5G在智能电网中的应用研究

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摘要：

随着物联网技术的发展，国家电网企业提出泛在电力物联网建设目标，涉及发、输、变、配、用电等各个环节设备以及人员的泛在接入。因此，对电力基础数据采集、传输、分析以及应用提出了更高的要求。针对这一现状，结合5G通信技术中的网络切片、大带宽、低时延等特点，提出了5G技术与电力行业业务的集成和应用，着重分析和总结了5G技术在电力行业中典型业务场景以及相关要求，并根据不同应用场景，对5G在电网中的网络拓扑及切片逻辑进行了设计。

前  言  

近年来，国家电网企业在“三型两网”的战略目标下，积极推进智能电网建设[1–3]。随着分布式能源接入、电动汽车服务、电力信息采集、配电自动化、用户双向交互等业务的快速发展，各类电网设备、电力终端和用电客户的通信需求呈爆炸式增长。泛在电力物联网要求全面感知设备、电网信息状态，用信息流控制能量流，实现能源生产和消费信息共享。因此，电力行业迫切需要实时、稳定、可靠、高效的新型通信技术[4–6]。

5G 是一种全新的网络架构，其用户体验速率是4G的10倍，峰值速率为20 Gbit/s（毫米波），空端口延迟为1 ms[7]，具备5个9的超高可靠性，可提供100万m2的连接密度。针对不同的业务场景，5G定义了海量物联（mMTC）、低时延高可靠（uRLLC）、增强型移动带宽（eMBB）三大应用场景，其中5G的海量物联和低时延高可靠特性推动了5G由移动互联网时代迈向万物互联时代。中国在推动5G从移动互联网走向物联网的过程中占据非常重要的地位[8]。一方面，国家电网企业提出的泛在电力物联网建设和智能电网建设的发展要求与5G应用场景高度契合；另一方面，国家电网在基站站点、通信网络、业务应用等方面又具有固有的资源优势[9–10]。因此，如何在这种环境下深入系统地探索5G技术与电力业务的融合发展，促进我国电力行业的持续稳定发展，是研究的重点之一。

01

5G与电网业务融合场景分析

得益于低成本、可靠、低延迟和开放技术架构的优点，5G在电力领域有着广阔的应用和发展前景。为实现电网泛在电力物联网这一目标，打通发电业务、输电业务、变电业务、配电业务以及用电业务等业务场景，在实现现有配电自动化、精准负荷控制、电动汽车充电、用电信息采集等基础业务上，逐渐向差动保护、智能巡检、实物ID等新型业务延伸。结合5G通信技术和应用业务场景划分，从带宽、时延、安全可靠性以及接口等维度分析电力业务通信需求，进而实现各类终端设备的泛在接入和智能化应用。5G特性与电力业务的基本要求对应如表1所示。

表1 5G通信特点及电力系统需求

5G通信的特点与电力系统的要求是相辅相成的。对于智能电网来说，5G在海量连接、精密控制、宽带通信等方面有着广泛的应用[12]，如图1所示。

图1 5G在智能电网中的应用场景分类

5G的通信系统主要由宏基站、微基站和核心网组成[13]。核心网主要负责控制系统和数据信息的传输，宏基站主要负责通过光纤或微波连接到核心网，不同地区的基站和用户的信息主要通过无线通信传输。5G的网络特性要远远优于4G[14]，5G与4G相关性能参数比较见表2。

表2 5G与4G相关参数比较

02

5G在电网中应用场景分析

2.1 低延迟高可靠性应用场景

2.1.1 毫秒级精准负荷控制

在电网中负荷控制主要用来控制负荷曲线，从而达到电力负荷均衡，提高电网的利用率及安全性。精准负荷控制可以快速解决电网故障初期频率迅速跌落、电网中省际联络线路功率超负荷、电网发电设备备用不足等问题。在电网中，精准负荷控制要求秒级和分钟级系统的单个终端到主站间的通信带宽为48.1 kbit/s~1.13 Mbit/s，单向端到端时延小于50 ms，可靠性要求高达 99.999%。因精准负荷控制属于Ⅰ/Ⅱ生产大区业务，要求和管理大区业务完全隔离，资源独享，采用物理隔离且要求控制系统永久在线，连续通信。考虑到现有网络的缺点，并结合5G低时延、高可靠性的特点，通信终端采用5G CPE可为电网划分低时延高可靠端到端的网络切片，从而实现毫秒级精准负荷控制。

毫秒级精准负荷控制系统主要有切负荷安装主站、切负荷子站以及用户侧智能负荷终端构成。其中，控制中心、控制主站一般位于330 kV/500 kV及以上枢纽变电站，控制子站一般位于220 kV及以上的枢纽变电站，各个地区根据自己所在地负荷的密度及分布情况建设1个或多个控制子站，每个子站又连接多个控制终端，控制终端位于整个控制系统的末端，一般位于10 kV及以上大型用户配电房、储能站等。精确负载控制的结构图如图2所示。

图2 精确负载控制的结构图

2.1.2 差动保护

电流差动保护是高电压输电技术中应用最为广泛、最为成熟的电网技术之一，其基本原理是比较保护装置两端或多端同一时刻电流的矢量值，当发现电流差值超过理论整定值裕量时，差动保护装置判定该时刻出现故障，断开其中的断路器开关，实行保护动作，从而实现了故障的精准定位和隔离，降低了电网受损程度和范围，很好地解决了分布式电源接入配电网（35 kV以下配电网）中带来的诸多困扰。

电流差动保护的关键点在于差动保护对电流的差值是基于同一时刻的电流，因此要求相互关联的多个差动保护终端必须保证时间严格同步，时间精度要求小于 10 μs，交互信息端到端传输时延最大不超过12 ms。目前对配网差动保护相关的通信要求还未形成标准，根据高压差动保护要求，配电差动保护要求通信带宽大于等于2 Mbit/s，单相端到端时延小于12ms，时 延 抖 动 在 ±50 μ s 以 内 ，可 靠 性 要 求 可 达99.999%，需要资源独享，实现与管理大区业务完全独立，实现业务终端到业务终端的通信。图3给出了配网自动化中，2台设备的差动保护结构图。

图3 差动保护控制结构图

图3中，5G 配网差动保护终端通过对时5G客户终端设备（Customer Premise Equipment，CPE）的 RJ45接口有线连接，CPE 通过无线空口连接运营商的5G基站，5G基站通过有线传输网和核心网（采用UPF用户功能面网元下沉部署方式）专网路由处理，最终实现两端差动保护数据的信息交互。

2.1.3 配网自动化

在10 kV以上的配网线路中，配电自动化终端主要包括柱上开关FTU、开闭所DTU、智能TTU等设备。通过配电自动化终端自动采集监测配电线路电压、电流、温度等数据的实时状态，通过无线网络，数据直接在地（市）企业汇聚再传送至配电自动化系统主站。在主站根据馈线线路或全网单个节点配网信息进行综合分析和判断处理，从而实现故障线路或用电设备的判断、隔离以及故障定位等功能，保证供电的可靠性。配电自动化业务拓扑如图4所示。

图4 配电自动化业务拓扑图

2.2 广覆盖大连接场景

电网中用电信息采集及配网状态监测是广覆盖大连接场景的一个典型应用。用电信息采集系统主要包括主站、集中器、采集器、远程及本地通道以及电表等设备。根据用电信息的数据流向，用电信息采集系统中可以分为上行和下行2类。其中，上行数据主要指低压侧用户（工商业、居民等用户）的电能表数据，数据经采集器上传至集中器，集中器经过上行通道把相应的数据传送至主站用电信息采集系统；下行数据主要指用电信息采集系统主站通过集中器和专变终端下发指令到电能表，控制开关、安全认证等控制业务。采集频率一般以天或小时为单位，上报各个用户的基础用电数据，数据以上行数据为主。

配网状态监测是指通过传感器、网络、平台对配电网设备运行状态、运行环境进行监测，提升配网关键设备设施的管理水平，保障配网安全稳定运行。配电网网络规模大，如企业配电变压器、开关柜、环网柜、分支箱、故障指示器、电动汽车充电设施、分布式电源等。配网状态监测数据呈现出显著的“小数据”特征，且监测节点多位于地下室、配电柜等环境，需要无线通信系统提供海量连接、大容量、广/深覆盖等性能支撑。

目前电能采集以及配网状态监测，虽然在我国应用广泛，但很多电能表只上传日数据，而不上传半小时的数据，不方便数据分析。5G的高通信速率为分析电力采集的大量数据带来了便利，电力信息采集结构图如图5所示。

图5 电力信息采集结构图

2.3 大容量高带宽场景

2.3.1 智能巡检

电力设备复杂繁多，且工作环境较为恶劣。传统的巡检方式主要为人工巡检，存在巡检效率低下、可靠性、安全性较差以及数据统计不完整，容易漏检、忘检等问题。随着5G通信技术的发展，未来可将AR技术应用在电力巡检中。巡检人员通过佩戴AR智能眼镜可以实现操作标准与实际无缝对接，提高了巡检人员操作的准确性以及安全性。智能巡检网络拓扑图如图6所示。

图6 智能巡检网络拓扑图

利用5G大容量高带宽的特点，对于固定巷道、配电室等场景，可通过智能机器人实现自动化采集，数据、高清图像、视频等信息也可通过5G网络实时回传控制中心。在少人或无人值守的220 kV及以上电压等级的变电站和换流站可通过智能巡检技术代替运维人员进行日常巡视和缺陷录入工作，目前采用导轨导航技术的机器人已全面实现视觉检测、红外测温、远程控制、智能分析、缺陷管理、闸刀和开关状态判别、微气象数据采集分析及自主充电等功能的应用。机器人巡检传输数据类型包括图像、设备诊断等信息，要求数据传输速率大于2 Mbit/s，时延小于300 ms，可靠性为99.99%，对通信时延、可靠性要求较高。无人机巡线技术主要被应用于电力线与杆塔巡线、线路施工测绘等，通过地面控制站进行操控拍摄，完成图像的实时回传与快速拼接，实现复杂地形、恶劣环境下现场信息获取。无人机应配置可见光摄像机和无线图像传输系统，图像清晰度应能满足巡检要求（标清及以上）。无人机通信系统主要实现无人机遥控信号、巡检图像与遥控操作台的信息传输。巡检图像传输速率在2 Mbit/s以上，遥控操作速率在100 kbit/s以内，对实时性、可靠性要求较高，一般时延小于 300ms，可靠性为99.99%。

2.3.2 视频监控

视频监控主要针对电网配电房、供电站重要节点如开闭站等场景，对其运行状态和运行情况进行实时监控。配电室一般部署在地下室或相对隐蔽的环境中。因此，可以灵活部署视频综合监控装置，对配电柜、开关柜、仪器仪表柜等主要设备进行视频监控、图回传，通过AI识别实现各种设备运行状态预警、开关状态是否正常识别，降低了人工巡检的繁琐工作，提高了巡检效率。为保证视频的清晰度以及上传的速度，要求单节点带宽为4~10 Mbit/s，且带宽流量需连续稳定。为保障视频传送不卡顿，时延应小于200ms。

03

5G在智能电网中组网以及网络切片划分

针对上文中提到的5G在电网中各个场景的分类应用，根据场景的不同，所需5G网络的情况不同，有关5G 在整个电力应用场景下的组网情况见图 7。5G CPE充当电力终端设备与5G网络的中间纽带。电力设备通过外接或内置 5G CPE 可实现快速接入 5G 网络，降低了老旧设备改造难度；数据经过无线接入网及承载网到达5G核心网，再由5G核心网接入到电力业务主站。

图7 5G网络在电网中不同应用场景组网拓扑

其中，核心网侧接入管理单元AMF，网络注册单元 NRF，切片选择 NSSF，用户数据存储 UDM，策略控制PCF由3类切片共用，同时在3类切片中分别部署专用的会话管理单元SMF和用户面管理单元UPF。

基于上述不同场景的分析，可将5G网络规划3类切片，各类切片所承载的业务见表3。

表3 电力业务切片划分

图8 5G在智能电网中的网络切片架构

5G在智能电网中的切片逻辑架构图如图8所示，其中：
a）uRLLC切片主要分管对时延和可靠性要求较高的场景，可以对电网中生产控制业务单独部署。主要应用差动保护、配网自动化以及精准负荷控制等场景。
b）mMTC切片主要分管对连接数量要求大的场景，适用用电信息采集、设备资产管理等带宽时延要求低、连接数量大的应用场景。
c）eMBB切片主要分管对带宽要求高、时延要求不高的场景，多用于智能巡检、视频监控等场景。

04

结束语

本文对电网中电力数据的控制、采集以及应用进行了全面的分析，对电网中各种业务对网络的要求也进行了深入的研究。结合5G网络的相关特性，系统地总结了5G技术在电力系统中的集成与发展趋势，分析了5G技术下典型场景在电力系统中的应用。最后，结合电网中的典型应用设计了相应的网络拓扑以及网络切片逻辑架构图，为5G在智慧电网中的应用分析提供了重要的支撑，为5G技术在泛在电力物联网行业的推广应用明确了发展方向。

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编辑概况：
武亮亮，毕业于北京交通大学，助理工程师，硕士，主要从事5G终端、组网以及移动增值业务相关咨询设计工作；
冯瑜瑶，毕业于北京交通大学，助理工程师，硕士，主要从事5G定位、车联网以及蜂窝定位等垂直行业解决方案工作；
纪金树，毕业于南京邮电大学，工程师，硕士，主要从事5G终端研发、5G组网等业务相关咨询设计工作；
李建强，毕业于电子科技大学，工程师，硕士，主要从事5G终端、组网以及移动增值业务相关咨询设计工作。