基于5G技术的智慧电力平台研究

摘要：“十四五”期间，我国智慧电力系统得到了迅猛发展，其中运行、实时监测、预警、信息化等方面的动态变化起着举足轻重的作用。5G技术具有低延迟、大连接、高可靠等优点，智慧电力系统的业务需求与5G网络的特性紧密相连，5G技术的分层状态能够适应不同的网络服务需求和绝缘需求，能够更好地适应电力系统的运行和绝缘保护，是我国智慧电力系统发展的必然趋势。基于此，本文从5G技术、电力系统、行业需求出发，详细论述了基于5G技术的智慧电力平台的功能和构建方法。

关键词：智慧电力；5G技术；电力平台

引言

当前，随着人工智慧技术的发展，智慧电力体系已经逐渐成型，并产生了一些具有代表性的智慧应用场景。智慧电力服务平台是在对当前智慧电力系统运行需求进行分析的基础上，为了能够迅速定位停电事故并及时有效告知用户状况，而设计开发的一种能够实时监控用户电源状况的智慧终端。在电源电压变化时，终端将线路状况上传至云端平台，由系统根据停电原因向用户通报，并自动将停电范围、原因等信息发送给相关操作人员，操作人员能够迅速定位故障的原因、范围和故障位置。这是一种主动服务，从用户反馈到客户，再到维护人员，信息的传递效率很高。

1. 5G技术与电力系统

1.1 5G技术

5G是目前最先进的第五代手机通信技术。与4G、3G相比，5G网络具有以下几个特点：（1）可以直接处理大量数据，比如高清晰度的视频、虚拟现实；（2）可以很好地适应远程医疗应用的需要，并具有很好的实用性；（3）具有很强的承载能力，可以将多台设备连接起来，为未来物联网的发展打下了良好的通信基础；（4）覆盖广泛，可提供较好的网络速度；（5）实现了协作组网，使系统的智慧化程度得到提高[1]。

1.2 电力系统

目前，电力系统由发电、输电、变配电、用电四大部分构成。在输电、变电、配电环节的作用，通过交易、调度与区域内的电力系统來实现，对电网进行管理和维修、供电保障、区域电网的规划、区域电力市场的建设和传送，从而确保电力系统的整体质量和安全。我国电力市场的主要输变配电公司是国家电网和南方电网。电力应用涉及各行各业，一般包括很多地区、企业，也包括大量的个人用户。电力辅助企业的主体是电力设计、建设、设备制造等企业。

2. 5G时代电力行业的需求及痛点

2.1 网络层次需要兼顾国家和业务的需要

按照国家发改委公布的《电力监控系统安全防护规定》和《国家能源局关于印发电力监控系统安全防护总体方案等安全防护方案和评估规范的通知》（国能安全〔2015〕36号）的规定，电力工业网络必须满足安全共享、网络专用、水平隔离、纵向验证等方面的规定。但是，在业务层面上，由于光纤终端的覆盖困难，使得公用无线网络不能很好地解决业务的时延和访问要求。网络运行的质量和容忍能力是否能够满足用户的要求，只能通过对网络或模块的故障进行判断和定位，这种方法不但效率低下，而且精度也不高。

2.2 统一控制的物联网网卡

针对多端口的物联网网卡，不能实时掌握网卡的状况；运营商开出的流量计费不精确，统计指标没有达到标准，而且没有对账手段。通信卡的管理范围比较广，在网络流量大、业务中断的情况下，必须与电信公司协调开通或取消，造成通信费用高昂。

2.3 不能有效地处理和实时掌握统计类的数据

在申请、审核、采购、发放等工作中，没有统一的电子程序，对卡片的管理和责任不明确；采用复杂的Excel表进行数据比对，以验证流量超标，但其效率和精确度不高；管理人员不能有效地分析具体情况，只根据工作经验对通信终端的工作状况进行判定[2]。为此，一方面要根据用户的需求，为电力行业制定5G专用网络解决方案，以满足供电公司的业务和安全要求；另一方面，要集中力量进行全面控制和分层管理，构建智慧化的5G电力系统，以达到对电力客户的精益管理，降低运营成本。

2.4 不能有效地控制通信终端

通信终端种类繁多，数量庞大，没有统一的控制方法；无法监测通信终端的状况，报警显示不及时；通信卡和通信终端之间的联系不能被控制，无法知道卡是否被转移到了其他地方，导致财产损失。

3. 5G时代智慧电力平台的具体应用场景

目前发展智能电网，急需对各种负荷进行精确的调控，以特高压为骨干、各级电网协调发展的新型电网模式，实现各级电网重要廊道的监视、巡检，引入可视化、实时化、精益化的新型作业方式，实现用户双向互动、用电精细化管理，开展以“互联网+”为基础的新的经营模式。这些服务需要10万级的并发、微秒级的时延、99.999%的可靠性，以及5G网络的广泛覆盖、大连接、低时延、高可靠、高安全等特点。而5G的网络切片、边缘计算等功能的集成，正好能够满足智能电网的多样化和隔离需求，使其具有高可靠、高带宽、高安全的特点，如图1所示。

3.1 智慧发电典型场景

在发电领域，智慧电力平台的应用范围包括基础设施、安全、运营、燃料、设备、材料、运营、办公等。在此基础上，本文提出了两种典型的应用场景：第一，建立信息支持平台。首先，该系统包括数据集成、数据挖掘、数据管理、数据服务、4A标准化管理、流程管理；其次，整合的手机平台主要是为了满足手机与手机之间的兼容要求，并将其整合在一起；最后，建设三维可视化平台，采用虚拟电厂，也就是数字孪生技术，在多源信息的基础上，对全电站进行1∶1高精度高仿真三维建模，为智能安全管理等智能化应用提供可视化、数字化的支持平台。第二，实现智能管理，涉及基础设施、安全、运营、燃料、设备、材料、运营、办公等方面。新能源如风力、太阳能等是新的电力系统，与电力系统结合后，将使电力系统由单一供电向多供电转变。智能发电通过5G网络、无人机、机器人等设备，实现对风电、太阳能等新能源的智能监控，对风电机组进行智能监控、调速。5G分布式发电系统有利于提高风电、太阳能的发电能力，提高运行效果，减少运行费用。

3.2 智慧输电场景

智慧输电场景主要针对输电线路，可划分为智慧监控与状态监控。智慧巡检则是指对输电设备、线路进行实地检测，并根据实际情况分析、掌握、排除可能存在的安全隐患，保证电力系统的正常运行和安全。在这种情况下，必须实现一键释放、多模式组合、自动持续的立体巡逻模式，并通过利用物联网、5GeMBB、大数据、云计算、AR等技术，进行大规模的自动巡逻，将极大地提升输电线路的巡查效率[3]。为了保证电力系统的安全运行，必须实时监测、预警、分析、诊断、预测各类设备和线路状态。在状态监控方面，主要是监控传输过程中所涉及的设备，控制和监控相关线路的运行状况，以确保与传输相关的设备的安全。然而，我国地域广阔，输电线路分布广泛，传统4G网络难以有效覆盖和监控人口较少、地势较差的地区。此外，各区域的天气状况也有很大差别，设备的操作环境（温度和湿度）差异很大，因此对终端设备的性能和数量要求也更高。智慧输电技术是通过5G网络、无人机、机器人等，在高风险环境下，对电网、电厂等进行实时监测，并能实时获取高清图像或视频。5G智慧输电技术拓展了输电线路智能监控技术的应用领域，可以极大地提高巡检工作的效率和安全可靠度、减少停电故障率和维护费用、减少员工的人身安全风险。

3.3 智慧变配电场景

智慧变配电应用场景包括对负荷精确控制、实时显示变电站信息、监控配电力系统运行状况等。

（1）通过各种先进的现代科技，智慧监控机器人可以进行有效的监控，采集、分析、整合监测到的图像，迅速、准确地发现故障，并自动生成故障报告，极大地提高了监测工作的效率，减少了设备和人员的费用和风险，保障了电力系统安全、稳定地运行。

（2）配电系统状态监测是指通过传感器监测配电设备运行状况、运行环境监测和防盗报警等，从而保证配电系统的安全和稳定运行、分布电力供应等。在配电力系统运行状况监控中，网络技术、相关信息化平台、传感器等都是关键技术与装备。具备上述技术与装备，才能建立高品质的监测及预警系统，以保证其正常运行。

（3）毫秒级精确控制负载，是指在不需要任何设备的情况下，对持续运行的负载进行切断，因为它的时间延迟在毫秒级，可以在家庭场景中得到广泛应用，且随着生活热水、空调等负荷的增加，它的网络节点也随之增加。智慧配电网是指通过5G网络、摄像机、无人机等设备，对配电主站、配电站、配电网的故障定位、故障恢复、分布式配电自动化、微秒精确负载控制等方面的应用。5G配电自动化也是智能配电的一个重要应用领域，通过5G网络的切片，可以达到毫秒级的终端对终端的通信延迟，满足电网自动化、物理、逻辑隔离的要求，为配网自动化、视频监控和公共服务提供了有力支撑。

3.4 智慧用电场景

随着人民生活水平的不断提高，智慧用电场景越来越多，应用范围也越来越广。从目前的情况来看，智慧用电场景主要包括在线业务管理、电力设备场景的智能检测与管理、电力数据采集、故障分析与预警、信息的公布与互动。通常，电力信息采集量大，需要大量的信息，并且上行流量大、下行流量小，这就使得智慧方案需要更大的终端数量、更多的时间、更高的精确度。对于这个智慧场景，在线业务处理主要是利用在线平台和软件来完成；要求对业务服务进行全方位的访问，并具备诸如信息和核心用户识别的能力；在智能故障分析与警报系统中，为提高维修工作的质量和工作效率，必须实现对抢修作业的自动化。智慧监控系统是指在具有智慧化功能的小区等区域中，对所涉及的电力设施进行智慧监控、监测，并利用网络技术的全面覆盖，实现对电力系统的管理与服务的双向交互。

智慧用电系统充分发挥5G强大的互联功能，以及用电数据采集装置（DCU），可自动采集用电信息、监测计量异常、控制大用户负载、管理线路损耗、电能质量监测、用户用电分析、计费和计费管理等。5G技术在智慧用电方面的广泛应用，能为供电公司优化电网结构、减少线路损耗、为客户提供差别化的用电服务、指导错峰用电、减少用电管理和运行费用，提高营业收入。

4. 基于5G技术的智慧电力平台的价值

4.1 精益管理

智慧电力平台为用户提供用能报告和分析报告，以便于用户对用能进行更精细的管理，为用户优化用能状况提出有效的意见和指导，从而实现了对能源消耗的实时监测、统计和分析[4]。

4.2 提升安全性

通过实际的使用和维修，可以有效地防止短路、过载、漏电等重大事故，但仍有很大的提高空间。基于5G技术的智慧电力平台能够实时收集和分析运行数据，并通过智慧断路器和外部传感器的数据采集终端，为用户提供更加完善的用电安全防护机制，从而提高电力使用者的能源使用安全性。

4.3 使操作更加简单

“四遥”的便捷功能，使用户能够在符合网络安全标准的情况下，实现对配电系统的远程操作，從而简化了操作人员的操作，并实现了对开关操作、参数整定等的远程操作。同时，还可以为使用者提供一定程度的智慧维护策略，例如对多余的负荷定时关掉，以节约能源等。

4.4 降低成本和提高效率

智慧运维系统可以通过对用能进行精细化的监控管理和智慧运维等方式，来降低用能的费用，从而达到节能的目的。同时，还可以从资产管理、运维管理等方面，进一步提高运维管理的工作效率，从而有效减少运维管理的人力资源。

4.5 预测性运维

物联网技术和机器学习技术的应用，使得基于5G技术的智慧电力平台与传统的工业监测系统有着本质的不同。它可以利用企业运营数据和人工智慧引擎，对能源消耗进行建模和分析，为能源消耗预测、设备寿命预测等提供附加价值，为客户提供高效的操作决策，降低故障发生率，提升系统工作效率。

结语

随着我国信息化的快速发展，智能化电力系统的发展必然会更加迅速，5G技术具有先进的技术优势，可以将5G技术运用到智慧用电场景中。但任何一个智能场景都对网络技术提出了更高的要求，所以必须将5G技术应用到智慧电力系统中，并对其进一步完善，从而提高效率。有关企业应对5G技术进行深入研究，把握其技术优势，结合自己的具体情况，将5G技术运用到智慧用电、智慧输电、智慧配电等领域，从而推动智慧电力系统的长期发展。

参考文献：

[1]王李，张泰，黄朝.基于5G电力专网新型电力系统配网差动保护业务应用[J].通信与信息技术，2022，（S1）：91-95.

[2]邓启兵，赵勇，许历灵，等.5G+智慧电力安全服务管理系统设计[J].农村电气化，2021，（8）：46-48.

[3]马媛媛，李尼格，邵志鹏，等.适用于电力5G终端的二次认证方法及其形式化分析[J].自动化与仪表，2022，37（11）：103-108.

[4]汪丽燕.基于5G技术的电力物联网建设分析[J].互联网周刊，2022，（20）：10-12.

作者简介：陈浩然，本科，初级项目经理，研究方向：通信技术、数字化项目管理。