5G 通信技術在配電網監測與控制中的應用研究

熊光明

（貴州電網貴陽供電局，貴州 貴陽 550000）

0 引 言

隨著能源系統的智能化應用和配電網規模的不斷擴大，社會各界對配電網的實時監測與智能控制需求日益提升。傳統監測技術在應對復雜的電網結構和大規模的數據處理方面存在瓶頸，而5G 通信技術的迅猛發展為配電網領域的技術創新提供新的機遇。

1 配電網監測需求分析

1.1 配電網的特殊性及挑戰

配電網龐大而復雜的網絡結構導致監測難度巨大，需要全面覆蓋各個節點，以確保監測的實時性和全局性。電力設備眾多，會接入不同類型的負載和能源，系統容量波動較大，因此需要采取高效的監測手段以適應動態變化。同時，配電網的實時性要求較高，及時檢測故障或異常情況對于保障系統安全運行至關重要。智能化控制還面臨著設備多樣性和通信互聯的挑戰，急需解決設備之間的協同工作和通信效率等問題。

1.2 實時監測和智能控制的需求

在配電網監測領域，人們對實時監測和智能控制的需求日益凸顯。實時監測指迅速獲取并處理大量數據，以確保及時感知電力系統狀態。由于電力系統運行環境會發生變化，實時監測能夠提供準確的數據反饋，從而及時發現潛在的故障或異常。同時，智能控制體現在對電力系統的高效、自適應管理，要求系統能夠智能地調整運行參數，設備能夠協同工作，從而提高整體運行效率，主要包括對設備狀態的實時評估、負載的智能調度、對不同情景的自動響應[1]。

2 5G 在配電網實時監測中的應用

2.1 傳感器網絡與數據采集

在配電網實時監測中，傳感器網絡與數據采集是5G 技術應用的關鍵環節。通過在配電房內布置各類傳感器，包括溫濕度傳感器、SF6氣體濃度傳感器、振動傳感器等，以全面感知環境參數和設備狀態。這些傳感器構成一個復雜而高效的傳感器網絡，通過5G 通信技術實現對配電網的實時監測。在傳感器網絡中，溫濕度傳感器負責監測配電房內的環境溫度和濕度變化，確保設備運行在適宜的工作環境中。SF6氣體濃度傳感器則用于監測絕緣氣體的含量，及早發現潛在的異常情況和安全隱患。振動傳感器則用于監測設備的振動情況，實時反饋設備運行狀態，為故障診斷提供重要依據。在數據采集方面，利用5G通信技術將傳感器實時采集的數據傳輸至采集服務器節點。在數據采集過程中，需要考慮通信的穩定性和低時延特性，以確保監測數據的準確性和實時性[2]。此外，采用高效的數據壓縮和傳輸算法，確保在大量傳感器數據傳輸的同時，不影響系統的整體性能。

2.2 實時監測系統架構設計

在現代配電網實時監測系統的架構設計中，各節點的功能和相互之間的協調合作至關重要，確保系統能夠高效、穩定地進行監測操作。系統的平臺層是整個架構設計的核心，包括監控平臺、通信設備及現場儀表，具體如圖1 所示。

圖1 實時監測系統架構

監控平臺是系統的核心，由用戶客戶端、監測控制中心和Web 管理客戶端構成。其中，用戶客戶端用于用戶端的實時監測和數據展示；監測控制中心則是系統的運行中樞，負責實時監控、數據處理和決策分析；Web 管理客戶端提供后臺管理功能，包括系統配置、數據管理和報警設置等。在通信設備方面，工業物聯網網關、邊緣計算網關和工業路由器是實現數據傳輸和通信的關鍵部分。其中，工業物聯網網關負責物聯網設備的接入和數據傳輸；邊緣計算網關用于邊緣計算和數據處理；工業路由器則是數據傳輸的通道，以監測數據的穩定傳輸。現場儀表主要用于監測環境和設備參數，如配電柜、空調、溫濕度傳感器、水浸傳感器以及煙霧傳感器等設備，通過傳感器實時采集數據并傳輸到監控平臺進行分析和展示。其中，配電柜用于監測電能參數和電流狀態，空調監測溫度，溫濕度傳感器監測環境溫濕度，水浸傳感器監測液體浸泡情況，煙霧傳感器監測煙霧濃度。

3 5G 在配電網智能控制中的應用

3.1 智能開關與設備控制

在配電網智能控制中，5G 技術的應用顯著提高電力系統的靈活性和可靠性。智能開關作為配電網的重要組成部分，通過融合5G通信技術和智能電力設備，高效控制電力系統。智能開關的控制功率可以用公式表示為

式中：P控制為智能開關的控制功率；U為電壓；R為電阻。

智能開關作為配電網中的關鍵組件，通過融合5G 通信技術和智能電力設備，高效控制電力系統。借助5G 通信技術，智能開關實現與配電房內監控終端機的實時通信，獲取并傳輸當前電網狀態信息，然后根據預設的控制策略進行響應操作。這種實時交互和響應能力，使智能開關能夠動態調整和優化電力系統的運行狀態。例如，智能開關可以實時監測并控制電流、電壓等參數，確保電力系統在變化的負荷和故障條件下仍能保持穩定運行。同時，智能開關通過優化電流和電壓的分布，能夠有效降低系統中的能量損耗，提高電力系統的運行效率。

在設備控制方面，憑借5G 技術的低時延和高可靠性實時精確控制配電網設備。利用智能化控制算法，根據當前系統負荷和電網狀態實時調整配電網設備的狀態，以最大限度地滿足電力系統的需求。例如，通過調度和優化算法，可以精確控制并調整配電網設備的運行參數，以最大限度地提高系統的運行效率和能源利用率。設備的調度功率可以用公式表示為

式中：P調度為設備的調度功率；φ為功率因數；I為設備電流。

3.2 負載調度與優化

在現代配電網系統中，負載調度與優化是實現電力系統高效運行和能源利用的重要環節。5G 技術的廣泛應用為負載調度與優化提供全新的解決方案和發展機遇。通過智能算法和5G 通信技術的協同作用，成功實現電力系統的負荷均衡、能效優化，從而提升系統運行的穩定性和經濟性。

負載調度的目標是實現電力系統內各設備和線路的負荷均衡，防止出現過載或欠載的情況。通過5G 通信技術，系統可以實時監測設備的負載情況，快速響應變化的負荷需求，通過調整設備的運行狀態和電能分配，達到均衡系統負載的目標。需要綜合考慮電壓、電流和功率因數等參數利用式（2）計算調度功率。智能算法的運用使負載調度過程更加智能化和自動化，從而提高調度的準確性和效率。而負載優化的核心在于提高系統的能效，降低電網運行成本。通過運用智能控制算法，使系統在滿足負載需求的前提下，最大限度地提高能源利用效率[3]。

計算設備的優化功率時，要考慮設備的調度功率和系統內的電能損耗。5G 通信技術的實時性和可靠性使系統可以實時獲取設備運行狀態和電能損耗情況，快速響應并調整設備運行參數，以最大限度地提高電能利用效率[4]。優化功率的計算公式為

式中：P損耗為系統內的電能損耗。

借助5G 通信技術，系統可以實時獲取設備運行狀態和電能損耗情況，并利用智能算法調整設備運行參數，以提高電能利用效率。

4 案例分析

4.1 案例概況

在現代化城市的配電網中，5G 通信技術得到廣泛應用，為實現智能監測與控制提供強大支持。以某變電站為例，通過5G 技術成功構建一個具有高速、低時延、高可靠性的通信網絡。該變電站部署大量傳感器，以實時監測各設備的運行狀態和負荷情況，確保電力系統的安全穩定運行。

在某日的高峰期，系統檢測到某個變壓器負載異常上升，隨即通過5G 通信迅速將信息傳輸至配電監控中心。監控中心利用智能算法分析數據，并迅速做出決策，通過5G 網絡遠程控制該變壓器，調整運行參數，從而降低負載壓力和設備過載的風險。在系統優化方面，5G 通信技術也發揮了重要作用。系統借助5G 通信將實時獲取的電能損耗和設備運行效率等數據傳輸至智能控制中心，并利用智能算法進行功率優化調整[5]。這不僅能維持變電站的正常負荷，還能提高能源利用效率。

4.2 應用效果

5G 通信技術在配電網監測與控制中的應用效果評估結果如表1 所示。

表1 應用效果評估結果

5G 通信技術在配電網監測與控制方面取得顯著的應用效果，如變壓器負載異常檢測時間極短，不到100 ms，能夠及時感知配電網異常情況；信息傳輸延遲保持在5 ms 內，遠低于通信標準，可以確保數據的快速傳輸；遠程控制響應時間在50 ms 以內，為運維人員提供即時的響應能力。同時，電能損耗降低幅度達到10%，設備運行效率提高達到15%，表明5G 通信技術在配電網智能控制方面取得顯著的經濟效益。

通過應用5G 技術，有效縮短變壓器負載異常檢測時間，使系統能夠更迅速地響應潛在問題，降低設備過載風險。信息傳輸延遲的降低為實時監測數據的快速傳輸提供保障，有助于提高監測的實時性。遠程控制的高效響應使運維人員可以迅速采取措施，從而降低故障處理的時間成本。這些應用效果的顯著提升證實5G 通信技術在配電網監測與控制中具有卓越性能，為提高電力系統的可靠性和智能化水平提供了強有力的支持。

5 結 論

5G 通信技術為配電網監測與控制帶來前所未有的技術進步，為電力系統的可靠性、智能性和經濟性注入新的活力。在未來的發展中，要借助5G 技術進行不斷創新，進一步提高配電網的運行水平，為構建更加安全、高效的電力系統貢獻力量。