5G赋能电力系统的应用研究

刘晓江

摘要：随着5G技术标准的成熟，其在各行各业的应用不断深入。通过电力系统对通信网络需求的分析描述了5G技术的适用性，5G电力系统网络架构的设计分析明确了5G架构面向行业而生的天然性。对5G电力系统关键业务应用场景进行了深入研究，论证了5G技术能够有效推动电力行业痛点问题解决的必然性。为了进一步提升电力系统的数字化和智能化，应积极研究和推进5G技术在电力系统中的广泛应用。

关键词：5G技术；电力系统；应用场景

中图分类号：TN929文献标志码：A文章编号：1008-1739（2022）22-63-4

0引言

电力行业作为国民经济的基础产业、支柱产业和战略产业，发展电力信息化、智能电网及电力物联网等产业是实现我国能源生产、消费、技术和体制革命的重要手段。随着通信和网络技术的飞速发展，电力行业从之前的大机组电网互联，再到现阶段正在蓬勃发展的电网智能管理，逐步迈向网络系统的全面自动化和智能化[1-2]。

为促进电力行业的发展，国家发改委、能源局等多个部门和多个省市陆续颁布了多项指导意见和阶段规划，旨在加快电网基础设施智能化改造和智能微电网建设，提高电力系统互补互济和智能调节能力[3-4]。

“十四五”期间我国经济需要保持平稳增长，必须充分释放以5G技术为代表的前沿数字技术创新对经济社会高质量发展的基础和带动作用[5]。本文重点围绕5G技术赋能电力系统及支撑电力系统应用升级等方面进行研究，通过技术完善促进产业升级，进一步提升电力系统的智能化水平。

1 5G赋能数字电网

1.1 5G发展现状

ITU定义了5G的三大标准场景：增强移动宽带eMBB、海量机器类通信mMTC和高可靠低时延通信URLLC。为了进一步适应行业的发展，满足产业愿景，业界开始定义5.5G，旨在提升个人实时交互体验，增强蜂窝物联能力，探索5G场景的增强和扩展。因此，5.5G在5G基础上扩展了三大新场景，包括上行超宽带UCBC、宽带实时交互RTBC和通信感知融合HCS，把5G场景定义的三角形变成5.5G的六边形，从支撑万物互联到使能万物智联[6]。

以扩展显示XR为代表的带宽实时交互的应用场景，既支持医疗、教育、电子商务、工业与制造等面向行业的2B应用，也支持包括影视、直播、游戏和社交等面向消费者的2C应用。XR产业的高速发展对网络传输提出了大带宽、低时延、低抖动、高可靠和低能耗的要求，包括下行带宽至少100 Mb/s以上，且上行带宽相对于4G网络也有近10倍提升的诉求，同时要求空口时延不大于10 ms。此外，大带宽XR业务带来系统容量压力，视频编码和网络传输带来时延抖动，小尺寸XR终端的节能需求以及复杂的无线环境带来空口的高可靠传输。

上行超宽带场景，数字世界和物理世界的融合传输交互将成为现实，移动网络需要实现泛在万兆体验，助力全行业的数字孪生和智能化升级。低频更适合广域覆盖，但是带宽资源相对匮乏，高频则带宽优势明显且更适合话务热点热区。6 GHz作为黄金中频汇集了低频的覆盖优势和高频的容量优势，对于充分释放5G高速率以及其他各项能力至关重要。因此，网络需要定义更优的辅助上行、超大规模天线技术以及大规模分布式M-MIMO等技术，使得在比特能效和比特成本上具备前所未有的投资效率和价值，为数字强国建设注入新动力。

面向通信感知融合场景的通感一体化的研究将基于移动通信网络与感知系统一体化设计展开。5G阶段，通过软硬件共享，利用5G大带宽、多天线等技术提高感知分辨率至厘米级，实现对位置、速度和角度等信息探测感知。因此，这种场景需要一张高可靠高精度泛在覆盖的通感深度融合网络，它将定义一个从可靠性、精度、覆盖和灵活度等更为严苛的通感一体化的网络。

5G商用3年，应用不断拓展和深入，目前已经进入到规模化发展的关键时期，正逐步从“样板间”走向“商品房”，应用的发展离不开技术的支持，5.5G技术的定义能够支撑产业迸发出更强大的生命力，实现产业的可持续发展。

1.2电力发展现状

电力发展历经4个时期，20世纪前半期第二次工业革命兴起，第一代电网以小机组、低电压和小电网为主；到20世纪后半期，随着规模化工业生产的发展，电网演进到第二代，以大机组、超高电压和互联电网为主，第一代和第二代电力能源结构以煤炭、天然气等化石能源为主为用户提供电力服务。21世纪初，化石能源逐渐枯竭、环境污染形势严峻，电力行业进入以安全、可靠、绿色、高效智能电网时代，电力能源结构逐步向风、光、水等可再生能源为主过渡。现阶段第四次工业革命开始，数字经济快速崛起，电力行业走向本地安全、绿色消纳、平台赋能、数据驱动、开放共享、价值创造的数字电网时代，以数据为生产要素，为用户提供电力增值服务。

电力行业主要涉及发电、输电、变电、配电和用电五大环节，每个环节均存在一系列的问題和挑战[7-8]。发电环节，随着我国新能源发电的快速发展，可再生大量并网将给运行和管理带来挑战。输电环节，输电网覆盖面积大，既有城市的地下电缆又有高压线路，传统以人工巡检为主的作业效率低下且存在网络故障监测困难的问题。变电环节，传统的电力生产控制业务已基于光纤实现稳定运行，但随着物联网及智能变站的业务发展，大带宽、高可靠的无线通信解决方案亟待加强。配电环节，配电主网已经实现光纤覆盖，但是电网末端仍出现不可管控状态，端侧设备众多造成光纤覆盖成本高、维护难等系列问题。用电环节，随着大规模配电网自动化的发展，各类电网端侧设备需求飞速增长，传统的光纤专网方案建设成本高、周期长，不能及时响应快速灵活的接入需求。

1.3 5G赋能电力

电力对网络性能的需求多种多样，整体分为生产控制类和信息采集二大类[9]，对通信网络的需求如表1所示。

5G技術以其特有的高带宽、低时延、高可靠等优势可以为新型电力系统带来更灵活经济、更安全可靠和低时延确定性的网络通信服务，通过解决电力业务系统五大环节中的问题及痛点，极大地提升电网的运行效率。5G在电力行业各个环节的应用示意如图1所示。

在发电环节，5G可提供集群调度、移动巡检、新能源电站监控和发电厂监控等服务，实现厂区无人化巡检、机器视觉视频安防等应用；在输电环节，5G可提供视频监控、移动巡检、输电线状态监测和无人机巡检等服务，实现精细化、大范围的全天候巡检；在变电环节，5G可提供视频监控、变电站环境监测、变电设备监测和机器人巡检等服务，及时发现、排除设备故障；在配电环节，5G可提供配电自动化、配网抢修、配变机器人巡检和配电设备环境监测等服务，实现配网差动保护，保障配电作业安全；在用电环节，5G可提供用电信息采集/负控、智能家居、源网荷互动控制和电动汽车充电桩等服务，实现电能质量高频监测的规模部署，促进优化用电。5G技术通过提供可靠的通信网络支撑电力行业的各个环节应用，为电力行业深度赋能。

2 5G电力网络架构

面向电力系统应用的5G网络架构主要包括3种：公网切片、混合组网和专网专用[10]。

2.1公网切片

公网切片基于公网提供服务，利用端到端QoS或切片技术，为电力用户提供一张时延和带宽有保障的、与公众网络普通用户数据隔离的虚拟专有网络。其中，核心网控制面、用户面和基站均由移动运营商提供。

该网络架构的优势是降低电力用户的建网和运维成本，确定网络需求后可按需配置、方便快捷，但是由于通信网络对电力用户不可控，存在无法独立运营数据、安全性不够的风险。

2.2混合组网

混合组网是复用部分公网资源，并根据电力行业特殊的诉求将部分网络资源归电力用户独享。以5G数据分流技术为基础，通过无线和控制网元的灵活定制，为电力用户构建一张增强带宽、低时延、数据不出园的基础连接网络。其中，核心网控制面和用户面由移动运营商提供，基站由电力客户自建。

该网络架构的优势是能够实现电力用户数据不出厂，保证数据的安全性，但是由于基站非独立运营，也存在无法满足电力业务动态需求的问题。

2.3专网专用

专网专用是采用专用频率为电力行业建立与公网完全物理隔离的行业专网，利用5G组网、切片和边缘计算等技术，采用专有无线设备和核心网一体化设备，为电力用户构建一张增强带宽、低时延、物理封闭的基础连接网络。其中，核心网控制面、用户面和基站均由电力客户自建。

该网络架构的优势是自主运营，独立、安全、可控，所有业务数据均由客户自己监管，但是由于所有设备均由客户自建运营，成本偏高。而且目前5G没有行业专用频段，独立建网需要与移动运营商达成一致。

综上所述，3种电力行业网络架构方案面向的应用场景有所差异，在实际部署时需要根据当前业务所处的环节和作业任务具体分析。

3 5G电力应用研究

3.1 5G+无人机智能巡检

传统的电力输电线路巡检为人工方式，需要专门配备电力人员定期到现场查勘线路和设备运行情况，然而传统巡检方式一是部分施工地点危险性高、巡检难度大，二是人工作业存在效率低、不确定性等问题。为改善一线作业人员的工作环境，降低作业风险，同时提升巡检效率，重点研究5G+无人机在输电沿线巡检中的应用。

5G+无人机智能巡检场景示意如图2所示，利用无线自组网和现有5G网络的有机融合，可实现输电沿线杆塔的无线信号覆盖，保证无人机的飞行控制和重点区域视频监控的回传。无人机巡线的记录数据首先经由5G行业网关，然后利用5G网络实时回传到数据中心。通过无人机短距离线路详检、长距离线路普查和恶劣自然环境下的线路巡检等形式，可有效识别引流线/导线有无断股、杆塔有无损坏变形、绝缘子有无破损闪络、防震锤有无变形、耐张线夹有无松脱以及地面环境有无异常等内容。

3.2 5G+配网自动化接入

配电网自动化是对配电网中的各类设备的运行工况进行实时监测、监控的集成系统，将配电网的检测计量、故障探测定位、自动控制、规划和数据统计管理集为一体。为解决早期配网环节中多依赖简单的过流、过压逻辑，无法实现分段隔离和缺少快速数据回传手段的问题，重点研究5G在配网自动化过程中的应用。

5G+配网自动化接入场景示意如图3所示，配电自动化业务终端与5G行业网关相连，基于5G网络将采集到的配网电流向量数据实时回传到中心系统，供配电自动化主站快速决策，实时完成在线监测、诊断、故障隔离和供电恢复等作业，进一步减小停电范围和停电时间。5G网络通过提供稳定快速和低时延传输的通信能力，支撑配网环节实现及时有效的实时监测。