基于5G的智能配電網業務場景應用分析

李娜，楊振億，曾杰，鐘可悅，彭紫薇，伍翔

(國網湖南省電力有限公司婁底供電分公司，湖南婁底 417000)

0 引言

能源互聯網(Energy Internet，EI)的建設為提高電力系統運行水平和電網資產運營效率開辟了一條新路[1]。

隨著新能源的高比例接入、電力電子裝置的大量投入，電網的結構和形態不斷發生變化，電網安全運行受到嚴重挑戰。同時，受到電力市場開放、降低輸配電價和電量增長減速等因素驅動，電網業務的市場競爭日趨激烈，對現有電網帶來了巨大挑戰，因此建設能源互聯網迫在眉睫[2-5]。配電網承擔著連接輸電與用戶的重要作用，其承裁的功能也在逐漸發生改變。特別是高比例分布式可再生能源的集群效應、電動汽車的廣泛推廣、用戶側要求的不斷增加和多樣化，配電網已不再只是單向電能的提供者，而是正在向更加高級的角色轉變。

能源互聯網建設下的配電網，其全面感知能力將得到很大的改善，并且能夠消納分布式可再生能源，提高電網應對負荷波動能力，滿足用戶多樣性用能需求，促進電網運營部門向樞紐型、平臺型、共享型企業轉型。第五代移動通信(以下簡稱5G)作為一種新興技術，以其獨特的優勢，給智能配電網建設提供了一條新的途徑。5G通信具有高速率、高容量、高可靠性、低時延與低能耗這“三高兩低”的特點[6]，而對于能源互聯網而言，海量的數據傳輸，萬物互聯、電力系統可靠性、靈活響應以及電池壽命保障等方面有著很好的對應關系，因此能夠利用5G對能源互聯網進行融合發展[7-8]。

5G技術的發展已經得到了廣泛的關注，且在電力系統領域得到一定的應用，主要可以分為:

1)5G通信技術在能源互聯網的初步應用研究。文獻[6]深入探討5G與能源互聯網的深度結合，同時分析了5G通信在能源互聯網中的應用場景，總結了5G支持能源互聯網發展的關鍵技術。文獻[7]闡述了5G在未來電力系統中的應用，并根據5G通信的高帶寬、高容量以及低時延的特點，對能源互聯網中的可能應用場景展開了探討。文獻[8]揭示了5G在智能電網中的初步應用研究，并對其技術的合理性、優勢等進行了分析。文獻[9]中，闡述了利用“比特”驅動“瓦特”，對電網中的重要通信業務場景進行了分析，總結了不同場景下5G利用的業務特征以及技術指標。文獻[10]闡述了5G在物聯網中的動力作用和挑戰。

2)5G通信技術在智能配電網的具體應用場景分析。文獻[11]對一種利用5G技術的配電網自適應差動保護進行了技術探討，利用插值同步法，實現故障的定位與隔離。文獻[12]對于現在配電網所用的接入網組網技術給出了其傳輸系統的各種通信技術應用前景，對以后配用電通信接入網傳輸系統的方向給出了建議。文獻[13]揭示了5G時代物聯網能夠將配電線路出現的故障即時傳送到監測系統，提高電能利用率，評估配電風險等。文獻[14]利用物聯網技術以及無線傳感器，在線路每基桿塔安裝傳感器，監測數據，使故障定位更加準確，并且適用于偏遠地區以及環境惡劣地區，有著更高的性價比。文獻[15-16]在實物資產管理中使用無線射頻技術 (Radio Frequency Identification，RFID)，提高管理效率。

本文從能源互聯網的基本概念、總體框架出發，結合5G通信技術特點，重點分析配電網中的典型廣域開放業務場景。基于配電自動化、配電網差動保護以及精準負荷控制三個業務場景，詳細分析5G技術在配電網業務場景的特點及應用需求。同時對不同業務場景特點及其關鍵通信需求進行分析總結，并將現有網絡與5G網絡在關鍵性能上進行對比分析。最后對5G網絡在能源互聯網中配電網廣域開放業務場景進行總結與展望。

1 能源互聯網下配電網架構

1.1 能源互聯網

萬物互聯指無論什么時間、地點、人、物之間信息的互相連接以及交互，而在電力系統的具體表現形式即為能源互聯網。能源互聯網不僅在技術上有所創新，同時也拓寬了管理理念和思維，對電力系統內而言是質效提升，對電力系統外是融通發展。

智能配電網將相應設備、供應商、電力客戶以及人和物連接起來[17]，實現數據共享，為電網、發電廠、電力用戶、供應商服務；以電網為連接點，充分挖掘平臺和共享作用，為電力行業以及更多市場主體發展提供價值服務[18]。換言之，就是把5G技術運用起來，在電網的用戶側、電網側、發電側以及廠商，利用數據信息廣泛交互和充分共享，大幅提高能源生產、消費與相應裝備制造水平[19-20]。

1.2 能源互聯網下配電網架構

智能配電網主要包括端、邊、管和云4個部分[21]，具體框架如圖1所示。

圖1 能源互聯網下配電網框架

“端”主要解決數據的采集問題，統一終端標準，推動不同專業之間數據同源采集，實現配電側采集監控深度覆蓋。“邊”與“端”更為接近，主要是提供數據的邊緣計算，解決數據管理問題，實現超大規模終端統一物聯管理，深化配電網業務數據中心建設，提升數據高效處理和云霧協同能力。“管”主要針對數據的傳輸問題處理，加強電力無線專網和終端通信建設，增強帶寬，達到深度全覆蓋，滿足新業務發展需要。“云”主要解決配電網數據的價值創造問題，全面支撐配電網中核心業務智慧化運營，為能源互聯網生態服務，提升管理水平和加快業務轉型。

能源互聯網匯總配電網業務中每個資源，為項目建設、定址規劃、生產經營、綜合服務、新業務提出、新模式發展、企業環境保護構建等方面，提供了充足有效的信息和數據支撐[22]。堅強智能電網和能源互聯網兩者相互促進、共同進步，構建了強而有力的價值創造平臺，形成了能源流、業務流、數據流“多流合一”的能源互聯網。

2 5G使能配電網

隨著科技的迅猛發展和人們的使用需求多樣化，5G應運而生。眾所周知，頻率越高，能使用的頻率資源越豐富，可實現的傳輸速率就越高。5G以其超高傳輸速率(＞10 Gbit/s)、超高連接數密度(＞10 K終端數)、超低時延(空口時延＜1 ms)的優點，滿足萬物互聯的技術需求[23]。

在能源互聯網下，5G技術為配電通信網“最后一公里”無線接入提供了一種更優的解決方案。5G網絡有著高帶寬、低時延、大規模連接優勢，承載垂直行業更多樣化的業務需求。特別是網絡切片、邊緣計算兩大創新功能的應用，改變了傳統業務運營方式和作業模式，為電力行業用戶打造了定制的“電力行業專網”。相比于以往的4G、光纖專網等移動通信技術，5G技術可以更好地滿足電網業務的安全性、可靠性和靈活性需求[24]，實現差異化服務保障，提升了電網企業對自身網絡體系的控制能力。

2.1 5G網絡特征分析

5G通信包含5個主要特征，簡單來說是“三高兩低”的特點，即高速率、高容量、高可靠性、低時延以及低能耗。

1)高速率。對于4G而言，5G通信峰值速度上行可達10 Gbit/s，下行20 Gbit/s，速度提升高達數百倍以上。在能源互聯網建設下，大量的實測數據、監控數據等能夠利用5G通信網絡的高速率進行傳輸。

2)高容量。5G采用微基站技術。微基站和傳統的宏基站不同，微基站覆蓋范圍小、功率低，可以減小宏基站的功率消耗，可以達到更好、更廣的覆蓋效果。正是基于此種情況，5G網絡下能夠支持高密度的移動終端。

3)高可靠性。5G技術的可靠性與4G網絡相比，5G網絡的可靠性能夠達到99.99%，能夠很好地滿足能源互聯網下各類電力業務的需求。

4)低時延。5G使用D2D(Device to Device)傳輸模式，直接設備與設備之間進行通信，節約了資源，并降低了時延。4G網絡的時延在30～90 ms，對于5G而言時延小于1 ms，時延更短。

5)低能耗。5G通信中利用網絡切片技術，優化硬件協議，利用相應的控制策略，生成特定數據轉發以及處理路徑，達到低能耗的特點。

2.2 網絡切片

以往的通信網絡，對不同的業務都直接實行“一刀切”的做法，當前不同的業務場景已經不再適用。5G網絡切片定義網絡(Software Defined Networking，SDN)和網絡功能虛擬化(Network Function Virtualization，NFV)技術[25]，針對不同的網絡服務功能，將單一物理網絡分割成兩個甚至更多獨立的端到端邏輯網絡，這些邏輯網絡彼此相互隔離并且具有可編程性。通過SDN的集中控制，將數據平面與控制平面解耦合，簡化了網絡管理，使路由配置更加靈活，實現了軟硬件解耦、基礎設施資源共享和按需調度。

配電網有著許多不同的業務需求，每種業務需求對容量、時延、帶寬、安全、可靠性等要求各不相同，每種業務對通信網絡的需求也都各不相同，5G網絡切片能夠對不同的需求建立不同的網絡[26-27]，滿足精準控制的要求。例如在配電自動化中，可能會出現短路、斷路等各種故障，此時需要對故障進行快速定位和隔離處理，因此需要具備多時間尺度的特征[28]。對于集中式配電自動化，其時延要求達到秒級，而分布式饋線自動化(Feeder Automation，FA)的時延要求卻達到了毫秒級。

在配電網狀態檢測方面，目前配電網絡的監測范圍很小，微型同步相角量測單元(micro-PMU)只裝設在少部分關鍵區域，用于監測配電網發生的故障問題[29-31]。但在能源互聯網建設下，未來的配電網將能夠實現對PMU進行全面的監測，從而監測的海量數據需要高效低時延的傳輸，而5G網絡的高效低時延特點剛好可以滿足配電網的監測需要，實現配電網絡中電力設備信息的互聯互通，幫助調度人員進行綜合分析，評估電力設備運行狀態，為電力設備檢修安排提供參考。

隨著能源互聯網的不斷建設和發展，在未來的配電網絡中將會有大量電力電子裝置的接入，從而實現對可再生能源消納、儲能裝置的接入、SVG的控制。在這種情況下，配電網中的裝置控制精度要求非常高，而以往的通信網絡的控制精度無法達到此類高要求。

綜上所述，在配電網層面，不同的業務需求對控制精度、時延等要求各不相同，而5G網絡“三高兩低”的優勢，決定了配電網中的各個業務網絡能夠由5G網絡切片獨立供應，各個網絡之間相互隔離，有效提高了接入網的工作效率和資源利用率，未來的電力配電網將極大受益于網絡切片技術。

2.3 邊緣計算

配電網系統有大量的分布節點，數據也都分布在不同的節點中，如果所有的數據均從各節點傳輸到統一平臺進行數據處理分析，會存在傳輸誤差、信息安全隱患等問題，而5G網絡的邊緣計算[32]在此種情況下具有獨到的優勢，原來的分布式節點數據能夠直接在邊緣側進行計算，利用不同邊緣計算的協調來得到全局結果。例如在分布式配電網中進行電壓控制分析時，可以利用當前的優化算法，在邊緣側展開邊緣計算，通過邊緣之間的通信迭代，獲取全局聚類結果，實現海量用戶用電模式的提取，提高了數據的分析效率和安全性。

3 5G在配電網典型業務場景分析

3.1 配電自動化

配電自動化是基于一次網架及其設備，利用計算機網絡、通信、現代電子傳感技術，以配電自動化系統為中心，將配電網設備的實時以及非實時數據進行信息整合和集成，從而實現對配電網正常運行及事故情況下的監測、保護及控制的目的。

配電終端作為配電自動化系統的神經軀干，安裝于配電網線路中，負責完成數據采集、控制和通信等功能，其主要包括站所終端DTU(distribution terminal unit)、饋線終端FTU (feeder terminal unit)、配變終端TTU(transformer terminal unit)等。饋線自動化作為配電自動化建設的重要組成部分，主要采用集中型、就地型(電壓時間型、電壓電流時間混合型)、智能分布式三種方式。對于就地型饋線自動化配電終端無需通信，發生故障后利用站內開關多次重合閘與配電終端之間固有時間邏輯配合隔離故障，故障隔離速度相對較慢。非故障區域用戶需要感受多次重復停電，用電感受較差，主要應用于C、D類供電可靠性要求不高區域以及部分B類供電區域。對于集中型饋線自動化，配電自動化終端監測和采集配電網絡實時狀態并傳輸至主站，主站利用饋線線路或全網絡各節點配電網信息進行綜合分析判斷和處理，從而進行故障線路或設備的定位、隔離和恢復供電，保證供電可靠性，主要應用于A+、A類供電區域以及部分B類區域。對于智能分布式饋線自動化，相鄰的配電自動化終端之間進行通信，通過分布式分析判斷或處理，具有故障隔離快、非故障區域無需停電的優點，主要應用于A+、A類供電區域以及部分B類區域。

如圖2至圖4所示，若F1故障，電源1斷路，區域1、2停電，在人工配電中，沒有通信網絡，需要由人工對其進行排查，恢復供電。在集中式配電自動化中，則可以由控制中心遠程進行定位、隔離與恢復供電，網絡延時須小于100 ms，但此時所用的光纖專網、無線專網和公網成本高，工程復雜。在智能分布式配電自動化中，可以利用5G網絡切片的高可靠性、低時延性，在F1故障時，相關的STU在電源1斷路前完成自動故障定位、隔離與恢復，并且能夠在短時間內完成，滿足毫秒級的時間尺度，基本上能夠實現不停電。

圖2 配網故障人工處理模式

圖3 集中型饋線自動化

圖4 智能分布式饋線自動化

配電自動化的關鍵通信需求[33-35]見表1。分布式FA還有高精時鐘同步(要求10μs)、終端永久在線以及連續通信(1 s)的要求。

表1 配電自動化關鍵通信需求

3.2 配電網差動保護

差動保護的工作原理是保護終端比較兩端或多端同時刻的電流值(矢量)，當電流差值超過整定值時判定為故障發生，斷開其中的斷路器或開關，執行差動保護動作，從而實現故障的精確定位和隔離。差動保護對電流差值的判斷是基于同一時刻的電流值，要求相互關聯的2個或多個差動保護終端必須在時間上同步，且同步精度小于10μs，交互信息的端到端傳輸時延最大不超過15 ms，且為高頻通信(0.833 ms交互一次)，高達百Gbit級別，因此對通信的時延、可用性、可靠性要求非常高。

隨著分布式電源不斷地接入到配電網中，配電網故障電流等級、潮流方向發生了很大的變化，傳統的三段式過流保護已經難以滿足配電網保護“四性”的要求。光纖差動保護適用于配電網故障處理，但光纖鋪設的成本較高，同時部分無光纖地段也無法進行差動保護。4G通信的傳輸帶寬有限，而5G通信能夠在通道質量、通道帶寬、時間同步方面滿足配電網通信的要求。配電網差動保護中關鍵通信需求[36]見表2。差動保護原理如圖5所示。

表2 配電網差動保護關鍵通信需求

圖5 差動保護原理

由表2以及配電網差動保護的需求可知，配電網差動保護的要求更高，要求高精時鐘同步(10μs)、終端永久在線、高頻通信(1/12或1/24 s)。

3.3 精準負荷控制

通過對負荷進行精準的調控，能夠減小電網中由于負荷過高導致的大規模停電的風險。例如在夏季的用電負荷高峰時，電網滿載運行，如果電力系統中交直流特高壓出現故障，調控中心可以快速準確地改變用戶側的用電負荷，使得電力系統的供用電保持平衡，在一定程度上減小電力系統大規模停電的風險。在精準負荷控制系統的建設期間，利用5G網絡切片，按需求對不同業務進行分割，從而在發生電網各類過負荷、過載故障的時候，可以對負荷進行精確控制，保障重要用電，這對城市生活以及工業生產具有重要意義。此外，可以根據用電的重要程度，對負荷進行優先等級劃分和排序，即使在發生過負荷事故時，也能夠準確地對負荷進行調節，暫時對優先級較低的工業用電及其他用電進行停電操作，保證優先級高的重要負荷的用電，比如醫院和居民用電等，從而保證負荷的平衡。根據不同控制要求以及時間尺度，結合5G網絡的特點與優勢，可以將負荷控制分為快速負荷控制的毫秒級時間尺度的控制系統、秒級控制系統以及分鐘級時間尺度的控制系統。精準負荷控制如圖6所示，圖中優先級為1類負荷優先2類負荷，2類負荷優先3類負荷。

圖6 精準負荷控制

當前的配電網缺少通信網絡的支持，對于負荷，只能實行一刀切的操作，方式單一；而精準負荷控制，能夠根據優先級順序，優先切除非重要負荷，保證重要負荷的供電。精準負荷控制，結合5G無線公網及5G切片技術，能夠實現高可靠性的切除非重要負荷，從而可以依據控制要求實現快速負荷控制的毫秒級控制系統和更加友好互動的秒級/分鐘級控制系統，其關鍵通信需求[37]見表3。

表3 精準負荷控制關鍵通信需求

精準負荷控制中，終端需要滿足永久在線和連續通信(1 s)要求，以實現不同時間尺度上的控制。

3.4 總結對比

目前電力系統通信網絡種類較多，通過對配電自動化中的中壓載波通信、精準負荷控制中光纖專網、配電網差動保護中的4G網絡和5G通信在帶寬、時延、可靠性等方面進行對比分析，可以得到如圖7所示的結果。

圖7 通信網絡性能對比分析

圖中數字4.0表示性能最好，比如時延低、可靠性高；數字逐漸減小，表示性能越差，比如時延高，可靠性差，成本高等。

從圖7中可以看出，在帶寬上，5G網絡明顯優于其他通信網絡，5G的帶寬能夠達到1～10 Gbit/s，存在明顯優勢。在時延和可靠性上，5G網絡時延能夠比光纖更快，光纖專網能夠達到1.5 ms，可靠性也能達到99%，4G可靠性能達到97%；而5G網絡達到1 ms，可靠性達到99.99%，能夠滿足能源互聯網下配電網中精準控制要求，快速處理業務的能力。在安全性上，5G網絡的安全性僅次于PLC和光纖，可以滿足電網安全性需求；在成本上，PLC的成本最低，5G與4G相對PLC而言較高，但后期投入更小，組網更加靈活可靠；在傳輸距離上，光纖在傳輸距離上占有一定的優勢，5G與4G網絡在傳輸距離上較短，4G的基站較大，5G要覆蓋同一個區域，需要的5G基站數量將大大超過4G。為了減輕網絡建設方面的成本壓力，5G采用微基站技術。微基站和傳統的宏基站不同，微基站覆蓋范圍小，功率低，可以減小宏基站的功率消耗，可以達到更好的覆蓋效果，滿足5G通信的各種技術要求。

綜上所述，5G雖然存在一些不足，但其整體優勢大于其他通信網絡。在配電網業務中，對于時延、可靠性、安全性、后期低維護性的要求比較高，而對于成本要求較小，5G可以保證配電網絡業務的準確性、快速性以及實時性，更適用于配電業務的各類場景。

在5G網絡環境和能源互聯網背景下，能夠實現配電網絡的高度自動化和精準負荷控制，具備較高的安全級別。由于當前數據分析不足，許多數據的潛在價值并沒有被充分發掘出來。未來能夠利用5G網絡優勢，在配電網中將進行大規模的使用，進行深度融合，充分發掘海量數據信息，通過5G網絡與配電系統的聯合仿真，對海量對象進行控制，進行大數據分析，達到萬物相互協調，實現配電網的透明化與實時態勢感知。

4 結語

5G通信的廣泛應用將給能源互聯網帶來翻天覆地的變化。本文從能源互聯網的基本概念和總體框架出發，結合5G通信切片技術和邊緣計算特點，重點分析了能源互聯網下配電網中三個典型廣域開放應用場景。將配電自動化、配電網差動保護、精準負荷控制三個應用場景的特點及業務需求進行了總結，分析了5G網絡在不同業務場景下的優點和關鍵通信技術。從三個業務場景的詳細分析中展現了5G網絡在配電網中應用的可行性和優越性。本文的理論分析成果對5G在配電網中的實際應用起到一定的推動作用。