5G通信技术的发展及在电力系统的应用

刘孝鑫，杨 光

（1.西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065；2.航空工业自控所，陕西 西安 710065）

1 5G通信技术发展

5G通信技术即第五代移动通信技术，具备通信带宽大、可靠性高及传输时延低等优势。5G网络通讯技术以其远超第四代移动通信的数据传输速率、超高的实时能力以及全域空间的连接能力，逐步成为国家未来的战略基础技术。

1.1 5G通信技术发展现状

国家工信部于2019年10月宣布正式启动第五代移动通信网络。和传统4G网络相比，5G通信的传输速率峰值可达10 Gbit/s，这比4G高出2个数量级。同时由于其设计规划之初就提出的低于1 ms的网络延迟要求，使得通过5G网络传输信息的质量非常高，也极大提升了用户的使用体验。5G网络的应用能够有效地提升系统的信息存储与处理能力，从而促进信息传输的进步，并且具有良好的应用前景[1,2]。

5G 网络的数据传输速率远远超过之前的4G/3G/2G 网络，甚至强于部分现有的有线互联网。鉴于其非常高的数据传输率，5G在电力系统通信方面也有巨大的优势。通过将5G技术与云计算、大数据以及人工智能相结合，加速电力系统向数字化和智能化转型。在电力系统中推进5G通信技术应用可以有效提高电力系统数据传输效率，减少线缆投资，降低系统运行成本[3]，进一步促进我国电力系统的高速高效发展。

1.2 5G网络拓扑

5G通信网络系统主要由核心网、宏基站，微基站等部分组成。其中核心网用于系统控制和数据传输，是全网络的指挥中心。宏基站通过光纤链路或微波与核心网相连，作为重要中枢系统，实现区域内的基站和用户的无线通信。

2 5G通信技术在电力系统中的应用

世界各国电力系统正加速向智能化升级，信息传输也快速向5G时代迈进。结合我国电力系统的发电、输电、配电、用电和应急通信等环节，未来5G通信技术将逐步发挥重要作用。

2.1 高清视频数据服务

传统的电力系统中的视频监控功能，主要实现包括图像监视、安全防护、故障诊断等功能[4]，因此对数据传输带宽的需求有着较高的要求。5G网络的高带宽特性，使得原有的视频监控系统向着更加高清的方向发展。目前4G通信技术无法保证完整的数据传输，从而导致后台数据分析和指令决策等功能易出现偏差。为避免信息传输过程的不可控因素，可以将图像处理及决策系统前移，与视频采集端结合。这样的解决方案虽然可以避免通信网络的影响，但是不便于集中管理，同时远端集成较高性能的处理单元不仅成本高，并且为保障相关设备的环境要求，使其对环控又提出了更高的要求。而5G技术的应用可实现高清视频数据传输，其低时延可以让控制终端迅速获取高清图像，结合中央控制室内的更高性能的运行平台及其更强大的解算能力，使得图像识别、处理、融合更容易实现，成本更低廉。并且通过中央控制台内集中式的操作，使得多个分系统间可以联动，避免了单一监测点输出而其他子系统无法支撑的情况出现[4]。

2.2 基于5G的传感联网应用

随着通信网络技术的发展，其通讯速率逐步升高并且传输延迟降低，使得各种物、人及其集成的传感器均可以接入网络。而多种不同设备通过移动通信技术接入网络，可以更加方便地实现各种设备的远程智能操控，为工作和生活提供便利[5]。在传统4G网络应用时，人们可以通过网络把设备或家用电器与手机相连，这样可以实现一定程度的远程操作。但是受限于带宽及网络延迟，整个网络不能支撑过于复杂或实时性要求较高的连接。5G通信网络覆盖面更广，同时小于1 ms的网络通信延迟使得控制与动作部分可以独立，实现分布式应用。

在电力系统中，原受制于网络规模及综合成本考虑，部分远端监测点不能通过有线方式连接，但原有通信网络传输延迟较大，其监测点信息仅能作为数据记录功能，无法实现实时闭环。同时一些较偏远地区的开关或控制动作接点，因为网络传输的制约，其控制器必须与动作接点集成，造成了整体设备造价上升。现在通过5G技术，实现电力系统的物联网功能。将原系统内各类型信息传感器、射频识别器、红外感应器等接入网络，达到原独立功能的联动，并且逐步丰富了对全系统信息状态的监测和控制。5G通信技术可以支持更大规模的网络连接，不仅为电力系统后续容量扩充打好了基础，同时也使得每个终端的流量消耗降低，从而减少了网络建设的成本，并且使得电力系统内通信质量不断提高[5]。

2.3 多终端移动控制及通信

在传统电力系统中，诸如电厂内的智能巡检系统，其主要以传感器和数据采集为主要应用场景。目前的应用中多采用有线通信方式，但其很难满足终端移动性的要求，导致巡检点灵活性差、覆盖范围小。部分技术厂商为提升灵活性而开发出基于蓝牙、4G网络为基础的无线连接解决方案，但是因为以上两种通信不能解决延迟的问题，使得移动终端通信应用时易出现卡顿或异常，从而影响整个工序的监测质量[6]。

5G网络可以满足500 km/h的移动性能，同时对于超高的连接密度也有能力支持，因此在风电场、光伏电站、火电厂、变电站等对移动性及连接密度要求较高的数据交互场景中，5G技术可以作为有线连接的补充，甚至可以作为主要通信网络使用，这样既保证了通信时效性，也大大降低了电缆成本，提升电站整体收益[7]。

2.4 智能电网及无线接入技术

电力系统覆盖范围广，在水电站、火电厂、光热电站等生产环境较为复杂的场景中，可以使用无线通信技术替代铺设有线电缆，有效减少电缆沟中电缆数量，避免电缆故障导致的生产事故及安全隐患。而对于电网来说，安全可靠运行是第一考虑要素。系统内不同环节的数字化、智能化应用，对通信技术的需求不完全相同，比如配电网控制对网络通信的延迟和可靠性要求较高，而变电、输电网的巡检机器人应用对网络传输的带宽要求更迫切。前文已经提到的智能电网内高带宽要求的应用场景将率先施行，如智能监控、无人机智能巡检等应用可有效降低工作人员安全风险并提高运行效率。而智能电网建设环节中，由于配电自动化、负荷精准控制、配网差动保护、配网PMU、智能分布式FA等业务的强实时需求，目前5G网络也逐步在改造传统电网业务，使其具备数字化产业升级的能力。并且5G网络的高兼容连接特性将支撑电信息采集、配网状态监测、智能家居等电能计量及用电管理等场景方面有着长远的发展，以此来提高整个网络内信息综合程度，提高用户用电效率，并且提供更加丰富的电负荷业务。整个电网的智能化程度正在不断提升，但整体落地还牵扯到低成本的5G工业模块的配套，以及知识产权方面的全面自主可控，因此未来关于智能电网及其无线接入还有广阔的市场前景[8]。

3 结 论

本文通过分析5G 通信技术的发展及关键特性，并梳理提出5G 通信技术在电力系统应用的相关方向并提出初步实施策略。5G通信技术的产生，不但解决了基础通信的问题，同时给各领域发展也带来了技术支持。在5G技术的支撑下，大数据、物联网、人工智能、高清图像数据传输等得以飞速发展。而在整个社会技术变革的大背景下，因为我国所拥有的5G具有其特定优势，使得电力系统内的很多应用将向着更加专业、高效的方向发展，并且通过更多数据的收集和分析使得多领域的专家合作变得尤为迫切，以此推动我国智能型电网更好的发展。