5G通信网络环境下可调节负荷应用分析

2022-02-18唐林林

科学与信息化 2022年3期

唐林林

中国电子科技集团公司第三十四研究所广西桂林 541004

引言

近年来我国国民经济发展水平取得了很大的提升，电力系统从发展至今负荷测、电源侧、电网侧等多个方面都发生了一定的变化。其中，电网侧主要是特高压交直流混联电网的发展已经具有一定规模，中东两部分地区受电的比例在持续性地上升，电力电子装备的比例也在不断地升高；在电源侧方面，新能源发电机发展势头迅猛；在负荷侧方面，用电量的增数仍然落后于最大负荷增速。这些变化性问题的存在对于电力系统的发展产生了很大的制约，同时也面临着一些挑战，主要体现在新能源发电具有随机性、反调峰特征、波动性特征等，这些给电力系统的平衡性发展带来了很大的压力。在电力电子设备、新能源以及受电比例上升的系统运转过程中，转动惯量会出现大幅度降低，频率和电压等作为运行和支撑性的指标也会受到影响，出现调节能力不断降低的问题。在夏季或者冬季用电量较大的时候，电网峰谷差就会不断加大，出现短时性的供不应求的情况[1]。对于这类问题会利用新建电厂或者配套的电网设备等进行解决，为社会解压。

经过多年的实践研究可以看出，采取可调节负荷的方式对电网进行调峰处理，需要结合电价、交易的信息、激励方式等进行，根据设备运行状态、运行时段的需求进行启停或者调整，并做好电源电设备、侧用电设备以及储能设备等的供应，其中就包含了生产辅助负荷、居民电器负荷、工业企业负荷、分散式储能和电动汽车等。在应用过程中将大量分散性存在的可调节设备聚集到一起，可以很好地发挥其电网运行方面的优势，比如增强灵活性、快速精准地进行互动响应等。此外，在需求响应业务的开展过程中，用电高峰期出现了削弱负荷的情况，可以有效地解决新能源发电随意性和波动性较大的问题，进而促进新能源的消纳，对电网峰谷差进行抑制，确保整个电网的安全运行。

1 5G通信网络特点分析

5G通信网络技术在科技不断进步之下发展起来，具有覆盖性广且连续的特征，并且可以实现在高移动之下网速体验达到每秒100Mb；5G通信网络技术可以满足用户对于虚拟现实的需求，并且可以对各种高清视频和数据进行高质量传输，并且在信息的传输过程中可以实现全面、快速以及精准；具有海量的网络容量，可以提供千亿以上的连接能力，并且可以满足物联网的需求；空中的接口时延水平可以达到1ms上下，并且能够很好地满足自动驾驶以及医疗等先进科技方面的需求。

2 5G通信网络环境下可调节负荷的应用场景分析

在5G通信网络环境之下最具代表性的应用场景就是需求响应，而想要更大程度地发挥可调节负荷的作用，响应业务就会对宽带、时延性以及连接数量等方面产生更多的要求。在不需要进行需求响应的执行期间，可以在15min之内完成用户用电负荷的采集工作，而在需求响应的执行期间之下，采集工作将缩减到不足1min，而且实时性的需求响应在数据采集方面的周期将不足30s。有特殊的场景可以用毫秒级来实现，比如经需要精准切负荷的场景。

在业务的实施过程中如果需要对响应能力展开实时性地分析，就需要对实时性的响应过程进行动态化检测，这时用电设备、需求响应的聚合系统、响应终端以及云平台之间的信息传递等都会达到一定的连接速度，并且实时性是非常高的，高速的数据传播和低时延性等更有利于需求响应业务工作的执行[2]。而且随着时代的发展，未来必然会有超过500亿台以上的设备参与到互动过程中来，这对于通信网络的连接密度会提出更高的要求。但是5G通信网络技术的应用可以很好地解决上述应用在场景当中的问题。

5G通信网络环境与4G网络技术相比，在连接数、时延性以及速率等方面都有非常大的优势，而且5G通信网络环境之下提出了3个核心性的应用场景，包括了海量机器通信、超高可靠低时延的通信以及增强移动宽带。其中，海量机器通信针对的时时延性容忍性很高、传播速率很低以及成本敏感，长时间待机的海量机械类的通信，其连接的密度可以达到100万台/km2以上，电池使用期限为10年，可以为未来大规模性的可调节负荷应用提供可能性；超高可靠低时延应用对网络时延性以及安全稳定有着非常严格要求的场景，比如无人驾驶技术、精准工业控制技术等。在5G通信网络之下，用户对于时延性的要求被控制在1ms之内，以此来满足更加特殊的场景需要；增强移动宽带在移动宽带的连接速度上实现了很大的提升，可以将峰值的速度提升10～20倍以上，用户的体验速率也可以达到至少10倍以上，在确保移动宽带覆盖广度的基础上，提升数据的传输效率，频谱的效率提升5倍左右，极大地提升运营商在流量供应方面的成本。

3 5G通信网络环境下对需求响应业务的分析

在极端的情况下对每平方千米的需求响应业务总宽带根据固定的公式进行计算。从具体的计算与分析过程中我们可以看出，需求响应业务在宽带以及终端上设备的采集、数量以及频率和数据报文的长度等方面是成正比的，这也就表示宽带越高对于可调节负荷的优势也就越多，所应用的范围就会扩大，采集的频率也就高得多[3]。比如，在建筑物地下室分布的空调主机负荷、在郊区或者偏远地区的工业企业负荷等都可以在5G通信网络环境下被挖掘出来。而经过分析之后，经过5G通信网络的全方面覆盖，城市和郊区在每平方千米上的可调节负荷终端将由以往的20台左右上升为145台左右，并且采集的周期也会由以往的1min缩减为10s左右，数据报文的长度字节也会提升5倍以上，所需要的宽带也将提升5倍左右。从时延性的分析上来看，对于现场仪表的反应时间一般不超过1s，需求响应事件通过直接或者分发的方式负荷控制通信时延将不足5s，利用数据检测的方式对时延性进行分析将不足10s。可以看出，5G通信网络环境可以很好地满足用户在响应业务方面对于时延性以及宽带速率的要求。

4 5G通信网络环境下需求响应业务中可调节负荷的潜力

本文在研究中主要针对居民、工业以及商业三个具有代表性的可调节负荷展开了分析，并且对5G通信网络环境下需求响应业务当中可调节负荷的潜力进行了深入挖掘，对调节的方式进行了优化。

首先，居民用户。在居民住户中最常见的调节负荷就是冰箱、热水器、空调和照明设备等，其中以空调和热水器的用电负荷占比最高。同时，电采暖设备也是冬季最常见的可调节负荷，用电负荷占比也是非常高的。在应用直接控制方式时，个体在可调节潜能方面可以达到1/2左右，准备的时间可以从分钟降到秒钟，所以在5G通信网络环境下时延性低、可靠性高的特点可以很好地对居民用户用电设备进行控制。

其次，工业行业。主要选择了钢铁行业进行分析，主要是因为钢铁行业中电弧炉和轧钢机是主要的耗电设备，在用电的负荷占比上是非常高的，所以主要的生产设备负荷可调节潜力可以达到20%上下[4]。但是在实际的需求响应开展过程中，对于单个设备的调节要做好整个工艺的流程监督与管理。比如，在轧钢的生产线调控之前需要对轧钢的生产进度以及钢坯数量等信息做好监控与分析，对上下游生产节奏做好调整，在将库存钢坯全部清除之后实施调控，提升钢坯质量，所以要在不同的生产线上覆盖5G通信网络。而电弧炉的启动功率调控是需要在数秒之内完成的，但是对于炉内温度的稳定性有着非常严格的要求，所以在调控过程中功率调节在出现时延性之后会降低到毫秒级别，这个时候对于温度的影响也会随之降低，所以说5G通信网络覆盖广以及延迟性可以持续的特点，能够更好地满足钢铁行业在可调节负荷方面的需求。

最后，商业综合体。在大型商业综合体当中用电负荷最大的是空调和照明系统。其中空调分为中央空调、分散式空调以及变制冷剂流量多联式空调。具有代表性的商业综合体空调在用电负荷的占比方面可以达到1/2，照明可以达到1/5，两者的可调节潜力可以累积到28%左右[5]。商业综合体的楼宇密集度是非常高的，所以需要接入的可调节负荷设备的数量非常多，只有5G通信网络才可以满足在密度方面的需求。

5 以5G通信网络技术为需求的响应系统的互动流程

针对电网运行的情况来看，在5G通信网络环境之下对于可调控负荷和电网需求的响应活动流程进行制定，并从实际情况入手对整个响应流程进行分析，可以得出这是一个闭环过程，可以在电网的运行期间发出削减或者消纳的指令，并且负荷运行的过程中会接收到响应的指令，并做出项目的针对性选择，后对响应的资源进行聚合，在聚合完成之后，响应的时间会及时并且准确地送反给响应的用户。用户可以根据自己的需求选择参加与否，最终完成响应计划的实时性制定。在以上操作完成之后，会报告给省级以上的需求平台，其会对计划的制定情况进行审批，审批完成后下发通知[6]。同时用户也会接收到指令，结合指令所响应的计划，在执行期内对用户所使用的设备以及具体的系统进行动态化的监控处理。而在需求响应项目的执行之前或者是执行期间，要对具体的用电数据进行动态化的监测。可以看出，在执行之前，就通过监测的方式获取到了基本的数据信息，在执行期间会获取负荷的变化数据，并对电力用具在电力进行时的需求效果进行核验，做好具体费用的结算。在整个的执行期间内，采集的频率可以保持在秒级以上，合理性以及精准性都可以得到保证。

上述操作内容的实现，前提就是网络通信的稳定、精准、安全以及海量性地接入，之后5G通信网络技术可以满足。但是需要注意的是由于传输量过大，时延性必然存在，但是5G通信网络在需求响应方面还是提供了很大的支持，保证了可调节负荷的顺利进行。