5G技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用

摘要：近年來，電網(wǎng)企業(yè)致力于發(fā)展“三型”電力系統(tǒng)，隨著分布式能源、電力數(shù)據(jù)、新能源汽車等服務(wù)的接入，電網(wǎng)設(shè)備、終端和用戶的信息通信需求激增。為快速響應(yīng)和提供服務(wù)，需建立完整、準(zhǔn)確、及時(shí)的數(shù)據(jù)平臺。未來電力系統(tǒng)將成為復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，對實(shí)時(shí)、穩(wěn)健、高效通訊技術(shù)提出更高要求。

關(guān)鍵詞：5G；智能電網(wǎng)；應(yīng)用

一、5G與電網(wǎng)業(yè)務(wù)融合場景分析

5G技術(shù)因其低成本、高度的可靠性、較低的延遲時(shí)間以及開放性的技術(shù)框架等特點(diǎn)，在電力系統(tǒng)中獲得了廣大的應(yīng)用。為了達(dá)到電網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)無所不在的愿景，我們需要整合發(fā)電、輸電、變電、配電和用電等多個業(yè)務(wù)領(lǐng)域的應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)精確的負(fù)荷控制、配電自動化、新能源汽車的充電和用電信息的采集等基礎(chǔ)服務(wù)，并逐漸向差動保護(hù)、智能巡檢和物理ID等新業(yè)務(wù)領(lǐng)域擴(kuò)展。因此，需要研究如何利用先進(jìn)通信手段為各類業(yè)務(wù)提供支持，滿足不同用戶個性化需求，從而構(gòu)建統(tǒng)一堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)。本研究借助5G通信技術(shù)，對電力業(yè)務(wù)通信的應(yīng)用場景進(jìn)行了細(xì)致的分類，并從時(shí)延、帶寬、接口和安全可靠性等多個方面進(jìn)行了需求分析，旨在實(shí)現(xiàn)各類終端設(shè)備的智能化應(yīng)用和廣泛接入。同時(shí)根據(jù)不同業(yè)務(wù)類型提出相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案和關(guān)鍵技術(shù)，為未來電力系統(tǒng)的建設(shè)提供參考依據(jù)。表1展示了5G的特性以及電力服務(wù)的基礎(chǔ)需求。

5G的通信屬性與其對電力系統(tǒng)的需求具有互補(bǔ)性。隨著我國能源互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略實(shí)施，未來將逐步構(gòu)建以特高壓直流為骨干網(wǎng)架的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)。在智能電網(wǎng)技術(shù)中，5G技術(shù)在如大規(guī)模互聯(lián)、精準(zhǔn)控制以及寬帶通訊等多個領(lǐng)域都展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。

5G通信系統(tǒng)由宏基站、微基站和核心網(wǎng)絡(luò)三部分組成。其中，核心網(wǎng)是以控制系統(tǒng)為主體，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、信息的傳遞。宏基站的主要職能是將光纖和微波通信接入核心網(wǎng)絡(luò)，而各區(qū)域內(nèi)的基站與用戶之間的通信以無線電通信為主。與4G相比，5G具有更好的性能，如表2所示。

二、5G在電網(wǎng)中應(yīng)用場景分析

（一）高可靠性低延遲應(yīng)用場景

1.極速精準(zhǔn)負(fù)荷控制

在電力網(wǎng)絡(luò)中，負(fù)載控制的主要職責(zé)是調(diào)整負(fù)載曲線，以達(dá)到負(fù)載均衡，從而提升網(wǎng)絡(luò)的使用效率和安全性。傳統(tǒng)的基于現(xiàn)場總線技術(shù)的系統(tǒng)無法滿足現(xiàn)代智能電網(wǎng)對電網(wǎng)運(yùn)行方式靈活多變的需求，而采用分布式控制技術(shù)則能夠有效地降低投資成本并減少維護(hù)工作量。通過精確的負(fù)荷管理，我們能夠迅速地應(yīng)對電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)的低頻迅速下降、電網(wǎng)內(nèi)部的省際聯(lián)絡(luò)線過載以及電網(wǎng)發(fā)電設(shè)備儲備不足的挑戰(zhàn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)和控制技術(shù)的飛速發(fā)展，電力市場也逐漸發(fā)展為一個高度自動化、智能化的系統(tǒng)。在電力網(wǎng)絡(luò)中，對于秒級和分鐘級的電力系統(tǒng)，單一終端與主站之間的通信帶寬可以達(dá)到48.1kbit/s-1.13Mbit/s，端到端的單向延遲少于50毫秒，可靠性可以達(dá)到99.999%。這需要與管理區(qū)域的工作完全隔離和獨(dú)特，因此其工作模式是物理的，控制系統(tǒng)需要連續(xù)和不間斷。針對當(dāng)前5G網(wǎng)絡(luò)的缺點(diǎn)，將5G CPE應(yīng)用于具有5G低延遲和高可靠性特性的電力系統(tǒng)，并進(jìn)行低延遲和低可靠性的端到端網(wǎng)絡(luò)切片，以實(shí)現(xiàn)微秒級的精確負(fù)載控制。

2.差動保護(hù)

在眾多的高電壓傳輸方法中，差動保護(hù)技術(shù)被認(rèn)為是當(dāng)前應(yīng)用最廣且十分成熟的技術(shù)之一。其原理是將電力系統(tǒng)中的各個元件組成一個網(wǎng)絡(luò)來分析繼電保護(hù)系統(tǒng)，通過計(jì)算各線路之間以及相鄰線路之間的距離關(guān)系來實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。其核心思想是在相同的時(shí)間段內(nèi)，比較保護(hù)設(shè)備內(nèi)的兩個或更多電流向量。通過計(jì)算出這一差值，就可以確定是否存在短路故障。如果檢測到兩相之間的電流差異超出了預(yù)期的理論值，那么差動保護(hù)系統(tǒng)會判斷這一時(shí)刻發(fā)生了故障，導(dǎo)致斷路器斷開，并啟動保護(hù)機(jī)制，從而顯著增強(qiáng)了電網(wǎng)的防護(hù)能力和可靠性，為確保電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定運(yùn)行打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

差動和電流之間的主要差異在于它們都是基于同步電流。為了確保時(shí)間的同步性，需要使用多個相關(guān)的差動保護(hù)終端，并且確保時(shí)間的準(zhǔn)確性不超過10微秒。此外，交互式信息的端到端傳輸延遲不應(yīng)超過12毫秒。由于電力線路傳輸距離長、環(huán)境復(fù)雜，使得電力系統(tǒng)中存在大量不同類型的差動保護(hù)裝置，它們之間通過無線通信方式相互聯(lián)系，構(gòu)成了一個完整的配電網(wǎng)繼電保護(hù)系統(tǒng)。至今，我國在配電網(wǎng)絡(luò)的差動保護(hù)通信技術(shù)方面還沒有建立一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。為了滿足電力市場的發(fā)展，以及提高配電網(wǎng)自動化程度和供電質(zhì)量，有必要將差動保護(hù)納入配網(wǎng)自動化系統(tǒng)之中。根據(jù)高壓差動保護(hù)的具體需求，配電差動保護(hù)系統(tǒng)對通信帶寬的要求必須達(dá)到2Mbit/s或更高，同時(shí)，從單相到端的延遲時(shí)間不應(yīng)超過12ms，延遲抖動也不應(yīng)超過±50μs。這樣的設(shè)計(jì)確保了系統(tǒng)的可靠性高達(dá)99.999%。因此，有必要對該系統(tǒng)進(jìn)行獨(dú)占管理，以實(shí)現(xiàn)從服務(wù)終端到服務(wù)終端的無縫通信，而這與區(qū)域業(yè)務(wù)無關(guān)。

3.智能變電

智能變電不僅是智能電網(wǎng)的重要組成部分，也是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)智能化、自動化、信息化的重要基礎(chǔ)。智能變電的主要功能是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、高效、環(huán)保運(yùn)行，同時(shí)為用戶提供更好的用電體驗(yàn)。5G技術(shù)的加入可以為智能變電帶來實(shí)質(zhì)性的提升。

（1）5G技術(shù)可以連接智能變電中的各種傳感設(shè)備，實(shí)時(shí)采集、傳輸和處理數(shù)據(jù)，對變電站設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)變電站設(shè)備的故障和異常情況，并采取處理措施。

（2）5G技術(shù)可以將收集到的大數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)中心，通過分析和處理，及時(shí)發(fā)現(xiàn)變電站設(shè)備的故障或異常情況，并提前進(jìn)行故障預(yù)警，避免小問題發(fā)展成大問題，從而減少損失。

（3）5G技術(shù)可以對變電站設(shè)備進(jìn)行精確定位和快速反饋，以保障變電站的正常運(yùn)行。

（4）5G技術(shù)可以支持無人機(jī)進(jìn)行設(shè)備檢查和維修，從而提高維修的效率和精確度，減少設(shè)備停機(jī)時(shí)間，延長設(shè)備壽命。

（5）5G技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)時(shí)空資源的動態(tài)調(diào)度和優(yōu)化配置，提高變電站的運(yùn)行效率，降低運(yùn)行成本。

（6）5G技術(shù)可以幫助智能電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理，如實(shí)時(shí)監(jiān)測和預(yù)測電力需求、分析電力使用效率等，有助于實(shí)現(xiàn)電力資源的優(yōu)化分配和節(jié)能。

（7）在發(fā)生自然災(zāi)害等緊急情況時(shí)，5G技術(shù)可以通過高速的數(shù)據(jù)傳輸能力及時(shí)協(xié)調(diào)救援資源，從而減少災(zāi)害對變電站的影響。

（8）在智能變電中，5G技術(shù)的應(yīng)用可以極大地提升電網(wǎng)的運(yùn)行效率和安全性，減少能源的浪費(fèi)，并提高能源利用率。

4.智能輸電

智能輸電是現(xiàn)代電網(wǎng)的重要組成部分，5G技術(shù)的加入可以為智能輸電帶來實(shí)質(zhì)性的提升。

在傳統(tǒng)的輸電線路監(jiān)測方式中，由于距離遠(yuǎn)、設(shè)備繁多等因素，實(shí)時(shí)監(jiān)測存在較大的困難。而5G技術(shù)可以有效連接線路上的傳感設(shè)備，實(shí)時(shí)收集并傳輸設(shè)備操作數(shù)據(jù)，包括設(shè)備使用狀態(tài)、線路環(huán)境變化等信息，做到對輸電線路的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

5.智能配電

在10KV及以上配電線路上，配電自動化終端包括DTU、FTU和TTU，用于收集和監(jiān)控線路的溫度、電壓、電流等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至市級公司，再傳輸至配電自動化系統(tǒng)主站進(jìn)行綜合分析。借助5G技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各種傳感設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理，確保配電網(wǎng)處于實(shí)時(shí)監(jiān)控狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理故障，保障供電可靠性。

（二）廣覆蓋與大連接場景應(yīng)用

在廣泛的大連通背景下，電力用戶的信息收集和配電網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行監(jiān)控顯得尤為關(guān)鍵。本文提出一種基于電力線載波通信技術(shù)的智能用電信息監(jiān)測終端，并對其硬件和軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由主站、集線器、遠(yuǎn)近通道和電表等組成。

根據(jù)能量的消耗趨勢，我們可以將能量消耗信息收集系統(tǒng)分類為上行和下行兩種鏈路。根據(jù)能量流向不同，可分為上行數(shù)據(jù)、下行數(shù)據(jù)兩種類型。上行數(shù)據(jù)指的是低壓側(cè)用戶（如居民、工業(yè)、商業(yè)等）的電表數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)會通過特定采集機(jī)上傳到集線機(jī)，然后集線機(jī)將相應(yīng)的數(shù)據(jù)通過上行通道傳送到主站的功率信息采集系統(tǒng)；在此過程中，由于受到傳輸距離及設(shè)備容量限制，需要對其進(jìn)行二次處理并上傳至集中抄表中心，以便實(shí)現(xiàn)電能管理自動化。下行數(shù)據(jù)指的是電力信息采集系統(tǒng)的主站通過集中器和專用變壓器終端，向電能表發(fā)送的安全認(rèn)證、控制開關(guān)等控制服務(wù)。目前，電力信息采集系統(tǒng)中的所有用電設(shè)備均安裝了采集器。所收集的數(shù)據(jù)通常是基于每日或每小時(shí)來計(jì)算的，并且這些數(shù)據(jù)涵蓋了每位用戶的電力使用情況。

配電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測是一種通過傳感器、平臺和網(wǎng)絡(luò)等多種手段，對配電網(wǎng)中的電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和設(shè)備所處環(huán)境進(jìn)行持續(xù)監(jiān)控的方法，其目的是為了提高配電網(wǎng)中關(guān)鍵設(shè)備和設(shè)施的運(yùn)行管理水平，從而確保配電網(wǎng)能夠安全和穩(wěn)定地運(yùn)行。配電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)可以對配網(wǎng)進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)監(jiān)測與分析，進(jìn)而為配電網(wǎng)管理部門提供準(zhǔn)確可靠的決策依據(jù)。由于配網(wǎng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，各部分之間相互影響較大，所以對其進(jìn)行有效地監(jiān)控就顯得尤為重要。在電力系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)表現(xiàn)出“小數(shù)據(jù)”的特點(diǎn)，并且這些監(jiān)控節(jié)點(diǎn)主要集中在地庫和配電箱等關(guān)鍵區(qū)域，因此有必要進(jìn)行大規(guī)模和深度廣泛的數(shù)據(jù)監(jiān)控。

（三）大容量高帶寬場景

1.智能巡檢

電氣設(shè)備的種類之多、構(gòu)造之復(fù)雜以及它們所處的惡劣工作環(huán)境都令人印象深刻。為了保證其正常運(yùn)行并提高其安全性能，需要對設(shè)備進(jìn)行定期檢測與維修。傳統(tǒng)的檢測手段主要依賴于人工進(jìn)行監(jiān)控，這導(dǎo)致了效率不高、可靠性不足和安全性較差等一系列問題，這些問題很容易使測試結(jié)果出現(xiàn)不全面的情況，甚至可能導(dǎo)致錯過或遺忘測試的機(jī)會。

隨著5G通信技術(shù)的不斷進(jìn)步，AR技術(shù)在電力系統(tǒng)的檢測領(lǐng)域?qū)@得更為廣泛的運(yùn)用。當(dāng)檢查員戴上AR智能眼鏡后，他們能夠?qū)z查的標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)際狀況完美結(jié)合，這極大地增強(qiáng)了檢查任務(wù)的精確度和安全性。

5G具有巨大的存儲能力和高帶寬，可以自動采集固定隧道、配電室等場所的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)、高清晰度的圖像和視頻等信息傳送至指揮中心。同時(shí)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)了變電站巡視智能化。在220kV或更高電壓的變電站和換流站中，當(dāng)僅有少數(shù)或無人在崗時(shí)，智能巡查技術(shù)能夠替代操作員進(jìn)行日常的巡查，并能夠記錄任何出現(xiàn)的問題。機(jī)器人是一種智能化的設(shè)備，它具有自動避障、路徑規(guī)劃以及運(yùn)動軌跡跟蹤等功能，可完成電力生產(chǎn)中的許多工作。

現(xiàn)階段，利用導(dǎo)軌導(dǎo)航技術(shù)開發(fā)的機(jī)器人已經(jīng)在多個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。機(jī)器人主要用于變電站巡視檢查、線路檢修、設(shè)備維護(hù)、人員安全防護(hù)等領(lǐng)域。由機(jī)器人巡檢傳遞的信息不僅包括影像資料，還涵蓋了裝置相關(guān)的資料。其中，圖像資料可作為故障原因查找依據(jù)，而裝置資料則可為運(yùn)行人員提供重要信息。值得一提的是，為了達(dá)到99.99%的可靠性，該系統(tǒng)每秒的運(yùn)行時(shí)間必須超過2Mbit，并且延遲必須小于300ms。由于在傳輸過程中存在大量噪聲，使得原始圖像質(zhì)量下降，從而導(dǎo)致后續(xù)處理效果不好。因此，這一系統(tǒng)在延遲和穩(wěn)定性方面都需要更高的標(biāo)準(zhǔn)。

無人機(jī)線路檢測技術(shù)主要應(yīng)用于電力桿塔的線路檢測，以及線路施工的測量。通過地面控制臺的控制和攝像頭的監(jiān)控，可以完成復(fù)雜地形和惡劣條件下的野外觀測，從而實(shí)現(xiàn)野外觀測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、快速、準(zhǔn)確獲取。在巡線過程中，巡檢人員必須依靠無人機(jī)進(jìn)行圖像采集和傳輸。因此，為了確保無人機(jī)能夠提供達(dá)到巡邏檢查標(biāo)準(zhǔn)（或更高的清晰度）的影像，它們必須配備可視化攝像和無線影像傳輸設(shè)備。

UAV通信系統(tǒng)的核心職責(zé)是處理UAV的遠(yuǎn)程控制信號、UAV的監(jiān)控圖像以及與UAV監(jiān)控終端之間的通訊。本文對目前常用的三種視頻傳輸方案進(jìn)行了比較，并分析其優(yōu)缺點(diǎn)。探測圖像的傳輸速度超出了2 Mbit/s，而遠(yuǎn)程操控的速度則低于100Mbit/s。

從這些數(shù)據(jù)中，我們可以明顯看出，這個系統(tǒng)具有出色的實(shí)時(shí)性和高度的可靠性，通常在300ms之內(nèi)，它的可靠性能夠達(dá)到99.99%.

2.視頻監(jiān)控

視頻監(jiān)控的核心目標(biāo)是對電網(wǎng)內(nèi)的配電室以及電力系統(tǒng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，例如開關(guān)站，進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測。目前國內(nèi)大多數(shù)變電站都采用了自動化系統(tǒng)來監(jiān)視配電室及電力線路上的各種情況。為了能夠?qū)ε潆姽瘛㈤_關(guān)柜、儀表柜等關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)視和數(shù)據(jù)傳輸，配電站通常被安置在地下或相對隱蔽的位置。通過智能識別、預(yù)警和判斷各種設(shè)備的工作狀態(tài)和開關(guān)狀態(tài)，可以減少手動檢查的復(fù)雜性，從而提高檢查的效率。由于變電站具有分布范圍廣、布線復(fù)雜且不易維護(hù)的特點(diǎn)，所以對于圖像采集系統(tǒng)提出了更高的要求。為了保證圖像的清晰度和傳輸速度，每個節(jié)點(diǎn)的帶寬必須在4-10 Mbit/s范圍內(nèi)，同時(shí)還需要保證傳輸速度的持續(xù)穩(wěn)定性。另外，為確保圖像在傳輸過程中不會出現(xiàn)卡頓，所需的延遲時(shí)間應(yīng)控制在200毫秒之內(nèi)。

三、結(jié)束語

總的來說，本文對電力系統(tǒng)中的電力信息數(shù)據(jù)控制、收集和應(yīng)用進(jìn)行了全面而深入的分析，探討了這些工作對網(wǎng)絡(luò)的具體需求，并針對5G網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)特性，系統(tǒng)地總結(jié)了5G技術(shù)與電網(wǎng)的融合和發(fā)展，分析了5G在電網(wǎng)的典型應(yīng)用場景。

5G技術(shù)在智能變電領(lǐng)域的運(yùn)用，能顯著增強(qiáng)電網(wǎng)的工作效能與安全保障，降低能源損耗，并優(yōu)化能源的使用效率；為了滿足未來經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展對電力系統(tǒng)的需求，我們需要提高變電站的操作效率，減少維護(hù)的費(fèi)用，并確保服務(wù)的質(zhì)量與系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

在國家政策逐步完善的大背景下，“5G+智慧電網(wǎng)”和“5G+智能電廠”在電力產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用將逐步走向成熟，助力電力行業(yè)在各個環(huán)節(jié)中實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新和發(fā)展。同時(shí)，在電力使用、數(shù)據(jù)采集、檢測、監(jiān)測和控制等多個方面，也將推動電力行業(yè)實(shí)現(xiàn)全面和全鏈條的升級。

作者單位：陳相業(yè) 廣東順暢科技有限公司

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