能源互联网背景下5G网络面临的挑战

周强, 刘见龙，周文安

(北京邮电大学, 北京市100876)

能源互联网背景下5G网络面临的挑战

周强, 刘见龙，周文安

(北京邮电大学, 北京市100876)

能源互联网需要将能量流和信息流进行耦合，建立全新的能源体系，分析现有的能源互联网架构及对信息通信技术的需求，结合目前5G网络的研究现状和发展趋势，阐述5G网络在能源互联网背景下面临的大规模传感器接入和组网技术、分布式能源管理、面向能源互联网的应用架构以及网络体验质量(quality of experience，QoE)和信息安全4个方面的挑战。能源互联网是一次重大的能源变革，信息通信技术是实现能源互联网的关键技术之一，综述能源互联网背景下5G网络面临的挑战，为未来能源互联网中信息通信技术的应用指明方向。

能源互联网；5G网络；信息通信技术；挑战

0 引 言

能源是人类生存发展的重要物质基础。当今世界，能源问题和环境问题日益突出，威胁到人类的可持续发展。在全球气候变化和能源紧缺的背景下，人们一方面寻找可持续利用、又清洁无污染的可再生能源资源，如水能、风能、太阳能、生物质能和海洋能等；另一方面人们在思考如何依靠通信信息、互联网络、控制技术有效地协调与利用资源，以解决难题。未来学家里夫金提出“要进行全面的变革，通过变革将能量流和信息流进行耦合，最后建立一个全新的能源体系——能源互联网”。

能源互联网与智能电网之间存在着一些相似和区别。在电网层面，能源互联网中的一些特点在智能电网理论中也提过，但能源互联网相比于智能电网更关注新能源的占比和影响；在能源层面，相比智能电网，能源互联网试图把各种能源组合成一个超级网络，包含智能通信、智能电网、智能交通等众多智能与绿色概念。国内外研究和实践中，美国虽尚未明确提出能源互联网概念，但其提出的智能电网和能源互联网的内涵有很多相似之处；德国在智能电网的基础上进行了E-Energy的技术创新促进计划；2014年，中国国家电网公司倡议构建全球能源互联网。

在欧美地区，智能电网的研究在20世纪90年代末至本世纪初便已经开展，主要有以下两种发展模式。

(1)集中的、自上而下的模式，这种模式的代表是美国。美国最早提出的“复杂交互式网络/系统”是美国现代智能电网的原型，随后的“Intelli grid”项目进行了智能电网的信息通信架构研究，后来规划了“Grid2030”远景图并提升为国家战略，致力于建立横跨美国4个时区的统一电网。

(2)分散、合作的模式，这种模式的代表是欧洲地区。欧洲智能电网主要侧重于分布式清洁能源的利用，如风能、太阳能等。欧洲各国也对各自电网进行了改造，以便打造新型能源网络，实现能源的全局科学的调配，代表性的有丹麦智能电网系统和德国的E-Energy系统。

在能源互联网中，通信技术充当中枢神经系统，是能源合理调配的前提和实现保障，促进未来新的应用和服务的产生。在能源互联网中，各种传感器组成的无线传感器网络需要支撑无处不在的采集、传输，新的电力服务和交易平台需要更好的网络质量的保证。5G技术目前发展如火如荼，相比于4G网络，下一代5G网络的愿景在于提供非常高的数据速率(通常为Gbps)和极低的延迟，用户的体验质量(quality of experience，QoE)将显著改善。在现有的4G网络中，不断增加的智能设备、新兴的多媒体应用以及指数上涨的无线数据需求是网络的一大负担。5G无线网络通过提高数据传输速率、容量、时延、服务质量(qualityof service，QoS)有望解决目前能源互联网的技术难点[1-2]。

本文首先介绍能源互联网的发展概况，通过分析能源互联网的架构，结合5G网络的现状和发展趋势，目前信息互联网采用的相应技术，阐述在能源互联网背景下，5G网络所面临的挑战。

1 能源互联网与5G技术的现状和发展

1.1 国内外现有能源互联网架构分析

能源互联网是一种在现有电网基础上，通过先进的电力电子技术和信息技术，融合了大量分布式可再生能源发电装置和分布式储能装置，能够实现能量和信息双向流动的电力对等互联共享网络。能源互联网是把一个集中式、单向、生产者控制的电网，转变成大量分布式辅助、较少集中式和与更多的消费者互动的电网。图1为基于该理念的能源互联网示意图。

早在1998年，美国电科院(EPRI)开始进行“复杂交互式网络/系统”(complex interactive networks/systems initiative，CIN/SI)研究；2002年，美国电科院又提出“Intelli grid”项目研究，进行智能电网的信息通信架构的研究；2003年，美国规划了“Grid2030”远景图及路线图；2009年，奥巴马将智能电网提升为国家战略，致力于建立横跨美国4个时区的统一电网；2009年，美国能源部宣布出资智能电网项目开发和资助智能电网的示范项目，同时IBM公司、通用电气公司和谷歌公司获得研究智能电表及电表省电应用软件的资助。

图1 能源互联网示意图Fig.1 Energy Internet

2008年美国北卡莱纳大学主持FREEDM(future renewable electric energy delivery and management)系统研究，该系统效仿互联网中的核心路由器，提出了能源路由器的概念并进行了原型实现。美国加州大学伯克利分校的研究团队关注智能电网的底层信息架构，提出“以信息为中心的能源网络”架构[3]。

欧洲智能电网侧重于清洁能源的利用。2002年，欧洲提出“欧洲智能能源”计划，并资助欧盟各国和地区开展节约能源和发展可再生能源的行动；2005年，欧洲智能电网技术论坛成立，该论坛主要对未来电网的发展前景和需求进行研究，正式启动未来电网智能电网(SmartGrid)技术平台；2009年，欧盟发布了战略能源技术计划(SET-Plan)路线图，旨在加速技术发展和大规模应用，其中智能电网作为第一批启动的6个重点研发投资方向之一，提出了2010至2020年智能电网技术发展路线[4]。

E-Energy是2008年德国在智能电网的基础上推出的一个技术创新促进计划，是基于信息通信技术(information communication technology, ICT)的未来能源系统。它提出打造新型能源网络，在整个能源供应体系中实现综合数字化互联以及计算机控制和监测的目标。瑞士的研究团队则设计了能源集线器，并设想以此设备构建能源互联网。意大利、西班牙和荷兰都在进行智能电网的建设，他们致力于智能电表、互动式电能源网络以及智慧城市方面[5]的研究。

中国的智能电网项目是从2007年开始实施的，国内一些电力电网公司以及中科院电工研究所等单位先后启动了智能电网相关试点工程与实践研究。在2009年的特高压输电技术国际会议上，国家电网公司提出2016至2020年建成统一的“坚强智能电网”；2014年7月，国家电网公司在美国华盛顿召开的电气与电子工程师学会电力与能源协会2014年会上，面向国际电力学术界和企业界的代表，呼吁构建全球能源互联网。2011年，中国首个智能电网综合示范工程在中新天津生态城投运，是当时国际上的覆盖区域最广、功能最齐全的智能电网示范区[6]。

通过以上对比分析，能源互联网在美国、欧洲和中国主要有集中、自上而下模式和分散、合作两种模式。美国和中国由于广阔的疆域与自然形成的能源布局，集中式的超级电网会在未来能源互联网中占据重要地位；欧盟本身是一个区域一体化组织，分散式模式更适合欧盟的进一步发展。在这两种模式下，能源互联网都是把一个集中式的、单向的、生产者控制的电网，通过电力技术和信息技术转变成由大量可再生能源组成的分布式电网和使更多的消费者互动的电网。以上各国的能源互联网发展历程如图2所示。

未来网络的设想是任何人和设备在任何地方任何时间都可以接入网络，共享信息和数据。相比于4G无线网络，5G有更高的网络容量，比4G提升1 000倍；数据速率从4G的100 Mb/s到几十Gb/s；端到端延迟从4G的十几 ms减少到5G的几 ms；5G将支持大量设备的接入、降低花费并让用户有更好的QoE[2]。

图2 各国或地区能源互联网发展图Fig.2 Energy internet development in different countries

1.2 5G现有技术和发展

5G网络的研究正在如火如荼地进行，表1是一些主要厂商进行的5G网络设想和试验。爱立信预计5G发展应该以向后兼容的方式从现有4G LTE网络开始，这有助于抑制使用相同的载波频率的传统设备[7]。高通正在发展和推动4G和5G的并行实现，通过增加大量的新服务，建立统一的平台有助于降低成本和节能效率[8]。华为正在与国际组织、众多大学、政府以及生态系统合作伙伴进行5G的关键创新[9]。日本的NTT DoCoMo认为较高和较低频段的集成是5G部署的关键，较低频段将负责基本的覆盖，而较高频段将提供更高的数据速率[10]。诺基亚认为优化频谱使用，提高性能是实现5G无线网络的关键[11]。三星的5G愿景是将数十亿自组织设备连接起来，开启物联网时代[12]。5G市场各厂商和运营商对5G的发展观点和5G试验如表1、2所示。

表1 市场对5G的发展观点
Table 1 Development perspectives on 5G

表2 5G厂商和运营商对5G的试验Table 2 5G tests conducted by manufacturers and operators

5G无线通信致力于在无线数据速率大小、增加带宽、覆盖以及连通性、降低时延和能量消耗方面取得进展。能源互联网是物联网的一个应用，其中覆盖大区域的智能测量设备对网络的接入将会是对现有网络的一个挑战，5G无线网络将在降低数据传输时延、提高可靠性以及提供实时的可操作性方面取得进步，能源互联网将是5G无线网络的一个应用，推动5G网络的发展[13]。下一代5G无线网络示意图如图3所示。

图3 5G无线网络示意图Fig.3 5G wireless network

2 能源互联网的架构和信息通信领域需求

能源互联网是实现能源和信息双向流动的对等网络，开放、对等、互联和分享是能源互联网的基本特征[14-17]。

能源互联网中信息采集和数据传输需要5G网络高速的数据传输速率和低时延，以保证电网中信息流的双向传输以及业务的进行；多元化的数据融合与信息展示平台是数据汇聚点和能源互联网上信息加工后的展示，需要采用大数据技术对数据进行挖掘和分析，对数据处理结果进行针对性地输出和应用；能源互联网上的高级应用是面对能源互联网上的各个单元提供服务和应用的平台，需要5G网络提供相应的QoE保障和安全保障。

要适应全球能源互联网的发展以及信息通信的大幅扩张，对信息通信的安全性、实时性以及可靠性有更高的要求，需要信息通信领域有更大的创新和突破。

3 能源互联网下5G网络面临的挑战

能源效率和电力风险是当今世界面临的关键问题，发电多样化、需求响应、可再生能源的接入以及降低CO2排放等问题不能通过现有电网来解决。通过集成智能控制、传感以及信息通信技术，能源互联网革新了发电、分布式能源的应用以及电力消耗的问题，能源互联网的目标是实现能源和环境的可持续发展。

5G网络技术将是能源互联网的信息技术支撑，能源互联网需要解决智能测量、需求响应、分布式能源控制、传输网络管理以及服务平台建设等方面的问题。在能源互联网背景下，5G网络需要提高数据传输速率，降低延迟，更好的网络质量保证；其次需要提高网络密集程度，实现超大的网络容量，实现各种网络的互联互通；第三还需要灵活依据能源互联网的特点给出相应的网络服务；最后能源互联网的安全问题也是一个重要挑战。图4给出了能源互联网背景下，5G网络面临的主要挑战。

图4 能源互联网背景下5G网络面临的挑战Fig.4 Challenges of 5G network in energy internet

3.1 大规模传感器接入和组网技术

在能源互联网的数据信息采集和传输层，需要在现有电网基础上，部署广泛的传感设备来实时获得数据，将数据传输到数据中心，经过处理之后反馈回来对能源互联网进行调节。数据的采集和传输一般使用大量嵌入式传感器来完成，形成传感器网络[18-19]。

无线传感器网络(wireless sensor networks, WSNs)就是由这些传感器节点组成，它们一般部署在一个监测区域来协作地感知、收集和处理感知信息，通过自组织的方式相连，然后将处理后的信息通过多跳的方式传输到基站。无线传感器之间通信频率选择，传感器能量供应问题的解决以及传感器位置部署的优化和维护等问题，是在能源互联网背景下5G网络面临的重要挑战。

3.1.1 传感器间通信频率的选择

无线通信的容量与频谱效率和带宽相关。当前，几乎所有的无线通信频谱在300 MHz和3 GHz之间，这个带宽在各种环境下拥有可靠的广播特点，但是在增加移动容量和连接上不理想，因此，下一代5G网络要探索波段在3～300 GHz的未用的mm波。无线电频谱带宽在各国都是宝贵的资源，为了满足未来能源互联网上更多设备的接入和网络容量的扩展，获取相应的mm波频段对能源互联网的发展是十分必要的。

3.1.2 传感器能量供应

无线传感器网络技术作为物联网的关键技术之一，由于其低成本和高可靠性，该技术在未来能源互联网的设备监控和故障检测上有广泛的应用前景。无线传感器的节点通常由电池进行供电，当电池的电量用完时，节点就会失效，从而导致无线传感器网络的失效。在电力网络中，传感器布置的环境通常较为恶劣，更换电池比较困难，而且给庞大数量的传感器更换电池也是不太现实的。在能源互联网中，解决无线传感器网络中的节点能量供应是一个挑战。

3.1.3 传感器异构节点位置部署优化

在无线传感器网络中，负责与外网(如Internet，5G网络等)连接的节点和汇聚节点相对于一般的传感器节点有更多的处理能力和资源，可以持续供电，这些节点属于异构节点。无线传感器网络的寿命和成本与异构节点的部署有很大的关系，同时，这种异构网络的实时服务的阻塞率、非实时业务的平均传输时间以及网络负载等都要进行考虑，以获得最好的通信传输效果[20]。在无线传感器网络中，节点的移动或会导致网络拓扑结构的变化，因此路由算法必须考虑由于网络节点的移动以及网络拓扑结构的变化而引起的路由维护问题。

在能源互联网的传感器和设备接入和组网方面，主要面临着未来5G网络中的无线电频段的选择和获取，传感器设备的能量供应和节点部署的挑战。

3.2 数据驱动的分布式能源管理

能源互联网需要大量的分布式能源和可再生能源接入和互联，对这些分布式能源的控制和管理向5G边缘网络技术提出了挑战，实现智能测量、动态电价、智能家庭控制系统、实时用电信息反馈以及调度和负载控制需要5G网络提供功能强大的控制管理系统。

3.2.1 基于数据的管理

负荷预测是能源互联网运行和调度的重要内容。实现负荷预测需要大量的历史同期数据及天气环境数据等，大数据技术在其中起着关键作用。由于能源互联网采集的数据充分且全面，通过专用的数据处理框架和高性能的计算机，将实现精准的负荷预测。

能源互联网运行状态监测是基于数据管理的一个重要内容。风电机组运行环境恶劣，采用基于数据挖掘的分布式能源的运行状况的评估，监测发电机组的损耗、疲劳情况等，提高运行安全性，避免安全事故，降低运维成本；依照监测到的各区域的用电情况，进行需求侧响应。

故障分析是能源互联网大数据的另一个应用。根据能源互联网的运行监测数据，实时分析网络运行状况，实现快速精准的故障定位，减少传统定位的成本，提高效率。图5展示了能源互联网产生的大数据以及大数据处理方法。

图5 能源大数据及数据处理方法Fig.5 Energy big data and data processing methods

3.2.2 分布式能源管理

能源互联网中存在许多智能设备，这些设备上传数据和共享通信基础设施，在能源互联网依据设备产生的数据进行分析，并将这些数据分析结果输出到各种设备上去，完成对整个网络的调控和管理，完成这些过程需要对网络的延迟等有较高的要求。基于云计算的理念，移动边缘网可以支持云环境管理的切换和对各种设备产生的大数据进行处理，这样大部分的计算决策可由移动设备进行管理，降低了5G网络数据传输的负担[21-24]。

能源互联网连接着众多的用户，基于雾计算的理念，基于本地用户资源建立本地云，本地实现数据的管理和计算，保障数据隐私和安全，很好地解决网络实验和服务计算问题[25]。

对分布式能源进行管理和控制是在能源互联网背景下5G网络面临的另一个挑战，将5G边缘网络管理的理念引入能源互联网，将各种智能设备产生的数据存储和处理分散在各处可以有效提高网络管理的能力和效率是5G网络需要解决的问题。

3.3 应用架构

3.3.1 高级应用的开发

能源公共服务平台的定位是多元化的数据融合与信息展示支撑平台，依托底层传感器网络采集的可靠数据，通过数据挖掘和分类存储，构建能源互联网的服务平台。服务平台的开发要能实现数据的可视化，将数据变换成图形或图像显示出来，实现能源生产者和能源消耗者的协调优化控制，并实现与能源互联网的交互与主动优化控制；能源互联网通过分布式能源的接入，通过能量交换机实现电能的双向流动，建立能源在线交易平台，实现用电单元多余电能的共享[21]。

3.3.2 移动互联网技术应用

现代无线通信技术改变了我们的生活方式，为有一个富有成效的生活，我们需要从不同来源获取和分享信息。能源互联网上拥有庞大数量的智能设备和应用，对数据的需求会不断提高，网络容量也需要大幅提高。随着5G通信技术的到来，频谱效率和容量将比4G网络获得更大的提升，有助于解决未来能源互联网对网络要求不断提升的问题。未来能源互联网上也像互联网一样会产生许多的移动设备和应用，如电动汽车，5G的一个趋势是连接人与机器以及机器与机器(machine to machine，M2M)通信，借助5G无线技术，能源互联网将深入社会各个方面。

从商业的角度来看，能源互联网是实现能量和信息双向流动的网络，提供可靠的交易平台和移动互联网技术应用将是未来5G网络需要探索的商业模式[21]。

3.4 5G网络QoE支持和安全支持

在能源互联网中，下到底层的传感器数据采集传输，上到能源交易平台客户的交易结算，这些都需要5G网络对不同服务提供相应的网络质量保证，实现资源的灵活配置和调用，基于SDN的三层网络体系结构，即数据平面、控制平面以及应用平面的结构划分可以实现对网络资源的灵活配置和调度，在能源互联网中基于SDN理念进行5G网络布置，完成能源互联网不同服务对网络质量的不同需求，实现网络资源的最优配置[26-27]。

在能源互联网环境下，传统的信息系统安全策略无法直接应用到工业控制系统中，因此保证能源互联网的安全性是一个必须解决的重要问题。

能源互联网的安全运行不仅需要骨干网络的安全稳定、抗攻击性强，对能源互联网运行所依赖的整个信息环境的安全也同样有严格的要求，建立一套覆盖物理层到应用层的纵深信息安全防御体系是对能源互联网的基础支撑。

建立纵深的安全防御体系需要对分布式能源发电、接入、传感器网络部署等基础设施的安全进行关注，也需要在信息通信、数据传输、存储方面保证数据的安全性，对于更上层的应用，如大数据挖掘分析、能源交易平台建设，要注意数据的隐私保护，保护用户信息不受攻击。

4 结 论

能源互联网是传统能源结构裂解的最好触媒，它推动能源设施从孤岛系统、自动化运转到柔性能源生态集群，会是人类智能化历史上最大的产业升迁。信息通信技术是实现能源互联网的关键技术之一，信息通信技术在能源的安全、调度和智能化利用方面有重要作用，全球能源互联网需要将各种能源转换为电能，通过电网和电力通信网络，实现能源和信息的共享。在能源互联网的背景下，本文分析了5G网络在无线传感器网络、分布式管理和控制、移动互联网技术应用以及网络安全方面面临的一些挑战，展望了未来能源互联网的场景应用。

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(编辑 刘文莹)

Challenges of 5G network in Energy Internet

ZHOU Qiang, LIU Jianlong, ZHOU Wenan

(Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China)

Energy internet needs to be coupled with energy flow and information flow for establishing a new energy system. This paper analyzes the current energy internet architecture and the demand for information and communication technology. With the current research status and development trend of 5G network, this paper expounds four main challenges of 5G network in the context of energy internet, including large-scale sensor access and networking technology, distributed energy management, application architecture for energy internet and quality of experience (QoE) and information security. Energy internet is a great reform of energy, and information and communication technology is one of the key technologies to realize it. This paper summarizes the challenges of 5G network under the background of energy internet, and gives reference for future applications of information and communication technology in energy internet.

energy internet; 5G network; information and communication technology; challenges

TM 73

A

1000-7229(2017)05-0062-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2017.05.008

2017-01-09

周强(1992)，男，博士研究生，主要研究方向为未来无线网络；

刘见龙(1988)，男，博士研究生，主要研究方向为D2D；

周文安(1971)，女，副教授，主要研究方向为下一代无线宽带网络和无线互联网，服务科学与服务工程。