5G技術在電力系統(tǒng)新能源接入中的應用研究

金 萍，楊 貴，王 焰

（1.中國移動江蘇分公司，江蘇 南京 211100；2.南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211100）

0 引言

隨著2019年5月3GPP組織完成5G R15標準最終版本凍結［1］，全球正式拉開了4G 到5G 網(wǎng)絡升級的序幕，國內首先在北京、上海等地進行了NSA商用推廣，R15 標準規(guī)范了eMBB（enhanced Mobile Broadband，增強移動寬帶）場景的應用。eMBB 較4G 具有更加優(yōu)異的網(wǎng)絡性能，傳輸帶寬、移動接入能力等方面提升顯著，為基于大流量的無線視頻、VR 等業(yè)務的興起提供了網(wǎng)絡通道。2020年6月3GPP組織完成5G R16標準最終版本凍結［1］，R16 標準主要定義了uRLLC（Ultra Reliable Low Latency Communications，超可靠低延遲通信）的應用場景，R16 標準面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用，引入新技術支持1 μs同步精度、0.5 ms～1 ms空口時延、“六個九”可靠性和靈活的終端組管理，最快可實現(xiàn)5 ms以內的端到端時延和更高的可靠性，提供支持工業(yè)級時 間 敏 感 業(yè) 務 應 用［1-2］。2022 年6 月 完 成mMTC（massive Machine Type Communications，大規(guī)模機器類型通信），主要面向海量設備的網(wǎng)絡接入場景，適用于物聯(lián)網(wǎng)應用場景。

國內5G目前已由NSA（Non-Standalone，非獨立組網(wǎng)）轉為SA（Standalone，獨立組網(wǎng)）網(wǎng)絡，基站建設數(shù)量超過100 萬［3］，5G 用戶超過2.8 億。國際上美國、歐洲、日本、韓國等發(fā)達國家均實現(xiàn)了5G 商用并投入大量資源進行5G推廣應用。

1 新能源接入對電力系統(tǒng)的影響

隨著雙碳目標的設定，清潔能源在電力系統(tǒng)中的占比成爆發(fā)性的增長，電網(wǎng)整體結構逐步由集中發(fā)電模式向分散小微發(fā)電轉變，由于小微發(fā)電具有分散性，發(fā)電容量小等特點。例如屋頂光伏容量往往僅夠滿足本樓用戶部分供電需求，且存在間歇性，小微發(fā)電的出現(xiàn)使得電網(wǎng)架構不再是簡單的發(fā)->輸->配->用的架構，發(fā)電、用電在地域上在一起，無法按照當前發(fā)電廠和變電站的運維管理模型，對數(shù)量眾多、地域分散的小微發(fā)電系統(tǒng)按傳統(tǒng)發(fā)電模式進行控制，眾多小微發(fā)電系統(tǒng)的綜合協(xié)調控制成為當前必須解決的問題。解決這一問題需要對電力系統(tǒng)的調度運行、三道防線等做出改變，從而對電力系統(tǒng)帶來深刻的影響，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

新能源發(fā)電系統(tǒng)對通信網(wǎng)絡提出了新的需求，由于小微發(fā)電的分散性，繼續(xù)采用傳統(tǒng)電廠、變電站通過電力專用MSTP回傳網(wǎng)絡實現(xiàn)信息收集管理的模式將導致有線網(wǎng)絡規(guī)模爆發(fā)式擴充，導致各項成本過高，不符合推廣應用初衷。因此，必須采用新型的通信方式和管理模式。

新能源發(fā)電系統(tǒng)對安全接入提出了新的需求，小微光伏發(fā)電利用商業(yè)樓或居民樓的屋頂作為發(fā)電場地，發(fā)電和用電就地完成。當采用新型通信方式時間管理時，傳統(tǒng)電廠的安全接入方案將不再適用，必須研究新的符合安全接入規(guī)范要求的安全接入方案。

新能源發(fā)電系統(tǒng)對負荷控制精度提出了新的需求，傳統(tǒng)電廠發(fā)電規(guī)模大，發(fā)電集中，當前的負荷控制僅需要實現(xiàn)純粹的負荷部分切除等操作即可，切除顆粒較大，不需要細化到每個用戶［4］。而在小微發(fā)電場景下，供電和發(fā)電不再存在明顯的界限，發(fā)電后就地用電銷納，導致負荷控制必須考慮每個終端用戶的供電能力和用電能力，這也就導致負荷控制必須進行更加精細的控制之外，還必須同時考慮小微發(fā)電的特點，確保供電穩(wěn)定。

新能源發(fā)電系統(tǒng)對配電可靠性要求進一步提高，在用電可靠性要求逐年提升的背景下，小微發(fā)電的出現(xiàn)，無疑是對供電可靠性的極大挑戰(zhàn)［5］。首先，小微發(fā)電的間歇性和分散性導致電網(wǎng)穩(wěn)定控制難度增加，必須增加儲能設備等來進行補償，其次，配網(wǎng)線路結構復雜，T接現(xiàn)象極其普遍，且較大部分的配電線路沒有有線通信能力，如何實現(xiàn)配電故障的快速切除和故障恢復是提升供電可靠性的一個重要課題。

為了解決雙碳目標下電網(wǎng)整體結構變化帶來的新挑戰(zhàn)，下面將從解決小微發(fā)電的通信、安全、負荷控制和供電穩(wěn)定性等方面分別進行分析研究，并進行實驗驗證。

2 新能源電力系統(tǒng)的通信需求分析

小微發(fā)電主要由屋頂光伏、小型風電、小型光伏、小型水電、生物發(fā)電等清潔能源作為初始能源進行電力生產，與傳統(tǒng)發(fā)電比較，新型發(fā)電具有地理位置分散、發(fā)電容量小、供用電混合等特點，無法繼續(xù)使用電力傳統(tǒng)的傳輸網(wǎng)加有線路由通信方式進行管理。有線通信方式首先需要解決光纖鋪設問題，存在地域分散、建筑密集場景施工困難等情況，導致成本過高，建設周期長等問題。因此，研究適用于清潔能源領域的無線通信是解決清潔能源通信的關鍵。5G 作為新型的蜂窩移動通信技術，是目前無線通信技術中唯一能夠同時滿足大流量業(yè)務和高可靠低延時業(yè)務等應用場景的無線技術［5］，與清潔能源運維管理需求非常契合。

傳統(tǒng)組網(wǎng)架構（如圖1）中，變電站通過縱向加密接入到電力專用傳輸網(wǎng)中，通過傳輸網(wǎng)與主站端直接通信，由于變電站規(guī)模大、數(shù)量相對較少、重要性高，采用專用傳輸網(wǎng)接入方式的可行性已在事件中得到了廣泛的驗證［6］。

圖1 傳統(tǒng)組網(wǎng)架構圖Fig.1 Traditional networking architecture

新能源組網(wǎng)（如圖2）涉及到更多的小微發(fā)電區(qū)域接入，具有規(guī)模小且分布零散的特點，無法繼續(xù)沿用變電站成熟的組網(wǎng)方案，已不再具備采用有線接入的可行性，因此，采用5G 蜂窩通信方式是當前可行的組網(wǎng) 方案［7-8］。

圖2 新能源組網(wǎng)架構圖Fig.2 New energy networking architecture

采用5G 進行小微新能源發(fā)電系統(tǒng)組網(wǎng)必須符合通道性能和電網(wǎng)安全接入相關規(guī)范要求，因此，在接入安全區(qū)時必須通過隔離裝置進行安全防護。不同業(yè)務的安全接入要求存在差異，例如，控制類業(yè)務要求必須通過縱密進行接入，監(jiān)視類業(yè)務只要滿足通道安全即可。

不同業(yè)務通道有不同性能要求，新能源接入涉及到自動化業(yè)務、精確負荷控制業(yè)務、保護業(yè)務、計量業(yè)務等等，每種業(yè)務對通道的性能要求存在差異，同時業(yè)務安全要求也存在差異，例如，自動化業(yè)務對延時不敏感，采用優(yōu)先級進行通道劃分即可滿足要求；精確負荷控制業(yè)務對延時較敏感，使用FLEX-E 通道可滿足業(yè)務需求；控制類業(yè)務安全要求要高于監(jiān)視類業(yè)務。

因此，采用5G通道承載電力業(yè)務必須首先滿足各種業(yè)務的性能指標要求。如圖3 所示，控制類業(yè)務延時、可靠性要求較高；自動化類業(yè)務延時、可靠性要求適中；管理類業(yè)務對延時、可靠性要求較低；視頻類業(yè)務對帶寬需求較大。

圖3 5G承載業(yè)務分類Fig.3 5G service-carrying classification

5G作為新型蜂窩組網(wǎng)技術，采用不同的關鍵技術理論上能夠滿足以上業(yè)務的不同需求。

3 5G關鍵技術

3.1 網(wǎng)絡切片

通過FLEX-E、優(yōu)先級等技術將物理網(wǎng)絡切分成多個虛擬網(wǎng)絡，通過時延、帶寬、安全性、可靠性來劃分不同的網(wǎng)絡，以適應不同的場景［9］。通過網(wǎng)絡切片技術在一個獨立的物理網(wǎng)絡上切分出多個邏輯網(wǎng)絡，從而避免了為每一個服務建設一個專用的物理網(wǎng)絡，大大降低了網(wǎng)絡部署成本。

在同一個5G網(wǎng)絡上，針對電力系統(tǒng)不同的業(yè)務特點把網(wǎng)絡切片為實時通道業(yè)務（例如差動保護）、視頻業(yè)務（無人機、機器人、AR、VR、視頻攝像頭等回傳的高清視頻流）、三遙業(yè)務等多個不同的網(wǎng)絡，不同切片的網(wǎng)絡在帶寬、可靠性能力上提供不同的保證。切片技術解決了4G 網(wǎng)絡對不同需求的業(yè)務只能提供相同的服務質量，從而導致很多業(yè)務變得不可控的問題。

3.2 邊緣計算

在靠近終端設備或數(shù)據(jù)源頭的一側，采用網(wǎng)絡、計算、存儲、應用等核心能力為一體的開放平臺，就近提供服務［10］。其應用在邊緣側發(fā)起，提供更快的網(wǎng)絡服務響應，滿足行業(yè)在實時業(yè)務、應用智能、安全與隱私保護等方面的基本需求。5G要實現(xiàn)低時延，如果數(shù)據(jù)都是要到云端和服務器中進行計算機和存儲，再把指令發(fā)給終端，由于經(jīng)過的環(huán)節(jié)多，無法實現(xiàn)低時延。邊緣計算是要在基站上建立計算和存儲能力，在最短時間內完成計算，發(fā)出指令。

3.3 空口切片

通過將空口帶寬進行合理分配，預留一定的空口資源作為重要業(yè)務的保留空口資源來確保業(yè)務的傳輸性能。當空口資源充足時，業(yè)務可以使用全部的空口資源，當空口資源緊張時，重要業(yè)務可使用預留資源來確保傳輸性能。該技術有效解決了空口傳輸抖動大，延時不穩(wěn)定等問題，使延時敏感業(yè)務能夠使用5G傳輸成為可能。

4 新能源電力系統(tǒng)的5G承載業(yè)務

4.1 自動化業(yè)務

自動化業(yè)務主要包含遙測、遙信等信息采集和遙控命令，通過信息采集監(jiān)視運行設備的當前工作情況及新能源系統(tǒng)的運行狀態(tài)，遙控命令調節(jié)新能源系統(tǒng)的運行，實現(xiàn)故障消除、輸出功率調節(jié)等［11］。以上業(yè)務對傳輸實時性要求適中，遙控命令對信息傳輸安全性、可靠性要求較高，必須使用加密通過傳輸，因此，采用5G eMBB 進行傳輸可滿足業(yè)務通信指標要求，遙控命令傳輸需要額外配置加密設備進行加密傳輸。

4.2 精確負荷控制業(yè)務

精確負荷控制業(yè)務實現(xiàn)了發(fā)用電的精確控制，通過負荷輪切方式控制電網(wǎng)的供用電穩(wěn)定。精確切負荷業(yè)務系統(tǒng)一般部署在變電站控制子站，由傳輸網(wǎng)或5G網(wǎng)絡及專用通道設備構成的通道設備及終端執(zhí)行設備幾部分組成，精確切負荷業(yè)務的通道傳輸時間一般要求控制在50 ms以內［12-13］。通道設備與終端執(zhí)行設備之間可采用5G、光纖等聯(lián)通，由于精確負荷控制業(yè)務采用私有規(guī)約，具有較好的安全性，同時出于延時考慮，一般不再考慮進行報文加密。

4.3 保護類業(yè)務

保護類業(yè)務實現(xiàn)了就地一次設備故障切除功能，保護裝置通過計算本地和對端的電壓電流變化判斷保護區(qū)域內是否存在異常，實現(xiàn)快速故障切除，通常采用過流保護、差動保護、縱聯(lián)保護等［14-15］。采用差動保護時需要接收對側的電壓電流信號，要求延時越小越好，延時越小保護動作越快［16］，由于無線通信延時無法達到有線的延時水平，因此，一般要求無線通道延時在10 ms以內為較好，50 ms以內也可以接受，這主要取決于保護動作時間要求。5G 的uRLLC 通道能夠較好地滿足該業(yè)務的需求［17］。

4.4 視頻監(jiān)視業(yè)務

視頻類業(yè)務主要用于現(xiàn)場監(jiān)視，具有帶寬大、對延時要求不高的特點［18-19］，通過視頻監(jiān)視現(xiàn)場一二次設備的運行情況，可以方便地了解現(xiàn)場設備的當前狀態(tài)，是運維手段提升的重要途經(jīng)，采用5G的eMBB通道可以很好地滿足該項業(yè)務的需求。

4.5 信息采集業(yè)務

通過部署大量的傳感器進行現(xiàn)場設備運行工況、現(xiàn)場運行環(huán)境的采集，該項業(yè)務由于終端采集設備數(shù)量眾多，對通道延時和帶寬要求不高，采用mMTC通道進行連接優(yōu)勢明顯。

4.6 遠程專家診斷業(yè)務

目前電力系統(tǒng)普遍采用檢修人員直接到現(xiàn)場處理故障的方式進行消缺。當出現(xiàn)現(xiàn)場故障時，運維人員根據(jù)故障情況預先判斷需要哪些專業(yè)的專家一起到現(xiàn)場去排查問題，一般會涉及到保護設備廠家、網(wǎng)絡設備廠家及相關設備的歸口部門共同前往故障現(xiàn)場。由于設備廠家一般不在本地，考慮到本地售后服務人員數(shù)量有限，特別專業(yè)的問題必須廠家研發(fā)人員趕到現(xiàn)場，導致處理故障一般都在兩天以上，考慮人員的交通費用，電力局檢修車輛費用等，處理問題成本較高。

遠程專家診斷系統(tǒng)（如圖4）通過5G網(wǎng)絡作為信息傳輸?shù)耐ǖ溃?G 的大帶寬、低延時特性將現(xiàn)場運維人員通過高清攝像頭采集的實時視頻流信息發(fā)送給遠端的專家，遠程專家與本地運維人員具有相同的視頻信息和現(xiàn)場采集的各種實時狀態(tài)信息，猶如身臨其境。遠程專家協(xié)助現(xiàn)場運維人員進行問題分析排查。遠程專家診斷系統(tǒng)的另一個作用是通過現(xiàn)場的巡檢機器人進行遠程問題分析，當需要運維人員前往現(xiàn)場消缺時再去現(xiàn)場，達到進一步提升運維效率的目的。

圖4 遠程專家診斷Fig.4 Remote expert diagnosis

4.7 無人機/機器人巡檢業(yè)務

目前風電場和光伏站等均采用值班人員定時巡檢的方式對變電站內的設備進行人工巡視［20］，由于風電場和光伏電站占地面積大，人工巡檢周期長、效率低下，且巡視人員疲勞度很高，容易出現(xiàn)巡視疏漏。根據(jù)光伏電站和風電場自身特點，可采用基于5G的機器人或無人機方式進行巡檢（如圖5）。基于5G實現(xiàn)信息回傳具有實時性高、傳輸帶寬大的特點，完全能夠滿足實時高清視頻流的回傳，結合遠程控制可以實現(xiàn)對無人機和機器人的遠程互動，在提升運維效率和可靠性的同時，降低了人員的巡檢強度，提升了新能源的整體水平。

圖5 無人機、機器人巡檢Fig.5 UAV and robot patrol inspection

5 結語

5G技術的推廣應用是新能源接入的重要手段，但也存在一定的技術難題需要解決，主要包括電力業(yè)務通過無線網(wǎng)絡傳輸?shù)木W(wǎng)絡安全問題、實時性要求高的保護控制類業(yè)務要求傳輸延時低且延時穩(wěn)定問題等。目前，通過FLEX-E、UPF、空口資源預留等技術大大地提升了5G 網(wǎng)絡的使用范圍，在電力系統(tǒng)自動化業(yè)務、視頻監(jiān)視、遠程運維、信息采集等業(yè)務上可以廣泛推廣應用。5G 技術在保護類業(yè)務等時間敏感業(yè)務方面仍有提升空間，同時網(wǎng)絡安全問題是在電力系統(tǒng)內廣泛推廣無線通信技術的重大挑戰(zhàn)，當前采用的安全接入?yún)^(qū)方案無法滿足時間敏感類業(yè)務的應用需求。為了進一步拓展5G 的使用范圍，還需要在5G 網(wǎng)絡安全和低延時方面的研究突破，來滿足電力系統(tǒng)各種業(yè)務的應用需求。