基于5G 的电力调控类应用方案研究

张 然 张建洲 李建克

（1、国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京210000 2、国电南瑞南京控制系统有限公司，江苏 南京210061）

电力调控类业务对时延、抖动、可靠性、业务隔离性、可管理性以及覆盖区域的需求较高，现行的电力业务通讯方式有待优化提升。5G 通讯从网络架构、边缘计算服务、切片管理等方面提供了更好的网络可定制性，满足电力业务承载需求。[1]本文通过对5G 技术在电力调控类业务应用的研究，为相关理论研究和应用提供了分析和支撑。

1 目的和意义

应用5G 低延时高宽带技术和高速数据采集传输技术，可实时调控的虚拟电厂系统平台和分布式电源、负荷调控平台，可应用于大量分布式电源和可控负荷的融入电网、需求侧管理、提高电网调控能力的场景，为推动负荷聚合商参与需求侧响应业务、可再生能源（光伏、风电）参与和承担电网辅助服务等新业务提供软件和设备的支持；应用有源电网的调控主站、满足5G通信的配网差动保护装置和外置嵌入式5G 电力通信终端，可面向有源配电网的调控主站如何处理5G 环境下的海量数据，解决大量分布式电源并入配电网后的新需求。[2]

目前已开展的基于5G 通讯的同步相量测量技术（PMU）电力控制试点验证方面，电网的PMU 到电力控制主站的通信时延<10ms，通信频次>100 帧/秒，测试数据和实验结果充分论证了5G 网络在电力控制业务中的高可靠性、低时延优点，可以响应电网PMU 通信频率高、时延小、监控点多、数据复杂的电力控制业务需求。

2 关键技术研究目标

为避免频率下降给电网运行带来的巨大风险，如果出现线路切除负荷不及时彻底的情况，将会导致电力减载设施无序动作，对企业生产和居民生活造成大范围停电影响。目前，现有的电力控制措施尚有优化提升空间，如能将海量的、分散的、可中断负荷集中起来，共同参与毫秒级别的电力负荷精准控制，将以往的电源调控变为负荷、电源调控兼顾，从而实现源、网、荷友好互动以及电力供需实时平衡，优化范围内结构能源配置，避免发生大面积停电事故，降低电网波动企业生产和居民生活的影响。[3]

我国的分布式电源发展分布式电源调控主要涉及接入管理、负荷预测、故障处理、电能质量四个方面，5G 通信带来的更广的设备连接性、更高的通信带宽和更低的通信延迟使得集控站能获得更强的控制能力、更多的数据信息和更快的响应速度。因此研究基于5G 技术的分布式能源调控业务，可以实现降低分布式电源接入电网过程中对电网本身的冲击提高分布式电源利用率，提高负荷预测的准确性和实时性，抑制电网抖动提高整体电网稳定性，提高分布式电源电能质量等目标。[4]

3 解决方案

为有效保障电网的安全运行，针对电压三相不平衡等突出问题，本文提出了基于5G 的分阶段调控策略：

3.1 离散型一致性算法和5G 网络拓扑

3.2 第二/三阶段调节过程

3.3 基于网络切片的分布式电源调控改进方案

本文提出以网络切片为主要的横向安全防护技术；制定网络切片管理框架，完善整个分布式电源调控在5G 环境下的横向安全防护系统。[5]

3.3.1 网络切片技术

网络切片技术将电力控制通讯网络分割成数个虚拟终端。虚拟终端内部的网络接入、信息传输和网络核心架构在逻辑上相互独立。5G 技术在智能电网中可划分为eMBB、mIoT 和uRLLC 三大应用场景。5G 网络的切片将具体的物理网络分割为多个虚拟终端，以适应不同的应用场景。[6]

3.3.2 切片部署

根据5G 网络切片的智能电网控制业务逐渐多元化的需求和不同应用场景，部署适用不同的网络切片配置。[7]

a. 基于uRLLC（超高可靠低时延通信）的电力控制业务

在基于5G 网络的电力控制业务应用中，分布式电源电压控制、柔性可调负荷精确控制、故障切除等工作任务的执行均需要低延时、高可靠的通讯网络。在控制器连接端，可以将UPF 部署在边缘，采用通道化承载切片连接UPF 和5G 基站，并在UPF附近部署移动边缘计算节点。

b. 基于eMBB（移动宽带）的电力控制业务

电力无人机视频巡检、供配电场站机器人巡检、视频人机交互和电力VR 监控业务等对于视频流量提出很高的要求，必须通过局域5G 切片把业务相关视频内容接入移动边缘计算节点进行初级处理，然后将处理结果传送到上级控制系统。对于现场应用移动性、连续性要求高的特点，还需要在设置网络切片时使用独立的AMF/SMF 保障业务开展的稳定性。

c. mIoT 类（物联）业务

图1 第三阶段下垂控制示意图

图2 网络切片在电力控制网络中的应用示意图

基于5G 网络的电力控制业务应用的物联网业务覆盖面广，对时延、带宽的要求较低，可以采用与现有通讯系统共享资源的模式部署，网络承载方面使用逻辑隔离，可有效降低网络建设运营成本和网络切片部署复杂程度度。[8]

3.3.3 网络切片管理

网络切片管理应该考虑本行业的终端和服务器系统，针对分布式电源调控进行调整。可以应用网络功能虚拟化管理机制（MANO）提供管理方式，如虚拟资源的分配、上报和硬件故障报警等。[9]网络切片管理由业务管理层、切片管理层和切片子网管理层组成。网络切片管理还将实现网络功能虚拟化所需操作，包括电力业务通讯顶层设计、工作票准备、网络配置、保护激活、实时监控、自动上传报告、参数修改以及工作终止等业务操作，实现业务全生命周期管理。[10]

4 结论

本文研究基于5G 技术在电力控制业务领域可发挥的优势，实现配网保护、精准负荷控制、分布式能源调控、虚拟电厂、负荷调度、配电自动化等业务装置优化配置和信息便捷交互，提高配网故障定位隔离速度，精准进行分布式电源和负荷调度控制，提升能源互联网调控效率，为电网调控赋能。