基于5G技術的智慧電力平臺研究

摘要：“十四五”期間，我國智慧電力系統得到了迅猛發展，其中運行、實時監測、預警、信息化等方面的動態變化起著舉足輕重的作用。5G技術具有低延遲、大連接、高可靠等優點，智慧電力系統的業務需求與5G網絡的特性緊密相連，5G技術的分層狀態能夠適應不同的網絡服務需求和絕緣需求，能夠更好地適應電力系統的運行和絕緣保護，是我國智慧電力系統發展的必然趨勢。基于此，本文從5G技術、電力系統、行業需求出發，詳細論述了基于5G技術的智慧電力平臺的功能和構建方法。

關鍵詞：智慧電力；5G技術；電力平臺

引言

當前，隨著人工智慧技術的發展，智慧電力體系已經逐漸成型，并產生了一些具有代表性的智慧應用場景。智慧電力服務平臺是在對當前智慧電力系統運行需求進行分析的基礎上，為了能夠迅速定位停電事故并及時有效告知用戶狀況，而設計開發的一種能夠實時監控用戶電源狀況的智慧終端。在電源電壓變化時，終端將線路狀況上傳至云端平臺，由系統根據停電原因向用戶通報，并自動將停電范圍、原因等信息發送給相關操作人員，操作人員能夠迅速定位故障的原因、范圍和故障位置。這是一種主動服務，從用戶反饋到客戶，再到維護人員，信息的傳遞效率很高。

1. 5G技術與電力系統

1.1 5G技術

5G是目前最先進的第五代手機通信技術。與4G、3G相比，5G網絡具有以下幾個特點：（1）可以直接處理大量數據，比如高清晰度的視頻、虛擬現實；（2）可以很好地適應遠程醫療應用的需要，并具有很好的實用性；（3）具有很強的承載能力，可以將多臺設備連接起來，為未來物聯網的發展打下了良好的通信基礎；（4）覆蓋廣泛，可提供較好的網絡速度；（5）實現了協作組網，使系統的智慧化程度得到提高[1]。

1.2 電力系統

目前，電力系統由發電、輸電、變配電、用電四大部分構成。在輸電、變電、配電環節的作用，通過交易、調度與區域內的電力系統來實現，對電網進行管理和維修、供電保障、區域電網的規劃、區域電力市場的建設和傳送，從而確保電力系統的整體質量和安全。我國電力市場的主要輸變配電公司是國家電網和南方電網。電力應用涉及各行各業，一般包括很多地區、企業，也包括大量的個人用戶。電力輔助企業的主體是電力設計、建設、設備制造等企業。

2. 5G時代電力行業的需求及痛點

2.1 網絡層次需要兼顧國家和業務的需要

按照國家發改委公布的《電力監控系統安全防護規定》和《國家能源局關于印發電力監控系統安全防護總體方案等安全防護方案和評估規范的通知》（國能安全〔2015〕36號）的規定，電力工業網絡必須滿足安全共享、網絡專用、水平隔離、縱向驗證等方面的規定。但是，在業務層面上，由于光纖終端的覆蓋困難，使得公用無線網絡不能很好地解決業務的時延和訪問要求。網絡運行的質量和容忍能力是否能夠滿足用戶的要求，只能通過對網絡或模塊的故障進行判斷和定位，這種方法不但效率低下，而且精度也不高。

2.2 統一控制的物聯網網卡

針對多端口的物聯網網卡，不能實時掌握網卡的狀況；運營商開出的流量計費不精確，統計指標沒有達到標準，而且沒有對賬手段。通信卡的管理范圍比較廣，在網絡流量大、業務中斷的情況下，必須與電信公司協調開通或取消，造成通信費用高昂。

2.3 不能有效地處理和實時掌握統計類的數據

在申請、審核、采購、發放等工作中，沒有統一的電子程序，對卡片的管理和責任不明確；采用復雜的Excel表進行數據比對，以驗證流量超標，但其效率和精確度不高；管理人員不能有效地分析具體情況，只根據工作經驗對通信終端的工作狀況進行判定[2]。為此，一方面要根據用戶的需求，為電力行業制定5G專用網絡解決方案，以滿足供電公司的業務和安全要求；另一方面，要集中力量進行全面控制和分層管理，構建智慧化的5G電力系統，以達到對電力客戶的精益管理，降低運營成本。

2.4 不能有效地控制通信終端

通信終端種類繁多，數量龐大，沒有統一的控制方法；無法監測通信終端的狀況，報警顯示不及時；通信卡和通信終端之間的聯系不能被控制，無法知道卡是否被轉移到了其他地方，導致財產損失。

3. 5G時代智慧電力平臺的具體應用場景

目前發展智能電網，急需對各種負荷進行精確的調控，以特高壓為骨干、各級電網協調發展的新型電網模式，實現各級電網重要廊道的監視、巡檢，引入可視化、實時化、精益化的新型作業方式，實現用戶雙向互動、用電精細化管理，開展以“互聯網+”為基礎的新的經營模式。這些服務需要10萬級的并發、微秒級的時延、99.999%的可靠性，以及5G網絡的廣泛覆蓋、大連接、低時延、高可靠、高安全等特點。而5G的網絡切片、邊緣計算等功能的集成，正好能夠滿足智能電網的多樣化和隔離需求，使其具有高可靠、高帶寬、高安全的特點，如圖1所示。

3.1 智慧發電典型場景

在發電領域，智慧電力平臺的應用范圍包括基礎設施、安全、運營、燃料、設備、材料、運營、辦公等。在此基礎上，本文提出了兩種典型的應用場景：第一，建立信息支持平臺。首先，該系統包括數據集成、數據挖掘、數據管理、數據服務、4A標準化管理、流程管理；其次，整合的手機平臺主要是為了滿足手機與手機之間的兼容要求，并將其整合在一起；最后，建設三維可視化平臺，采用虛擬電廠，也就是數字孿生技術，在多源信息的基礎上，對全電站進行1∶1高精度高仿真三維建模，為智能安全管理等智能化應用提供可視化、數字化的支持平臺。第二，實現智能管理，涉及基礎設施、安全、運營、燃料、設備、材料、運營、辦公等方面。新能源如風力、太陽能等是新的電力系統，與電力系統結合后，將使電力系統由單一供電向多供電轉變。智能發電通過5G網絡、無人機、機器人等設備，實現對風電、太陽能等新能源的智能監控，對風電機組進行智能監控、調速。5G分布式發電系統有利于提高風電、太陽能的發電能力，提高運行效果，減少運行費用。

3.2 智慧輸電場景

智慧輸電場景主要針對輸電線路，可劃分為智慧監控與狀態監控。智慧巡檢則是指對輸電設備、線路進行實地檢測，并根據實際情況分析、掌握、排除可能存在的安全隱患，保證電力系統的正常運行和安全。在這種情況下，必須實現一鍵釋放、多模式組合、自動持續的立體巡邏模式，并通過利用物聯網、5GeMBB、大數據、云計算、AR等技術，進行大規模的自動巡邏，將極大地提升輸電線路的巡查效率[3]。為了保證電力系統的安全運行，必須實時監測、預警、分析、診斷、預測各類設備和線路狀態。在狀態監控方面，主要是監控傳輸過程中所涉及的設備，控制和監控相關線路的運行狀況，以確保與傳輸相關的設備的安全。然而，我國地域廣闊，輸電線路分布廣泛，傳統4G網絡難以有效覆蓋和監控人口較少、地勢較差的地區。此外，各區域的天氣狀況也有很大差別，設備的操作環境（溫度和濕度）差異很大，因此對終端設備的性能和數量要求也更高。智慧輸電技術是通過5G網絡、無人機、機器人等，在高風險環境下，對電網、電廠等進行實時監測，并能實時獲取高清圖像或視頻。5G智慧輸電技術拓展了輸電線路智能監控技術的應用領域，可以極大地提高巡檢工作的效率和安全可靠度、減少停電故障率和維護費用、減少員工的人身安全風險。

3.3 智慧變配電場景

智慧變配電應用場景包括對負荷精確控制、實時顯示變電站信息、監控配電力系統運行狀況等。

（1）通過各種先進的現代科技，智慧監控機器人可以進行有效的監控，采集、分析、整合監測到的圖像，迅速、準確地發現故障，并自動生成故障報告，極大地提高了監測工作的效率，減少了設備和人員的費用和風險，保障了電力系統安全、穩定地運行。

（2）配電系統狀態監測是指通過傳感器監測配電設備運行狀況、運行環境監測和防盜報警等，從而保證配電系統的安全和穩定運行、分布電力供應等。在配電力系統運行狀況監控中，網絡技術、相關信息化平臺、傳感器等都是關鍵技術與裝備。具備上述技術與裝備，才能建立高品質的監測及預警系統，以保證其正常運行。

（3）毫秒級精確控制負載，是指在不需要任何設備的情況下，對持續運行的負載進行切斷，因為它的時間延遲在毫秒級，可以在家庭場景中得到廣泛應用，且隨著生活熱水、空調等負荷的增加，它的網絡節點也隨之增加。智慧配電網是指通過5G網絡、攝像機、無人機等設備，對配電主站、配電站、配電網的故障定位、故障恢復、分布式配電自動化、微秒精確負載控制等方面的應用。5G配電自動化也是智能配電的一個重要應用領域，通過5G網絡的切片，可以達到毫秒級的終端對終端的通信延遲，滿足電網自動化、物理、邏輯隔離的要求，為配網自動化、視頻監控和公共服務提供了有力支撐。

3.4 智慧用電場景

隨著人民生活水平的不斷提高，智慧用電場景越來越多，應用范圍也越來越廣。從目前的情況來看，智慧用電場景主要包括在線業務管理、電力設備場景的智能檢測與管理、電力數據采集、故障分析與預警、信息的公布與互動。通常，電力信息采集量大，需要大量的信息，并且上行流量大、下行流量小，這就使得智慧方案需要更大的終端數量、更多的時間、更高的精確度。對于這個智慧場景，在線業務處理主要是利用在線平臺和軟件來完成；要求對業務服務進行全方位的訪問，并具備諸如信息和核心用戶識別的能力；在智能故障分析與警報系統中，為提高維修工作的質量和工作效率，必須實現對搶修作業的自動化。智慧監控系統是指在具有智慧化功能的小區等區域中，對所涉及的電力設施進行智慧監控、監測，并利用網絡技術的全面覆蓋，實現對電力系統的管理與服務的雙向交互。

智慧用電系統充分發揮5G強大的互聯功能，以及用電數據采集裝置（DCU），可自動采集用電信息、監測計量異常、控制大用戶負載、管理線路損耗、電能質量監測、用戶用電分析、計費和計費管理等。5G技術在智慧用電方面的廣泛應用，能為供電公司優化電網結構、減少線路損耗、為客戶提供差別化的用電服務、指導錯峰用電、減少用電管理和運行費用，提高營業收入。

4. 基于5G技術的智慧電力平臺的價值

4.1 精益管理

智慧電力平臺為用戶提供用能報告和分析報告，以便于用戶對用能進行更精細的管理，為用戶優化用能狀況提出有效的意見和指導，從而實現了對能源消耗的實時監測、統計和分析[4]。

4.2 提升安全性

通過實際的使用和維修，可以有效地防止短路、過載、漏電等重大事故，但仍有很大的提高空間。基于5G技術的智慧電力平臺能夠實時收集和分析運行數據，并通過智慧斷路器和外部傳感器的數據采集終端，為用戶提供更加完善的用電安全防護機制，從而提高電力使用者的能源使用安全性。

4.3 使操作更加簡單

“四遙”的便捷功能，使用戶能夠在符合網絡安全標準的情況下，實現對配電系統的遠程操作，從而簡化了操作人員的操作，并實現了對開關操作、參數整定等的遠程操作。同時，還可以為使用者提供一定程度的智慧維護策略，例如對多余的負荷定時關掉，以節約能源等。

4.4 降低成本和提高效率

智慧運維系統可以通過對用能進行精細化的監控管理和智慧運維等方式，來降低用能的費用，從而達到節能的目的。同時，還可以從資產管理、運維管理等方面，進一步提高運維管理的工作效率，從而有效減少運維管理的人力資源。

4.5 預測性運維

物聯網技術和機器學習技術的應用，使得基于5G技術的智慧電力平臺與傳統的工業監測系統有著本質的不同。它可以利用企業運營數據和人工智慧引擎，對能源消耗進行建模和分析，為能源消耗預測、設備壽命預測等提供附加價值，為客戶提供高效的操作決策，降低故障發生率，提升系統工作效率。

結語

隨著我國信息化的快速發展，智能化電力系統的發展必然會更加迅速，5G技術具有先進的技術優勢，可以將5G技術運用到智慧用電場景中。但任何一個智能場景都對網絡技術提出了更高的要求，所以必須將5G技術應用到智慧電力系統中，并對其進一步完善，從而提高效率。有關企業應對5G技術進行深入研究，把握其技術優勢，結合自己的具體情況，將5G技術運用到智慧用電、智慧輸電、智慧配電等領域，從而推動智慧電力系統的長期發展。

參考文獻：

[1]王李，張泰，黃朝.基于5G電力專網新型電力系統配網差動保護業務應用[J].通信與信息技術，2022，（S1）：91-95.

[2]鄧啟兵，趙勇，許歷靈，等.5G+智慧電力安全服務管理系統設計[J].農村電氣化，2021，（8）：46-48.

[3]馬媛媛，李尼格，邵志鵬，等.適用于電力5G終端的二次認證方法及其形式化分析[J].自動化與儀表，2022，37（11）：103-108.

[4]汪麗燕.基于5G技術的電力物聯網建設分析[J].互聯網周刊，2022，（20）：10-12.

作者簡介：陳浩然，本科，初級項目經理，研究方向：通信技術、數字化項目管理。