5G通信在电力系统中的运用分析

郝梓彤

（华北电力大学，河北 保定 071000）

0 引 言

2017年，《政府工作报告》将5G通信列为国家未来亟待培育壮大的新兴产业之一，兼具超大容量带宽、超高传输速率、低延时以及海量连接优势的5G通信发展前景广阔。2020年，在“十三五”工业通信业发展成就新闻发布会中，国务院新闻办公室宣布5G基站开通超69万个，连接用户数超过1.6亿人，5G商用驶入快车道。基于此，分析5G通信在电力系统中的应用具有非常重要的意义。

1 5G通信的概念

5G全称为第5代移动通信技术，法定名称为IMT-2020，包含 6 GHz以下、24 GHz～ 100 GHz多个通信频段[1]。6 GHz以下通信频段用于广域连接，可为物联网发展提供充足支持；24～100 GHz通信频段可为超高速通信提供支持。5G通信部分关键指标如表1所示。

表1 5G通信性能指标

5G通信系统包括核心网、宏基站、微基站等[2]。其中核心网为5G通信网络的控制终端，负责控制5G通信网络系统信息数据传递，并将多端口呼叫、数据请求不间断连接至对应网络。宏基站为5G通信网络的中枢，可经微波、光纤与核心网相连接，并经无线通信线路向多区域宏基站、微基站传递信息，具有覆盖半径广（单载波覆盖半径≥200 m）、发射功率大（单载波发射功率≥10 W）的特点。微基站为5G通信系统末端，一般称为小型基站，最初用于4G通信，具有覆盖半径小、发射功率低的特点。通过协同利用多个微基站，可以确保各区域信号强度一定，为无线连接密度提升提供依据。5G通信速率上限公式为：

式中，C为传输速率最大数值，W为信道带宽，N为噪声功率，S为信号功率。由式（1）可知，在5G通信中，信道带宽、信噪比对5G通信速率具有直接的影响，在已知信噪比、信道带宽的基础上可以进行5G通信速率计算。

2 5G通信在电力系统中的优势

2.1 提高电力系统稳定性

随着发电端可再生能源（太阳能、风能）接入量与用电端智能设备不断增加，电力网络逐渐向末端用电侧延伸，电力系统复杂度持续提升，对电力网络感知能力和保护控制能力提出了更高的要求[3]。传统4G通信网络无法给予电力系统充足的保障，而5G通信在电力系统中的应用可以提高电力系统的运行稳定性。对于源网荷储调控系统而言，传统高时延、低接入率通信网络支持下的电力系统稳定性较差。而基于5G通信网络的源网荷储优化调控系统可以充分发挥5G通信大连接、低时延优势，在实现源网荷储多环节运行状态全景融合感知的基础上，满足储能、分布式电源、智能楼宇空调等海量资源信息的全面接入需求，为电力系统的安全稳定运行提供保障。

2.2 优化系统自愈功能

通过将5G通信应用到电力系统中，可以为配网自动化线路自愈功能提升提供依据。例如，南沙地区电网投入5G通信前，外力破坏事故发生多达153起，同比增长55%。而借助5G视频监控平台，通过5G通信+电子围栏的形式针对进入配电区域的异常物体自动发出预警，配合5G通信与无人机协同巡查，为电力系统自愈提供充足数据支持。

2.3 缩短端到端通信延时

5G 通 信 是 基 于 时 分 双 工（Time Division Duplexing，TDD）的通信制式，基站空间时间偏差在3 µs以内，通信阶段上下时间间隙干扰较少[4]。同时在载波聚合（Carrier Aggregation，CA）、多点协作（Coordinated Multiple Plints，CoMP）技术支持下，可以限制多协同电信号时间差在循环前缀内，时间偏差小于260 ns。通过将5G通信应用到电力系统，可以缩短电力系统端到端通信延时，为电力系统内部垂直业务领域传递时间同步信息，助推业务增值。

3 5G通信在电力系统中的运用

3.1 监测时间同步

自动监控是电力系统安全稳定运行的保障，而统一时间基准是自动控制端有效获取数据的关键。在以往的电力系统中，多由分散独立GPS对时装置提供时间对时或由冗余装置全站统一对时，无法满足电力系统自动监控时间基准校正要求。而通过5G通信，可以应用电力系统同步相量测量装置（Phasor Measurement Unit，PMU）和故障测距提供统一对时服务，满足电力系统时间统一高精度校对要求。

3.1.1 故障测距

故障测距特指电力系统双端行波故障测距，通过将5G通信应用到故障测距中，可以为电力线路及时修复、缩短停电时间提供支持，确保电力系统运行可靠，降低电力系统线路现场巡视工作量和人力成本[5]。特别是在高压电力线路出现故障时，大幅度暂态量持续以接近光速的速度由故障点传播到两端，此时只有两侧计时器高精度同步才可以确保测距精度，一旦产生同步误差，就会带来极大的测距误差。由于传统基于北斗同步时钟、GPS的同步对时模式无法保证同步对时精度，因此可以将5G通信应用到电力系统故障测距中，由5G通信基站向电力线路两端发送授时信号，从而实现微秒级时间同步。

3.1.2 相量测量

相量测量即同步相量测量，特指时间基准统一情况下不同测量点电流相量、电压相量的精准化、实时测量，需要满足电力系统若干节点动态过程参数值测量需求。基于此，可以利用5G通信代替由GPS向PMU传递高精度时钟信号的模式，即由5G通信基站向PMU传递全局时间信号，推动PMU间同步相量采样精度提升到微秒级，控制同步相量测量误差在±1°内。

3.2 源网荷储优化调度

源网荷储调度是在传统电源随荷载动态变化模式上统筹调峰调频，控制储能、分布式电源、柔性负荷在电力调度范畴内的一种模式，对时间弹性、负荷弹性均具有较高的要求。在基于5G通信的源网荷储优化调度系统中，可以直接经5G基站连接小型水电站、火电站、储能电站等分布式系统，在实时潮流模式下实现海量数据双向动态可靠交互。同时贯通通信网络与电力系统链路，聚合分布式电源、负荷、储能，系统控制各类资源量测设备，配合调度上层电力系统来降低电力系统峰谷差，从而为提升可再生能源消纳水平提供依据。

目前，源网荷储调度控制系统需要在实时剖析电力系统运行状态的基础上进行优化计算，将计算结果整合为毫秒级调度指令，并发送给调度端。4G移动网络支撑下的源网荷储数据采集周期较长，1次数据采集时间在10 s以上。基于此，可以将5G通信应用到源网荷储数据调度控制系统中[6]。5G通信支撑下的源网荷储数据调度控制系统包括调度层、资源层、聚合层。其中，调度层主要以源网荷储电力调度平台为核心，负责开展海量动态资源的监测、调度潜力评估、调度策略实践；资源层涵盖了多形态可调用资源，主要来源于电源、通信网络、负荷以及储能多个终端；聚合层主要通过基于5G通信的源网荷储智能终端汇集多类型、多区域资源，提高多种类、小容量单体资源数据处理效率。

3.3 电力物联网

电力物联网是5G通信在电力系统的主要应用模块，主要以 700 MHz 5G 专网、230 MHz无线专网的混合网络为承载[7]。在700 MHz 5G专网产业链日趋成熟的背景下，700 MHz 5G 专网与 IoT-G 230 MHz、LTE-G 230 MHz系统级设备混合组网潜力逐渐提升。基于此，借助700 MHz 5G专网广域覆盖、低传播损耗、强力穿透以及低组网成本等特点，通过端到端的网络切片形式为电力系统构建网络接入体系。相较于100 MHz 5G 公网来说，700 MHz 5G 专网可独享广电部分频率，覆盖半径更广。700 MHz 5G专网基站覆盖半径如表2所示。

表2 700 MHz 5G 基站覆盖半径

根据表2，700 MHz 5G基站覆盖半径较大，可以有效应用电力系统端资源，实现多业务低损耗运行。在电力系统中，700 MHz 5G专网与无线专网综合应用模式如图1所示。

图1 电力物联网综合应用模式

通过在电力核心网内同时接入700 MHz 5G专网、230 MHz无线专网，可以统一部署电力物联网。其中，230 MHz无线专网主要选择纯自建手段，可以为电力系统末端控制类业务提供支撑，特别是小颗粒采集类业务；而700 MHz 5G专网可以与广播电视协作，利用部分频谱资源自建5G基站、核心网、传播网络以及网络运维平台，为电力物联网增量业务、存量业务、新兴业务运行提供支持。在后续进一步升级过程中，700 MHz 5G专网可接入230 MHz无线专网核心网，推动电力物联网的综合应用。

3.4 实时保护

在电力系统中应用5G通信，可以为电力系统提供实时保护服务，包括电流差动保护和馈线继电保护。电力系统中的电流差动保护特指数字式电流差动保护，需要在线路多端同步采样的基础上进行。由于传统基于GPS的同步方法无法满足相位误差小于±1°的要求，因此可以利用具有高精度时间同步的5G通信进行电力系统差动保护[8]。例如，在整合优势资源思路下与电信运营商共同组建端到端切片5G电力虚拟专网，形成端、边、云高效协同的安全管控平台，确保电力系统控制类业务的安全。馈线继电保护是电力系统安全稳定控制的核心，在大量分布式能源接入的基础上，可以利用5G通信系统代替光纤构建若干分布式馈线自动化系统，提高供电可靠性。在发生故障时，仅需通过电力系统端切断故障馈线就可以消除故障，确保电力可靠性。

4 结 论

综上所述，5G通信网络不仅可以提高电力系统自愈功能，而且还可以实现端到端低时延通信。基于此，电力企业可以将5G通信应用到自动保护、源荷网储优化调度以及时间同步监测中，充分利用5G通信高可靠、低时延以及高传输速率等优势，为电力系统安全可靠运行提供保障。