基于5G的智能配电网业务场景应用分析

李娜，杨振亿，曾杰，钟可悦，彭紫薇，伍翔

(国网湖南省电力有限公司娄底供电分公司，湖南娄底 417000)

0 引言

能源互联网(Energy Internet，EI)的建设为提高电力系统运行水平和电网资产运营效率开辟了一条新路[1]。

随着新能源的高比例接入、电力电子装置的大量投入，电网的结构和形态不断发生变化，电网安全运行受到严重挑战。同时，受到电力市场开放、降低输配电价和电量增长减速等因素驱动，电网业务的市场竞争日趋激烈，对现有电网带来了巨大挑战，因此建设能源互联网迫在眉睫[2-5]。配电网承担着连接输电与用户的重要作用，其承裁的功能也在逐渐发生改变。特别是高比例分布式可再生能源的集群效应、电动汽车的广泛推广、用户侧要求的不断增加和多样化，配电网已不再只是单向电能的提供者，而是正在向更加高级的角色转变。

能源互联网建设下的配电网，其全面感知能力将得到很大的改善，并且能够消纳分布式可再生能源，提高电网应对负荷波动能力，满足用户多样性用能需求，促进电网运营部门向枢纽型、平台型、共享型企业转型。第五代移动通信(以下简称5G)作为一种新兴技术，以其独特的优势，给智能配电网建设提供了一条新的途径。5G通信具有高速率、高容量、高可靠性、低时延与低能耗这“三高两低”的特点[6]，而对于能源互联网而言，海量的数据传输，万物互联、电力系统可靠性、灵活响应以及电池寿命保障等方面有着很好的对应关系，因此能够利用5G对能源互联网进行融合发展[7-8]。

5G技术的发展已经得到了广泛的关注，且在电力系统领域得到一定的应用，主要可以分为:

1)5G通信技术在能源互联网的初步应用研究。文献[6]深入探讨5G与能源互联网的深度结合，同时分析了5G通信在能源互联网中的应用场景，总结了5G支持能源互联网发展的关键技术。文献[7]阐述了5G在未来电力系统中的应用，并根据5G通信的高带宽、高容量以及低时延的特点，对能源互联网中的可能应用场景展开了探讨。文献[8]揭示了5G在智能电网中的初步应用研究，并对其技术的合理性、优势等进行了分析。文献[9]中，阐述了利用“比特”驱动“瓦特”，对电网中的重要通信业务场景进行了分析，总结了不同场景下5G利用的业务特征以及技术指标。文献[10]阐述了5G在物联网中的动力作用和挑战。

2)5G通信技术在智能配电网的具体应用场景分析。文献[11]对一种利用5G技术的配电网自适应差动保护进行了技术探讨，利用插值同步法，实现故障的定位与隔离。文献[12]对于现在配电网所用的接入网组网技术给出了其传输系统的各种通信技术应用前景，对以后配用电通信接入网传输系统的方向给出了建议。文献[13]揭示了5G时代物联网能够将配电线路出现的故障即时传送到监测系统，提高电能利用率，评估配电风险等。文献[14]利用物联网技术以及无线传感器，在线路每基杆塔安装传感器，监测数据，使故障定位更加准确，并且适用于偏远地区以及环境恶劣地区，有着更高的性价比。文献[15-16]在实物资产管理中使用无线射频技术 (Radio Frequency Identification，RFID)，提高管理效率。

本文从能源互联网的基本概念、总体框架出发，结合5G通信技术特点，重点分析配电网中的典型广域开放业务场景。基于配电自动化、配电网差动保护以及精准负荷控制三个业务场景，详细分析5G技术在配电网业务场景的特点及应用需求。同时对不同业务场景特点及其关键通信需求进行分析总结，并将现有网络与5G网络在关键性能上进行对比分析。最后对5G网络在能源互联网中配电网广域开放业务场景进行总结与展望。

1 能源互联网下配电网架构

1.1 能源互联网

万物互联指无论什么时间、地点、人、物之间信息的互相连接以及交互，而在电力系统的具体表现形式即为能源互联网。能源互联网不仅在技术上有所创新，同时也拓宽了管理理念和思维，对电力系统内而言是质效提升，对电力系统外是融通发展。

智能配电网将相应设备、供应商、电力客户以及人和物连接起来[17]，实现数据共享，为电网、发电厂、电力用户、供应商服务；以电网为连接点，充分挖掘平台和共享作用，为电力行业以及更多市场主体发展提供价值服务[18]。换言之，就是把5G技术运用起来，在电网的用户侧、电网侧、发电侧以及厂商，利用数据信息广泛交互和充分共享，大幅提高能源生产、消费与相应装备制造水平[19-20]。

1.2 能源互联网下配电网架构

智能配电网主要包括端、边、管和云4个部分[21]，具体框架如图1所示。

图1 能源互联网下配电网框架

“端”主要解决数据的采集问题，统一终端标准，推动不同专业之间数据同源采集，实现配电侧采集监控深度覆盖。“边”与“端”更为接近，主要是提供数据的边缘计算，解决数据管理问题，实现超大规模终端统一物联管理，深化配电网业务数据中心建设，提升数据高效处理和云雾协同能力。“管”主要针对数据的传输问题处理，加强电力无线专网和终端通信建设，增强带宽，达到深度全覆盖，满足新业务发展需要。“云”主要解决配电网数据的价值创造问题，全面支撑配电网中核心业务智慧化运营，为能源互联网生态服务，提升管理水平和加快业务转型。

能源互联网汇总配电网业务中每个资源，为项目建设、定址规划、生产经营、综合服务、新业务提出、新模式发展、企业环境保护构建等方面，提供了充足有效的信息和数据支撑[22]。坚强智能电网和能源互联网两者相互促进、共同进步，构建了强而有力的价值创造平台，形成了能源流、业务流、数据流“多流合一”的能源互联网。

2 5G使能配电网

随着科技的迅猛发展和人们的使用需求多样化，5G应运而生。众所周知，频率越高，能使用的频率资源越丰富，可实现的传输速率就越高。5G以其超高传输速率(＞10 Gbit/s)、超高连接数密度(＞10 K终端数)、超低时延(空口时延＜1 ms)的优点，满足万物互联的技术需求[23]。

在能源互联网下，5G技术为配电通信网“最后一公里”无线接入提供了一种更优的解决方案。5G网络有着高带宽、低时延、大规模连接优势，承载垂直行业更多样化的业务需求。特别是网络切片、边缘计算两大创新功能的应用，改变了传统业务运营方式和作业模式，为电力行业用户打造了定制的“电力行业专网”。相比于以往的4G、光纤专网等移动通信技术，5G技术可以更好地满足电网业务的安全性、可靠性和灵活性需求[24]，实现差异化服务保障，提升了电网企业对自身网络体系的控制能力。

2.1 5G网络特征分析

5G通信包含5个主要特征，简单来说是“三高两低”的特点，即高速率、高容量、高可靠性、低时延以及低能耗。

1)高速率。对于4G而言，5G通信峰值速度上行可达10 Gbit/s，下行20 Gbit/s，速度提升高达数百倍以上。在能源互联网建设下，大量的实测数据、监控数据等能够利用5G通信网络的高速率进行传输。

2)高容量。5G采用微基站技术。微基站和传统的宏基站不同，微基站覆盖范围小、功率低，可以减小宏基站的功率消耗，可以达到更好、更广的覆盖效果。正是基于此种情况，5G网络下能够支持高密度的移动终端。

3)高可靠性。5G技术的可靠性与4G网络相比，5G网络的可靠性能够达到99.99%，能够很好地满足能源互联网下各类电力业务的需求。

4)低时延。5G使用D2D(Device to Device)传输模式，直接设备与设备之间进行通信，节约了资源，并降低了时延。4G网络的时延在30～90 ms，对于5G而言时延小于1 ms，时延更短。

5)低能耗。5G通信中利用网络切片技术，优化硬件协议，利用相应的控制策略，生成特定数据转发以及处理路径，达到低能耗的特点。

2.2 网络切片

以往的通信网络，对不同的业务都直接实行“一刀切”的做法，当前不同的业务场景已经不再适用。5G网络切片定义网络(Software Defined Networking，SDN)和网络功能虚拟化(Network Function Virtualization，NFV)技术[25]，针对不同的网络服务功能，将单一物理网络分割成两个甚至更多独立的端到端逻辑网络，这些逻辑网络彼此相互隔离并且具有可编程性。通过SDN的集中控制，将数据平面与控制平面解耦合，简化了网络管理，使路由配置更加灵活，实现了软硬件解耦、基础设施资源共享和按需调度。

配电网有着许多不同的业务需求，每种业务需求对容量、时延、带宽、安全、可靠性等要求各不相同，每种业务对通信网络的需求也都各不相同，5G网络切片能够对不同的需求建立不同的网络[26-27]，满足精准控制的要求。例如在配电自动化中，可能会出现短路、断路等各种故障，此时需要对故障进行快速定位和隔离处理，因此需要具备多时间尺度的特征[28]。对于集中式配电自动化，其时延要求达到秒级，而分布式馈线自动化(Feeder Automation，FA)的时延要求却达到了毫秒级。

在配电网状态检测方面，目前配电网络的监测范围很小，微型同步相角量测单元(micro-PMU)只装设在少部分关键区域，用于监测配电网发生的故障问题[29-31]。但在能源互联网建设下，未来的配电网将能够实现对PMU进行全面的监测，从而监测的海量数据需要高效低时延的传输，而5G网络的高效低时延特点刚好可以满足配电网的监测需要，实现配电网络中电力设备信息的互联互通，帮助调度人员进行综合分析，评估电力设备运行状态，为电力设备检修安排提供参考。

随着能源互联网的不断建设和发展，在未来的配电网络中将会有大量电力电子装置的接入，从而实现对可再生能源消纳、储能装置的接入、SVG的控制。在这种情况下，配电网中的装置控制精度要求非常高，而以往的通信网络的控制精度无法达到此类高要求。

综上所述，在配电网层面，不同的业务需求对控制精度、时延等要求各不相同，而5G网络“三高两低”的优势，决定了配电网中的各个业务网络能够由5G网络切片独立供应，各个网络之间相互隔离，有效提高了接入网的工作效率和资源利用率，未来的电力配电网将极大受益于网络切片技术。

2.3 边缘计算

配电网系统有大量的分布节点，数据也都分布在不同的节点中，如果所有的数据均从各节点传输到统一平台进行数据处理分析，会存在传输误差、信息安全隐患等问题，而5G网络的边缘计算[32]在此种情况下具有独到的优势，原来的分布式节点数据能够直接在边缘侧进行计算，利用不同边缘计算的协调来得到全局结果。例如在分布式配电网中进行电压控制分析时，可以利用当前的优化算法，在边缘侧展开边缘计算，通过边缘之间的通信迭代，获取全局聚类结果，实现海量用户用电模式的提取，提高了数据的分析效率和安全性。

3 5G在配电网典型业务场景分析

3.1 配电自动化

配电自动化是基于一次网架及其设备，利用计算机网络、通信、现代电子传感技术，以配电自动化系统为中心，将配电网设备的实时以及非实时数据进行信息整合和集成，从而实现对配电网正常运行及事故情况下的监测、保护及控制的目的。

配电终端作为配电自动化系统的神经躯干，安装于配电网线路中，负责完成数据采集、控制和通信等功能，其主要包括站所终端DTU(distribution terminal unit)、馈线终端FTU (feeder terminal unit)、配变终端TTU(transformer terminal unit)等。馈线自动化作为配电自动化建设的重要组成部分，主要采用集中型、就地型(电压时间型、电压电流时间混合型)、智能分布式三种方式。对于就地型馈线自动化配电终端无需通信，发生故障后利用站内开关多次重合闸与配电终端之间固有时间逻辑配合隔离故障，故障隔离速度相对较慢。非故障区域用户需要感受多次重复停电，用电感受较差，主要应用于C、D类供电可靠性要求不高区域以及部分B类供电区域。对于集中型馈线自动化，配电自动化终端监测和采集配电网络实时状态并传输至主站，主站利用馈线线路或全网络各节点配电网信息进行综合分析判断和处理，从而进行故障线路或设备的定位、隔离和恢复供电，保证供电可靠性，主要应用于A+、A类供电区域以及部分B类区域。对于智能分布式馈线自动化，相邻的配电自动化终端之间进行通信，通过分布式分析判断或处理，具有故障隔离快、非故障区域无需停电的优点，主要应用于A+、A类供电区域以及部分B类区域。

如图2至图4所示，若F1故障，电源1断路，区域1、2停电，在人工配电中，没有通信网络，需要由人工对其进行排查，恢复供电。在集中式配电自动化中，则可以由控制中心远程进行定位、隔离与恢复供电，网络延时须小于100 ms，但此时所用的光纤专网、无线专网和公网成本高，工程复杂。在智能分布式配电自动化中，可以利用5G网络切片的高可靠性、低时延性，在F1故障时，相关的STU在电源1断路前完成自动故障定位、隔离与恢复，并且能够在短时间内完成，满足毫秒级的时间尺度，基本上能够实现不停电。

图2 配网故障人工处理模式

图3 集中型馈线自动化

图4 智能分布式馈线自动化

配电自动化的关键通信需求[33-35]见表1。分布式FA还有高精时钟同步(要求10μs)、终端永久在线以及连续通信(1 s)的要求。

表1 配电自动化关键通信需求

3.2 配电网差动保护

差动保护的工作原理是保护终端比较两端或多端同时刻的电流值(矢量)，当电流差值超过整定值时判定为故障发生，断开其中的断路器或开关，执行差动保护动作，从而实现故障的精确定位和隔离。差动保护对电流差值的判断是基于同一时刻的电流值，要求相互关联的2个或多个差动保护终端必须在时间上同步，且同步精度小于10μs，交互信息的端到端传输时延最大不超过15 ms，且为高频通信(0.833 ms交互一次)，高达百Gbit级别，因此对通信的时延、可用性、可靠性要求非常高。

随着分布式电源不断地接入到配电网中，配电网故障电流等级、潮流方向发生了很大的变化，传统的三段式过流保护已经难以满足配电网保护“四性”的要求。光纤差动保护适用于配电网故障处理，但光纤铺设的成本较高，同时部分无光纤地段也无法进行差动保护。4G通信的传输带宽有限，而5G通信能够在通道质量、通道带宽、时间同步方面满足配电网通信的要求。配电网差动保护中关键通信需求[36]见表2。差动保护原理如图5所示。

表2 配电网差动保护关键通信需求

图5 差动保护原理

由表2以及配电网差动保护的需求可知，配电网差动保护的要求更高，要求高精时钟同步(10μs)、终端永久在线、高频通信(1/12或1/24 s)。

3.3 精准负荷控制

通过对负荷进行精准的调控，能够减小电网中由于负荷过高导致的大规模停电的风险。例如在夏季的用电负荷高峰时，电网满载运行，如果电力系统中交直流特高压出现故障，调控中心可以快速准确地改变用户侧的用电负荷，使得电力系统的供用电保持平衡，在一定程度上减小电力系统大规模停电的风险。在精准负荷控制系统的建设期间，利用5G网络切片，按需求对不同业务进行分割，从而在发生电网各类过负荷、过载故障的时候，可以对负荷进行精确控制，保障重要用电，这对城市生活以及工业生产具有重要意义。此外，可以根据用电的重要程度，对负荷进行优先等级划分和排序，即使在发生过负荷事故时，也能够准确地对负荷进行调节，暂时对优先级较低的工业用电及其他用电进行停电操作，保证优先级高的重要负荷的用电，比如医院和居民用电等，从而保证负荷的平衡。根据不同控制要求以及时间尺度，结合5G网络的特点与优势，可以将负荷控制分为快速负荷控制的毫秒级时间尺度的控制系统、秒级控制系统以及分钟级时间尺度的控制系统。精准负荷控制如图6所示，图中优先级为1类负荷优先2类负荷，2类负荷优先3类负荷。

图6 精准负荷控制

当前的配电网缺少通信网络的支持，对于负荷，只能实行一刀切的操作，方式单一；而精准负荷控制，能够根据优先级顺序，优先切除非重要负荷，保证重要负荷的供电。精准负荷控制，结合5G无线公网及5G切片技术，能够实现高可靠性的切除非重要负荷，从而可以依据控制要求实现快速负荷控制的毫秒级控制系统和更加友好互动的秒级/分钟级控制系统，其关键通信需求[37]见表3。

表3 精准负荷控制关键通信需求

精准负荷控制中，终端需要满足永久在线和连续通信(1 s)要求，以实现不同时间尺度上的控制。

3.4 总结对比

目前电力系统通信网络种类较多，通过对配电自动化中的中压载波通信、精准负荷控制中光纤专网、配电网差动保护中的4G网络和5G通信在带宽、时延、可靠性等方面进行对比分析，可以得到如图7所示的结果。

图7 通信网络性能对比分析

图中数字4.0表示性能最好，比如时延低、可靠性高；数字逐渐减小，表示性能越差，比如时延高，可靠性差，成本高等。

从图7中可以看出，在带宽上，5G网络明显优于其他通信网络，5G的带宽能够达到1～10 Gbit/s，存在明显优势。在时延和可靠性上，5G网络时延能够比光纤更快，光纤专网能够达到1.5 ms，可靠性也能达到99%，4G可靠性能达到97%；而5G网络达到1 ms，可靠性达到99.99%，能够满足能源互联网下配电网中精准控制要求，快速处理业务的能力。在安全性上，5G网络的安全性仅次于PLC和光纤，可以满足电网安全性需求；在成本上，PLC的成本最低，5G与4G相对PLC而言较高，但后期投入更小，组网更加灵活可靠；在传输距离上，光纤在传输距离上占有一定的优势，5G与4G网络在传输距离上较短，4G的基站较大，5G要覆盖同一个区域，需要的5G基站数量将大大超过4G。为了减轻网络建设方面的成本压力，5G采用微基站技术。微基站和传统的宏基站不同，微基站覆盖范围小，功率低，可以减小宏基站的功率消耗，可以达到更好的覆盖效果，满足5G通信的各种技术要求。

综上所述，5G虽然存在一些不足，但其整体优势大于其他通信网络。在配电网业务中，对于时延、可靠性、安全性、后期低维护性的要求比较高，而对于成本要求较小，5G可以保证配电网络业务的准确性、快速性以及实时性，更适用于配电业务的各类场景。

在5G网络环境和能源互联网背景下，能够实现配电网络的高度自动化和精准负荷控制，具备较高的安全级别。由于当前数据分析不足，许多数据的潜在价值并没有被充分发掘出来。未来能够利用5G网络优势，在配电网中将进行大规模的使用，进行深度融合，充分发掘海量数据信息，通过5G网络与配电系统的联合仿真，对海量对象进行控制，进行大数据分析，达到万物相互协调，实现配电网的透明化与实时态势感知。

4 结语

5G通信的广泛应用将给能源互联网带来翻天覆地的变化。本文从能源互联网的基本概念和总体框架出发，结合5G通信切片技术和边缘计算特点，重点分析了能源互联网下配电网中三个典型广域开放应用场景。将配电自动化、配电网差动保护、精准负荷控制三个应用场景的特点及业务需求进行了总结，分析了5G网络在不同业务场景下的优点和关键通信技术。从三个业务场景的详细分析中展现了5G网络在配电网中应用的可行性和优越性。本文的理论分析成果对5G在配电网中的实际应用起到一定的推动作用。