5G通信与电力物联网的融合应用研究

郑军荣，李元九，张宏坡，刘祖锋，杨 清

（1.国网泉州供电公司，福建 泉州 362000；2.国网信通亿力科技有限责任公司，福建 福州 350003）

1 电力物联网介绍

电力物联网主要由平台层、网络层以及感知层3个部分组成。它是通过网络与物理的集成来设计创建的一个专业且科学的互联网系统[1-3]。一般来说，互联网能实现人机交互，而物联网则能实现人机物的三方连接，这一点在电力系统中得到了充分体现[4,5]。在过去，传统的电力系统单纯结合了互联网系统，可一定程度上实现电力设备之间的信息互联，而在今天，融入了物联网系统的电力物联网不仅可以实现信息的互联，还可实现电力的互联[6]。

首先，在实际的电力系统管理中，信息传输需快速准确。为了实现这些目标，电力互联网引入了5G通信技术以简化通用互联网连接[7,8]。5G通信系统技术和人工智能技术的协作将有助于发展和改善我国的物联网现况，使其朝更加科学和严谨的方向发展。合理运用多学科力量互联网的前提是必须要先整合所有数据，并根据未来的发展目标做出初步估算，这将节省后续检查的工作时间[9]。其次，要注意数据的安全性。根据传感器系统的作用，详细分析信息的实际操作。经过这样的一般过程，就可以分析和判断各地电力互联网连接的一般状态。最后，通过判断将及时发送到用户终端，此后服务便可以解决特殊的电力问题[10]。

5G对于电力物联网的进一步发展起到了非常好的推动作用。基于以上背景，本文首先对国内外的主流物联网通信技术做了简要介绍，之后具体探讨了电力物联网的特点及应用，并就此分析了5G移动通信在电力物联网中的应用前景，最后从多个角度分析了5G通信在电力系统中的安全防护技术。

2 5G通信与电力互联网技术

2.1 5G通信技术原理

现如今的通信可以分为有线与无线两类。5G通信作为新型的高科技通信技术，拥有更快和更强的通信功能。其技术原理为：

式中：C代表光速，光速在真空中的速度是3×108m/s；λ为波长；v为频率。

香农定理是一种最基本的通信原则，它描述了最大带宽的有限带，随机热噪声信道和最大带宽的信号噪声功率之间的联系。公式为：

式中，C是信道支持的最大速度或称信道容量；B是信道的带宽；S是平均信号功率；N是平均噪声功率；即信噪比。由于N=n0B，所以香农公式也可表示为：

2.2 电力物联网原理

电力物联网（Ubiquitous Electric Internet of Things，UEIOT）是现代信息技术中的移动连接和人工智能的全面应用，围绕所有能源的先进通信技术，以了解所有事物的连通性，以实现电力系统与人机交互。先进的服务系统具有全面的态势感知、高效的信息处理以及便捷灵活的应用程序。电力物联网注重信息的互联与共享，在结构上分为不同的层，每个层负责自己的功能。

3 实验背景及思路

高压传输线上已安装了各种系统，包括数据采集与监视控制系统（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）和同步相量测量单元（Phasor Measurement Unit，PMU）等，以确保整个电源系统的系统安全性和稳定性。但是考虑到成本和低压传输网络的其他因素，光纤覆盖一次全部失败。另外，与电力传输网络相比，电力分配网络具有更多的连接设备，电力传输网络可以到达每个用户甚至每个家庭的每个电器。大型设备仅通过具有不同电压电平的电源线连接。电力系统的“最后一公里”挑战仍然存在，必须立即解决。创建新的业务模型，实现更广泛的用户界面，充分利用用户的可变性是能源发展的关键要素，而数据连接性是基础。

为了保障电力互联网的安全性、实时性、准确性以及可靠性要求，本文将5G通信运用到电力互联网中。第二部分已经分别介绍了5G通信技术和电力物联网的原理作用。并借此来分析了电力物联网中5G的网络安全防护技术。

4 分析与展望

4.1 5G对电力物联网的业务通信需求

本文结合5G对电力物联网环境下业务通信需求进行分析，分析结果如表1所示。

表1 电力业务通信需求

由上表可知，5G通信的存在有着它们自身的优势，如更高的定位精准度，更强的传输宽带以及更低的时延等。

4.2 5G对电力物联网的性能分析

5G被认为是实现物联网连接的基础。为了满足全球通信现状需求，实现真正意义上的网络融合，5G可以使人与人、人与物以及物与物之间更高速、安全且自由的连接。对5G与4G的各个性能指标进行了对比分析如图1所示。

图1 5G与4G的性能对比

与4G相比，5G的巨大优势主要体现在以下几个方面。一是移动速度，4G移动速度的最大值为350 km/h，5G为500 km/h，可以满足一些高速移动的需求服务。二是延迟，延迟是指在发送者和接收者之间的时间间隔，4G空中移动所需的时间大约为10 ms，5G需要的时间只有1 ms，这样允许系统对不同的变化作出临时和灵活的反应。三是用户体验，具体是指用户或设备能够在覆盖区域内实现的真实情况。四是海量接入，相比4G，5G可以连接到更多服务器设备，可有效应对互联网上所有可能事物的海量接入需求。接下来，对5G运用到电力物联网进行了调查分析，分析结果如图2所示。

图2 5G运用到电力物联网中的运用

根据图2的数据可以看出，将5G通信技术运用到互联网中的满意度为89.7%，主要是因为5G通信技术无论是在速度、可靠性以及安全性方面，均比4G的性能好很多。用于电网管理的5G通信开放技术是一种强大的工具，可用于控制任何地方的互联网电力功率，识别业务模型，并为无处不在的电力互联网配备智能大脑。

4.3 电力物联网与5G通信结合应用的展望

4.3.1 双网联合仿真

电力系统分析需要电力仿真支持来对能源系统的未来做出适当的判断，同时要考虑到项目的安全性和可靠性，寻找并提出当前的风险内容。在这个阶段，多系统仿真软件的开发也取得了长足的进步。为了确保真实通信系统在通信领域的安全性和稳定性，必须在计划或正式启动之前根据实际情况进行系统设计，进行仿真分析。

4.3.2 双网联合优化

尽管5G通信系统单元的功耗相对较低，但随着连接速率的迅速提高，就功耗而言，5G通信系统的效率非常高。对于所有可用的电力互联网，为不同的5G连接站提供电力保证非常重要。通过供需之间的这种相互作用，双网的联合潮流规划和控制已成为现实。此外，尽管5G连接对于互联网上的所有事物都是一件好事，但必须承认，电力系统的某些部分很薄弱，在某些地方通信需求很高。需要根据实际情况进一步加强这种空间的通信系统，有必要根据实际情况对此进行更深入的研究和分析。

4.3.3 双网的安全性和隐私性

尽管5G连接具有明显的应用优势，但物联网将对连接安全性和隐私产生一定影响。5G连接的实施和构建需要充分关注数据安全挑战。就互联网的功能而言，信息安全和隐私非常重要。例如，有关电力系统的一些信息会影响电网的安全性，必须根据实际情况设置相应的安全性和保密性标准，同时用户的特定能耗与用户的隐私和安全性有关。在某些情况下，数据访问权限应该是无缝的，并且应该以确保各个参与者隐私的方式进行数据共享。未来，互联网将涉及信息的转换，重要的是不仅要科学地确定信息安全级别，而且要验证数据的身份，数据授权机构的比例控制为5G网络和电力网络的安全性与隐私性提供了良好的支持和保护。

4.3.4 复杂多级多对象控制与优化

电力物联网不仅是物理对象与双重网络的连接，而且还包括信息的收集、工作条件的分析以及完整的科学促进和控制。随着电力物联网发展，互联网的多层次和多目标特征变得越来越清晰。传统的控制和优化算法相对较小，因此无法控制这一广阔区域，赋予整个物联网的价值，因此开发出卓越的分层和分布式优化算法以进一步增强所有功能的集成非常重要。

4.3.5 配电网透明化和态势感知

实时使用电力物联网来了解事务的真实状态，并使用5G通信网络来了解所有事物的连接有改进的余地，尤其是在当前的网络控制级别上，具体的观察力很弱。例如，不可能直接测量分布式光伏输出，而只能找到现代仪表的净负载。

5 结 论

5G将人们带入了全球互联网和即时响应的时代。面对普适电力物联网，本文重点介绍了5G通信技术和普适电力物联网的原理和特点，对电力物联网环境下对通信业务的需求展开了深入分析，给出了5G通信技术在电力物联网中的应用场景。实验结果证明，相比于4G通信网络，5G具有非常好的性能。最后，本文对电力物联网与5G通信结合应用方面进行了展望。