武亮亮，馮瑜瑤，紀(jì)金樹，李建強

（1.中訊郵電咨詢設(shè)計院有限公司，北京 100048；2.中國聯(lián)通智網(wǎng)創(chuàng)新中心，北京 100048）

0 前言

近年來，國家電網(wǎng)公司在“三型兩網(wǎng)”的戰(zhàn)略目標(biāo)下，積極推進智能電網(wǎng)建設(shè)［1-3］。隨著分布式能源接入、電動汽車服務(wù)、電力信息采集、配電自動化、用戶雙向交互等業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，各類電網(wǎng)設(shè)備、電力終端和用電客戶的通信需求呈爆炸式增長。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)要求全面感知設(shè)備、電網(wǎng)信息狀態(tài)，用信息流控制能量流，實現(xiàn)能源生產(chǎn)和消費信息共享。因此，電力行業(yè)迫切需要實時、穩(wěn)定、可靠、高效的新型通信技術(shù)［4-6］。

5G 是一種全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其用戶體驗速率是4G 的10 倍，峰值速率為20 Gbit/s（毫米波），空端口延遲為1 ms［7］，具備5 個9 的超高可靠性，可提供100 萬m2的連接密度。針對不同的業(yè)務(wù)場景，5G定義了海量物聯(lián)（mMTC）、低時延高可靠（uRLLC）、增強型移動帶寬（eMBB）三大應(yīng)用場景，其中5G 的海量物聯(lián)和低時延高可靠特性推動了5G 由移動互聯(lián)網(wǎng)時代邁向萬物互聯(lián)時代。中國在推動5G 從移動互聯(lián)網(wǎng)走向物聯(lián)網(wǎng)的過程中占據(jù)非常重要的地位［8］。一方面，國家電網(wǎng)公司提出的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)和智能電網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展要求與5G 應(yīng)用場景高度契合；另一方面，國家電網(wǎng)在基站站點、通信網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)應(yīng)用等方面又具有固有的資源優(yōu)勢［9-10］。因此，如何在這種環(huán)境下深入系統(tǒng)地探索5G技術(shù)與電力業(yè)務(wù)的融合發(fā)展，促進我國電力行業(yè)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，是研究的重點之一。

1 5G與電網(wǎng)業(yè)務(wù)融合場景分析

得益于低成本、可靠、低延遲和開放技術(shù)架構(gòu)的優(yōu)點，5G在電力領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。為實現(xiàn)電網(wǎng)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)這一目標(biāo)，打通發(fā)電業(yè)務(wù)、輸電業(yè)務(wù)、變電業(yè)務(wù)、配電業(yè)務(wù)以及用電業(yè)務(wù)等業(yè)務(wù)場景，在實現(xiàn)現(xiàn)有配電自動化、精準(zhǔn)負(fù)荷控制、電動汽車充電、用電信息采集等基礎(chǔ)業(yè)務(wù)上，逐漸向差動保護、智能巡檢、實物ID 等新型業(yè)務(wù)延伸。結(jié)合5G 通信技術(shù)和應(yīng)用業(yè)務(wù)場景劃分，從帶寬、時延、安全可靠性以及接口等維度分析電力業(yè)務(wù)通信需求，進而實現(xiàn)各類終端設(shè)備的泛在接入和智能化應(yīng)用。5G 特性與電力業(yè)務(wù)的基本要求對應(yīng)如表1所示。

表1 5G通信特點及電力系統(tǒng)需求

5G 通信的特點與電力系統(tǒng)的要求是相輔相成的。對于智能電網(wǎng)來說，5G在海量連接、精密控制、寬帶通信等方面有著廣泛的應(yīng)用［12］，如圖1所示。

圖1 5G在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用場景分類

5G 的通信系統(tǒng)主要由宏基站、微基站和核心網(wǎng)組成［13］。核心網(wǎng)主要負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)信息的傳輸，宏基站主要負(fù)責(zé)通過光纖或微波連接到核心網(wǎng)，不同地區(qū)的基站和用戶的信息主要通過無線通信傳輸。5G 的網(wǎng)絡(luò)特性要遠遠優(yōu)于4G［14］，5G 與4G 相關(guān)性能參數(shù)比較見表2。

表2 5G與4G相關(guān)參數(shù)比較

2 5G在電網(wǎng)中應(yīng)用場景分析

2.1 低延遲高可靠性應(yīng)用場景

2.1.1 毫秒級精準(zhǔn)負(fù)荷控制

在電網(wǎng)中負(fù)荷控制主要用來控制負(fù)荷曲線，從而達到電力負(fù)荷均衡，提高電網(wǎng)的利用率及安全性。精準(zhǔn)負(fù)荷控制可以快速解決電網(wǎng)故障初期頻率迅速跌落、電網(wǎng)中省際聯(lián)絡(luò)線路功率超負(fù)荷、電網(wǎng)發(fā)電設(shè)備備用不足等問題。在電網(wǎng)中，精準(zhǔn)負(fù)荷控制要求秒級和分鐘級系統(tǒng)的單個終端到主站間的通信帶寬為48.1 kbit/s～1.13 Mbit/s，單向端到端時延小于50 ms，可靠性要求高達99.999%。因精準(zhǔn)負(fù)荷控制屬于Ⅰ/Ⅱ生產(chǎn)大區(qū)業(yè)務(wù)，要求和管理大區(qū)業(yè)務(wù)完全隔離，資源獨享，采用物理隔離且要求控制系統(tǒng)永久在線，連續(xù)通信?？紤]到現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的缺點，并結(jié)合5G 低時延、高可靠性的特點，通信終端采用5G CPE可為電網(wǎng)劃分低時延高可靠端到端的網(wǎng)絡(luò)切片，從而實現(xiàn)毫秒級精準(zhǔn)負(fù)荷控制。

圖2 精確負(fù)載控制的結(jié)構(gòu)圖

2.1.2 差動保護

電流差動保護是高電壓輸電技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛、最為成熟的電網(wǎng)技術(shù)之一，其基本原理是比較保護裝置兩端或多端同一時刻電流的矢量值，當(dāng)發(fā)現(xiàn)電流差值超過理論整定值裕量時，差動保護裝置判定該時刻出現(xiàn)故障，斷開其中的斷路器開關(guān)，執(zhí)行保護動作，從而實現(xiàn)了故障的精準(zhǔn)定位和隔離，大大降低了電網(wǎng)受損程度和范圍，很好地解決了分布式電源接入配電網(wǎng)（35 kV以下配電網(wǎng)）中帶來的諸多困擾。

電流差動保護的關(guān)鍵點在于差動保護對電流的差值是基于同一時刻的電流，因此要求相互關(guān)聯(lián)的多個差動保護終端必須保證時間嚴(yán)格同步，時間精度要求小于10 μs，交互信息端到端傳輸時延最大不超過12 ms。目前對配網(wǎng)差動保護相關(guān)的通信要求還未形成標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)高壓差動保護要求，配電差動保護要求通信帶寬大于等于2 Mbit/s，單相端到端時延小于12ms，時延抖動在±50μs以內(nèi)，可靠性要求可達99.999%，需要資源獨享，實現(xiàn)與管理大區(qū)業(yè)務(wù)完全獨立，實現(xiàn)業(yè)務(wù)終端到業(yè)務(wù)終端的通信。圖3 給出了配網(wǎng)自動化中，2臺設(shè)備的差動保護結(jié)構(gòu)圖。

圖3 差動保護控制結(jié)構(gòu)圖

圖3 中，5G 配網(wǎng)差動保護終端通過對時5G 客戶終端設(shè)備（Customer Premise Equipment，CPE）的RJ45接口有線連接，CPE 通過無線空口連接運營商的5G基站，5G 基站通過有線傳輸網(wǎng)和核心網(wǎng)（采用UPF 用戶功能面網(wǎng)元下沉部署方式）專網(wǎng)路由處理，最終實現(xiàn)兩端差動保護數(shù)據(jù)的信息交互。

2.1.3 配網(wǎng)自動化

在10 kV 以上的配網(wǎng)線路中，配電自動化終端主要包括柱上開關(guān)FTU、開閉所DTU、智能TTU 等設(shè)備。通過配電自動化終端自動采集監(jiān)測配電線路電壓、電流、溫度等數(shù)據(jù)的實時狀態(tài)，通過無線網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)直接在地（市）公司匯聚再傳送至配電自動化系統(tǒng)主站。在主站根據(jù)饋線線路或全網(wǎng)單個節(jié)點配網(wǎng)信息進行綜合分析和判斷處理，從而實現(xiàn)故障線路或用電設(shè)備的判斷、隔離以及故障定位等功能，保證供電的可靠性。配電自動化業(yè)務(wù)拓?fù)淙鐖D4所示。

圖4 配電自動化業(yè)務(wù)拓?fù)鋱D

2.2 廣覆蓋大連接場景

電網(wǎng)中用電信息采集及配網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測是廣覆蓋大連接場景的一個典型應(yīng)用。用電信息采集系統(tǒng)主要包括主站、集中器、采集器、遠程及本地通道以及電表等設(shè)備。根據(jù)用電信息的數(shù)據(jù)流向，用電信息采集系統(tǒng)中可以分為上行和下行2 類。其中，上行數(shù)據(jù)主要指低壓側(cè)用戶（工商業(yè)、居民等用戶）的電能表數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)采集器上傳至集中器，集中器經(jīng)過上行通道把相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳送至主站用電信息采集系統(tǒng)；下行數(shù)據(jù)主要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，控制開關(guān)、安全認(rèn)證等控制業(yè)務(wù)。采集頻率一般以天或小時為單位，上報各個用戶的基礎(chǔ)用電數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)以上行數(shù)據(jù)為主。

配網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測是指通過傳感器、網(wǎng)絡(luò)、平臺對配電網(wǎng)設(shè)備運行狀態(tài)、運行環(huán)境進行監(jiān)測，提升配網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備設(shè)施的管理水平，保障配網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大，如公司配電變壓器、開關(guān)柜、環(huán)網(wǎng)柜、分支箱、故障指示器、電動汽車充電設(shè)施、分布式電源等。配網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出顯著的“小數(shù)據(jù)”特征，且監(jiān)測節(jié)點多位于地下室、配電柜等環(huán)境，需要無線通信系統(tǒng)提供海量連接、大容量、廣/深覆蓋等性能支撐。

根據(jù)MTConnect協(xié)議，適配器端負(fù)責(zé)與機床通信實現(xiàn)機床數(shù)據(jù)采集后發(fā)送給代理端。系統(tǒng)中使用FOCAS實現(xiàn)機床數(shù)據(jù)采集的流程，如圖2所示。

目前電能采集以及配網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測，雖然在我國應(yīng)用廣泛，但很多電能表只上傳日數(shù)據(jù)，而不上傳半小時的數(shù)據(jù)，不方便數(shù)據(jù)分析。5G 的高通信速率為分析電力采集的大量數(shù)據(jù)帶來了便利，電力信息采集結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 電力信息采集結(jié)構(gòu)圖

2.3 大容量高帶寬場景

2.3.1 智能巡檢

電力設(shè)備復(fù)雜繁多，且工作環(huán)境較為惡劣。傳統(tǒng)的巡檢方式主要為人工巡檢，存在巡檢效率低下、可靠性、安全性較差以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計不完整，容易漏檢、忘檢等問題。隨著5G 通信技術(shù)的發(fā)展，未來可將AR 技術(shù)應(yīng)用在電力巡檢中。巡檢人員通過佩戴AR 智能眼鏡可以實現(xiàn)操作標(biāo)準(zhǔn)與實際無縫對接，大大提高了巡檢人員操作的準(zhǔn)確性以及安全性。智能巡檢網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖6所示。

圖6 智能巡檢網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

利用5G 大容量高帶寬的特點，對于固定巷道、配電室等場景，可通過智能機器人實現(xiàn)自動化采集，數(shù)據(jù)、高清圖像、視頻等信息也可通過5G 網(wǎng)絡(luò)實時回傳控制中心。在少人或無人值守的220 kV 及以上電壓等級的變電站和換流站可通過智能巡檢技術(shù)代替運維人員進行日常巡視和缺陷錄入工作，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的應(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，要求數(shù)據(jù)傳輸速率大于2 Mbit/s，時延小于300 ms，可靠性為99.99%，對通信時延、可靠性要求較高。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)復(fù)雜地形、惡劣環(huán)境下現(xiàn)場信息獲取。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。巡檢圖像傳輸速率在2 Mbit/s 以上，遙控操作速率在100 kbit/s 以內(nèi)，對實時性、可靠性要求較高，一般時延小于300 ms，可靠性為99.99%。

2.3.2 視頻監(jiān)控

視頻監(jiān)控主要針對電網(wǎng)配電房、供電站重要節(jié)點如開閉站等場景，對其運行狀態(tài)和運行情況進行實時監(jiān)控。配電室一般部署在地下室或相對隱蔽的環(huán)境中。因此，可以靈活部署視頻綜合監(jiān)控裝置，對配電柜、開關(guān)柜、儀器儀表柜等主要設(shè)備進行視頻監(jiān)控、圖回傳，通過AI 識別實現(xiàn)各種設(shè)備運行狀態(tài)預(yù)警、開關(guān)狀態(tài)是否正常識別，大大降低了人工巡檢的繁瑣工作，提高了巡檢效率。為保證視頻的清晰度以及上傳的速度，要求單節(jié)點帶寬為4～10 Mbit/s，且?guī)捔髁啃柽B續(xù)穩(wěn)定。為保障視頻傳送不卡頓，時延應(yīng)小于200 ms。

3 5G在智能電網(wǎng)中組網(wǎng)以及網(wǎng)絡(luò)切片劃分

針對上文中提到的5G 在電網(wǎng)中各個場景的分類應(yīng)用，根據(jù)場景的不同，所需5G網(wǎng)絡(luò)的情況不同，有關(guān)5G 在整個電力應(yīng)用場景下的組網(wǎng)情況見圖7。5G CPE 充當(dāng)電力終端設(shè)備與5G 網(wǎng)絡(luò)的中間紐帶。電力設(shè)備通過外接或內(nèi)置5G CPE 可實現(xiàn)快速接入5G 網(wǎng)絡(luò)，大大降低了老舊設(shè)備改造難度；數(shù)據(jù)經(jīng)過無線接入網(wǎng)及承載網(wǎng)到達5G 核心網(wǎng)，再由5G 核心網(wǎng)接入到電力業(yè)務(wù)主站。

圖7 5G網(wǎng)絡(luò)在電網(wǎng)中不同應(yīng)用場景組網(wǎng)拓?fù)?/p>

其中，核心網(wǎng)側(cè)接入管理單元AMF，網(wǎng)絡(luò)注冊單元NRF，切片選擇NSSF，用戶數(shù)據(jù)存儲UDM，策略控制PCF 由3 類切片共用，同時在3 類切片中分別部署專用的會話管理單元SMF和用戶面管理單元UPF。

基于上述不同場景的分析，可將5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃3類切片，各類切片所承載的業(yè)務(wù)見表3。

表3 電力業(yè)務(wù)切片劃分

5G 在智能電網(wǎng)中的切片邏輯架構(gòu)圖如圖8 所示，其中：

圖8 5G在智能電網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)

a）uRLLC 切片主要分管對時延和可靠性要求較高的場景，可以對電網(wǎng)中生產(chǎn)控制業(yè)務(wù)單獨部署。主要應(yīng)用差動保護、配網(wǎng)自動化以及精準(zhǔn)負(fù)荷控制等場景。

b）mMTC 切片主要分管對連接數(shù)量要求大的場景，適用用電信息采集、設(shè)備資產(chǎn)管理等帶寬時延要求低、連接數(shù)量大的應(yīng)用場景。

c）eMBB 切片主要分管對帶寬要求高、時延要求不高的場景，多用于智能巡檢、視頻監(jiān)控等場景。

4 結(jié)束語

本文對電網(wǎng)中電力數(shù)據(jù)的控制、采集以及應(yīng)用進行了全面的分析，對電網(wǎng)中各種業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)的要求也進行了深入的研究。結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)特性，系統(tǒng)地總結(jié)了5G技術(shù)在電力系統(tǒng)中的集成與發(fā)展趨勢，分析了5G技術(shù)下典型場景在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。最后，結(jié)合電網(wǎng)中的典型應(yīng)用設(shè)計了相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟约熬W(wǎng)絡(luò)切片邏輯架構(gòu)圖，為5G在智慧電網(wǎng)中的應(yīng)用分析提供了重要的支撐，為5G技術(shù)在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的推廣應(yīng)用明確了發(fā)展方向。