網絡切片和物聯網邊緣計算技術，滿足配網差動保護對端到端通信通道10～12ms的低時延要求；(3)大連接典型應用：5G移動通信使大量最后一公里電力設備實現互聯互通，而且使終端傳感器的海量數據得到了采集、傳輸和分析，典型業務場景包括電力計量檢測、分布式能源監控和管理。

電力部門可根據業務需求將5G網絡切片劃分為多個不同功能的子切片網絡，以實現與“專用網”同等級別的安全和隔離。但是，由于應用需求的不同，5G中安全結構與傳統的移動網絡安全機制結構有很大改變，隨著電力發展和建設，國家電網對通信網絡的標準、通信業務隔離等方面的要求非常高，切片在移動網絡中的安全問題是強智能電網和泛在電力物聯網中重要研究內容。網絡功能虛擬化（NFV）和軟件定義網絡（SDN）技術能夠使不同的5G網絡切片資源進行安全隔離，用于支持不同的無線接入網絡（RAN）以及在這些RAN上運行的不同業務類型。此外，還要注意解決切片管理接口的安全性問題。

3.3 IAB技術

空口，指的是移動終端到基站之間的連接協議，是移動通信標準中一個至關重要的標準。3G、4G時代的空口核心技術分別是CDMA和OFDM。在5G新空口（New Radio，NR）的研究中，由于5G NR技術由于可以使用更高的頻段和更大的帶寬，但是頻段越高，NR的覆蓋將會受到限制。為了滿足覆蓋要求，高頻段的5G基站將會布署更加密集，但同時就會對有線傳輸網絡的部署提出更好的要求。集成無線接入鏈路和無線回傳鏈路（Integrated Access and Backhaul，IAB）技術為5G NR提供了解決方案。圖2為IAB技術在電力物聯網中的應用示意圖。從圖2中可以看出，IAB基站包含一個IAB donor基站和多個IAB基站。無線接入鏈路為UE與IAB基站之間的通信鏈路，無線回傳鏈路是IAB基站之間的通信鏈路。IAB donor基站為終端用戶UE提供核心網接口同時，為各IAB基站提供無線回傳鏈路。

圖2 IAB技術應用示意圖Fig.2 Schematic diagram of IAB application

目前，在地下室或地下車庫布設的電力網絡主要為用電信息采集和精準負荷控制服務。如果采用5G和IAB技術相結合的方式，不僅能降低現有室內布設方案投入成本，也能增加電力物聯網的覆蓋強度。因此，將IAB技術運用到電力無線專網中，不僅能增加電力物聯網的靈活性，又能解決5G新空口網絡覆蓋問題，尤其是解決地下室或地下車庫等網絡盲區覆蓋區域問題。

3.4 邊緣計算技術

為解決電力物聯網中計算密集型和延遲關鍵型任務，緩解云端計算壓力，云服務器集中處理架構逐漸向邊緣計算轉移，邊緣計算節點可以在云中心統一管控下，對現場采集的數據按不同的業務需求進行處理和存儲，電力物聯網的架構演進成了云、網、邊和端層。云層主要進行用戶監控和設備運維管理；網絡層主要為光纖為主的有線網絡和5G/4G等無線網絡的通信傳輸；邊側主要負責基于現場端側海量數據進行邊緣計算和數據上傳；端側仍然是現場傳感器、控制器等原始數據采集設備，負責數據采集和傳輸給邊緣網關。

邊緣計算節點完成的數據處理主要為以下三種情況：(1)邊緣計算節點對端側采集數據進行初步處理，再將處理結果上傳給云計算中心繼續分析處理；(2)云計算中心將算法下發到邊緣計算節點，由邊緣計算節點提供算力對本地數據進行處理；(3)邊緣計算節點直接處理端側原始數據以實現實時控制類業務。將5G網絡切片和邊緣計算計算結合起來，構建具有邊緣計算能力的端到端切片網絡，不僅保證不同電力業務有專有網絡通道，又提供不同差異化數據處理和計算，有效保證電力業務安全隔離和可靠性。目前，關于移動邊緣計算的研究主要集中在硬件系統架構的設計和計算卸載等方面。如基于邊緣計算的分層自治協同的主動配電網管控模型，基于軟件定義的細粒度多接入邊緣計算架構等方法以滿足電力物聯網實時性需求，在電力物聯網計算卸載算法應用研究方面，主要有（非）凸優化、馬爾可夫決策過程、博弈理論、李雅普諾夫優化和機器學習等方法來處理爆發式增長的數據流量問題，以有效降低服務響應時延。

4 結語

5G移動通信技術高帶寬、低時延和大連接技術特征推動了智能電網和泛在電力物聯網的戰略實施，尤其是5G網絡切片、IAB技術與邊緣計算等核心技術為多樣化電力業務需求、海量異構終端接入、電力網絡低延時、安全和可靠性提供強有力的技術支撐。