5G 网络技术在电力行业的应用

易祖洋

（中国联合网络通信有限公司 广东省分公司，广东 广州 510000）

0 引 言

2020 年9 月22 日，习近平总书记在第75 届联合国大会一般性辩论上庄严宣布，中国立志在2030年之前将二氧化碳排放峰值控制在合理范围内，并争取在2060 年前实现碳中和目标[1]。该承诺要求中国在从今往后很长的时间内，对碳排放实施更为严格的控制措施。以新能源为主体的新型电力系统承载着能源转型的历史使命，以新能源为未来供给主体、以保证电力能源安全可靠为基础、以符合经济发展民生稳定的电力供应为首要目标，5G 新型网络技术将支持电力能源领域设施的智能化，并支持传统能源与新能源分配的商业模式，以提高设计、实施、交付、生产使用以及协调有限电力能源的效率。

1 5G 新型网络技术与新型电力系统综述

近年来，国家电网和南方电网一直推行信息化电网、智能化电网、数字化电网的建设，社会快速发展促使电力能源领域的用电与通信需求日益增加，只有基于稳定、安全、高效的信息网络通信技术才能为电力能源行业的发展打下坚实基础。对于新型电力系统和坚强电网来说，5G 新型网络技术的核心用途就是为能源行业信息化、数字化发展以及智能化改造提升技术层面的可靠支撑。5G 技术与前代相比，能够提供更快的网速、更低的延迟以及更好的网络可靠性。毫米波技术使用高频无线电波（24 GHz 以上），可以以高达10 Gb/s 的速度传输数据；大规模多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技术使用多个天线同时发射和接收数据，从而提高了网络容量，扩大了覆盖范围；网络切片技术允许将网络划分为多个虚拟网络，每个网络都有自己的服务质量（Quality of Service，QoS）要求，能更有效的利用网络资源和更好的管理流量。国际电信联盟定义了5G 新型网络技术的8 大关键性能指标，其中大带宽、低时延、广连接成为5G 最为显著的特征，用户下载速率高达1.0 Gb/s，空口时延低至1 ms，有效设备连接数目达到1 km2内超过100 万。5G 新型网络技术的应用将为电网和新型电力系统的发展带来革命性的发展机会，成为支撑电力能源信息化、数字化发展以及智能化改善的关键管道保障。

2 5G 新型网络技术在智能电网中的应用

智能电网中典型业务的通信需求如表1 所示。选取输变电和配电侧3 大典型应用场景具体分析，研究5G 在数字电网发、输、变、配、用5 个环节中的需求体现、应用调研以及落地案例。

表1 智能电网中典型业务的通信需求

2.1 无人机智能电网巡检

近年来，随着无人机技术的发展，输电线路网络巡检的安全性和准确性已经不再是一个长期困扰电网运维部门的难题。相比以往，现代化的无人机巡检工具可以有效提高电网系统的安全性和准确性，从而大大减少了对人力的需求，提升了电网系统的效率和可靠性。通过使用无人机，超高压公司可以检查高压电线和其他基础设施，不会将工作人员置于危险之中。这在危险或难以到达的地区尤其重要，如山区或人口稠密的城市地区。无人机巡检的另一优势在于检查期间可以收集大量的数据，包括图像、视频以及其他传感器读数，这些数据可以被分析，以确定电网的发展趋势，使超高压公司能够对维护和升级做出更明智的决定。使用无人机检测5G 网络切片的通信要求：（1）低延时，以确保无人机的实时控制和监测；（2）大带宽，以支持从无人机到控制中心的高质量视频与传感器数据传输；（3）高可靠高安全的通信，以确保无人机与控制中心保持连接，数据传输不被中断或破坏，具体如表2所示。使用5G 技术的超可靠低时延通信（ultra Reliable Low Latency Communication，uRLLC）网络切片还能够适应无人机对时延、上下行带宽的需求，使数据传输过程更安全。

表2 无人机巡检网络性能要求表

2.2 配电自动化和三重远程控制

传统的电力系统依靠集中的发电设施，如火力发电厂或水力发电站来发电，然后通过高压输电线路传输到变电站，最终通过低压配电线路分配给用户[2]。然而，越来越多的可再生能源和分布式能源资源，如屋顶太阳能电池板和储能系统，使得传统的电力系统正面临新的挑战，配电自动化和三重远程控制并不是为了取代传统的发电方式，而是为了提高配电系统的性能、效率以及可靠性。配电自动化和三重远程控制使电力公司能够更有效地监测和控制配电网，减少停电的可能性，提高系统的复原力。通过使用自动化三重远程控制，电力公司可以优化其操作，减少人工干预和维护的需要，最大限度地减少了工作人员发生事故或受伤的风险，减少维护成本，并避免昂贵的停机时间；另一大优势是促进可再生能源与电网的整合，帮助减少温室气体排放，实现更有弹性和可持续的能源未来发展。

实施配电自动化和三重远程控制有几个关键要求：（1）需要传感器和测量设备收集配电系统状态的实时数据，如电压、电流和电能质量，这些数据被用来监测系统，并在出现异常情况时触发自动反应；（2）需要远程控制设备来实现配电设备的远程控制，如断路器、开关和变压器，这些设备可以对配电系统进行实时监测和控制，提高可靠性和效率；（3）高安全性，随着配电系统连接性和自动化程度的提高，加密、防火墙以及入侵检测系统对于防止网络威胁和攻击至关重要。使用5G 技术的uRLLC 网络切片可以很大程度满足配电自动化的要求，运用低时延、高可靠性以及安全性等优势，让配电自动化和三重远程控制具有更好的快速性、灵敏性以及选择性。配电自动化及三重远程控制的网络性能要求如表3 所示

表3 配电自动化及三重远程控制的网络性能要求

2.3 毫秒级的精确负载控制

由于生产负荷过载引发的小规模、小范围停电，通过过高负载导致雪崩效应会引发大规模、大范围停电，是电网侧的传输痛点之一。随着生产生活用电需求不断增加，将会有更多发电企业投入电网侧保供中，数字电网的5G+负载控制可以有效解决生产生活用电需求。毫秒级负载控制可以灵活管理用户的可中断载荷，精准控制生产对象内部的可中断载荷，不仅满足电网侧紧急情况下的应急管理需求，有效管理用电侧的各类用户，而且可以调优可中断负荷，将经济社会影响降至最低。传统配网侧由于缺少5G 通信技术的支持，中断负荷手段不够柔性，一般情况下只能断联整条配电路线。毫秒级精准负荷控制用例对通信网络的要求如下：（1）超低时延，以毫秒为单位，可以快速响应不断增长的需求；（2）高可靠性，高达99.999%，以确保在需要时可以立即操作设备和机器；（3）强安全性；（4）多设备连接，数十万个设备实现精确负载控制。从业务影响、用户体验等角度出发，通过5G 新型网络技术uRLLC 切片实现精准控制，从而减少对各类用户的影响，优先切断可中断的非实时性重要负荷。精准负荷控制的网络性能要求如表4 所示。

表4 精准负荷控制的网络性能要求

3 5G 新型网络技术在可再生能源整合中的应用

以新能源为核心的电力系统建设不断向前迈进，光伏、风电发电等可再生能源逐步成为未来新型电力系统的主要能源形式。5G 网络有望在可再生能源纳入电网方面发挥重要作用，具体如下：（1）智能电网管理，5G 网络用于监测与管理电网中的能量流动，可以快速识别和应对问题，使得优化可再生能源的分配和消费成为可能；（2）对可再生能源系统进行远程监控，这在可能难以接入可再生能源系统的偏远地区尤其重要；（3）创建虚拟发电厂，将可再生能源系统作为一个单一实体进行连接与管理，能够提高可再生能源系统的可靠性和效率。5G 网络有可能彻底改变可再生能源与电网的整合，优化可再生能源的分配和消费，减少碳排放。

4 电力物联网的相关概念与特点

国际标准化组织（International Organization for Standardization，ISO）/国际电工委员会（International Electro Technical Commission，IEC）定义物联网为一种人、物、信息资源和系统互联的基础设施，结合智能服务，使其能够处理物理和虚拟世界的信息并做出响应[3]。电力物联网是物联网技术在电力行业的一种新型应用方式，物联网设备与互联网相连，可以与其他设备和系统通信，通过在传统电力设备上配备各种传感器，能够全面收集温度、湿度以及位置等各种数据，在不需要人为干预的情况下可以根据这些数据编程设备的具体执行程序，还能根据连接的设备数量进行扩展，从而有可能容纳数以百万计的设备[4]。电力物联网可以实现人与各种电力设备的实时连接，从而使电力生产、传输和消费的各个环节都可以被完整监测与管理，并且可以实现业务的全面渗透[5]。

5 物联网技术在电网中的典型应用特征

（1）实时监测。物联网传感器实时监测采集电力系统的动静态数据信息，基于采集的数据维持系统运行和执行特定功能。电力设备的种类和用途繁多，而且分布范围较为广泛，因此物联网需要高精度、高信噪比、远距离传输的传感技术作为支撑。

（2）高效信息处理。当前，电网公司的日数据采集增量超过了60 TB，由于不同系统之间缺乏数据共享，造成了“数据孤岛”的现状。在建设电力物联网的过程中，将制定统一的通信协议、接口和数据格式，支持适配各类智能物联网终端，充分发挥数据共享价值。同时，引入边缘计算技术，增强边缘侧的数据处理能力；再辅以数据清洗技术，剔除错误数据，能有效减轻主站和云端数据的处理压力，降低通信网络的信息承载量。

（3）应用灵活便捷。5G 应用于分布式电网调度和精准负荷控制，实现对智慧电网运作状态和数据信息的毫秒级数据回传与终端管理，帮助用户及时观察、监督和控制电网运行的实际情况[6]；基于5G+大数据分析的新型电力系统管理与多维运行，有助于提升电网经营绩效，促进可再生能源的有序消纳；数据开放共享，多方共建电力物联网，可促进能源互联网发展，推动综合能源系统协调建设。

6 结 论

5G 通信技术将重塑未来生活方式，也将重塑电力与能源系统。以5G 通信的特点和技术指标为基础，从智能电网、可再生能源整合2 大领域分析了5G 通信技术在电力系统的核心应用场景。5G 新型网络技术将会驱动整体行业的发展，增益能源科技进步，是实现“碳达峰、碳中和”关键目标的基础性网络技术，在未来智慧电网的建设中将起到关键性的支撑作用。