5G通信技术在电力系统中的应用

程夏威 李建平 陈强 薛晨旭 周润

（国网鹤壁供电公司 河南省鹤壁市 458030）

1 前言

第五代移动通信技术（5G）使得接入网出现高宽带、多样化融合的趋势。随着5G 通信技术和电网的深度融合，电力系统表现处多能源、多实体、智能化发展的趋势；与此同时电力系统的用户对用电质量的要求也日益增加，并且要求具备更快的服务响应速度。

作为电网智能化发展的承上启下环节，配电网直接面向终端用户，随着配电网由单电源辐射状发展为多电源复杂网络，传统的配电网故障处理方式越来越不能满足智能配电网的自愈需求。

传统的无线通信技术虽然具有成本低廉、部署简单以及适应性强的特点，但是在应用到电力专网通信时，还存在带宽小、时延高以及稳定性不足的问题，因此使得传统的无线通信技术并不能广泛应用到实际配电网的控制业务中。

2 5G及在电力系统的应用场景

5G 指的是第五代通信技术，虽然目前这种新型的通信方式普及率还较低，但是和4G 通信技术等之前的移动网络技术相比，5G在实际应用中更加表现出广阔的应用前景。

和传统的通信技术相比，5G 通信技术具有众多优势[1]：

（1）传输速度快、带宽高。和目前应用普及的4G通信技术相比，5G 的传输速度优势更加明显，其下载速度最高可以达到每秒3.8G。

（2）时延低、可靠性强。这种低延时特性使5G 通信技术能够满足智能电网、自动巡检等特定行业、特殊领域的需求。

（3）稳定性高。5G 通信技术不仅传输速度快，而且在稳定性上也比4G 通信技术有了更大的进步，对于复杂的应用场景也更加适用，不会因为环境的复杂性而出现传输时间长或不稳定的情形。

5G 通信技术的应用场景更加体现在移动终端上，适合移动终端的特性势必使其在电力巡检中也有出色的表现：电力系统中传统的巡检方式一般是车辆载人定期巡检，在农村、山岭、河流等区域困难重重；引入5G 通信技术后可以使用诸如智能机器人、无人机等智能设备，提高巡检效率的同时还可以搭载更多监测功能。

5G 通信技术能够用于低压用电的信息采集。220 伏-380 伏低压的终端用户众多，传统的通信技术并不能实现及时的用电数据采集。随着5G 基站的普及，其高覆盖特性将能够全面采集居民和商户的用电数据，然后在传输到电力企业后进行后续的数据处理、分析工作。另外，5G 通信技术的高速率、高带宽特性也能比传统的通信技术支撑更大量的数据采集，降低了数据采集成本。

5G 通信技术能够提高负荷控制的精度。对于供电超过35kV 以上的大工业客户，为了保证电网安全需要在出现机组跳闸、频率波动等异常状况时能够实现毫秒内的定向切除负荷。传统的通信技术延时较高，因此难以实现这一目标。5G 通信技术的延时较低，从而保证在出现电网频率波动等异常情况时可以实现毫秒级的精准负荷控制。

图1：5G 技术在差动保护中的应用

图2：电力网络及5G 通信网络融合模型

5G 通信技术在风力发电、生物质发电等可再生领域也有重要的用武之地，能够满足分布式能源对实时数据采集及传输、高速互联等的要求，而且保证通信传输更加稳定快捷。5G 通信技术的确定性及差异化网络能力还能够给配电网接入通信覆盖带来新的解决方案。在5G 实现城市全面覆盖后，电力系统完全可以充分利用5G通道替代目前带宽不足的4G 通道，为一些特殊场景下的超长度、超跨度的特殊设备提供在线监测服务。

3 5G在差动保护中的应用

在将5G 通信技术应用于差动保护时，关键技术包括两方面[1]：电流差动保护同步应用以及5G 配电网电流差动保护应用。

电力系统中配电网差动保护的信号同步一般有两方面要求：线路两侧需要保持强一致的采样时刻、差动继电器在计算差动电流时应选择两侧相同时刻的采样数据。实际应用中主要的信号同步方法包括：基于数据通道的信号同步、基于GPS 同步时钟的信号同步。本文使用国内自主研发的北斗导航系统，并将由高稳定性晶振体组成的采样时钟部署到电力线路两端的保护装置内，设置信号同步频率为1 秒，即每过一秒就同步一次脉冲信号，实现两端采样的严格同步。

为了提高差动保护的稳定性，电力系统业务终端和配电主站间的数据传输可以根据实际情况部署5G 通信系统，配电网电流差动保护装置可以充当配电网线路保护，以在提高故障后抢修效率的同时降低停电时长。在差动保护中使用5G 通信技术后，可以解决电力系统中配电网保护装置面临的如下问题[3]：

（1）解决分布式电源并网导致的配电网不可用问题。分布式电源中的电子器件难以承受过电流以及过电压，在出现故障后的电流水平会使得配电网中原有的继电保护方案性能恶化。5G 的高可靠性及稳定性会解决分布式电源并网导致的各种问题。

（2）解决电力系统网络拓扑结构变化出现的结构性问题。在接入分布式电源后，配电网原有的单端放射式网络结构演变为多电源网络结构，传统的通信技术并不能保证配电网保护随着网络拓扑的变化而变化，但5G 的确定性及差异化网络能力使保护装置可以实现灵活配置。

因此，可以将5G 用于电力系统差动保护的信号同步，有序串联差动保护装置、配电主站以及配电终端，并将其用于110kV 变电站间常用联络线的电流差动保护，如图1 所示。

在实际应用过程中，可以从两端考虑电流差动保护，即配电终端采集两侧CT 的零序电流和各相电流，以此为基础分别计算被保护线路的制动电流以及差动电流，然后借助5G 基站进行切片。在出现区内故障后，两端的配电终端都会引发各自的差动保护逻辑进行动作，从而达到差动保护的目的。基于此原理，华为完成了首个基于5G 网络的差动保护场外测试，并且测试了单基站下DTU 的传输延时为8ms。

4 5G在电力通信网络中的应用

传统的电力系统网络控制方法一般采用集中式的调度方法，即调度中心要借助通信网络实现和电力系统内所有负荷节点的通信；而新能源的并网等需求又导致电力系统中的通信网络拓扑复杂多变。

为使电力系统中的通信网络在受扰动后可以快速及时的响应，降低暂态稳定分区控制的时间，需要考虑必要的网络升级优化措施，将信息通信网络升级到5G 通信网络，提高信息通信延时，从而实现及时控制的目的。考虑到电力系统网络单条线路出现故障后通信网络进行数据传输及处理的可靠性，以及通信网络中最小数目PMU 的配置规则，可以定义一个电力网络和信息通信网络融合的模型，如图2 所示。

由图2 可以看出，通信网络和电力网络分别在通信网络融合模型的上下两侧，电力网络和5G 通信网络间的数据流动即为图中的“空间映射线”，将电力网络信息上传到通信网络，并从通信网络给电力网络下达控制指令。5G 通信网络中包括前端数据采集设备（传感器、PDC 等）、传输线路（光纤线路）以及服务器等；电力网络包括发电机、负荷等各种电力设备。5G 通信网络的各设备间通过通信线路连接，并借助传感和控制功能与电力网络进行信息交互。

将5G 通信网络和电力网络融合后，新的电网比传统的电力网络具有的显著优势包括：首先，能够采集到的范围及数据量大大增加，采集范围的增加在某些特殊及艰苦环境就意味着效率的提高；其次，电力网络和5G 通信网络的连接既包括有线设备，也包括无线设备，大量的分布式设备能够打破电力系统中传统布线模式的瓶颈，而5G+分布式设备的轻部署、广覆盖等特点，可以克服电力行业的线路复杂、设备场景多变等问题。

随着电力网络的不断增加，网络拓扑结构也越来越复杂，而且此时大量数据流在电力网络和5G 通信网络中传输。电力系统的很多特殊场景下都需要实现实时控制，而实时控制对5G 通信网络的数据传输有很高的要求。虽然可以考虑在电力系统的各个节点都安装PMU，但是这种解决方法会引起信息冗余以及计算负担，因此可以考虑优化PMU 的配置。

对电力网络中5G 通信网络的信息传输进行优化时，主要的优化方案包括：

（1）对电网同步相量测量单元（phasor measurement unit，PMU）的配置位置进行优化选择。

（2）减少通信网络内的设备数目，以此在实现全网数据采集目标的同时降低开销。

（3）借助卫星导航系统标记数据测量设备，以精确标记测量信息源。

如果母线已经安装了PMU 设备，那么就可以直接获取此节点的电压相量数据；如果节点没有安装PMU 设备，则可以根据基尔霍夫电流定律和欧姆定律得出虚拟测量结果。

除了上述应用外，5G 通信技术的发展本身也能够拉动对电力的需求。接下来几年将是我国5G 基站建设的高峰，当前已有的电力杆塔是5G 基站建设可以使用的资源。电力行业和5G 通信行业可以积极合作，未来的联系也会更加紧密。

5 总结

本文首先概要介绍了5G 通信技术及其在电力系统中的主要应用场景，阐述5G 可能会在电力领域带来的革新性效果；然后，本文介绍了5G 在差动保护、电力通信网络等具体领域的应用，对于5G 通信技术在电力系统中的应用研究有重要的帮助作用。

总的来说，5G 通信技术对电力系统的影响深远，虽然目前完全替代现有的电力系统集成设施的可行性还比较小，但是5G 通信技术在电力系统的移动终端领域有重要的优势，而且其差异化网络能力和在特殊场景、特殊领域的高可靠、低延时、高稳定能力势必会为智能电网的建设带来巨大的经济效益。