5G移动通信与物联网技术在电力系统中的应用

2022-03-21韩子媛王莉

数字技术与应用 2022年2期

韩子媛王莉

1．中国电建集团河南省电力勘测设计院有限公司；2．河南工业大学电气工程学院

本文基于智能电网和电力物联网建设的背景下，研究探讨5G移动通信与物联网技术在电力系统中的应用。首先介绍5G和物联网技术的内涵及特点，探讨泛在电力物联网基本架构功能及对通信业务的需求，重点分析了5G网络切片、IAB技术与边缘计算技术特征及在电力物联网中的应用。

随着电力行业的不断发展，尤其是2019年国家电网提出了建设运营强智能电网和泛在电力物联网的战略部署，将电力用户、电网企业、供应商及其设备等人物、物物互联，推动电力行业智能化、信息化进程。以5G为代表的移动通信技术正在与AI、大数据结合，开启一个万物互联的全新时代。本文研究探讨在智能电网和电力物联网建设的背景下，5G移动通信技术与物联网融合应用以提高电力系统智能管控、运维水平。

1 5G移动通信技术

5G是具有高带宽、低时延和大连接特点的新一代宽带移动通信技术，是实现人机物互联的网络基础设施。国际电信联盟（ITU）定义了5G的三大类应用场景，即增强移动宽带（eMBB）、超高可靠低时延通信(uRLLC)和海量机器类通信(mMTC)。增强移动宽带（eMBB）主要面向移动互联网流量爆炸式增长，为移动互联网用户提供更加极致的应用体验；超高可靠低时延通信(uRLLC)主要面向工业控制、远程医疗、自动驾驶等对时延和可靠性具有极高要求的垂直行业应用需求；海量机器类通信(mMTC)主要面向智慧城市、智能家居、环境监测等以传感和数据采集为目标的应用需求。ITU定义了5G八大关键性能指标，其中高带宽、低时延、大连接成为5G最突出的特征，用户体验速率达1Gbps，时延低至1ms，用户连接能力达100万连接/平方公里。5G网络技术的到来，为电力系统的发展带来了机遇和挑战，成为支撑电力行业数字化、网络化、智能化转型的关键新型基础设施。

2 物联网技术

物联网（IoT）是各种传感技术的综合应用，通过射频识别、全球定位系统等信息传感设备，按照约定的协议，构成物物相连的网络进行信息交换和通信。物联网的网络架构由感知层、网络层和应用层组成。随着物联网不断发展，国际电信联盟（ITU）、欧洲智能系统集成技术平台（EPoSS）、欧盟物联网研究项目组（CERP-IoT）等机构给出各自的“物联网”定义。智能电网的运行包括发电、输电、变电、配电和用电等五个环节，物联网对提升智能电网信息采集、信息智能处理和信息双向交互具有重要作用，在智能电表、发电设备的状态预测和调控、变电站视频智能监控、输变电线路监控与动态维护等方面得到广泛应用，全面提升电力信息感知效果。其中，建立高速、实时和双向的通信网络和系统才能使智能电网成为一个动态信息交互处理的大型基础设施。

3 5G移动通信在电力系统物联网中的应用

3.1 泛在电力物联网对通信业务的需求

电力系统物联网需要具备复杂全面感知、高效处理海量电力信息和数据和低延时响应控制来实现电力系统各环节互联互通，被称为泛在电力物联网（UPIoT)。泛在电力物联网在结构上分别由感知层、网络层、平台层和应用层组成。感知层位于泛在电力物联网最底层，基于现场传感器采集从发电到用电所需的基础海量数据；网络层是基于5G或其余有线或无线通信技术实现数据流的传输；平台层主要进行对感知层获取的海量数据进行处理和计算；应用层基于平台层对数据处理的结果进行分析决策与反馈。泛在电力物联网对通信业务的需求主要为对网络层的网络接入与传输能力、网络带宽与时延方面提出更高的要求。

3.2 5G网络切片

5G技术的高带宽、低时延、大连接突出特征与电力系统海量数据传输、灵活响应和远程控制、长距离万物信息互联的基本需求非常吻合。5G网络切片又为更灵活的电力连接支持，满足不同、多样化的电力业务场景需求提供了定制化专用网络。网络切片就是根据使用场景将一个物理网络划分为多个逻辑网络，不同的场景使用不同的逻辑网络。5G网络切片总体框架示意图如图1所示。从图1中可以看出，5G端到端网络切片框架由网络切片管理域和网络切片业务域组成，网络切片管理域具备通信服务管理、网络切片管理、网络切片子网络管理等功能；网络切片业务域包括终端用户（UE）、无线接入网子切片、承载网子切片、核心网子切片和数据网络（DN）组成。

图1 5G网络切片总体框架示意图Fig.1 Schematic diagram of general framework of 5G Network Slicing

(1)5G网络高宽带特性典型应用：电力行业对语音、视频等带宽要求非常高的业务场景，如变电站智能巡检实现主站远程对变电站现场作业全过程安全管控、音视频互动等功能、电力线与杆塔无人机巡检等业务需求，能够高速率实现视频数据回传与快速拼接，实现复杂恶劣环境下实时监测电力线路运行状态，如配电网虚拟现实业务能够实时更新高清画面，实现配电网全景图等；(2)低时延特性典型应用：电力是以光速进行传播，为了及时响应电力的各种变化，需要进行低时延的精准控制。典型的业务场景为重点解决电网故障初期的精准负荷控制，实现发用电平衡，精准负荷控制系统处理故障通道传输时间总时延要求小于50ms；在配网差动保护场景中，结合5G网络切片和物联网边缘计算技术，满足配网差动保护对端到端通信通道10～12ms的低时延要求；(3)大连接典型应用：5G移动通信使大量最后一公里电力设备实现互联互通，而且使终端传感器的海量数据得到了采集、传输和分析，典型业务场景包括电力计量检测、分布式能源监控和管理。

电力部门可根据业务需求将5G网络切片划分为多个不同功能的子切片网络，以实现与“专用网”同等级别的安全和隔离。但是，由于应用需求的不同，5G中安全结构与传统的移动网络安全机制结构有很大改变，随着电力发展和建设，国家电网对通信网络的标准、通信业务隔离等方面的要求非常高，切片在移动网络中的安全问题是强智能电网和泛在电力物联网中重要研究内容。网络功能虚拟化（NFV）和软件定义网络（SDN）技术能够使不同的5G网络切片资源进行安全隔离，用于支持不同的无线接入网络（RAN）以及在这些RAN上运行的不同业务类型。此外，还要注意解决切片管理接口的安全性问题。

3.3 IAB技术

空口，指的是移动终端到基站之间的连接协议，是移动通信标准中一个至关重要的标准。3G、4G时代的空口核心技术分别是CDMA和OFDM。在5G新空口（New Radio，NR）的研究中，由于5G NR技术由于可以使用更高的频段和更大的带宽，但是频段越高，NR的覆盖将会受到限制。为了满足覆盖要求，高频段的5G基站将会布署更加密集，但同时就会对有线传输网络的部署提出更好的要求。集成无线接入链路和无线回传链路（Integrated Access and Backhaul，IAB）技术为5G NR提供了解决方案。图2为IAB技术在电力物联网中的应用示意图。从图2中可以看出，IAB基站包含一个IAB donor基站和多个IAB基站。无线接入链路为UE与IAB基站之间的通信链路，无线回传链路是IAB基站之间的通信链路。IAB donor基站为终端用户UE提供核心网接口同时，为各IAB基站提供无线回传链路。

图2 IAB技术应用示意图Fig.2 Schematic diagram of IAB application

目前，在地下室或地下车库布设的电力网络主要为用电信息采集和精准负荷控制服务。如果采用5G和IAB技术相结合的方式，不仅能降低现有室内布设方案投入成本，也能增加电力物联网的覆盖强度。因此，将IAB技术运用到电力无线专网中，不仅能增加电力物联网的灵活性，又能解决5G新空口网络覆盖问题，尤其是解决地下室或地下车库等网络盲区覆盖区域问题。

3.4 边缘计算技术

为解决电力物联网中计算密集型和延迟关键型任务，缓解云端计算压力，云服务器集中处理架构逐渐向边缘计算转移，边缘计算节点可以在云中心统一管控下，对现场采集的数据按不同的业务需求进行处理和存储，电力物联网的架构演进成了云、网、边和端层。云层主要进行用户监控和设备运维管理；网络层主要为光纤为主的有线网络和5G/4G等无线网络的通信传输；边侧主要负责基于现场端侧海量数据进行边缘计算和数据上传；端侧仍然是现场传感器、控制器等原始数据采集设备，负责数据采集和传输给边缘网关。

边缘计算节点完成的数据处理主要为以下三种情况：(1)边缘计算节点对端侧采集数据进行初步处理，再将处理结果上传给云计算中心继续分析处理；(2)云计算中心将算法下发到边缘计算节点，由边缘计算节点提供算力对本地数据进行处理；(3)边缘计算节点直接处理端侧原始数据以实现实时控制类业务。将5G网络切片和边缘计算计算结合起来，构建具有边缘计算能力的端到端切片网络，不仅保证不同电力业务有专有网络通道，又提供不同差异化数据处理和计算，有效保证电力业务安全隔离和可靠性。目前，关于移动边缘计算的研究主要集中在硬件系统架构的设计和计算卸载等方面。如基于边缘计算的分层自治协同的主动配电网管控模型，基于软件定义的细粒度多接入边缘计算架构等方法以满足电力物联网实时性需求，在电力物联网计算卸载算法应用研究方面，主要有（非）凸优化、马尔可夫决策过程、博弈理论、李雅普诺夫优化和机器学习等方法来处理爆发式增长的数据流量问题，以有效降低服务响应时延。