5G通信与泛在电力物联网的融合应用分析与研究展望

朱 宁，梁 星，张利峰，王 瑞，曹颜辉

（中国移动通信集团设计院有限公司，山西 太原 100089）

0 引 言

物联网在互联网端-物互联的基础上，实现了物-物相连。泛在电力物联网是指物联网在电力行业的应用，要想在电力系统运行中实现万物互联，保证数据高速传输，需要通信技术的支持。而5G通信技术的出现，给泛在电力物联网的发展提供了技术支撑。因此研究5G通信与泛在电力物联网的融合应用，对电力行业的发展具有积极意义。

1 泛在电力物联网

泛在电力物联网（Ubiquitous Power Internet of Things，UPIoT）由3大要素共同构成。第一大要素是物联网，物联网的核心依旧是互联网，将互联网用户终端到物的连接延伸到万物互联，而物与物之间的信息交互是物联网的一部分功能，归属于最初的传感网络[1]。第二大要素是电力网，电力网是物联网中的一种更为具象的表现形态。第三大要素是泛在网，泛在网出现和存在的意义在于泛在物联，即任何时间、空间以及人与物之间都存在一定的信息连接和信息交互。这3大要素同时存在便构成了泛在电力物联网，具体结构如图1所示，共包含4个层次。

图1 泛在电力物联网结构

2 5G通信技术

5G通信技术是继4G通信技术之后的第五代通信技术，相较于4G通信技术来说表现出十分明显的优势，包括高带宽、低延时以及低功耗，也保证了5G通信技术在高密度连接的情况下，在多个通信频段中仍能保持较高的可靠性和稳定性。在众多通信频段中，用于物联网中的广域连接的频段主要集中于6 GHz以下[2]。5G通信网络的系统搭建主要包括核心网、宏基站以及微基站3部分，结构如图2所示。

图2 5G通信网络结构

3 5G通信与泛在电力物联网的融合应用

3.1 万物互联

目前，我国的电力网络基本达到了全覆盖的状态，电力网络中架设了数以万计的用电设备，共同连接电力网络的末端，让电力网络的各终端设备可以实现信息互联[3]。5G通信技术可以辅助电力网络实现更具高效性和经济性的万物互联，对智能家居的实现也有一定的推进作用，除了个人家庭，还可以应用到小区和楼宇等特定地域从而实现集群智能用电。对新能源汽车来说，也可以实现互联，不仅有助于未来新能源电动车充电桩的铺排，还可以辅助实现智能城市和智能交通的监控与协调[4]。万物互联能够将所有的配变电装置连接到电力网络，提供24 h的实时监测和评估，还可以有效预测电力系统的运行状态，从而达到电力系统的平稳运行。

3.2 精准控制

不久的未来，5G通信技术将会应用到人工智能领域中的无人汽车中，原因在于5G通信技术的通信速率可以为智能车载系统提供安全保障，包括数据反馈和分析，而且5G通信技术的通信低延时可以为高速行驶的无人汽车做出及时的制动措施，能够有效保障车内车外的人员安全。

3.3 海量量测

大数据技术的出现，让数据呈现出海量多元化的特点。在以往的电力系统中安装了大量的数据采集传感器，但由于在采集数据的过程中无法保证系统通路的稳定性和可传导性，因此很多数据在采集过程中被省略，保留下来的基础信息对大数据分析来说不具备参考性和可分析性。5G通信技术帮助人们解决了通信压力的问题，将不同粒度的信息都完整地保存下来，也支撑了更多传感器在电力系统中的扩展[5]。

现阶段，我国的智能电表普及率已经基本可以达到用电数据采集的需求，然而其中的数据仅留存每天的用电量，并不会上传时段的用电数据，因此在进行用户用电行为的分析时出现了阻碍。5G通信技术的通信速率可以支撑智能电表用电数据的实时采集，甚至可以精确到家庭中的单个用电设备的用电数据。20世纪70年代就已经出现了非侵入式辨识技术，可以将细分粒度的数据进行上传，然而至今还没有大范围实行的受限因素就在于技术瓶颈[6]。如今5G通信技术可以完成秒级以上用电功率数据的传输，为用电大数据分析提供了详细数据，能够更好地构建用户行为模型。

3.4 宽带通信

5G通信技术的特性可以保障远程无线传输的稳定性，因此可以保障高清视频和图像的实时传输，实现电力系统的24 h监控，提高监控的实时反馈速率并稳定通信成本。5G通信技术可以在3个方面为电力系统的通信变革提供技术支持，第一，高清晰度的视频图像往往存储空间较大，可以支持大容量的视频文件的传输。第二，将延时监控转变为实时监控，实现电力系统的所见即所得，有效进行监控的管控。第三，将5G通信回传的图片和视频作为人工智能的学习样本，通过机器学习实现自动化的系统分析。目前的监控方式多采用无人机巡检和配电房视频监控，以录像存储，无法进行实时数据分析，在故障处理的方面无法保证及时性和时效性，所以在记录数据的过程中多采用平均采样的形式，无法对复杂场景进行细节监控和分析[7]。而将5G通信技术应用到无人机巡检过程中可以实现无人机监测画面的实时传输，进行重点监控，并及时进行故障处理，大大提升了配电房的稳定度，还有利于延长配电设备的寿命。

3.5 高效计算

电力系统的稳定运行需要一定的保障，通过大量的数据运算提升电力系统的稳定性，但小型售电商和用户的数据量较少，无法进行大量的数据运算而制定相关的决策，此时便可以应用云计算技术。5G通信技术能够为其提供更加精准的计算结果和反馈信息，实现各设备的统筹控制，不同的配电网参与主体还拥有一定的云存储空间，可以以此为基础打造属于自己的私域数据云平台[8]。

4 泛在电力物联网与5G通信融合应用的展望

4.1 双网联合优化

目前，5G通信技术低功耗的优势不是特别明显，但在不久的未来通信量骤增之时会体现出极大的优势，低功耗效果将得到凸显。5G通信技术和泛在物联网要处于相互协调和供需互动的模式才能有效地实现两者的平衡和优化[6]。不过，5G通信技术的万物互联效果需要较高的电力保障，在电力系统覆盖较为薄弱的地区或是通信需求量较高的地区，就需要有针对性地进行双网优化，从各地区的实际情况出发，制定相应的发展和融合策略[9]。

4.2 双网的安全性和隐私性

尽管5G通信技术推动了通信行业的发展，泛在电力物联网的出现也在一定程度上加速了物与物之间的信息传播和数据共享效果，但这种万物互联的发展模式也为通信安全带来了威胁，因此要重视信息安全问题。电力系统中会存储一些有关电网安全稳定的数据信息，需要针对不同的信息进行信息安全等级的划分，并设置一定的权限，在有安全保障的状态下进行信息的传输和交换[10]。而电力系统中的使用用户也需要考虑数据获取的权限，针对不同的用户，在保护用户个人信息安全的情况下进行数据采集和传输，更好地实现5G通信网络与电力网络的双重信息安全保障。

4.3 商业模式的多元化

5G通信和泛在电力物联网的融合应用也会为电力行业带来新的运营形式，实现商业模式多元化。例如，5G通信技术支持端对端的信息交互，为P2P能源交易的实现提供技术支持，还可以借助5G通信技术实现虚拟电厂的建设。

5 结 论

5G通信技术的发展带动了泛在电力物联网的发展，泛在电力物联网与5G通信网络的融合实现了深层次网络层的搭建。凭借5G通信技术三高两低的优势和特点将泛在电力物联网的建设速度提升了一大步，基本可以在2025年之前实现各行业5G垂直业务的覆盖和拓展，从而推动企业和各行业的数字化转型，为各行业提供更高效的技术保障和网络互连支撑。