王宏延，顧舒嫻，完顏紹澎，于佳

(1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司南京供電分公司，江蘇 南京 210000；2.南京蘇逸實業(yè)有限公司科技信息網(wǎng)絡(luò)分公司，江蘇 南京 210000；3.南瑞集團有限公司(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司)，江蘇 南京 211000)

近年來，國家電網(wǎng)有限公司(以下簡稱“國網(wǎng)”)積極推進智能電網(wǎng)建設(shè)。隨著分布式能源接入、電動汽車服務(wù)、用電信息采集、配電自動化、用戶雙向互動等業(yè)務(wù)快速發(fā)展，各類電網(wǎng)設(shè)備、電力終端、用電客戶的通信需求爆發(fā)式增長，迫切需要實時、穩(wěn)定、可靠、高效的新興通信技術(shù)及系統(tǒng)支撐，提升能源行業(yè)的信息化、智能化水平，為經(jīng)濟社會發(fā)展提供可靠的用能保障[1-5]。

2019年，國網(wǎng)提出了建設(shè)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的戰(zhàn)略部署，這是推進“三型兩網(wǎng)”建設(shè)的重要內(nèi)容和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)將電力用戶及其設(shè)備、電網(wǎng)企業(yè)及其設(shè)備、發(fā)電企業(yè)及其設(shè)備、供應(yīng)商及其設(shè)備，以及人和物連接起來，產(chǎn)生共享數(shù)據(jù)，為用戶、電網(wǎng)、發(fā)電、供應(yīng)商和政府社會服務(wù)；以電網(wǎng)為樞紐，發(fā)揮平臺和共享作用，為全行業(yè)和更多市場主體發(fā)展創(chuàng)造更大的機遇，提供價值服務(wù)。以5G為代表的移動通信技術(shù)正在與AI、大數(shù)據(jù)緊密結(jié)合，開啟一個萬物互聯(lián)的全新時代[6-11]。5G網(wǎng)絡(luò)以超高帶寬、超低時延、超大規(guī)模連接為顯著特征[12-14]，將改變行業(yè)業(yè)務(wù)的運營方式和作業(yè)模式，全面提升行業(yè)的運營效率和決策智能化水平。

5G的用戶體驗速率是4G的10倍，峰值速率達到20 Gbit/s，空口時延為1 ms。5G的應(yīng)用場景包括海量物聯(lián)和低時延高可靠，中國是5G產(chǎn)業(yè)的引領(lǐng)者，推動著5G從移動物聯(lián)網(wǎng)時代走向萬聯(lián)物聯(lián)網(wǎng)時代。國網(wǎng)的發(fā)展需求與5G應(yīng)用場景高度契合，在基站站址、通信網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)應(yīng)用等方面具有先天資源優(yōu)勢，有能力參與并引領(lǐng)5G行業(yè)應(yīng)用，進而激發(fā)出新的產(chǎn)業(yè)、業(yè)態(tài)和模式。如何在智能電網(wǎng)和泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的環(huán)境背景下，深入系統(tǒng)地探究5G技術(shù)與電力系統(tǒng)的融合發(fā)展，推動我國電力系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，是當(dāng)前的研究重點和熱點之一。對此，本文分析了多種電力系統(tǒng)下基于5G技術(shù)的典型業(yè)務(wù)場景，然后針對一種典型應(yīng)用進行測試，將測試結(jié)果與采用傳統(tǒng)4G技術(shù)的測試結(jié)果進行比較，驗證了5G技術(shù)的特性。

1 5G關(guān)鍵技術(shù)概述

1.1 5G通信特點

5G是指第5代移動通信技術(shù)，其核心是提高性能和滿足多樣化的要求，主要特點是成本低、可靠、時延低和具有開放的技術(shù)架構(gòu)。5G技術(shù)在電力領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用場景和發(fā)展前景，應(yīng)用場景主要有以下4個特點：①小的連接技術(shù)；②可靠技術(shù)時延高；③覆蓋的整體技術(shù)；④容量比較大的技術(shù)。5G技術(shù)的特點與電力系統(tǒng)的基本需求也是一一對應(yīng)的，見表1。

表1 5G技術(shù)特點與電力需求對應(yīng)關(guān)系Tab.1 Characteristics of 5G communication technology and power demands

5G技術(shù)的通信特征與電力系統(tǒng)的特征與需求之間還具有互補性，5G的主要特征包括增強移動寬帶(enhanced mobile broadband，eMBB)，低時延、高可靠通信(ultral reliable low latency communications，URLLC)和低功耗大連接海量機器類通信(massive machine class communication，mMTC)。對電力系統(tǒng)來說，5G在海量量測、精準(zhǔn)控制、寬帶通信等方面都具有廣泛的應(yīng)用，其應(yīng)用場景如圖1所示。

1.2 5G通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

5G通信系統(tǒng)主要由宏基站、微基站和核心網(wǎng)組成，如圖2所示。核心網(wǎng)主要負責(zé)控制系統(tǒng)和傳輸數(shù)據(jù)信息，是通信系統(tǒng)的指揮中心；宏基站主要負責(zé)通過光纖或微波與核心網(wǎng)連接，不同區(qū)域的基站和用戶信息主要通過無線通信進行傳遞，宏基站相當(dāng)于通信系統(tǒng)的“中樞神經(jīng)”。5G網(wǎng)絡(luò)在性能指標(biāo)方面均勝于4G網(wǎng)絡(luò)，圖3所示為二者在性能上的對比，其中MIMO表示多個發(fā)射天線和接收天線(multiple-input multiple-output)，D2D表示設(shè)備到設(shè)備(device-to-device)。

圖1 電力5G技術(shù)應(yīng)用場景Fig.1 Application scenarios of 5G communication technology in power systems

圖2 5G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.2 5G communication network architecture

2 低時延、高可靠業(yè)務(wù)場景

5G技術(shù)的一個主要應(yīng)用場景是無人駕駛汽車。在無人駕駛汽車中，汽車需要在很短的時間內(nèi)做出剎車、轉(zhuǎn)彎等判斷行為，所以對時延的要求特別高。在電力系統(tǒng)中，電力是以光速進行傳播，為了及時響應(yīng)電力的各種變化，需要進行精準(zhǔn)控制。

圖3 5G與4G技術(shù)性能對比Fig.3 Comparison of performance between 5G and 4G technologies

以典型業(yè)務(wù)場景中的精準(zhǔn)負荷控制為例進行介紹。精準(zhǔn)負荷控制系統(tǒng)重點解決電網(wǎng)故障初期頻率快速跌落、主干通道潮流越限、省際聯(lián)絡(luò)線功率超用、電網(wǎng)旋轉(zhuǎn)備用不足等問題，根據(jù)不同的控制要求，分為實現(xiàn)快速負荷控制的毫秒級控制系統(tǒng)和更加友好互動的秒級及分鐘級控制系統(tǒng)[15]。前者針對頻率緊急控制的要求，第1時限快速切除部分可中斷負荷；后者在第2時限切除部分可中斷負荷，實現(xiàn)發(fā)用電平衡。圖4所示為精準(zhǔn)負荷控制結(jié)構(gòu)，圖中CPE為客戶前置設(shè)備(customer premise equipment)。

圖4 精準(zhǔn)負荷控制結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of precise load control

毫秒級控制系統(tǒng)的處理時間及時延包含故障信息采集和決策時間、通道傳輸時間、用戶站點轉(zhuǎn)接裝置延時時間、分路開關(guān)跳開時間，總體時延要求小于650 ms；其中協(xié)控中心站經(jīng)控制中心站、控制主站至子站的通道傳輸時間要求小于30 ms，子站到控制終端的通道傳輸時間要求小于20 ms。秒級及分鐘級控制系統(tǒng)中通信時延要求參照毫秒級控制系統(tǒng)的50 ms。

3 廣覆蓋、大連接業(yè)務(wù)場景

電力系統(tǒng)中有成千上萬的電力設(shè)備，電力設(shè)備之間的互聯(lián)互通能夠協(xié)調(diào)戶與戶之間、小區(qū)與小區(qū)之間的智能集群用電，為建設(shè)智慧城市提供便利。在沒有5G技術(shù)的時候，最后1 km電力設(shè)備的接入比較困難；有了5G通信，大量設(shè)備能夠互聯(lián)互通，實現(xiàn)真正意義上的萬物互聯(lián)。在大數(shù)據(jù)時代，數(shù)據(jù)采集是數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)，以前在電力系統(tǒng)中，盡管安裝了傳感器，但由于通信壓力，丟棄了很多數(shù)據(jù)，而5G技術(shù)可以讓數(shù)據(jù)采集在電力系統(tǒng)中得到更加廣泛的應(yīng)用。我國的用電信息采集應(yīng)用比較廣泛，但很多電表只是上傳每天的數(shù)據(jù)，而無法做到0.5 h數(shù)據(jù)上傳一次，這對數(shù)據(jù)分析造成不便[16]。5G的通信速率很高，給用電采集的大量數(shù)據(jù)分析帶來了便利。

以典型業(yè)務(wù)場景中的用電信息采集為例進行介紹。用電信息采集系統(tǒng)由主站、遠程及本地通道、集中器和采集器/電表組成，其主要結(jié)構(gòu)如圖5所示。集中器與主站遵循Q/GDW 1376.3通信規(guī)約，集中器和采集器/電表之間遵循Q/GDW 1376.2通信規(guī)約[17-19]。采集主站與采集終端之間采用異步傳輸幀格式，數(shù)據(jù)幀由起始字符(68H)、報文頭(固定長度)、起始字符(68H)、控制域C、地址域A、鏈路用戶數(shù)據(jù)、校驗和CS、結(jié)束字符(16H)組成。用電信息采集的數(shù)據(jù)流向包括上行和下行2種類型，上行數(shù)據(jù)流是指低壓工商業(yè)、居民用戶和公用配電變壓器(以下簡稱“配變”)用戶的電能表數(shù)據(jù)經(jīng)過采集器(可選)上傳到集中器，集中器經(jīng)上行通信通道傳到用電信息采集系統(tǒng)主站；專用變壓器(以下簡稱“專變”)用戶電能表的數(shù)據(jù)上傳到專變終端，再經(jīng)上行通道傳到用電信息采集系統(tǒng)主站。下行數(shù)據(jù)流是指用電信息采集系統(tǒng)主站通過集中器和專變終端下發(fā)指令到電能表，開展跳合閘、安全認證命令等控制業(yè)務(wù)。目前多以配變臺區(qū)為基本單元進行集中抄表，集中器通過運營商無線公網(wǎng)回傳至主站系統(tǒng)；一般以天、小時為頻次采集上報用戶的基本用電數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)以上行為主，單集中器帶寬為10 kbit/s級，月流量3～5 MB。

電力用戶用電信息采集系統(tǒng)主站與采集終端通信協(xié)議主要依據(jù)Q/GDW 376—2012，規(guī)定采用專用無線數(shù)傳信道。主站采集數(shù)據(jù)分為定時自動采集、隨機召測和主動上報3種，目前主要采用定時自動采集方式，主站每天集中采召采集終端1次數(shù)據(jù)。專變采集終端記錄專變?nèi)嘀悄茈娔鼙淼臄?shù)據(jù)，每15 min記錄1次，每天記錄96次，記錄數(shù)據(jù)緩存在專變終端中；專變控制命令信息不定時進行下發(fā)，下發(fā)頻率不固定。集中抄表終端記錄單相智能電能表、三相智能電能表和公用配變電表的數(shù)據(jù)，每15 min記錄1次，每天記錄96次，記錄數(shù)據(jù)緩存在集中器。分布式能源監(jiān)控終端與集中抄表終端要求一致。

圖5 用電信息采集結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of electricity information collection

用電信息采集系統(tǒng)的實時性要求包括：主站巡檢終端重要信息(重要狀態(tài)信息及總加功率和電能量)時間少于15 min；系統(tǒng)控制操作響應(yīng)時間(遙控命令下達至終端響應(yīng)的時間)不超過5 s；常規(guī)數(shù)據(jù)召測和設(shè)置響應(yīng)時間(指主站發(fā)送召測命令到主站顯示數(shù)據(jù)的時間)少于15 s；歷史數(shù)據(jù)召測響應(yīng)時間(指主站發(fā)送召測命令到主站顯示數(shù)據(jù)的時間)少于30 s；系統(tǒng)對客戶側(cè)事件的響應(yīng)時間不超過30 min 。

4 大容量、高帶寬業(yè)務(wù)場景

在電力行業(yè)中，很多業(yè)務(wù)(例如語音、視頻等)對帶寬的需求很高，在視頻監(jiān)控中，最常使用的監(jiān)控方式是無人機巡檢，無人機通過主站傳回拍攝的視頻，然后主站再據(jù)此判斷電力線路的狀態(tài)。采用5G技術(shù)，能夠高速率地傳播視頻數(shù)據(jù)；在配電業(yè)務(wù)中，也可以應(yīng)用視頻監(jiān)控對配電系統(tǒng)進行監(jiān)理，傳回診斷數(shù)據(jù)等。虛擬現(xiàn)實業(yè)務(wù)對帶寬、實時性和網(wǎng)絡(luò)的要求都很高，比如實時更新高清畫面；采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可以對傳回的數(shù)據(jù)進行處理，并且能夠?qū)崿F(xiàn)配電網(wǎng)全景圖。

以典型業(yè)務(wù)場景中的智能巡檢為例進行介紹。面向智能巡檢典型業(yè)務(wù)主要對現(xiàn)場作業(yè)的安全情況進行全過程管控，系統(tǒng)由主站(現(xiàn)場作業(yè)安全管控、音視頻互動)、通信通道和終端組成，如圖6所示[20-24]。主站側(cè)包含音視頻互動媒體服務(wù)、音視頻互動控制網(wǎng)關(guān)服務(wù)和現(xiàn)場作業(yè)安全管控服務(wù)；通信通道指系統(tǒng)主站與采集終端之間的遠程通信信道，主要包括光纖信道和無線專網(wǎng)信道；終端是指在現(xiàn)場部署配置的移動作業(yè)終端。

在營配調(diào)一體化的背景下，移動巡檢包括配電工區(qū)的移動巡視、移動檢修等業(yè)務(wù)，不同業(yè)務(wù)的傳輸速率范圍為：語音業(yè)務(wù)8～64 kbit/s，視頻業(yè)務(wù)384 kbit/s～2 Mbit/s，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)64 kbit/s～2 Mbit/s；其中，語音和視頻類業(yè)務(wù)對時延和可靠性要求較高，時延不超過300 ms。

機器人巡檢針對戶外與戶內(nèi)設(shè)備，通過車載和軌道安裝方式的機器人搭載可見光、紅外和局部放電綜合檢測設(shè)備，對設(shè)備進行觀測，實現(xiàn)對設(shè)備缺陷的智能診斷和綜合管理；自動生成線路及設(shè)備健康狀態(tài)的檢測報告，并將檢測數(shù)據(jù)和診斷結(jié)果自動上傳至生產(chǎn)管理系統(tǒng)，為配電網(wǎng)的狀態(tài)管控提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[25-29]。通過智能巡檢技術(shù)，機器人巡檢可代替運維人員進行日常巡視和缺陷錄入工作，主要配置在少人或無人值守的220 kV及以上電壓等級變電站和換流站。目前采用導(dǎo)軌導(dǎo)航技術(shù)的機器人已全面實現(xiàn)視覺檢測、紅外測溫、遠程控制、智能分析、缺陷管理、閘刀和開關(guān)狀態(tài)判別、微氣象數(shù)據(jù)采集分析及自主充電等功能應(yīng)用。機器人巡檢傳輸數(shù)據(jù)類型包括圖像、設(shè)備診斷等信息，數(shù)據(jù)傳輸速率要求大于2 Mbit/s，對通信時延、可靠性的要求較高，時延小于300 ms，可靠性達99.99%。

無人機巡線技術(shù)主要被應(yīng)用于電力線與桿塔巡線、線路施工測繪等，通過地面控制站進行操控拍攝，完成圖像的實時回傳與快速拼接，實現(xiàn)在復(fù)雜地形、惡劣環(huán)境下的現(xiàn)場信息獲取[30-33]。無人機應(yīng)配置可見光攝像機和無線圖像傳輸系統(tǒng)，圖像清晰度應(yīng)能滿足巡檢要求(標(biāo)清及以上)；無人機通信系統(tǒng)主要實現(xiàn)無人機遙控信號、巡檢圖像與遙控操作臺的信息傳輸；巡檢圖像傳輸速率要求2 Mbps以上，遙控操作速率在100 kbit/s以內(nèi)，對實時性和可靠性的要求較高，一般時延小于300 ms，可靠性達99.99%。

圖6 智能巡檢系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of intelligent inspection system

5 5G技術(shù)驗證測試

5.1 測試背景

本文選擇精控業(yè)務(wù)為例，按照國網(wǎng)電力精控業(yè)務(wù)電信切片驗證工作方案，以保證現(xiàn)網(wǎng)在運業(yè)務(wù)安全穩(wěn)定運行為原則，以“安全可靠、實施高效、測試全面”為指導(dǎo)思想，采用實際環(huán)境與測試終端相結(jié)合的方式，搭建精控電信5G驗證測試環(huán)境，檢測精控業(yè)務(wù)在電信5G網(wǎng)絡(luò)下的時延，為后續(xù)精控業(yè)務(wù)接入提供依據(jù)。

5.2 測試方案

利用現(xiàn)有5G網(wǎng)絡(luò)，在機房搭建精控主站和精控子站，在另一個地方采用CPE接入負控終端，進行精準(zhǔn)負荷控制時延測試。網(wǎng)絡(luò)拓撲如圖7所示。圖7中，UDM為單元部署管理器，PCF表示分組控制功能，IPRAN為端到端的業(yè)務(wù)承載網(wǎng)絡(luò)，NR是基于OFDM的全新空口設(shè)計的全球性5G標(biāo)準(zhǔn)，SA是指5G的非獨立組網(wǎng)，CP為控制面，UP為用戶面。

測試步驟如下：

a)CPE通過以太網(wǎng)口連接配電終端，CPE插入USIM卡，開機進入空閑狀態(tài)；

b)正確配置CPE和系統(tǒng)側(cè)相關(guān)參數(shù)，完成核心網(wǎng)承載激活過程；

c)模擬下發(fā)切負荷命令到源網(wǎng)荷模擬主站，源網(wǎng)荷模擬子站通過5G無線網(wǎng)下發(fā)控制命令到精準(zhǔn)切負荷終端并記錄下發(fā)時間。

d)高精度時間測試儀檢測到精準(zhǔn)切負荷終端端子跳變并記錄時標(biāo)，通過兩時標(biāo)計算模擬子站下發(fā)命令到終端跳變的時延。

現(xiàn)場測試環(huán)境如圖8所示。

5.3 測試結(jié)果

本次測試分別選取4個測試點位，相關(guān)的測試數(shù)據(jù)見表2，其中RSRP表示參考信號接收功率。

本次驗證精控業(yè)務(wù)在5G無線環(huán)境下實驗平均延時為35 ms，在4G環(huán)境下平均時延為40 ms，距離越遠，信號越差，時延越長，室外比室內(nèi)時延短，實驗結(jié)果驗證了5G的低時延特性。

圖7 測試拓撲Fig.7 Test topology

表2 5G測試結(jié)果Tab.2 5G test results

圖8 現(xiàn)場測試圖Fig.8 Field test diagram

6 結(jié)束語

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)對電力數(shù)據(jù)的承載、采集、應(yīng)用和分析提出了更高的要求，電力業(yè)務(wù)應(yīng)考慮業(yè)務(wù)的流量模型，站房監(jiān)控數(shù)量的增多，移動業(yè)務(wù)場景對大帶寬、大流量的需求，以及控制業(yè)務(wù)對時延和可靠性的要求很高等。本文系統(tǒng)地探究了5G技術(shù)與電力系統(tǒng)業(yè)務(wù)的融合發(fā)展手段，對多種典型的電力業(yè)務(wù)場景在5G技術(shù)下的應(yīng)用進行了分析，并選擇一種典型的業(yè)務(wù)場景，即精準(zhǔn)負荷控制業(yè)務(wù)進行了測試，測試結(jié)果驗證了5G技術(shù)的低時延特性，由此證明5G技術(shù)可為電力泛在物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。