李啟玉，王苗娟

（智方設(shè)計股份有限公司，湖北 武漢 430072）

0 引 言

電力系統(tǒng)正在經(jīng)歷前所未有的變革。新一代電力系統(tǒng)需要滿足多種能源、多種實體、多種網(wǎng)絡(luò)的組合，以更好地適應(yīng)現(xiàn)代化用電需求。在信息時代，客戶對用電服務(wù)質(zhì)量的要求越來越高，因此信息時代中的物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)的應(yīng)用成為電力公司重點關(guān)注的對象。雖然互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展至今相關(guān)技術(shù)體系已經(jīng)趨于成熟，但是物聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的融合發(fā)展模式仍處于起步階段，亟待進(jìn)一步研究。未來電力系統(tǒng)的發(fā)展需要不斷引入新技術(shù)，以確保電力系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展和具有較高的適應(yīng)性。

為了實現(xiàn)對系統(tǒng)的科學(xué)管理，需要先解決人、物之間的信息交流及信息流的無縫連接，即物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。5G 通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合能夠推動電力系統(tǒng)邁向數(shù)字化、信息化，有效提高系統(tǒng)的效率和可靠性。但是，不斷增加的連接設(shè)備數(shù)量對電力系統(tǒng)的通信容量、連接性以及數(shù)據(jù)傳輸速率帶來了挑戰(zhàn)。如今，5G+物聯(lián)網(wǎng)的模式正不斷被探索、開發(fā)，5G 通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合將為電力系統(tǒng)帶來巨大變革，促進(jìn)電力系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展，對電力系統(tǒng)的現(xiàn)代化和數(shù)字化轉(zhuǎn)型具有重要意義。

1 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)、電力網(wǎng)和泛在網(wǎng)組成了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)，具有復(fù)雜性、包容性、開放性以及創(chuàng)新性的特征[1]。其中：復(fù)雜性主要體現(xiàn)在電力網(wǎng)和通信網(wǎng)的融合方面，需要通過先進(jìn)的設(shè)備和技術(shù)來實現(xiàn)；包容性主要針對電力系統(tǒng)中的實物，包括變壓器、配輸電設(shè)備和居民的電力設(shè)備等；開放性主要針對服務(wù)對象，包括電網(wǎng)企業(yè)自身和各個電力用戶，通過開放的形式提高經(jīng)濟(jì)收益；創(chuàng)新性主要針對數(shù)據(jù)采集和控制等，通過不斷創(chuàng)新電力互聯(lián)網(wǎng)的功能和商業(yè)模式，使電網(wǎng)企業(yè)實現(xiàn)穩(wěn)定經(jīng)營。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)和應(yīng)用，對于電力系統(tǒng)的智能化、數(shù)字化和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。它的發(fā)展將為電力系統(tǒng)的現(xiàn)代化和數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)通過將電力設(shè)備與通信網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，實現(xiàn)了兩者的互聯(lián)互通。由于電力網(wǎng)本身擁有海量的用戶和多樣化的需求，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的拓展具有廣闊的前景，如社會網(wǎng)、交易網(wǎng)、業(yè)務(wù)網(wǎng)以及資金網(wǎng)等。感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層和應(yīng)用層構(gòu)成了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)[2]。其中：感知層通過傳感設(shè)備監(jiān)測電力設(shè)備的實時狀態(tài)；移動通信網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、無線局域網(wǎng)通過網(wǎng)絡(luò)層連接在一起；平臺層利用大數(shù)據(jù)云服務(wù)將各個網(wǎng)絡(luò)層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)統(tǒng)一收集存儲到一個數(shù)據(jù)庫；應(yīng)用層則旨在為用戶、電網(wǎng)工作人員等提供支持，推進(jìn)電力新興業(yè)務(wù)拓展和商業(yè)模式的創(chuàng)新。

2 主流電力物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)

2.1 常用電力物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)

通過融合通信系統(tǒng)和電力系統(tǒng)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以打造新一代信息物理相交互的電力系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以根據(jù)傳輸距離的差異分為短距離通信技術(shù)和長距離通信技術(shù)，其中低功耗廣域網(wǎng)（Low-Power Wide-Area Network，LPWAN）技術(shù)屬于長距離通信技術(shù)，而如ZigBee、Wi-Fi、Bluetooth 等屬于短距離通信技術(shù)。目前，物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)主要包括蜂窩物聯(lián)網(wǎng)和無線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Network，WLAN），其中2G、3G、4G、5G、窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）、LoRa、增強(qiáng)機(jī)器類通信（enhanced Machine-Type Communication，eMTC）、Sigfox 等技術(shù)屬于蜂窩物聯(lián)網(wǎng)[3]。在電力系統(tǒng)中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可實現(xiàn)對電力設(shè)備的科學(xué)管理，包括智能化監(jiān)測，提高電力系統(tǒng)的可靠性和安全性，同時有效降低系統(tǒng)的運(yùn)維成本，不斷推動電力行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。通過梳理物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，可以更好地了解不同技術(shù)之間的差異和應(yīng)用場景。主流物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的對比結(jié)果如圖1 所示?？梢姡涸趥鬏斁嚯x方面，LPWAN 優(yōu)于Bluetooth、ZigBee、Wi-Fi 技術(shù)，但在傳輸速度方面略顯不足；4G 技術(shù)和5G 技術(shù)在傳輸距離與傳輸速度上的優(yōu)勢均較為突出。

圖1 主流物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)

2.2 5G 通信技術(shù)

2.2.1 技術(shù)原理

有線通信和無線通信是通信技術(shù)的2 種分類。在無線通信中，5G 作為新一代移動通信技術(shù)，采用6 GHz 以下和24 GHz 以上的頻段。頻段的增高會導(dǎo)致波長變短，極大降低了信號覆蓋范圍。微基站作為無線通信中的一種常用基礎(chǔ)設(shè)施，能有效保障5G的信號覆蓋，因此得到了廣泛應(yīng)用。在5G 的實際應(yīng)用過程中，需要建設(shè)大量微基站進(jìn)行協(xié)同覆蓋，以提高5G 信號的覆蓋范圍和質(zhì)量。此外，設(shè)備到設(shè)備（Device-to-Device，D2D）通信也是5G 中的一項關(guān)鍵技術(shù)，可以實現(xiàn)鄰近區(qū)域用戶的直接通信，從而提高時間和頻率資源的空間復(fù)用程度，減少網(wǎng)絡(luò)擁塞和傳輸延遲?？偟膩碚f，頻段高、覆蓋范圍小、微基站廣泛應(yīng)用以及D2D 通信技術(shù)的使用是5G 通信技術(shù)的顯著特點，大大提高了5G 通信的速度和效率[4]。

2.2.2 性能特點

相較于4G 通信技術(shù)，5G 通信技術(shù)在移動性、用戶體驗速率、時延、峰值速率、單位面積容量、連接密度、帶寬和網(wǎng)絡(luò)能效方面的性能指標(biāo)都更優(yōu)越。這些優(yōu)點使得5G 通信技術(shù)可以更好地滿足高速移動業(yè)務(wù)、實時響應(yīng)、高速數(shù)據(jù)傳輸、海量設(shè)備接入等需求。5G 通信技術(shù)的推廣將會對人們的生活和工作產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，如在智慧醫(yī)療、車聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用。未來，5G 通信技術(shù)的不斷創(chuàng)新和應(yīng)用將會給人們帶來更多的驚喜和便利。國際電聯(lián)無線電通信部門于2016 年發(fā)布了5G 通信的性能指標(biāo)，如表1 所示。

表1 5G 通信性能指標(biāo)

3 基于5G 通信技術(shù)的電力物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計

在常規(guī)電力物聯(lián)網(wǎng)通信架構(gòu)設(shè)計中，為了達(dá)到5G 通信能力，通信網(wǎng)絡(luò)采用D2D 數(shù)據(jù)通信方式來提高數(shù)據(jù)通信能力。在融入5G 通信相關(guān)技術(shù)后，電力物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)實現(xiàn)全面升級。通過對云邊協(xié)同組織進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計，將電力物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)通過云邊協(xié)同的方式相互聯(lián)系，使各邊緣設(shè)備集中在一個大數(shù)據(jù)中，便于設(shè)備的管理和運(yùn)營。電力物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 電力物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計架構(gòu)

電力物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計采用了層級結(jié)構(gòu)，包括頂級調(diào)度層、群體調(diào)控層和設(shè)備響應(yīng)層，通過三維立體的方式完成設(shè)計。頂級調(diào)度層的主要任務(wù)是對電力物聯(lián)網(wǎng)各設(shè)備狀態(tài)信息進(jìn)行收集和分析，包括調(diào)控需求信息、負(fù)荷預(yù)測信息、可再生能源信息以及潮流信息等。群體調(diào)控層由多項配電網(wǎng)設(shè)備組成，通過建立的云邊協(xié)同架構(gòu)與頂級調(diào)度層形成聯(lián)系結(jié)構(gòu)。設(shè)備響應(yīng)層主要由負(fù)荷群組成，通過負(fù)荷群之間的配合完成設(shè)備響應(yīng)，主要調(diào)控手段為SDM 算法。

電力物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計采用了三維立體設(shè)計方式，對復(fù)雜的電力數(shù)據(jù)進(jìn)行層級調(diào)控，促進(jìn)了電力物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)聯(lián)系性，使電力物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備按照一定級別進(jìn)行分化，便于管控。電力物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計采用D2D 通信方式和云邊協(xié)同結(jié)構(gòu)，可以加強(qiáng)各層級的聯(lián)系性，將電力物聯(lián)網(wǎng)各設(shè)備數(shù)據(jù)的調(diào)度規(guī)律層次化，同時提高了三維數(shù)據(jù)通信的傳輸速度?；贒2D 通信模型的云邊協(xié)同組織架構(gòu)如圖3 所示。這種設(shè)計架構(gòu)和通信方式的優(yōu)勢在于能夠更好地實現(xiàn)設(shè)備調(diào)度和信息控制，有效利用能源，對電力物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展起到了推動作用。

圖3 基于D2D 通信模型的云邊協(xié)同組織架構(gòu)

4 5G 通信技術(shù)在電力物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

隨著5G 通信技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，它在電力行業(yè)的應(yīng)用前景越來越廣闊。在電力行業(yè)中，低壓用電信息采集、分布式電源、智能分布式配電自動化、電力巡檢等領(lǐng)域是5G 通信技術(shù)的重點應(yīng)用場景，如表2 所示[5]。

表2 5G 技術(shù)在電力物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用場景

傳統(tǒng)配電自動化采用過流保護(hù)方式，雖然可以提高供電可靠性，但是容易造成停電現(xiàn)象，且檢修時無法精準(zhǔn)確定故障區(qū)域。為了解決這一問題，引入5G 通信技術(shù)來實現(xiàn)配網(wǎng)故障的精準(zhǔn)定位，將配網(wǎng)故障處理時間從分鐘級提高到毫秒級，進(jìn)一步提高了供電可靠性和穩(wěn)定性。同理，在配電自動化中，5G 通信技術(shù)可以實現(xiàn)對配網(wǎng)故障的快速響應(yīng)和精準(zhǔn)定位，從而快速處理故障，減少停電時間，顯著提高了整個電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

如今，傳統(tǒng)配電網(wǎng)的早期架構(gòu)設(shè)計已經(jīng)無法滿足實際需求。隨著分布式電源的加入，配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)發(fā)生了很大變化，從原來的單電源輻射狀網(wǎng)絡(luò)變?yōu)殡p電源甚至多電源網(wǎng)絡(luò)。用戶既是用電方也是發(fā)電方，使得電流呈現(xiàn)出雙向流動、實時動態(tài)變化的特點。引入5G 通信技術(shù)能夠有效提高配電網(wǎng)的可靠性、靈活性及效率，實現(xiàn)對分布式電源的智能管理和監(jiān)測，提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率和安全性，同時可以實現(xiàn)對配電設(shè)備的實時監(jiān)測和管理，提高設(shè)備的運(yùn)行效率。安全性分布式電源接入對傳統(tǒng)配電網(wǎng)架構(gòu)有著較大影響，而雙向電流則會帶來新的需求。5G 通信技術(shù)具有高速、低時延、高可靠性等特點，有望為配電網(wǎng)的升級和改造提供有效的技術(shù)支持，推動配電網(wǎng)向更加智能化、高效化的方向發(fā)展。

電纜隧道作為一種封閉的地下管廊，在遭受火災(zāi)、水淹等問題時會對巡檢人員的生命安全造成危險。傳統(tǒng)方式是由2 人以上進(jìn)行隧道內(nèi)部巡檢工作，但是巡檢工作效率極低。為了解決這一問題，引入5G 智能巡檢機(jī)器人，將極大地提高巡檢效率和安全性。5G通信技術(shù)能夠保證機(jī)器人與后臺之間通信的實時性和穩(wěn)定性。巡檢機(jī)器人采用全景攝像機(jī)進(jìn)行實時監(jiān)控，配合5G 網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)低延時視頻觀看。引入5G 通信技術(shù)也可以確保傳輸鏈路數(shù)據(jù)安全，為巡檢機(jī)器人提供更加可靠的數(shù)據(jù)保障。5G 智能巡檢機(jī)器人可以實現(xiàn)對電纜隧道的智能化管理和監(jiān)測，提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率和安全性。

5 結(jié) 論

本文主要強(qiáng)調(diào)5G 通信技術(shù)在未來電力系統(tǒng)與泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中的重要性和支撐作用，能夠促進(jìn)電力物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和應(yīng)用。針對電力物聯(lián)網(wǎng)的概念、特點和主流通信技術(shù)進(jìn)行研究，探討基于5G 通信技術(shù)的電力物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計和應(yīng)用。