5G移动通信技术在新一代电力通信支撑网中的应用分析

崔颖强，王 拓

（1.中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210009；2.中国通信建设第二工程局有限公司，陕西 西安 710119）

0 引 言

新一代电力通信支撑网作为建设坚强智能电网的基础支撑，在电力系统发电、输电、变电、配电、用电以及调度业务中发挥着举足轻重的作用。以低时延高可靠、大带宽高流量、低功耗大连接著称的5G移动通信技术，在电力通信支撑网中可组建5G虚拟专网，以承载对时延、安全、连接和可靠性要求高的变配电自动化、精准负荷控制等电网控制类业务。通过以业务性能、可靠性和建设成本较为均衡为特性的4G移动通信技术，在电力通信支撑网中可组建4G无线专网，以承载用电信息智能采集、输变电巡检监测等信息管理类业务。以大连接、广覆盖、低功耗、低成本以及低流量为特性的窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）可作为5G轻量化终端技术成熟前对智能电表等低功耗广覆盖物联网应用场景的有效补充。

1 5G主要关键技术

5G具有高速率、低时延、大容量、高可靠以及海量连接等特点，相较于4G和NB-IoT，在各项关键性能指标上更为强大。

5G作为目前最新一代的蜂窝移动通信技术，其技术革新程度是任何一代移动通信技术都无法比拟的。网络层面，其关键技术主要包括软件定义网络（Software Defined Network，SDN）、网络功能虚拟化（Network Functions Virtualization，NFV）、网络切片、移动边缘计算等；无线层面，包括全双工、大规模天线技术、新的编码技术、新的多址接入技术等。

1.1 5G网络切片技术

5G网络切片是指基于SDN技术和NFV技术，在通用的物理硬件平台上构建多个定制化、虚拟化、专用化且相互隔离的逻辑网络，通过不同的逻辑网络满足不同的业务需求［1,2］。

随着SDN技术和NFV技术的逐步成熟，5G网络切片可为各行各业提供灵活、高效、可定制的虚拟专用移动网络。根据业务形态的不同，网络切片选取原则为：低时延高可靠业务使用超可靠低时延通信（ultra Reliable Low Latency Communication，uRLLC）切片；大带宽高流量业务使用增强型移动宽带（enhance Mobile Broadband，eMBB）切片；低功耗大连接业务使用大规模机器通信（massive Machine Type Communication，mMTC）切片。

1.2 大规模天线技术

5G大规模天线技术是在4G多输入多输出（Multi Input Multi Output，MIMO）空间分集技术和4G智能天线波束赋型技术基础上，经过技术演进，大幅度提升系统性能。

随着5G频率增加，天线尺寸进一步缩小，天线数量进一步增加。5G大规模天线技术通过对多个天线单元进行调节，产生具有指向性的波束，实现波束赋型。波束赋性使基站侧电磁波能量进一步集中，增加基站覆盖距离，降低干扰，有效提升小区容量，在终端侧使接收信号叠加，提高接收信号强度，降低终端功耗。

2 5G主要应用场景

电力生产包括发电、输电、变电、配电以及用电5个环节。目前，在发电环节主要以5G+工业互联网的形式出现，在电力通信支撑网中的应用主要面向输电、变电、配电以及用电4个环节展开，应用场景主要涵盖了实时控制类业务和采集监控类业务，包括配电自动化（三遥）、配网差动保护、分布式能源控制、精准负荷控制、输变电智能巡检、高清视频监控以及低压用电信息采集等［3］。

基于5G网络切片技术，可通过在公共物理网络上开辟出多个相互之间物理隔离或逻辑隔离的虚拟专用网络，面向电力行业各类业务需求，提供定制化的网络功能。通过对不同业务形态的多种网络切片组合，形成行业特色鲜明的5G虚拟专网。

3 5G部分应用分析

根据5G低时延高可靠、大带宽高流量、低功耗大连接的3大网络特性，将不同类型的电力业务进行划分。本文主要介绍要求低时延、高可靠的5G+配电网差动保护业务以及大带宽高流量和低功耗大连接的5G+电力电缆隧道（管廊）智能巡检业务。

3.1 5G+配电网差动保护

3.1.1 配电网差动保护业务概述

以线路差动保护为例，正常运行时线路两端的电流流入和流出相等，差动电流等于零；当线路发生故障时，两端的电流流入和流出不相等，差动电流大于整定值时差动保护动作，使线路两侧断路器跳开，从而切断电源［4,5］。

近年来，分布式光伏发电规模日益扩大，此类分布式电源接入电网越来越多，对配电网的供电经济性以及节点电压、潮流、短路电流、供电安全性、可靠性等带来诸多影响。分布式电源产生的故障电流会减小甚至抵消流过继电保护器的电流，引起原有继电保护装置灵敏度降低，差动保护装置拒操作或误操作，进而使电网故障率增加，导致生产事故逐步增多。由于配电网差动保护技术对电流采样的时间同步精度要求较高，传统的电力载波通信、微波通信等技术无法满足，在5G技术逐步成熟并实现网络大面积部署之前，配电网差动保护业务主要依靠光纤网络实现电流、电压等信息的交互传递，但是光纤通道建设存在周期长、成本高、难度大、通道利用率低等缺点，影响了差动保护在配电网的推广和应用［6,7］。

3.1.2 配网差动保护通信需求

差动保护技术因其要求相互关联的2个配网差动保护终端必须保证时间同步，所以时间同步精度小于10 μs。为实现故障的快速检测和隔离，交互信息的传输时延不超过15 ms，带宽大于2 Mb/s，并要求采取端到端的安全隔离措施。

3.1.2 5G+配网差动保护技术实现

5G技术通过网络切片和移动边缘计算技术，提供低延时高可靠的虚拟切片网络场景，并通过用户面功能（User Plane Function，UPF）下沉构建边缘计算节点，对接收到的业务信息就地处理，有效降低传输时延，可完全满足配网差动保护业务低时延高可靠要求，能够根据配电网拓扑变化动态调整差动保护配置，为配网差动保护提供了新的技术实现方式。另外，我国5G网络采用基于北斗卫星导航系统授时的高精度同步技术，其稳定的空口百纳秒级超高时间同步精度已经过长时间验证，完全满足配网差动保护业务的时间同步精度要求。

配网差动保护业务属于生产控制大区（安全Ⅰ区）类业务，其安全隔离要求极高。根据配网差动保护业务低时延高可靠性的业务特征，为其配置uRLLC电力专用切片，无线网配置资源块（Resource Block，RB）无线空口资源预留+低时延服务质量（Quality of Service，QoS），承载网配置FlexE接口+VPN隔离，核心网UPF网元资源在边缘计算节点专建专享，实现端到端的安全硬隔离。

3.2 5G+电力电缆隧道（管廊）智能巡检

3.2.1 电力电缆隧道（管廊）智能巡检现状

随着电力电缆隧道（管廊）精益化管理和智能化监测的持续深化应用，智能传感设备及其监控系统为电力运维人员提供了更便捷的智能化运维手段，通过前端智能感知、后端智能分析处理，配合人工智能（Artificial Intelligence，AI）机器人巡检等新型运维业务的应用，可极大促进监控、作业、安防向智能化、可视化、高清化升级，大幅提升电力电缆隧道（管廊）的巡检效率，有效支撑建设坚强智能电网的迫切需求。然而监测设备类型及其配套系统日益繁多，给系统数据的高效获取和分析带来了新的难题，多通信链路、多监测系统、多硬件服务、动态预警感知不足以及智能化故障分析处理手段不足等问题突出，不满足智慧运维技术发展对电力电缆隧道（管廊）无人化巡检的需要［8,9］。

3.2.1 5G+电力电缆隧道（管廊）智能巡检技术实现

基于5G技术的电力电缆隧道（管廊）智能巡检业务，通过在电力电缆隧道（管廊）内建设5G通信小基站，使用泄漏电缆或者中继放大器实现全线隧道（管廊）的5G网络覆盖，为巡检业务搭建基站独享+UPF下沉的eMBB切片虚拟网络，实现电缆隧道（管廊）智能传感设备的大带宽和广连接场景应用。

5G技术的电力电缆隧道（管廊）智能巡检业务技术实现方式有以下2种。

（1）移动式AI机器人巡检。因部分电力电缆隧道（管廊）存在空间狭小、线路密集、空气流通速度慢、敷设环境湿度大等问题，所以人工巡检的效率和准确度低，巡检台账的完善性不高，且后期监盘查询数据耗时耗力。而移动AI机器人可执行虚拟现实（Virtual Reality，VR）全景扫描、红外装置探测、温度异常判断等多任务，并可通过高清摄像头实时3D建模探测高危环境下的隧道沉降情况、检测隧道内有毒有害气体等，但因其体积较大、重量较重、灵活性较差的缺点，在特殊性与复杂性并存的巡线任务中适用性不高，需要结合在线传感监测手段，从而完善巡检作业，实现各个系统的信息共享［10］。

（2）在线式传感监测。在线式传感监测分为环控类监测（含气体、温湿度、水位、烟感等）和电缆类监测（含局放、环流、测温等），通过高清摄像头、气体监测、烟雾感应和水位探测装置等前端智能感应装置以及终端红外测温、接地电流在线监测装设备，实时获取环境数据和电缆工作状态数据。数据经过安装5G CPE的集控式终端上传后端分析处理设备，使运维人员更加方便直观的掌握现场设备的动态变化情况，为电力电缆隧道（管廊）的安全高效运行提供全方位、智能化的保护。

4 结 论

本文以5G技术特性为引，介绍了5G在新一代电力通信支撑网中的主要应用场景，并结合uRLLC和eMBB切片场景分析了其在新一代电力通信支撑网中配网差动保护和5G+电力电缆隧道（管廊）智能巡检中的应用。建设坚强智能电网离不开通信技术的高速发展，目前5G R17版本已经冻结，引入Red Cap轻量化终端、天地一体新网络等新技术、新特性将更高效提升5G在定位精度、时延、带宽以及覆盖等方面的性能，后期将有更多的智能电网业务可通过5G网络来承载实现。