5G技术在智能电网中的研究与应用

蒋颖锋

（南瑞电力设计有限公司，江苏 南京 211106）

0 引 言

随着5G建设的展开，我国电力网络正在加速智能化转型，在各方共同推进下，5G+智能电网逐步取得成效。我国能源行业积极实施“互联网+”战略，全面提高行业信息化水平和智能化水平，充分利用最新的信息通信技术和控制技术，开展智能化设备状态监测和信息采集，实现能源行业运营模式和用能服务模式创新。随着新业务的快速发展，原有的通信方式已无法满足电网设备及终端高速发展的信息通信需求，亟需新的移动通信技术的支撑，以满足日新月异的业务发展需求[1]。

1 5G技术的特点

国际电联无线电通信部门定义了5G的3大应用场景分别为增强型移动宽带（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）、大规模机器通信（massive Machine Type of Communication，mMTC）以及低时延高可靠通信（Ultra-reliable Low Latency Communications，uRLLC）。

eMBB是相对于4G而言，4G带宽普遍为20 MHz，单个小区峰值速率为150 Mb/s，而5G单网络单个小区吞吐量达10 Gb/s，支持移动速度500 km/h，用户体验速度可达1 Gb/s，尤其适合高清类视频传输业务，与4G的带宽相比有了质的飞跃。mMTC主要应用于连接海量传感器的应用场景，如物联网应用，其连接数密度每平方公里可达百万量级。连接终端分布区域极广，数量极大，要求网络能够支持海量设备的接入。mMTC可以促进万物互联的时代到来，物联网时代人与物以及物与物之间的数据交流将无处不在。uRLLC主要适用于自动驾驶和智慧工厂等场景，可满足低时延与高可靠性的应用需求，时延必须小于1 ms，可靠性可以达到99.999%。这种应用需要网络对海量数据具有超高速低延迟处理能力[2]。

2 5G在电力系统中的应用

2.1 5G技术在控制类业务中的应用

2.1.1 电流差动保护中的应用

电流差动保护可以实时检测电流差值、设备的模拟量、相应的运行状态以及电流电压等数值，能够及时发现故障并对故障进行快速隔离，防止故障影响范围的进一步扩大。以普通变电站间的线路作为5G电流差动保护为例，在该线路两侧分别配置电流差动保护装置和5G通信模块，采集两侧CT的各相电流，通过差动电流进行故障判断，如果发生故障，则通过5G网络及uRLLC切片保护动作出口，完成电流差动保护控制动作。利用5G的超低时延特性取代光纤差动保护的应用，可大量减少光纤在电网中的使用，尤其对于电压等级较低的线路能实现低成本的快速部署，具有较大的经济价值。

2.1.2 精准负荷控制系统的应用

精准负控系统主要解决电网故障初发阶段频率急速跌落、联络线超载以及电网旋转备用容量不足等问题。根据控制时限要求的差异，可分为毫秒级、秒级及分钟级控制系统。毫秒级控制系统根据频率控制紧急程度的要求能快速切断系统可中断负荷，秒级和分钟级控制系统可在一定时间内切除系统可中断负荷，实现发电和用电功率的平衡。实现方式为将负控终端通过5G CPE设备接入5G网络，并通过5G网络及电力uRLLC切片接入到精切子站装置和精切主站装置。毫秒级控制系统的控制主站至子站的通道传输时间要求小于30 ms，子站到控制终端的通道传输时间要求小于20 ms，5G网络的低时延特性能够满足这一时延要求。

2.2 5G技术在无人巡检业务中的应用

无人巡检业务的代表应用为变电站巡检机器人和输电线路无人机智能巡检。机器人巡检业务主要针对变电站内设备的检测，通过车载或轨道方式用自身搭载的相关检测设备对变电站内的目标设备进行巡视和监测，实时智能评估和诊断设备的运行状态，自动生成巡检线路和设备状态检测报告，同时将检测报告上传至后台管理系统，实时更新设备相关状态数据。通过机器人智能巡检，机器人可取代维护人员的部分巡检工作。目前采用的主流轨道机器人已基本具备外观检查、测温、远程控制、缺陷状态记录以及刀闸状态判别等功能。巡检机器人与5G CPE设备连接，接入5G通信网，利用eMBB切片大带宽特性，实时上传相关监测数据，后台对设备数据进行实时更新，为运维人员判断设备状态提供依据。

无人机在线监测技术主要应用于电力线塔巡检和辅助测绘等方面，在复杂地形和恶劣环境下大有用处。无人机应配置各种传感器（高清相机、夜视相机、雷达等），并通过5G CPE连入5G网络，在指定区域进行对相关线路和杆塔进行巡检的同时，利用eMBB切片大带宽特性将图像和视频实时回传至主站，主站再据此判断电力线路和杆塔的状态。无人机在线监测可与虚拟现实技术融合，对传回的数据进行再处理，实现线路状态的可视化对比，直观判断设备的运行状况，由此安排设备的检修计划，及时有效地排除生产安全隐患，确保电力信息系统安全稳定运行。

2.3 5G技术在高级计量业务中的应用

高级计量利用5G大连接特性，选择mMTC切片连接海量智能电表及电网传感单元，实现海量用电数据的及时采集，最终为用户提供智能用电等个性化服务。

2.3.1 用电信息采集类业务

用电信息采集系统由采集器、集中器、主站、远程及本地通道组成，用电信息采集包括上行数据和下行数据。上行数据指居民用户、低压工商户以及公用配变用户的电表数据，从采集器发送到集中器，再从集中器通过上行通道上传至用电信息采集主站系统。下行数据指用电信息采集主站系统从集中器向电表发送各种指令，做出跳合闸，安全认证等动作的控制类业务。目前，集中器信息一般通过通信运营商网络发送至后台，用户的基本用电数据一般按天、小时的频率采集上报。结合5G大连接的特点，同时连接大量智能电表，采集和分析用户海量的用电数据，实时感知用户用电情况和电能质量，同时分析和管理线损情况与负荷状态，完成智能抄表、梯度电价、负荷预测以及节约用电成本等功能。用电信息采集业务对终端量级要求很高（海量接入），但对通信时延和带宽要求不高，实现准实时的数据信息反馈，最终为用户提供智能用电等个性化需求。

2.3.2 电网运行状态监测业务

电网运行状态监测主要通过安装同步相量测量装置（Phasor Measurement Unit，PMU）和数据采集与监测控制系统（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）来实现。一般通过光纤网络来实现可靠的数据传输，但对于低电压等级而覆盖面极广的配电网，一般都因成本因素没有进行光纤网络覆盖。这时可以通过将传感器单元安装在配电网的不同节点上，利用5G大连接特性连接海量传感器，实时采集配电网运行状态相关数据，如电压幅值、相角、有功功率以及无功功率等，实时感知配电网的潮流状态和运行参数。目前，已有部分城市试点安装微型同步相量测量装置（micro-Phasor Measurement Unit，micro-PMU），对配电系统故障监测范围进一步下沉。在这种情况下，微型同步相量测量装置的需求安装量十分巨大，需要5G海量连接能力的支撑才能彻底解决电力系统“最后一公里”的挑战。

3 5G技术应用的进展

2019年3月，中国电信、国家电网以及华为联合部署江苏省电力公司的测试环境，从QoS/SLA保障等多方面对配电自动化、精准负荷控制及用电信息采集等应用进行切片测试，并于2019年4月完成全球首次5G独立组网的毫秒级精准负荷控制切片实验。

2019年6月，安徽宣城电信与国网安徽信通公司合作建设的特高压古泉站5G网络建设圆满完成，特高压古泉站是昌吉-古泉1 100 kV线路的重要节点，该项目完成后能够在古泉站内实现高清视频监控和智能机器人巡检等业务。5G高速无线通道为站内各项业务提供了快捷灵活的接入方式，其带宽与时延等各项测试指标均满足设计要求。

2020年7月，青岛电信、华为以及青岛供电公司共同开发的5G智能电网工程顺利结束，该项目在奥帆中心等地建设30多个5G基站，实现规模连续覆盖，标志着中国目前最大的5G智能电网正式建成。

2020年8月，由中国南方电网、中国移动以及华为联合开发的5G授时CPE在深圳电网正式商用。5G授时CPE在配网差动保护业务中测试成功，通道延时、授时精度以及差动电流等相关指标的测试结果均达到要求，标志着5G智能电网产业链正在稳步走向成熟。

2020年8月，由中国电信牵头，国内外多家产业联盟单位共同提交的5G智能电网项目在3GPP R18中正式立项，首次定义5G智能电网端到端整体框架标准，为5G智能电网的规模发展奠定坚实的基础。

2020年9月，福建移动、中兴通讯以及国网福建公司成功在福建移动5G开放实验室完成5G切片差动保护测试，业界首创的基于物理资源块（Physical Resource Block，PRB）预留的无线切片实现5G端到端平均时延9 ms，满足差动保护业务的时延要求。

4 结 论

本文初步分析了5G通信技术的特点及其在智能电网中的各类应用，智能电网与5G网络技术相结合能够促进智能电网各项业务的快速发展，实现电网建设的降本增效，具有较大的经济优势和广阔的应用场景。同时也要认识到5G+智能电网的建设和发展是一项长期且艰巨的工程，要达到规模商用还需产业链上各相关企业和研究机构深化合作，才能实现产业生态的发展和共赢。