5G通信技术在泛在电力物联网的应用

费贵荣

(泰州职业技术学院 江苏泰州 225300)

2016年，国家发改委、能源局、工信部正式提出了《关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见》，其明确要求我国的能源互联网行业必须提高资源的利用率，并且进一步实现能源可再生利用，使可再生能源消纳的比例更高。2019年，国家电网有限公司提出了建设“泛在电力物联网”的目标，并且明确强调了“泛在电力物联网”的地位和价值。对于泛在电力物联网而言，它也可以将其定义为物联网，它只是泛在电力物联网里面的一种形式而已。基于此，随后相关研究者提出了5G 通信技术，该技术想要投入实际使用的话，还需要建设5G通信基站，该建设工作需要花费大量的时间和资金。5G 通信技术在2020 年时被运用于大部分行业。该文主要分析和研究了泛在电力物联网的研究框架，并且从5G 通信和泛在电力物联网相互融合的层面，对5G 通信技术的实际价值和应用，以及相关的关键技术等进行了全面的分析，最后对5G通信网能效管理问题展开了研究，并就5G 通信技术提出了对应的展望。

1 支撑泛在电力物联网的5G通信概念

1.1 5G通信基本原理

通信技术从2G 时代开始，几乎都是使用数字信号，即使是最新的5G通信也不例外。对于移动通信而言，它主要是借助电磁波来传输相关的信息，并且在信号发生器和信号接收器的设备基础上，对输入和输出过来的电磁波进行调制和解调等过程，从而得到人们所需的信息。但是，无线通信和有线通信也有不同之处。无线通信主要利用的是电磁波在空气中的反射和衍射等特性，使电磁波达到指定的位置，从而实现信息的传输和接收。5G 通信同样也运用到了上面的所有东西，但与2G、3G和4G不同的是，5G通信在信息传输速度、效能和可靠性方面都远远的超过了前几代移动通信技术，比如：5G 通信的峰值速度都大于20 Gbps，并且5G 通信的频段也已经提升至30～300 GHz 之间，这些都为进一步拓展资源打下了一定的基础。

1.2 5G通信基本特征

5G通信的基本特征可以分为以下5个方面。

1.2.1 高速率

与前几代移动通信技术相比，5G通信技术在峰值速率和区域速率上得到了巨大提高，比如：5G 通信技术的峰值速率最小也有20 Gbps。对于区域速率而言，它比最近一代移动通信4G的区域速度要快上1 000倍左右，这些都体现了5G通信的高速率的特点。

1.2.2 高容量

对于之前的4G移动通信而言，该移动通信技术在实际工作过程中经常会受到终端数量被限制的影响，反观5G通信技术，该移动通信技术配备了非常多的移动终端，进一步解决了终端数量被限制的问题，从而为万物信息互联打下了结实的基础。

1.2.3 高可靠性

5G 通信在传输数据时，被传输的数据非常稳定，比如：通过使用5G 通信技术去传输一个32 字节的数据时，该数据在第二层数据单元的传输正确率趋近于100%，这样一来，电力系统和电力通信的稳定性也得到了保障[1]。

1.2.4 低时延

4G 通信技术的时延一般维持在50 ms，该延时并不会影响通话，但是考虑到一些工业对延时的要求非常严格，而通过使用5G 通信技术，能够更大程度地缩短时延，当下5G 通信技术可以将时延维持在1 ms 左右，这就能满足工业对延时的实际需求。

1.2.5 低能耗

一些通信设备需要定期更换电池，并且这些通信设备消耗的能源比较大，这就造成了巨大的能源损耗。而在使用5G通信技术之后，它可以借助通信硬件协议来严格地控制能源的损耗，使实际工作过程中消耗更少的能源。

2 泛在电力物联网的概念简介

泛在电力物联网（UPIoT）主要由物联网、电力网、泛在网三大要素组成。“泛在”表现出来的“万物互联”的特性广泛地存在于电力互联网当中，而泛在电力物联网的特征可以归纳为复杂性、包容性、开放性和创新性这4种。（1）复杂性主要针对的是电力网和通信网等的融合过程，该过程需要先进的设备和技术来实现。（2）包容性则针对的是电力系统中的实物，例如变压器和配输电设备等，当然也涉及了居民的电力设备。（3）开放性主要针对的是服务的对象，该服务对象包含了电网企业自身和各个电力用户，通过开放的形式，从而为电网企业带来更高的经济收益。（4）创新性则针对的是数据采集和控制等，通过对电力互联网的各项功能和商业模式进行创新，使电网企业能够更加稳定地经营下去[2]。

与传统的物联网不同，泛在电力物联网将一些电子设备、家用电器通过电力网络与通信网络相结合，实现了两者的互联互通。与此同时，由于电力网本身所具有的特点，它拥有海量的用户，这些用户又会衍生出不同的需求，这就给泛在电力物联网的拓展提供了契机，如社会网、交易网、业务网、资金网等。

与物联网相同的是，泛在电力物联网同样由4 个层次构成。（1）感知层。即通过传感器对电力设备的实物状态进行监测，如智能传感器不仅可以得到每个家庭的电量使用情况，还可以根据所在系统应用的电压状态，对特定区域的空气湿度和温度进行测定。（2）网络层。将移动通信网络、互联网、无线局域网连接在一起，在特定的运行规范下，接入各式的传感设备中，因而具有超强的拓展性。（3）平台层。即利用大数据云服务，将各个网络层传输过程中的数据统一收集存储到一个数据库中，期间可以实现部分数据的跨平台、跨部门共享。（4）应用层。是泛在电力物联网建设的重点，旨在为用户、电网工作人员等人的决策制定提供支持，在这一过程中推进电力新兴业务拓展以及商业模式的创新。

电力物联网是计算机科学与技术不断发展下的产物，是现代高新技术的智慧结晶。简而言之，电力物联网就是利用现代通信技术和现代互联网技术等高新技术的不断发展，将这些高新技术与传统电力基础设施进行连接，将通信设备资源与电力基础资源进行有效的整合，形成电力系统的大数据信息库平台。通过数据的收集、分析、处理和应用，为大众构建全新的电力系统使用环境和电力系统使用体验。在提升电力基础设备运行效率的同时，有效提高电力系统的信息化建设水平，改良电力基础系统的使用效率，使电力系统富有“智慧化和智能化”。为电力基础设备的运转提供有效的数据支撑，改变电力系统固有的“低效率”印象，使电力基础系统能够更好地满足大众的使用需求，更好地为大众营造良好的电力使用环境[3-4]。

3 5G通信与泛在电力物联网的融合研究

3.1 动态监测

5G通信具有自治优化技术，可以更好地提升电力设备的监测效果，实现动态监测，能够实时将设备的运行数据传送到监控平台，一旦出现异常能够及时发出报警信号，帮助工作人员快速锁定故障点，可以快速做出反应。通过在配电网的各个节点上安装变压器及传感电源等设备，能够精准捕捉到电力设备的运行参数和配电网的电压幅值变化情况，并将各数据传送到后台，用于优化拓扑结构。此外，还可以借助5G 通信技术的低时延特点，安装温度感应器来实时了解设备的运行情况，为及时检修与定期维护提供数据，既保证了配电网的稳定运行，又节省了维护检修的成本。

3.2 精准控制

随着我国的5G通信技术的提出，我国实现无人驾驶和智能车载变得可能。在5G通信技术的基础上，电网企业能够更加高效地控制电网系统的需求响应，从而有效地处理调频和尺度方面的问题，使得所有的用电设备之间的延时更短。对于储能控制方面而言，通过使用5G通信技术，电网企业能够进一步管理系统里面的储能，并且在电网企业的“云储能”当中，在5G 通信技术的协助下，用户的差异化需求和互动问题都可以被解决，使电网企业能够更好地控制储能[5]。

3.3 宽带通信

首先，将5G 技术应用到无人机中，可以把巡检中产生的画面以影像视频的方式，实时传送到控制平台，以便管理人员实时了解线路情况，并能够为科学决策奠定基础。同时，还能够借助无人机，有效监测光伏板的沾灰量以及储能装置的安全运行，一旦在监测时发现安全运行系数降低，或运行异常，可以立即发送报警信号，引发管理人员的主意，让管理人员派专人来清理光伏板，做好相关设备的检修维护。其次，将VR技术应用其中，可以利用5G技术来打造更为真实的虚拟场景，提高工作人员的视觉体现。泛在电力物联网和5G通信技术的融合，可以让VR技术充分发挥优势，全方位地、立体化地将配电网络运行情况展现在工作人员面前，更为清晰明了地观察运行故障问题，为后续的巡查管理工作提供助力。

3.4 供需互动

5G通信系统的耗电量是非常大的，而且随着无线技术的不断发展，基站的建设将会不断增加，若不对其进行有效的控制，将会导致成本的增加，影响泛在电力物联网的有效应用。若想妥善解决这种难题，就必须要强化配电网中泛在电力物联网的应用，并积极推进与5G 技术的融合。从根本上讲，通信网和配电网之间，是一种“能量”与“信息”的耦合关系。其中，配电网能够为通信网的正常运行提供可靠能源，通信网则能够为配电网的高效运行提供信息交互。而二者交互所用的媒介，便是基站。在通信网中，基站是主要的收发终端，也是无线信息的中转站；在电网中，不间断电源（UPS）是电力系统中的主要消耗量，为了确保通信的实时性和可靠性，UPS 是一种电能和能量存储装置的双重集合。另外，为改善系统的运行可靠性，应该采用冗余组态的方式，将基站密度和基站UPS 紧密结合起来，基站个数和基站UPS 电池的个数可能多于通信一般需求的个数。

在这种背景下，电网运营商可以深入与通信运营商的合作，达到更为紧密的供求互动。比如：在夜间，如果通信负荷不大，可以暂时关闭一些基站，实现节约能耗的效果。如此一来，不仅能够满足系统的正常运行，还可以充分利用这些多余的基站存储设备，让通信运营商提供较低的价格，同时也会根据价格的变化来调节UPS的充放电负荷；在日间供电，在保证供电可靠性的情况下，在电网电价高的情况下，通信运营商可以选择使用多余的电能[6]。

3.5 万物互联

随着我国电力网络不断发展，我国绝大多数的地区已经被电力网络所覆盖，并且用电设备的数量也在逐渐增加，为了进一步提高用电设备的利用率和安全性，可以考虑将家用电力进行互联，使居民家中的各种用电设备更加智能化，使居民日常的用电更加安全。通过将电动汽车进行互联，从而为我国建设智慧城市打下一定的基础。此外，将配变电装置有效地互联起来，它能够协助电网企业更加高效地管理电力系统的运行情况，使得配电系统能够更加高效、稳定地工作下去。然而，电网企业需要重点关注整个配电系统当中的配电网层面，现如今，在没有使用5G通信之前，我国在该层面上还是存在一些问题，导致一些重要的信息互联不能有效地互通，从而阻碍了正常的信息传输。通过使用5G 通信技术，它能够进一步地解决这些问题，使万物互联得以完成。

4 5G 通信技术就在泛在电力物联网领域应用存在的问题

4.1 智能数据分析水平低

据了解，目前5G通信技术还没有在全国范围内普及，电力系统的信息处理工作也没有在技术层面上取得重大突破。主要原因是智能数据分析方案推广范围较低。目前，相关行业对云计算智能数据信息分析技术的普及关注不够，在建设5G 通信网络速率时，没有得到相关技术和信息的支持。在多种因素共同作用下，国内智能化数据分析水平未能跟上时代发展的步伐，难以为5G技术的推广奠定坚实的基础[7]。

4.2 5G通信技术信息应用深度不足

在当前的5G通信技术应用过程中，特别是相关技术电力物联网中的应用，在网络速率方面仍然缺乏必要的重视。所以，很多电力部门在对电力系统的数据进行采集分析的过程中，难以把握无约束通信网络密度特征的主要内容，也无法充分发挥电力系统信息资源采集的优势，这直接导致5G通信技术在信息应用上无法达到相应的深度。

5 5G 通信技术在泛在电力物联网领域的优化应用策略

5.1 提高智能数据分析水平

在探索和应用5G通信技术的过程中，相关人员必须对智能数据进行深入的分析和讨论，以确保不受限制的信息和不受限制的通用技术能够充分发挥其价值。特别是在电力系统管理过程中，信息处理与分析具有重要的应用价值。如果数据分析结果的准确性不高，智能数据开发的水平也会受到影响。为了使互联网的发展速度满足人们的实际需要，推动5G通信技术的深入研究十分重要，5G技术的应用不仅可以推动现代互联网技术的进一步完善，而且可以保证物联网的发展和完善。为了保证智能数据与各元素之间的关系始终遵循一致性的特点，在智能数据分析过程中，工作人员需要使用相关公式进行一系列的计算操作。

5.2 助力5G通信技术的不断推广

5G 通信技术在信息化社会构建中最大的阻力来自5G 技术在大众群体中认知程度的不足。随着社会的发展与科技的进步，虽然在当前5G通信技术已经成为大众口中的高频热词，但基于5G通信技术对大众生活带来“改变”的认知程度不足，造成5G通信技术的应用无法取得预期的成效。针对这一问题，应当加大对于5G通信技术的推广力度，采取理论与实践相结合的办法，使大众产生对于5G通信技术的认同感，为5G通信技术在泛在电力物联网中的应用扫清障碍。

5.3 “5G通信网-电力网”联合仿真

电力仿真对于整个的5G通信网-电力网系统建设工作而言是非常重要的，通过使用电力仿真，电网企业能够更加清晰地了解电力系统的实际运行情况，从而准确地判断出电力系统的相关方案是否存在安全性问题。现如今，我国最为突出的两个仿真软件是PSCAD和OPNET，这两种技术能够提高整个电力系统的安全性。对于未来的5G 通信网-电力网，研究人员主要会对电力系统的深度耦合进行探究，并且对5G通信网和电力网之间的影响进行分析，从而研制出更加合理的联合仿真软件[8]。

5.4 多元化的商业模式

在5G通信技术的帮助下，我国的泛在电力物联网能够生成更加新颖的商业模式，从而为我国各个行业和所有商业部门提供帮助。比如：相关的商家在进行能源交易时，可以在5G通信基础上制定出个人和个人之间的交易方式，使我国的商业模式更加的多元化。“三高两地”虽然是5G通信的特征和优点，但是同样包含了通信网络安全隐患，在进行物质通信时，要从实际情况出发，确定基础信息评估要求，明确技术挑战思路。依据信息安全、技术规范等，对电力物联产业进行升级，不断提升信息安全系统的管理规范要求，结合设施操作的规范和密集度水平，确定安全保护系统流程，结合用户信息安全隐私数据，分析确定不同的数据信息和密钥标准要求，确保数据信息的真实准确，提升数据共享融合机制，确保数据的归属准确有效性。

6 结语

综上所述，5G技术的发展对人类文明进步具有里程碑意义。尤其是在泛在电力物联网的运行中，5G的应用更是有举足轻重的作用。相关从业者应当不断改善数据分析水平低等问题，不断强化5G技术在泛在物联网中的应用效果，以使得未来的“万物互联”成为可能。