5G技术在电力系统新能源接入中的应用研究

金 萍，杨 贵，王 焰

（1.中国移动江苏分公司，江苏 南京 211100；2.南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211100）

0 引言

随着2019年5月3GPP组织完成5G R15标准最终版本冻结［1］，全球正式拉开了4G 到5G 网络升级的序幕，国内首先在北京、上海等地进行了NSA商用推广，R15 标准规范了eMBB（enhanced Mobile Broadband，增强移动宽带）场景的应用。eMBB 较4G 具有更加优异的网络性能，传输带宽、移动接入能力等方面提升显著，为基于大流量的无线视频、VR 等业务的兴起提供了网络通道。2020年6月3GPP组织完成5G R16标准最终版本冻结［1］，R16 标准主要定义了uRLLC（Ultra Reliable Low Latency Communications，超可靠低延迟通信）的应用场景，R16 标准面向工业互联网应用，引入新技术支持1 µs同步精度、0.5 ms～1 ms空口时延、“六个九”可靠性和灵活的终端组管理，最快可实现5 ms以内的端到端时延和更高的可靠性，提供支持工业级时 间 敏 感 业 务 应 用［1-2］。2022 年6 月 完 成mMTC（massive Machine Type Communications，大规模机器类型通信），主要面向海量设备的网络接入场景，适用于物联网应用场景。

国内5G目前已由NSA（Non-Standalone，非独立组网）转为SA（Standalone，独立组网）网络，基站建设数量超过100 万［3］，5G 用户超过2.8 亿。国际上美国、欧洲、日本、韩国等发达国家均实现了5G 商用并投入大量资源进行5G推广应用。

1 新能源接入对电力系统的影响

随着双碳目标的设定，清洁能源在电力系统中的占比成爆发性的增长，电网整体结构逐步由集中发电模式向分散小微发电转变，由于小微发电具有分散性，发电容量小等特点。例如屋顶光伏容量往往仅够满足本楼用户部分供电需求，且存在间歇性，小微发电的出现使得电网架构不再是简单的发->输->配->用的架构，发电、用电在地域上在一起，无法按照当前发电厂和变电站的运维管理模型，对数量众多、地域分散的小微发电系统按传统发电模式进行控制，众多小微发电系统的综合协调控制成为当前必须解决的问题。解决这一问题需要对电力系统的调度运行、三道防线等做出改变，从而对电力系统带来深刻的影响，主要体现在以下几个方面：

新能源发电系统对通信网络提出了新的需求，由于小微发电的分散性，继续采用传统电厂、变电站通过电力专用MSTP回传网络实现信息收集管理的模式将导致有线网络规模爆发式扩充，导致各项成本过高，不符合推广应用初衷。因此，必须采用新型的通信方式和管理模式。

新能源发电系统对安全接入提出了新的需求，小微光伏发电利用商业楼或居民楼的屋顶作为发电场地，发电和用电就地完成。当采用新型通信方式时间管理时，传统电厂的安全接入方案将不再适用，必须研究新的符合安全接入规范要求的安全接入方案。

新能源发电系统对负荷控制精度提出了新的需求，传统电厂发电规模大，发电集中，当前的负荷控制仅需要实现纯粹的负荷部分切除等操作即可，切除颗粒较大，不需要细化到每个用户［4］。而在小微发电场景下，供电和发电不再存在明显的界限，发电后就地用电销纳，导致负荷控制必须考虑每个终端用户的供电能力和用电能力，这也就导致负荷控制必须进行更加精细的控制之外，还必须同时考虑小微发电的特点，确保供电稳定。

新能源发电系统对配电可靠性要求进一步提高，在用电可靠性要求逐年提升的背景下，小微发电的出现，无疑是对供电可靠性的极大挑战［5］。首先，小微发电的间歇性和分散性导致电网稳定控制难度增加，必须增加储能设备等来进行补偿，其次，配网线路结构复杂，T接现象极其普遍，且较大部分的配电线路没有有线通信能力，如何实现配电故障的快速切除和故障恢复是提升供电可靠性的一个重要课题。

为了解决双碳目标下电网整体结构变化带来的新挑战，下面将从解决小微发电的通信、安全、负荷控制和供电稳定性等方面分别进行分析研究，并进行实验验证。

2 新能源电力系统的通信需求分析

小微发电主要由屋顶光伏、小型风电、小型光伏、小型水电、生物发电等清洁能源作为初始能源进行电力生产，与传统发电比较，新型发电具有地理位置分散、发电容量小、供用电混合等特点，无法继续使用电力传统的传输网加有线路由通信方式进行管理。有线通信方式首先需要解决光纤铺设问题，存在地域分散、建筑密集场景施工困难等情况，导致成本过高，建设周期长等问题。因此，研究适用于清洁能源领域的无线通信是解决清洁能源通信的关键。5G 作为新型的蜂窝移动通信技术，是目前无线通信技术中唯一能够同时满足大流量业务和高可靠低延时业务等应用场景的无线技术［5］，与清洁能源运维管理需求非常契合。

传统组网架构（如图1）中，变电站通过纵向加密接入到电力专用传输网中，通过传输网与主站端直接通信，由于变电站规模大、数量相对较少、重要性高，采用专用传输网接入方式的可行性已在事件中得到了广泛的验证［6］。

图1 传统组网架构图Fig.1 Traditional networking architecture

新能源组网（如图2）涉及到更多的小微发电区域接入，具有规模小且分布零散的特点，无法继续沿用变电站成熟的组网方案，已不再具备采用有线接入的可行性，因此，采用5G 蜂窝通信方式是当前可行的组网 方案［7-8］。

图2 新能源组网架构图Fig.2 New energy networking architecture

采用5G 进行小微新能源发电系统组网必须符合通道性能和电网安全接入相关规范要求，因此，在接入安全区时必须通过隔离装置进行安全防护。不同业务的安全接入要求存在差异，例如，控制类业务要求必须通过纵密进行接入，监视类业务只要满足通道安全即可。

不同业务通道有不同性能要求，新能源接入涉及到自动化业务、精确负荷控制业务、保护业务、计量业务等等，每种业务对通道的性能要求存在差异，同时业务安全要求也存在差异，例如，自动化业务对延时不敏感，采用优先级进行通道划分即可满足要求；精确负荷控制业务对延时较敏感，使用FLEX-E 通道可满足业务需求；控制类业务安全要求要高于监视类业务。

因此，采用5G通道承载电力业务必须首先满足各种业务的性能指标要求。如图3 所示，控制类业务延时、可靠性要求较高；自动化类业务延时、可靠性要求适中；管理类业务对延时、可靠性要求较低；视频类业务对带宽需求较大。

图3 5G承载业务分类Fig.3 5G service-carrying classification

5G作为新型蜂窝组网技术，采用不同的关键技术理论上能够满足以上业务的不同需求。

3 5G关键技术

3.1 网络切片

通过FLEX-E、优先级等技术将物理网络切分成多个虚拟网络，通过时延、带宽、安全性、可靠性来划分不同的网络，以适应不同的场景［9］。通过网络切片技术在一个独立的物理网络上切分出多个逻辑网络，从而避免了为每一个服务建设一个专用的物理网络，大大降低了网络部署成本。

在同一个5G网络上，针对电力系统不同的业务特点把网络切片为实时通道业务（例如差动保护）、视频业务（无人机、机器人、AR、VR、视频摄像头等回传的高清视频流）、三遥业务等多个不同的网络，不同切片的网络在带宽、可靠性能力上提供不同的保证。切片技术解决了4G 网络对不同需求的业务只能提供相同的服务质量，从而导致很多业务变得不可控的问题。

3.2 边缘计算

在靠近终端设备或数据源头的一侧，采用网络、计算、存储、应用等核心能力为一体的开放平台，就近提供服务［10］。其应用在边缘侧发起，提供更快的网络服务响应，满足行业在实时业务、应用智能、安全与隐私保护等方面的基本需求。5G要实现低时延，如果数据都是要到云端和服务器中进行计算机和存储，再把指令发给终端，由于经过的环节多，无法实现低时延。边缘计算是要在基站上建立计算和存储能力，在最短时间内完成计算，发出指令。

3.3 空口切片

通过将空口带宽进行合理分配，预留一定的空口资源作为重要业务的保留空口资源来确保业务的传输性能。当空口资源充足时，业务可以使用全部的空口资源，当空口资源紧张时，重要业务可使用预留资源来确保传输性能。该技术有效解决了空口传输抖动大，延时不稳定等问题，使延时敏感业务能够使用5G传输成为可能。

4 新能源电力系统的5G承载业务

4.1 自动化业务

自动化业务主要包含遥测、遥信等信息采集和遥控命令，通过信息采集监视运行设备的当前工作情况及新能源系统的运行状态，遥控命令调节新能源系统的运行，实现故障消除、输出功率调节等［11］。以上业务对传输实时性要求适中，遥控命令对信息传输安全性、可靠性要求较高，必须使用加密通过传输，因此，采用5G eMBB 进行传输可满足业务通信指标要求，遥控命令传输需要额外配置加密设备进行加密传输。

4.2 精确负荷控制业务

精确负荷控制业务实现了发用电的精确控制，通过负荷轮切方式控制电网的供用电稳定。精确切负荷业务系统一般部署在变电站控制子站，由传输网或5G网络及专用通道设备构成的通道设备及终端执行设备几部分组成，精确切负荷业务的通道传输时间一般要求控制在50 ms以内［12-13］。通道设备与终端执行设备之间可采用5G、光纤等联通，由于精确负荷控制业务采用私有规约，具有较好的安全性，同时出于延时考虑，一般不再考虑进行报文加密。

4.3 保护类业务

保护类业务实现了就地一次设备故障切除功能，保护装置通过计算本地和对端的电压电流变化判断保护区域内是否存在异常，实现快速故障切除，通常采用过流保护、差动保护、纵联保护等［14-15］。采用差动保护时需要接收对侧的电压电流信号，要求延时越小越好，延时越小保护动作越快［16］，由于无线通信延时无法达到有线的延时水平，因此，一般要求无线通道延时在10 ms以内为较好，50 ms以内也可以接受，这主要取决于保护动作时间要求。5G 的uRLLC 通道能够较好地满足该业务的需求［17］。

4.4 视频监视业务

视频类业务主要用于现场监视，具有带宽大、对延时要求不高的特点［18-19］，通过视频监视现场一二次设备的运行情况，可以方便地了解现场设备的当前状态，是运维手段提升的重要途经，采用5G的eMBB通道可以很好地满足该项业务的需求。

4.5 信息采集业务

通过部署大量的传感器进行现场设备运行工况、现场运行环境的采集，该项业务由于终端采集设备数量众多，对通道延时和带宽要求不高，采用mMTC通道进行连接优势明显。

4.6 远程专家诊断业务

目前电力系统普遍采用检修人员直接到现场处理故障的方式进行消缺。当出现现场故障时，运维人员根据故障情况预先判断需要哪些专业的专家一起到现场去排查问题，一般会涉及到保护设备厂家、网络设备厂家及相关设备的归口部门共同前往故障现场。由于设备厂家一般不在本地，考虑到本地售后服务人员数量有限，特别专业的问题必须厂家研发人员赶到现场，导致处理故障一般都在两天以上，考虑人员的交通费用，电力局检修车辆费用等，处理问题成本较高。

远程专家诊断系统（如图4）通过5G网络作为信息传输的通道，利用5G 的大带宽、低延时特性将现场运维人员通过高清摄像头采集的实时视频流信息发送给远端的专家，远程专家与本地运维人员具有相同的视频信息和现场采集的各种实时状态信息，犹如身临其境。远程专家协助现场运维人员进行问题分析排查。远程专家诊断系统的另一个作用是通过现场的巡检机器人进行远程问题分析，当需要运维人员前往现场消缺时再去现场，达到进一步提升运维效率的目的。

图4 远程专家诊断Fig.4 Remote expert diagnosis

4.7 无人机/机器人巡检业务

目前风电场和光伏站等均采用值班人员定时巡检的方式对变电站内的设备进行人工巡视［20］，由于风电场和光伏电站占地面积大，人工巡检周期长、效率低下，且巡视人员疲劳度很高，容易出现巡视疏漏。根据光伏电站和风电场自身特点，可采用基于5G的机器人或无人机方式进行巡检（如图5）。基于5G实现信息回传具有实时性高、传输带宽大的特点，完全能够满足实时高清视频流的回传，结合远程控制可以实现对无人机和机器人的远程互动，在提升运维效率和可靠性的同时，降低了人员的巡检强度，提升了新能源的整体水平。

图5 无人机、机器人巡检Fig.5 UAV and robot patrol inspection

5 结语

5G技术的推广应用是新能源接入的重要手段，但也存在一定的技术难题需要解决，主要包括电力业务通过无线网络传输的网络安全问题、实时性要求高的保护控制类业务要求传输延时低且延时稳定问题等。目前，通过FLEX-E、UPF、空口资源预留等技术大大地提升了5G 网络的使用范围，在电力系统自动化业务、视频监视、远程运维、信息采集等业务上可以广泛推广应用。5G 技术在保护类业务等时间敏感业务方面仍有提升空间，同时网络安全问题是在电力系统内广泛推广无线通信技术的重大挑战，当前采用的安全接入区方案无法满足时间敏感类业务的应用需求。为了进一步拓展5G 的使用范围，还需要在5G 网络安全和低延时方面的研究突破，来满足电力系统各种业务的应用需求。