基于5G 通信技术的电力物联网架构分析与应用研究

李启玉，王苗娟

（智方设计股份有限公司，湖北 武汉 430072）

0 引 言

电力系统正在经历前所未有的变革。新一代电力系统需要满足多种能源、多种实体、多种网络的组合，以更好地适应现代化用电需求。在信息时代，客户对用电服务质量的要求越来越高，因此信息时代中的物联网、大数据等新技术的应用成为电力公司重点关注的对象。虽然互联网发展至今相关技术体系已经趋于成熟，但是物联网与传统产业的融合发展模式仍处于起步阶段，亟待进一步研究。未来电力系统的发展需要不断引入新技术，以确保电力系统的可持续发展和具有较高的适应性。

为了实现对系统的科学管理，需要先解决人、物之间的信息交流及信息流的无缝连接，即物联网技术。5G 通信技术和物联网技术的结合能够推动电力系统迈向数字化、信息化，有效提高系统的效率和可靠性。但是，不断增加的连接设备数量对电力系统的通信容量、连接性以及数据传输速率带来了挑战。如今，5G+物联网的模式正不断被探索、开发，5G 通信技术和物联网技术的结合将为电力系统带来巨大变革，促进电力系统的可持续发展，对电力系统的现代化和数字化转型具有重要意义。

1 泛在电力物联网

物联网、电力网和泛在网组成了泛在电力物联网，具有复杂性、包容性、开放性以及创新性的特征[1]。其中：复杂性主要体现在电力网和通信网的融合方面，需要通过先进的设备和技术来实现；包容性主要针对电力系统中的实物，包括变压器、配输电设备和居民的电力设备等；开放性主要针对服务对象，包括电网企业自身和各个电力用户，通过开放的形式提高经济收益；创新性主要针对数据采集和控制等，通过不断创新电力互联网的功能和商业模式，使电网企业实现稳定经营。泛在电力物联网的建设和应用，对于电力系统的智能化、数字化和可持续发展具有重要意义。它的发展将为电力系统的现代化和数字化转型提供新的机遇与挑战。

泛在电力物联网通过将电力设备与通信网络相结合，实现了两者的互联互通。由于电力网本身拥有海量的用户和多样化的需求，泛在电力物联网的拓展具有广阔的前景，如社会网、交易网、业务网以及资金网等。感知层、网络层、平台层和应用层构成了泛在电力物联网[2]。其中：感知层通过传感设备监测电力设备的实时状态；移动通信网络、互联网、无线局域网通过网络层连接在一起；平台层利用大数据云服务将各个网络层传输的数据统一收集存储到一个数据库；应用层则旨在为用户、电网工作人员等提供支持，推进电力新兴业务拓展和商业模式的创新。

2 主流电力物联网通信技术

2.1 常用电力物联网通信技术

通过融合通信系统和电力系统，物联网技术可以打造新一代信息物理相交互的电力系统。物联网技术可以根据传输距离的差异分为短距离通信技术和长距离通信技术，其中低功耗广域网（Low-Power Wide-Area Network，LPWAN）技术属于长距离通信技术，而如ZigBee、Wi-Fi、Bluetooth 等属于短距离通信技术。目前，物联网通信技术主要包括蜂窝物联网和无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN），其中2G、3G、4G、5G、窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）、LoRa、增强机器类通信（enhanced Machine-Type Communication，eMTC）、Sigfox 等技术属于蜂窝物联网[3]。在电力系统中，物联网技术可实现对电力设备的科学管理，包括智能化监测，提高电力系统的可靠性和安全性，同时有效降低系统的运维成本，不断推动电力行业的可持续发展。通过梳理物联网通信技术，可以更好地了解不同技术之间的差异和应用场景。主流物联网通信技术的对比结果如图1 所示。可见：在传输距离方面，LPWAN 优于Bluetooth、ZigBee、Wi-Fi 技术，但在传输速度方面略显不足；4G 技术和5G 技术在传输距离与传输速度上的优势均较为突出。

图1 主流物联网通信技术

2.2 5G 通信技术

2.2.1 技术原理

有线通信和无线通信是通信技术的2 种分类。在无线通信中，5G 作为新一代移动通信技术，采用6 GHz 以下和24 GHz 以上的频段。频段的增高会导致波长变短，极大降低了信号覆盖范围。微基站作为无线通信中的一种常用基础设施，能有效保障5G的信号覆盖，因此得到了广泛应用。在5G 的实际应用过程中，需要建设大量微基站进行协同覆盖，以提高5G 信号的覆盖范围和质量。此外，设备到设备（Device-to-Device，D2D）通信也是5G 中的一项关键技术，可以实现邻近区域用户的直接通信，从而提高时间和频率资源的空间复用程度，减少网络拥塞和传输延迟。总的来说，频段高、覆盖范围小、微基站广泛应用以及D2D 通信技术的使用是5G 通信技术的显著特点，大大提高了5G 通信的速度和效率[4]。

2.2.2 性能特点

相较于4G 通信技术，5G 通信技术在移动性、用户体验速率、时延、峰值速率、单位面积容量、连接密度、带宽和网络能效方面的性能指标都更优越。这些优点使得5G 通信技术可以更好地满足高速移动业务、实时响应、高速数据传输、海量设备接入等需求。5G 通信技术的推广将会对人们的生活和工作产生深远影响，如在智慧医疗、车联网等领域的发展和应用。未来，5G 通信技术的不断创新和应用将会给人们带来更多的惊喜和便利。国际电联无线电通信部门于2016 年发布了5G 通信的性能指标，如表1 所示。

表1 5G 通信性能指标

3 基于5G 通信技术的电力物联网架构设计

在常规电力物联网通信架构设计中，为了达到5G 通信能力，通信网络采用D2D 数据通信方式来提高数据通信能力。在融入5G 通信相关技术后，电力物联网架构实现全面升级。通过对云边协同组织进行架构设计，将电力物联网数据通过云边协同的方式相互联系，使各边缘设备集中在一个大数据中，便于设备的管理和运营。电力物联网设计架构如图2 所示。

图2 电力物联网设计架构

电力物联网的设计采用了层级结构，包括顶级调度层、群体调控层和设备响应层，通过三维立体的方式完成设计。顶级调度层的主要任务是对电力物联网各设备状态信息进行收集和分析，包括调控需求信息、负荷预测信息、可再生能源信息以及潮流信息等。群体调控层由多项配电网设备组成，通过建立的云边协同架构与顶级调度层形成联系结构。设备响应层主要由负荷群组成，通过负荷群之间的配合完成设备响应，主要调控手段为SDM 算法。

电力物联网设计采用了三维立体设计方式，对复杂的电力数据进行层级调控，促进了电力物联网的数据联系性，使电力物联网设备按照一定级别进行分化，便于管控。电力物联网设计采用D2D 通信方式和云边协同结构，可以加强各层级的联系性，将电力物联网各设备数据的调度规律层次化，同时提高了三维数据通信的传输速度。基于D2D 通信模型的云边协同组织架构如图3 所示。这种设计架构和通信方式的优势在于能够更好地实现设备调度和信息控制，有效利用能源，对电力物联网的发展起到了推动作用。

图3 基于D2D 通信模型的云边协同组织架构

4 5G 通信技术在电力物联网中的应用

随着5G 通信技术的不断发展和应用，它在电力行业的应用前景越来越广阔。在电力行业中，低压用电信息采集、分布式电源、智能分布式配电自动化、电力巡检等领域是5G 通信技术的重点应用场景，如表2 所示[5]。

表2 5G 技术在电力物联网中的应用场景

传统配电自动化采用过流保护方式，虽然可以提高供电可靠性，但是容易造成停电现象，且检修时无法精准确定故障区域。为了解决这一问题，引入5G 通信技术来实现配网故障的精准定位，将配网故障处理时间从分钟级提高到毫秒级，进一步提高了供电可靠性和稳定性。同理，在配电自动化中，5G 通信技术可以实现对配网故障的快速响应和精准定位，从而快速处理故障，减少停电时间，显著提高了整个电力系统的稳定性。

如今，传统配电网的早期架构设计已经无法满足实际需求。随着分布式电源的加入，配电网的网络架构发生了很大变化，从原来的单电源辐射状网络变为双电源甚至多电源网络。用户既是用电方也是发电方，使得电流呈现出双向流动、实时动态变化的特点。引入5G 通信技术能够有效提高配电网的可靠性、灵活性及效率，实现对分布式电源的智能管理和监测，提高电力系统的运行效率和安全性，同时可以实现对配电设备的实时监测和管理，提高设备的运行效率。安全性分布式电源接入对传统配电网架构有着较大影响，而双向电流则会带来新的需求。5G 通信技术具有高速、低时延、高可靠性等特点，有望为配电网的升级和改造提供有效的技术支持，推动配电网向更加智能化、高效化的方向发展。

电缆隧道作为一种封闭的地下管廊，在遭受火灾、水淹等问题时会对巡检人员的生命安全造成危险。传统方式是由2 人以上进行隧道内部巡检工作，但是巡检工作效率极低。为了解决这一问题，引入5G 智能巡检机器人，将极大地提高巡检效率和安全性。5G通信技术能够保证机器人与后台之间通信的实时性和稳定性。巡检机器人采用全景摄像机进行实时监控，配合5G 网络实现低延时视频观看。引入5G 通信技术也可以确保传输链路数据安全，为巡检机器人提供更加可靠的数据保障。5G 智能巡检机器人可以实现对电缆隧道的智能化管理和监测，提高电力系统的运行效率和安全性。

5 结 论

本文主要强调5G 通信技术在未来电力系统与泛在电力物联网建设中的重要性和支撑作用，能够促进电力物联网的发展和应用。针对电力物联网的概念、特点和主流通信技术进行研究，探讨基于5G 通信技术的电力物联网架构设计和应用。