5G 通信在电力系统中的应用

赵 洋，赵晓红，任天成，刘 新，吕国栋

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003；2.山东中实易通集团有限公司，山东 济南 250003）

0 引言

2020 年，国家电网公司提出建设“具有中国特色国际领先的能源互联网企业”的战略目标，以电网为中心，以坚强智能电网为基础平台，将先进的信息通信技术、控制技术与先进能源技术深入融合应用，建设具有清洁低碳、安全可靠、泛在互联、高效互动、智能开放等特征的智慧能源系统。

相比于传统电网，智能电网的自动化、智能化程度大大提高，因此更加离不开先进的通信技术、计算机网络技术的支持。近几年，随着国家电网公司战略目标的不断完善，电力物联网的重要性也在不断提升。电力物联网是物联网技术在智能电网中的一种具体表现形式和应用落地，既包含了电能的互联互通，又包含了信息的互联互通。因此，通信技术对于支撑先进能源互联网的重要性不言而喻。

近年来，随着光纤通信技术的发展，光纤通信已经在电力通信系统中得到广泛应用。山东省境内光纤骨干传输网已建设完成，光纤通信网络已覆盖省内各电压等级变电站、供电所、营业厅及上百个直属单位。先进能源互联网要求实现电网各环节的万物互联，而光纤全面覆盖的成本较高，目前配用电侧海量设备还没有完全实现信息的互联互通，电力系统的“最后一公里”挑战仍然存在，并且亟待解决。这决定了实现泛在互联需要无线通信网络的支持。

5G 移动通信技术是4G 在网络性能和应用场景方面的进一步演进成果。目前，世界各国都在5G 通信的研发和部署方面不断发力，中国在该领域的研究中也取得了大量的成果，在国际上拥有较高的话语权。相比于4G，5G 移动通信技术在用户感知速率、时延和覆盖范围等技术指标方面都有明显优势［1］。

高速率。5G 通信系统峰值速率不低于20 Gbit／s，并且要求在小区内的各个位置均能实现100 Mbit／s至1 Gbit／s 的用户感知速率，从而实现数据高速传输。

广连接。5G 通信系统可支持终端的海量连接，可以实现100 万台／km2级别的移动终端接入密度，包括各种移动通信终端和物联网终端，为实现万物互联提供了技术基础。

高可靠性。5G 通信系统发送1 个32 字节数据单元的成功概率高达99.999%，丢包率仅为0.001%。

低时延。5G 通信系统网络端到端时延小于10 ms，提升了系统响应各种业务的速度。

低能耗。5G 通信系统通过降低设备能耗的方式延长传感器与通信设备电池更换或充电周期，从而使纳入万物互联的各类设备保持长期在线。

根据以上分析，5G 通信系统的各项性能优势使其为推进先进能源互联网建设发展提供强有力的技术支持。

1 电力系统中的5G 通信应用场景

根据数据典型应用场景划分，电力系统通信业务可分为控制和采集两大类。控制类业务主要包括电网保护与控制、配电自动化、精准负荷控制、分布式能源调控、智能巡检等。采集类业务主要包括用电信息采集、高级计量、配变监测、配电房环境监测、视频监控、配电设备运行状态监测、储能站监测等。

1.1 配电自动化

配电自动化集成了计算机技术、数据传输及控制技术、现代化设备及管理技术，是一套综合信息管理系统。通过检测配电网的线路或设备状态，实现故障的智能判断、分析、定位、隔离以及故障区域供电恢复，通过提升网络智能水平，节省人力成本。配电网节点数量巨大，光纤通信系统全面覆盖的实现成本过高，无线通信网络能够使得配网自动化中馈线的量测、控制、自动隔离和恢复以相对较低的通信成本实现。基于5G 通信系统的低时延特性，当发生异常情况时，配电自动化终端可将测量数据迅速回传，主站指令也将迅速发送至配电终端，基于通信网络快速控制开关、环网柜等其他相关设备，实现配网线路区段或配网设备的故障判断及准确定位，快速隔离配网线路故障区段或故障设备，最大可能地缩小故障停电时间和范围，使配网故障处理时间从分钟级缩短到毫秒级。

1.2 精准切负荷

精准负荷控制系统重点解决电网故障初期频率快速跌落、主干通道潮流越限、省际联络线功率超用、电网旋转备用不足等问题。可分为毫秒级控制和秒级／分钟级控制，实现可中断负荷快速切除，及发电、用电平衡［2］。有线电力通信网络可以实现毫秒级负荷控制，但由于用户数量较大，逐个用户配置光纤和PTN 设备成本较高。采用5G 无线通信系统既可以满足精准切负荷业务时延要求，又能有效降低网络覆盖成本。

1.3 输电线路巡检

电力系统中，传统的输电线路巡检工作主要采用人工方式，受地理环境影响，部分地区只能徒步到达或无法到达，且人工巡检通常使用望远镜，无法全方位观察输电线路是否存在问题。近年来，随着无人机巡检及输电线路监拍装置的应用，人工巡检方式逐渐被取代。无人机巡检通常采用高清录像的方式，返回后对视频进行分析［3］，缺乏实时性。利用输电线路监拍装置可实现实时监控，但受带宽影响，视频图像质量较差，导致后台工作人员无法及时发现问题。基于5G 通信系统的大带宽性能优势，监拍系统产生的高清图像及视频可以实时传输至后台，提升输电线路的视频及图像监控效率。另外，对于无人机巡检场景，通过将5G 通信模块集成至无人机内，可以实时地将拍摄画面传输至后台监控中心，便于工作人员及时发现问题，并针对存在问题重点核查，采取相应措施。

1.4 用电信息采集

当前，智能电表已经取代传统电表成为新的用户用电计量装置，智能电表不仅精确度高，且具有通信拓展性，即，智能电表配置通信模块后，可将用户用电信息传输至控制中心的计费平台，从而实现远程抄表。现阶段，用电信息采集主要依靠租赁运营商GPRS 或4G 公网实现。在此类电力业务中，5G 通信带来的技术应用革新相对较小。但考虑到当前用电信息采集频率较低，在5G 通信大带宽特性的支撑下，采集频率可以实现较大提升，从而有力支撑电费稽查等电力系统营销业务。另外，基于5G 通信系统相比于GPRS 及4G 公网更强的网络安全能力，可以更好地保护客户用电信息安全。

电力系统各类业务的时延及可靠性要求如表1所示，由表1 可知，5G 通信网络可以满足各类业务的QoS 指标，并且有效减少光纤敷设的成本，从而推进先进能源互联网的建设和发展。

表1 电力系统各类应用场景QoS 需求

2 电力系统中的5G 通信应用可行性

2.1 5G 关键技术

2.1.1 大规模MIMO 技术

大规模多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技术是实现5G 通信的核心技术之一，其基本特征是在基站侧布置数十根甚至上百根收发天线阵列。分布在同一小区内的多个用户在同一时频资源上利用基站配置大规模天线阵列所提供的空间自由度与基站同时进行通信［4］。利用波束成型技术，基站可以有效地向一个非常狭小的范围发送信号，从而提升时频资源在多个用户之间的复用能力以及用户间抗干扰能力。因此，大规模MIMO 系统频谱资源利用率得到大幅提升，从而有力支持能源互联网中的大带宽和低时延业务。

另外，为实现能源互联网中的大规模机器类通信需求，无线通信网络中的多址技术需要进一步发展。4G 移动通信网络通过OFDMA 技术有效提升了小区内用户的可接入数量，但仍不能满足未来“万物互联”的要求。大规模MIMO 系统通过开发更多的空间自由度，增加了正交导频数量，减小了小区内用户间的导频干扰，使得系统接入能力进一步提升，有效支持大规模机器类通信业务［5］。除正交多址技术外，5G 移动通信系统也通过采用其他非正交多址技术显著增强了系统接入能力［6］。

2.1.2 网络切片技术

5G 网络切片最早是由下一代移动网络（Next Generation Mobile Networks，NGMN）引入的新概念［7］。网络切片利用软件定义网络（Software Defined Network，SDN）技术和网络功能虚拟化（Network Function Virtualization，NFV）技术，将网络资源进行切片，单一物理网络可以划分成多个逻辑虚拟网络，多个网络切片共用网络基础设施，提升网络资源利用率；且在每个切片之间，包括切片内的设备、接入网、传输网、核心网在逻辑上都是相互独立的，网络切片之间互不影响［8-10］。基于SDN 集中控制，数据平面和控制平面可实现解耦合，从而简化网络管理，路由配置更加灵活［11］。

网络切片技术根据行业需求，将运营商的物理网络切分成多个虚拟网络，形成适应不同行业的逻辑隔离专网。先进能源互联网对于行业专网的要求较高，运营商提供的电力切片需要与其他通信业务具有较高的隔离度。通过在通用硬件的基础上划分独立的时频资源块，满足电力业务安全性、实时性、高可靠性等方面的严格要求。同时，针对电力系统不同业务的带宽和时延要求进一步细化电力网络切片，能更好应对先进能源互联网多样化业务的需求。

2.1.3 边缘计算技术

对于移动边缘计算 （Mobile Edge Computing，MEC），欧洲电信标准化协会（European Telecommunication Standards Institute，ETSI） 给出了其标准定义，即，边缘计算是一种在靠近终端的一侧，打造集成网络、计算、存储、应用等核心能力的综合开放平台，为网络终端提供近端服务，从而满足业务对实时性、智能型、安全性、数据优化等各种需求的计算模式。网络中发生边缘计算的位置被称为边缘节点，在通信系统中，位于移动终端和核心云中间，具有计算资源和网络资源的节点都可以作为边缘节点。边缘计算可以实现核心云中大型服务的有效分解，将大型服务分解成为多个小型的、更易处理的业务，并由更加靠近移动终端的边缘节点进行处理。

边缘计算技术在工业、交通、互联网等诸多领域都有着广阔的应用场景。在电力系统中，由于智能电网涉及多种高实时性、高安全性业务，或是部分业务对响应速度及安全防护都有较高需求。因此，对于5G 通信技术与电力系统结合而言，边缘计算是必不可少的。例如，配电自动化及精准切负荷业务，可以发挥基于MEC 的低时延优势，提升电网对异常状态的响应速度；在智能巡检业务中，高清视频和图片的处理可在网络边缘完成，从而减少大颗粒数据对承载网资源的占用；对于用电信息采集业务，可借助MEC 本地存储的性能特点，避免用户用电数据通过运营商公网传输，减少用户数据被窃取的可能性，更加有效地保护用户隐私。

2.2 成本分析

2.2.1 现有业务支出

表2 为2019 年度山东省电力系统无线通信业务资费情况。据统计，2019 年山东电网无线通信业务服务费为1.78 亿元，其中，仅用电信息采集业务单项服务费即为1.56 亿元。也就是说，国网山东省电力公司每年需向电信运营商缴纳近2 亿元服务费以实现各类电力无线通信类业务的正常运转。此方式带来巨大的费用支出，并且上述费用并不包含应用于各类业务的无线通信模块采购及设备改造成本。随着能源互联网的建设和发展，智能电网无线终端数量将会继续增加，无线通信服务费用也将继续面临大幅增长。

表2 2019 年山东电力无线通信资费 万元

2.2.2 建设成本

根据电信运营商成本测算，5G 通信系统单座室外宏基站的建设成本约为50～60 万元，其中，土地租赁、杆塔建设等与站址选择相关的费用占比超过50%。电力系统中，变电站及环网柜的位置选取是由人口和工业生产的密集程度决定的，这与通信系统中基站的站址选取原则基本一致。

从国家战略层面分析，同行业内及跨行业间的技术合作及基础设施资源共享将会在未来一段时间内成为主流。若考虑采用国家电网公司和电信设备运营商共建共享通信网络的方式，即，国家电网公司提供基站站址、配套杆塔、机房、动力环境等设施，电信运营商提供频谱资源并负责通信网络建设，同时对电力无线通信业务提供免费网络服务，则电力系统无线通信业务应用成本将有效降低，同时，从长远角度分析，共建共享的商业模式将为国家电网公司带来其他经济效益，这将为进一步推进能源互联网的建设和发展提供重要的技术和经济支撑。

3 电力系统中的5G 通信应用瓶颈

3.1 通信系统能耗

5G 通信时代，由于边缘计算技术的应用，核心网的功能将部分下沉至网络边缘，边缘计算服务器的部署位置也将更加接近于基站，因此，网络接入侧承担了较多的网络任务。据统计，在当前通信系统中，基站射频拉远单元（Remote Radio Unit，RRU）及相应的基带处理单元（Base Band Unit，BBU）机房用电量最大，约为总能耗的70%～80%［12］。2012 年，全球共有约110 万座通信基站，每年消耗电量约为140 亿kWh［13］。5G 时代，基站部署密度将数倍于现有密度，预计在2025 年将增至1 310 万个基站，移动基站每年的能耗将达2 000 亿kWh。另外，大规模天线阵列应用使得单站耗能大幅增加。据统计，4G基站功耗约为900 W，而5G 基站功耗约为2 700 W。且5G 通信系统的基站部署密度将数倍于4G 系统，形成超密集异构组网，因此，5G 通信系统的能耗将给电力系统的能源管理带来新的问题与挑战。

3.2 无线通信安全

5G 通信推动了万物互联的进程，然而，终端的无线接入也对通信网络安全及用户隐私保护带来了更大的挑战。对于5G 通信网络，需要考虑的网络安全问题包括接入侧安全、切片隔离安全、MEC 安全、用户边界／私有云安全。对于先进的能源互联网而言，网络安全与用户隐私保护也尤为重要。例如，电力系统中的调度及控制数据关系到电网的安全稳定运行，一旦发生网络安全事件，将造成不可估量的损失；而企业等大客户的用电数据，不仅是电费核算的重要依据，也可以据其估算企业产能，对于用户而言属于隐私数据，需加强对此类数据的保护。总之，未来能源互联网将涉及海量数据传输，需更加谨慎地设定数据保密等级，实现电力通信网的数据安全与隐私保护。

3.3 通信网络建设

尽管国家电网与电信运营商共建共享通信网络是一个理想的决策，但目前尚没有明确的官方信息证实这一想法。事实上，5G 通信系统目前在中国尚未实现大规模商用，且国家电网公司并非传统电信运营商，不具备规划和建设通信网络的优势。独自建设电力无线通信专网的成本有可能超过现阶段租赁电信运营商网络的成本，且未来经济效益尚不明确。另外，电力系统输电、变电网络电压等级较高，会对无线通信产生电磁干扰，因此，是否采用现有变电站作为通信基站站址仍有待进一步讨论。

4 结语

智慧电网是电网发展的必然趋势。2020 年国家电网公司战略为未来能源互联网建设提出了更加明确的目标；同时，2020 年也是国家大力推进5G 规模化商用的一年。5G 通信技术将重塑未来生活方式，也将重塑电力与能源系统。分析了5G 通信的特点和技术指标，讨论了5G 在电力系统中的应用场景以及推进先进能源互联网建设和发展的重要技术。同时，经过分析，5G 通信应用于电力系统仍存在瓶颈。如何在世界领先的能源互联网建设和发展中取其精华，将会成为今后的主要研究方向。