5G技術在電網核心網絡中的應用

聶 鵬，谷 峰

（1.國網四川省電力公司，四川 成都 610000；2.四川世紀星通科技有限公司，四川 成都 610000）

1 電網核心網絡與5G技術融合概況

1.1 應用概述

5G技術現已全面運用于電網核心網絡的輸電、變（配）電、用電等環節，電網核心網絡的檢測速度因此變得更快，范圍更大，可以檢測整個配網運維系統，能對配網系統運行情況實現實時雙向監控，展開各種潛在性的風險識別，超前防范并化解安全風險。目前來看，分布式電源、毫秒級精準負荷控制等則是該技術未來發展目標，如采集監控、實時控制類業務（配電自動化等）將成該項技術的主要應用場景[1]。

1.2 配電自動化

配電自動化實質上是一種綜合性信息管理系統，這種基于計算機技術、信息技術的系統將數據傳輸、控制技術、現代設備、現代管理等融于一體，其發展過程如下。

（1）以自動開關為主體的配電自動化。分段器、重合器等是本階段的主體設備，而且沒有計算機系統、通信網絡構建需要。

（2）基于饋線終端單元、通信網絡和后臺計算機網絡的配電自動化。此類設備同樣可以有效遙控、監視正處運行狀態中的電網核心網絡。

（3）基于饋線終端單元、通信網絡和后臺計算機網絡+自動控制設備的配電自動化。本階段的配電自動化系統實質上是綜合自動化系統，集配電網管理系統（變電所自動化、電容器組調控等）和故障呼叫服務系統、需方管理（DSM）、配電網SCADA系統等于一體，具有至少140種功能，完善度更高，功能更強。

目前，光伏發電越來越普及，傳統的電力用戶同時具有發電方身份，增加了電網運維任務，提高了運維壓力。這是因為傳統配電網并無分布式電源接入冗余設計，要完成分布式電源接入，既有單電源輻射型網絡則需要向雙或多電源網絡轉換，這種接入轉換一度受困于技術。但5G技術問世后順利解決了這個難題，電網的效率、靈活性、可靠性有了明顯提升，網絡構架變化引發的問題也因此迎刃而解[2]。因此，配電自動化系統有助于提升供電安全可靠性、提供優質服務、改善電能質量、緩解員工工作壓力、節約運行成本。

1.3 網絡切片技術

從電網建設的趨勢來看，社會發展速度加快逐步提高了電力通信承載能力標準，比如，自愈性、安全性、經濟性已經成為評價電網質量的基本標準，而5G技術即可實現這一目標，確保電網核心網絡運行符合用戶需要。這是因為5G網絡切片技術會決定性影響電網配電，保障電網運行安全、穩定。電網電能通常以光速輸送，對電網的安全穩定性有極高的要求，需要具備按需求、分時段電網控制功能，5G網絡切片技術可以在毫秒級層面實現智能識別、故障定位、分析、恢復電網運行等。最后1千米內的電網設備接入環境管理難度更高，而且電表隔日傳輸數據約束了數據信息時效性分析，這類現實困境都制約了傳統電網的運行效率。5G技術具有更高的傳輸速率，能以天、小時為單位收集、分析、上傳數據，數據采集的速度更快、效率更高，可以全面破解上述難題[3]。

2 電網核心網絡中的5G技術應用

2.1 廣覆蓋大連接

此類場景的經典代表之一是采集用電數據和監督配網運行狀態，前者涵蓋主站、電表等。以用電數據流向為依據，我們可以將用電信息采集分成兩類：其一為上行數據信息，即居民、工業和商業等低壓側用戶電表數據，上行數據采集后通過采集設備向集中器傳輸，由集中器向主站發送（基于上行通道），主要用于上報用戶用電數據；其二為下行數據信息，即主站基于集中器、專變終端向電表發送指令信息，實現安全認證和開關控制等意圖。數據采集單位通常為小時或天。國內現已普遍采用電能采集、配網監測技術，問題在于大部分電表僅能以天為單位進行數據傳輸，這給數據分析造成了一定的障礙，而這方面的制約將會因5G技術的應用迎刃而解，因為5G技術的通信速率高，有助于電力數據采集與發送。

2.2 低延遲高可靠性

（1）配網自動化。≥10 kV配網中的自動化終端是指智能TTU、開閉所DTU、柱上開關FTU等，此類設備負責線路相關參數（溫度、電流和電壓）的收集與監測，利用無線網向市級公司發送數據，且由后者向主站傳輸，由主站基于全網單一節點配網信息或饋線全面分析、處理，以便識別、定位用電設備或故障線路，為安全、可靠供電提供保障。

（2）差動保護。高壓電網通常需要用到差動保護技術，這種技術能準確無誤地定位并有效隔離電網故障區域，顯著減少電網受損范圍和受損程度，全面化解分布式電源與≤35 kV配電網連接后面臨的多種問題。同一時刻電流為差動保護差值，這是電網差動保護的重點所在。因此，互相連接的數個差動保護終端時間應100%同步，交互信息端到端發送延時≤12 ms，時間精度＜10 μs。截至目前，尚未形成電網配網差動保護通信標準，但從高壓差動保護標準來看，配電差動保護通信帶寬≥2 Mbps，時延抖動≤±50 μs，單相端到端時延＜12 ms，具備99.999%可靠度，共享資源，并全面獨立于管理大區業務，滿足終端互相通信需要。5G配網差動保護終端以有線方式為支撐聯結5G客戶終端RJ-45接口，CPE則以無線空口為基礎和運營方5G基站進行聯接，5G基站則利用核心網、有線網等專網路由運行，雙端差動保護數據交互至此實現。

（3）毫秒級荷載精準控制。荷載毫秒級精準負荷控制系統的組成部分包括用戶側智能負荷終端、切負荷子站和切負荷安裝主站。荷載曲線控制一般利用電網內的負荷控制實現，其意在于實現電力荷載平衡，為電網安全與應用效率提供保障。發電設備備份缺失、省際聯絡線超載、電網故障伊始的頻率迅速跌落均需要通過精準負荷控制來進行處理。精準負荷控制需要48.1 kbps～1.13 Mbps秒級、分鐘級通信帶寬（單一終端至主站間），99.999%可靠性，＜50 ms單向端到端時延。同時，由于精準負荷控制是一種I/II生產大區業務，必需獨享資源，與管理大區業務全面分離，所以需要進行物理隔離，而且系統必需持續在線，通信不能中斷。從現網技術的缺陷及5G技術的高可靠、低時延特征來看，通信終端選擇5G CPE能有效劃分高可靠、低時延端到端網絡，順利實現精準負荷控制（毫秒級）。通常需要在≥330/500 kV樞紐變電站配置控制主站、控制中心；≥220 kV樞紐變電站配置控制子站；≥10 kV儲能站、配電房等控制系統末端處配置控制終端。

2.3 高帶寬大容量

（1）視頻監管。開站和閉站等供電站核心節點、電網配電房等一律屬于視頻監控的對象，之所以要進行視頻監控，主要是因為需要實時掌握監控對象的工作狀態。例如，電網配電房監控設備部署比較靈活，這主要是因為此類監控對象位置隱蔽，監控的重點通常包括儀器儀表柜、開關柜、配電柜等，適時發送監控圖像，由人工智能對設備工作情況做出分析判斷，特別有助于發現設備運行安全風險，監控的準確性極高，且能全面減輕人工監控壓力。此類監控設備應具備4～10 Mbps單節點帶寬，同時要求流量不間斷，以此確保監控的準確性不受任何影響，保證圖片發送的質量、速度。而且只能有最高200 ms的時延，否則，發送視頻過程中易出現卡頓現象。

（2）巡檢智能化。人工巡檢是一種傳統的電力設備巡檢方式，這種方式在電力設備數量較少前提下基本可以滿足需要，不足之處主要表現在數據完整性不足、安全性低、效率不高，忘檢、漏檢比例過高等，特別是在電力行業發展加快、用電設備數量日益增多條件下，人工巡檢的缺陷更加明顯，也顯著增大了人工巡檢的難度和風險。采用5G技術可以有效破解上述難題，因為該技術與人工智能配合，可以實現遠距離巡檢、室內巡檢，而且可以準確定位線路和設備故障區域。比如，配電室、固定巷道等特殊場景，可以由機器人巡檢，并且能通過5G技術完成視頻、圖片、數據發送。再比如，無人值守的≥220 kV換流站、變電站更適合通過智能巡檢完成數據收集。人工智能巡檢數據發送對象包括設備診斷數據、圖像數據，技術標準為時延＜300 ms、數據發送速率＞2 Mbps、99.99%可靠性。此外，無人機巡檢模式未來將逐步成為一個有力的輔助手段，這也是5G技術使電網核心網絡應用技術升級。

3 電網核心網絡中的5G組網與網絡切片劃分

工作場景與5G網絡之間存在配套問題，也就是說，工作場景不同，需要的5G網絡也有明顯差異。5G技術中的CPE通常具有過渡承載功能，是5G網絡與各種終端設備的聯結樞紐，只要以內置或外接為支撐把5G CPE部署在電力設備上，就能在5G網絡內接入此類電力設備。這種技術顯著有助于傳統電力設備升級，同時也全面弱化了老舊設備的改造難度，延長了傳統設備的使用壽命，資源節約效果極為明顯。但是，無論是新設備還是老舊設備改造，其數據信息均能基于無線接入方式、承載網等途徑向5G核心網絡發送，由5G核心網接收并向主站發送。5G核心網則可接入NRF（網絡注冊單元）、AMF（管理單元），采用NSSF切片，用戶數據儲存UDM，三類切片共同控制PCF，并將用戶面管理單元UPF、專用會話管理單元SMF同時部署在三類切片中即可。5G網絡通常宜進行eMBB、mMTC和uRLLC三類場景劃分：eMBB負責時延標準低、帶寬標準高的應用，視頻監控、機器人或無人機等智能巡檢場景宜采用eMBB應用；接入數量大、帶寬時延標準不高的場景通常由應用mMTC負責，如設備資產管理、電力數據信息收集等即宜選擇mMTC場景；對可靠性、時延要求高的場景可由應用uRLLC負責，且可獨立部署電網內的控制業務，上文提及的精準負荷控制、配網自動化和差動保護等均宜采用uRLLC應用。

綜上所述，5G技術在電網核心網絡中的應用范圍極廣，幾乎各種場景均可利用5G技術來提高業務處理的精確度，加快業務處理效率，減少人工作業的難度和壓力。

4 結束語

當前，我國改革開放已經進入深水區，數量型經濟逐步讓位于質量型經濟，供給側結構性改革已經全面拉開，內外雙循環體制正在逐步形成，凡此等均決定我國電力發展已經進入全新時代，用電量勢必會持續增長，電網及其核心網絡運行壓力也會因此而不斷增加。特別是工業用電持續增長，家庭大功率用電設備數量不斷增多，均會持續促進電網規模擴大。而信息技術、人工智能技術、大數據技術的發展則讓我國傳統電網升級、更新具備了堅實的技術支撐，這也是我國智能電網建設發展全面推進的主要原因。在可預見的未來，我國電力用戶相互之間、電力用戶與電力設備之間、設備與設備相互之間的數據信息傳輸需求量勢必會持續增加，這也是公眾生活質量改善、關注心理體驗和生活質量的一個基本要求。而能支撐起公眾上述需求、滿足社會持續飛速發展需要的技術非穩定、可靠、安全、高效的通信技術莫屬。因此，從電網核心網絡建設、通信技術發展角度來看，當務之急在于進一步提高電力系統的信息化、自動化、智能化水平。泛在電力物聯網（國家電網公司2019）概念就此被正式提出，電網各環節互通互聯是泛在電力物聯網的中心和重心，而其設計目標能否實現，主要取決于通信技術。目前，我國已經全面進入5G通信時代，這一具有全球領先性的通信技術實質性顛覆了傳統通信模式、技術等。無論是網速，還是業務范圍、兼容性等，均已具備支撐物聯網發展的功能。電網的未來已與具有高可靠、低時延、高容量、高速率等特征和優勢的5G技術密不可分，萬物互聯時代正在快速到來。■