5G 網絡技術在電力行業的應用

易祖洋

（中國聯合網絡通信有限公司 廣東省分公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

2020 年9 月22 日，習近平總書記在第75 屆聯合國大會一般性辯論上莊嚴宣布，中國立志在2030年之前將二氧化碳排放峰值控制在合理范圍內，并爭取在2060 年前實現碳中和目標[1]。該承諾要求中國在從今往后很長的時間內，對碳排放實施更為嚴格的控制措施。以新能源為主體的新型電力系統承載著能源轉型的歷史使命，以新能源為未來供給主體、以保證電力能源安全可靠為基礎、以符合經濟發展民生穩定的電力供應為首要目標，5G 新型網絡技術將支持電力能源領域設施的智能化，并支持傳統能源與新能源分配的商業模式，以提高設計、實施、交付、生產使用以及協調有限電力能源的效率。

1 5G 新型網絡技術與新型電力系統綜述

近年來，國家電網和南方電網一直推行信息化電網、智能化電網、數字化電網的建設，社會快速發展促使電力能源領域的用電與通信需求日益增加，只有基于穩定、安全、高效的信息網絡通信技術才能為電力能源行業的發展打下堅實基礎。對于新型電力系統和堅強電網來說，5G 新型網絡技術的核心用途就是為能源行業信息化、數字化發展以及智能化改造提升技術層面的可靠支撐。5G 技術與前代相比，能夠提供更快的網速、更低的延遲以及更好的網絡可靠性。毫米波技術使用高頻無線電波（24 GHz 以上），可以以高達10 Gb/s 的速度傳輸數據；大規模多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技術使用多個天線同時發射和接收數據，從而提高了網絡容量，擴大了覆蓋范圍；網絡切片技術允許將網絡劃分為多個虛擬網絡，每個網絡都有自己的服務質量（Quality of Service，QoS）要求，能更有效的利用網絡資源和更好的管理流量。國際電信聯盟定義了5G 新型網絡技術的8 大關鍵性能指標，其中大帶寬、低時延、廣連接成為5G 最為顯著的特征，用戶下載速率高達1.0 Gb/s，空口時延低至1 ms，有效設備連接數目達到1 km2內超過100 萬。5G 新型網絡技術的應用將為電網和新型電力系統的發展帶來革命性的發展機會，成為支撐電力能源信息化、數字化發展以及智能化改善的關鍵管道保障。

2 5G 新型網絡技術在智能電網中的應用

智能電網中典型業務的通信需求如表1 所示。選取輸變電和配電側3 大典型應用場景具體分析，研究5G 在數字電網發、輸、變、配、用5 個環節中的需求體現、應用調研以及落地案例。

表1 智能電網中典型業務的通信需求

2.1 無人機智能電網巡檢

近年來，隨著無人機技術的發展，輸電線路網絡巡檢的安全性和準確性已經不再是一個長期困擾電網運維部門的難題。相比以往，現代化的無人機巡檢工具可以有效提高電網系統的安全性和準確性，從而大大減少了對人力的需求，提升了電網系統的效率和可靠性。通過使用無人機，超高壓公司可以檢查高壓電線和其他基礎設施，不會將工作人員置于危險之中。這在危險或難以到達的地區尤其重要，如山區或人口稠密的城市地區。無人機巡檢的另一優勢在于檢查期間可以收集大量的數據，包括圖像、視頻以及其他傳感器讀數，這些數據可以被分析，以確定電網的發展趨勢，使超高壓公司能夠對維護和升級做出更明智的決定。使用無人機檢測5G 網絡切片的通信要求：（1）低延時，以確保無人機的實時控制和監測；（2）大帶寬，以支持從無人機到控制中心的高質量視頻與傳感器數據傳輸；（3）高可靠高安全的通信，以確保無人機與控制中心保持連接，數據傳輸不被中斷或破壞，具體如表2所示。使用5G 技術的超可靠低時延通信（ultra Reliable Low Latency Communication，uRLLC）網絡切片還能夠適應無人機對時延、上下行帶寬的需求，使數據傳輸過程更安全。

表2 無人機巡檢網絡性能要求表

2.2 配電自動化和三重遠程控制

傳統的電力系統依靠集中的發電設施，如火力發電廠或水力發電站來發電，然后通過高壓輸電線路傳輸到變電站，最終通過低壓配電線路分配給用戶[2]。然而，越來越多的可再生能源和分布式能源資源，如屋頂太陽能電池板和儲能系統，使得傳統的電力系統正面臨新的挑戰，配電自動化和三重遠程控制并不是為了取代傳統的發電方式，而是為了提高配電系統的性能、效率以及可靠性。配電自動化和三重遠程控制使電力公司能夠更有效地監測和控制配電網，減少停電的可能性，提高系統的復原力。通過使用自動化三重遠程控制，電力公司可以優化其操作，減少人工干預和維護的需要，最大限度地減少了工作人員發生事故或受傷的風險，減少維護成本，并避免昂貴的停機時間；另一大優勢是促進可再生能源與電網的整合，幫助減少溫室氣體排放，實現更有彈性和可持續的能源未來發展。

實施配電自動化和三重遠程控制有幾個關鍵要求：（1）需要傳感器和測量設備收集配電系統狀態的實時數據，如電壓、電流和電能質量，這些數據被用來監測系統，并在出現異常情況時觸發自動反應；（2）需要遠程控制設備來實現配電設備的遠程控制，如斷路器、開關和變壓器，這些設備可以對配電系統進行實時監測和控制，提高可靠性和效率；（3）高安全性，隨著配電系統連接性和自動化程度的提高，加密、防火墻以及入侵檢測系統對于防止網絡威脅和攻擊至關重要。使用5G 技術的uRLLC 網絡切片可以很大程度滿足配電自動化的要求，運用低時延、高可靠性以及安全性等優勢，讓配電自動化和三重遠程控制具有更好的快速性、靈敏性以及選擇性。配電自動化及三重遠程控制的網絡性能要求如表3 所示

表3 配電自動化及三重遠程控制的網絡性能要求

2.3 毫秒級的精確負載控制

由于生產負荷過載引發的小規模、小范圍停電，通過過高負載導致雪崩效應會引發大規模、大范圍停電，是電網側的傳輸痛點之一。隨著生產生活用電需求不斷增加，將會有更多發電企業投入電網側保供中，數字電網的5G+負載控制可以有效解決生產生活用電需求。毫秒級負載控制可以靈活管理用戶的可中斷載荷，精準控制生產對象內部的可中斷載荷，不僅滿足電網側緊急情況下的應急管理需求，有效管理用電側的各類用戶，而且可以調優可中斷負荷，將經濟社會影響降至最低。傳統配網側由于缺少5G 通信技術的支持，中斷負荷手段不夠柔性，一般情況下只能斷聯整條配電路線。毫秒級精準負荷控制用例對通信網絡的要求如下：（1）超低時延，以毫秒為單位，可以快速響應不斷增長的需求；（2）高可靠性，高達99.999%，以確保在需要時可以立即操作設備和機器；（3）強安全性；（4）多設備連接，數十萬個設備實現精確負載控制。從業務影響、用戶體驗等角度出發，通過5G 新型網絡技術uRLLC 切片實現精準控制，從而減少對各類用戶的影響，優先切斷可中斷的非實時性重要負荷。精準負荷控制的網絡性能要求如表4 所示。

表4 精準負荷控制的網絡性能要求

3 5G 新型網絡技術在可再生能源整合中的應用

以新能源為核心的電力系統建設不斷向前邁進，光伏、風電發電等可再生能源逐步成為未來新型電力系統的主要能源形式。5G 網絡有望在可再生能源納入電網方面發揮重要作用，具體如下：（1）智能電網管理，5G 網絡用于監測與管理電網中的能量流動，可以快速識別和應對問題，使得優化可再生能源的分配和消費成為可能；（2）對可再生能源系統進行遠程監控，這在可能難以接入可再生能源系統的偏遠地區尤其重要；（3）創建虛擬發電廠，將可再生能源系統作為一個單一實體進行連接與管理，能夠提高可再生能源系統的可靠性和效率。5G 網絡有可能徹底改變可再生能源與電網的整合，優化可再生能源的分配和消費，減少碳排放。

4 電力物聯網的相關概念與特點

國際標準化組織（International Organization for Standardization，ISO）/國際電工委員會（International Electro Technical Commission，IEC）定義物聯網為一種人、物、信息資源和系統互聯的基礎設施，結合智能服務，使其能夠處理物理和虛擬世界的信息并做出響應[3]。電力物聯網是物聯網技術在電力行業的一種新型應用方式，物聯網設備與互聯網相連，可以與其他設備和系統通信，通過在傳統電力設備上配備各種傳感器，能夠全面收集溫度、濕度以及位置等各種數據，在不需要人為干預的情況下可以根據這些數據編程設備的具體執行程序，還能根據連接的設備數量進行擴展，從而有可能容納數以百萬計的設備[4]。電力物聯網可以實現人與各種電力設備的實時連接，從而使電力生產、傳輸和消費的各個環節都可以被完整監測與管理，并且可以實現業務的全面滲透[5]。

5 物聯網技術在電網中的典型應用特征

（1）實時監測。物聯網傳感器實時監測采集電力系統的動靜態數據信息，基于采集的數據維持系統運行和執行特定功能。電力設備的種類和用途繁多，而且分布范圍較為廣泛，因此物聯網需要高精度、高信噪比、遠距離傳輸的傳感技術作為支撐。

（2）高效信息處理。當前，電網公司的日數據采集增量超過了60 TB，由于不同系統之間缺乏數據共享，造成了“數據孤島”的現狀。在建設電力物聯網的過程中，將制定統一的通信協議、接口和數據格式，支持適配各類智能物聯網終端，充分發揮數據共享價值。同時，引入邊緣計算技術，增強邊緣側的數據處理能力；再輔以數據清洗技術，剔除錯誤數據，能有效減輕主站和云端數據的處理壓力，降低通信網絡的信息承載量。

（3）應用靈活便捷。5G 應用于分布式電網調度和精準負荷控制，實現對智慧電網運作狀態和數據信息的毫秒級數據回傳與終端管理，幫助用戶及時觀察、監督和控制電網運行的實際情況[6]；基于5G+大數據分析的新型電力系統管理與多維運行，有助于提升電網經營績效，促進可再生能源的有序消納；數據開放共享，多方共建電力物聯網，可促進能源互聯網發展，推動綜合能源系統協調建設。

6 結 論

5G 通信技術將重塑未來生活方式，也將重塑電力與能源系統。以5G 通信的特點和技術指標為基礎，從智能電網、可再生能源整合2 大領域分析了5G 通信技術在電力系統的核心應用場景。5G 新型網絡技術將會驅動整體行業的發展，增益能源科技進步，是實現“碳達峰、碳中和”關鍵目標的基礎性網絡技術，在未來智慧電網的建設中將起到關鍵性的支撐作用。