5G通信技术在智能电网中的应用及其发展

吕楚昊

武汉轻工大学，湖北 武汉 430000

0 引言

近年来，我国国民经济快速发展，对电力提出更高要求。电力行业积极推进数字化、网络化技术的发展和能源互联网建设。随着新能源发电规模的日益扩大，分布式发电、电动汽车充放电服务、电力储能技术、用户用电信息采集、配网自动化、用户双向交互等新兴业务快速发展，各类电网中的设备、电力终端、电力客户的用电需求爆发式增长，对智能电网运行的安全性、可靠性、灵活性提出更高的要求。迫切需要更加可靠、安全、高效的新一代5G通信技术及相应的支撑系统，提升电力系统的智能化水平，为当前社会发展提供更可靠的能源供应。5G通信网络具备超高带宽、高容量、高可靠性、低时延、低能耗等显著特征[1]，与电力通信的需求高度符合。在智能电网的实际应用场景中，5G通信技术可发挥重要功能。5G通信技术能为电力行业的发展带来比较深远的影响，因此需要加强5G通信技术在智能电网方面的应用的研究。

1 5G通信技术概述

2019年6月6日，中国正式进入5G时代[2]。在此之前，移动通信技术已经经历了从1G到4G的发展历程，而且4G网络的运行速度比3G网络的运行速度快近10倍。5G通信技术在4G技术的基础上发展而来，5G作为目前最先进的通信技术，其网络运行速度大大提升，并在宽带传输速度、低时延、高可靠、广连接、泛在网等方面具有优势，在电力系统的发电、输电、配电、用电、调度等环节都发挥了重要作用，可以推动智能电网更加高效和快速的发展。

5G通信技术的三大应用场景为增强型宽带通信、超高可靠低时延通信和大规模机器通信。其中，增强型宽带通信主要面向移动互联网流量的迅猛增长，可以为移动互联网用户提供更加优越的应用体验；超高可靠低时延通信主要面向远程医疗、工业控制、电动汽车自动驾驶等对时延和可靠性具有极高要求的垂直行业；大规模机器通信主要面向大规模物联网业务、智慧城市、环境监测等以传感和数据采集为目标的应用需求。

2 5G通信技术在智能电网中的应用

在“十四五”建设期，智能电网将迎来快速发展[3]。智能电网在常规电网的基础上发展而来，通过融合自动化、信息化、5G、人工智能、大数据等技术，可以大大提升电网的整体运行水平[4]。智能电网5G通信业务总体上可分为控制类业务、采集类业务、移动应用类业务、多站融合为代表的电网新型业务，如表1所示。

表1 5G通信技术在智能电网中的应用

2.1 配电自动化

现代配电网主要采用配电主站、通信网络、智能分布式子站系统等新技术，全面提升了中低压配电网运行状态感知及决策能力[5]。现代配电网的控制目标是通过各种先进的传感器、测量终端和泛在互联的高速通信网络获取全网的运行和状态数据，通过基于大数据云平台技术的数据支撑平台对全部配网进行态势运行分析和状态估测。

集中式配电自动化控制方式对网络传输依赖性高，当数据在传输过程中发生不规则变化时将出现控制策略失误，并且该方式需要的网络通信和数据处理的基础设施投资较高，不便于推广应用。智能分布式配电自动化基本模式结合了分布式和集中式两种控制方式的优点，既能协调控制整个网络，也能减少对通信的依赖，满足现代配电网的运行控制要求，是解决现代配电网分布式能源多元化、网络复杂化、控制目标多样化、用户需求个性化等问题的有效手段。智能分布式配电自动化基本模式能及时将处理结果及过程上报给配电自动化主站，大大提高网络传输的可靠性及传输速率[6]。

2.2 分布式能源接入调控

大量光伏、风电、核能等新能源以及电动汽车充电桩等不稳定的负荷接入电网，给电网的运行和管理带来较大的影响[7]。光伏、风电及核能等新能源具备不连续性、随机性的特点，给电网无功平衡和控制运行带来挑战。传统的控制方法已经不能很好地满足当前的控制需求，而5G通信技术支持新能源项目基础设施建设的智能化，并支持双向能源分配，可以协调有限能源、资源的应用。5G通信的高容量特性也为大量需求侧用电设备（分布式光伏、电动汽车充电桩等）接入系统提供了保障，并能够参与系统调频，而且不需要建设造价高的光纤通信网络。

2.3 电量计费系统

传统电网需要电工每家每户抄取电表数目，但应用5G通信技术，可以不间断地收集、记录每个用户的用电情况，并自动计算、汇总数据，客户可在电费收费系统中查询电费和缴费。5G通信技术解决了传统电网数据收集慢、整合困难，人工作业难度大、强度高等问题。5G网络支持下的信息系统存储与整合能力大大提高，可以实现数据信息的共享，满足消费者智能用电及安全用电的需求。

2.4 智能电网视频监控

利用5G通信的高速率、高宽带特性能快速、准确地远程传输现场的高清图像和视频，并可大批量应用于智能电网等对视频图像像素要求较高的监控场景，如在变电站对全站设备实施视频监控[8]。当运行设备出现故障时，利用5G通信可以及时反馈故障，从而提高视频监控的效率，并极大地降低通信设施的建造成本。随着5G通信技术的广泛应用，现场的监控摄像装置可快速、不间断地将视频信息传至智能电网分析中心，使得小时级、分钟级的更精确的数据预测得以实现。

3 5G通信技术的不足

3.1 技术本身的不足

5G通信技术与4G通信技术相比速度提升了近20倍，但5G技术在不断发展应用的过程中，也表现出一些显著的缺点。5G通信技术具有超高带宽的特点，为保证高速的带宽需要建设更多的基站才能实现信号的大范围覆盖。随着5G基站建设数量的大幅增加，相应的工程建设时间也大大增加。受到智能电网的建设时间和基站建设数量的限制，要想实现5G通信技术在智能电网中的大范围普及与应用，会面临非常多的问题，如建设等待的时间较长，特别是在偏远的乡镇地区，以及不发达的地区。要想在全国大范围内使用5G通信技术，还需要相当长时间的测试、建设、布局规划等。

整体而言，5G通信技术较2G、3G、4G通信技术拥有更多的全新技术及更多的优点，但其还是存在服务区域覆盖范围不够、尚未实现高可靠和高质量的信息服务等问题。

3.2 成本较高

5G通信技术传输网络的构建主体是一个个相对独立的基站，5G网络结构应用星型网络结构。在通过互联网进行通信交互的过程中，互联的两个终端要先与基站连接，再完成通信终端之间的转接。为了达到更好的传输效果，需要建设更多的基站，相应的工程建设成本大大增加。不仅如此，5G基站后期的运营费用也比4G基站多，因为5G基站耗费的电量非常庞大。成本的大幅提高给5G技术在智能电网中的应用增加了难度。5G通信与4G通信的对比如表2所示。

表2 5G通信与4G通信的对比

3.3 数据安全性较低

随着5G网络的数据传输速度越来越快，5G网络的覆盖范围越来越广，应用形式也越来越多样，在信息交换过程中电力用户安全信息泄露的潜在可能性加大。一些借助5G通信来传播的恶意破坏软件的传输速度更快，这对智能电网的安全性是一种挑战。

5G通信底层网络十分复杂，相关的通信网络安全是需要重点关注的问题。同时，大量物联网设备的融合和新服务的加入将使信息安全问题加剧。为了保护电力用户的隐私，保证电力物联网中数据的安全性，应该利用加密算法先对用户数据进行加密保护，再进行下一步的传输。加密算法的优化和动态密钥对保证电力系统安全十分重要，如果数据加密算法简单，并且在加密时采用固定的密钥进行加密，会使攻击者轻易地获得密钥，这会降低系统的安全性。

4 5G通信技术的发展

4.1 应用发展方向

在当前社会高速发展的大背景下，电力系统的各个部门应当加强对5G通信技术的重视，在智能电网的运作中使用5G通信技术进行信息交互，从而提升智能电网的通信速度和效率，丰富智能电网的功能，提高电网运行的质量，减少故障的发生率，促进各行各业的发展，满足全社会的用电需求。配网自动化和对用户进行需求侧响应的负荷控制是5G通信技术在智能电网中的两个主要应用方向，电力部门需要加大对这两个方向的研究力度，以更好地发挥5G通信技术的应用优势。

4.2 投资控制

为了推进技术协同，提高5G网络利用率，要合理把控5G通信通道的投资结构，同时降低5G通信网络的建设投资，合理规划基站建设，保证基站建设的准确性和地点选择的合理性。提供合理控制基站的投资成本，可以在保证设计最优的前提下降低工程造价，减少5G网络通道建设的总投资成本。

4.3 加强数据保护

为了提高5G通信技术的使用质量和安全信息保护能力，避免通过高清视频泄露数据的风险，要建立坚固的5G网络完全保护机制，对用户的用电信息进行加密保护。随着5G通信技术的发展，用户隐私的保护是一个值得重视的问题，可利用基于物理层的方法提供无线信号的安全传输，实现资源的整合和共享。研究表明，安全隐私区块链（SPB）框架具有较强的隐私保护作用，能够更好地保护用户信息的安全。随着5G技术的不断成熟及其在电力物联网的广泛应用，可以将混沌系统理论和加密算法结合起来加密系统。混沌系统具有高度初值敏感性，可以以该系统为切入点加强对数据的保护。

5 结束语

随着5G通信技术越来越成熟，其在智能电网中的功能得到进一步体现，可以提高电网的运行质量，提升用电客户的体验。智能电网和泛在电力物联网对电力数据的承载、应用、采集和分析提出了更高的要求，电力业务应考虑业务的流量模型，站房监控数量的增加，移动业务场景对大带宽、大流量的需求，以及控制业务对时延和可靠性的要求。5G通信技术的进一步发展可以促进智能电网功能的进一步提升，电力行业要加强对5G通信技术的分析和研究，发挥5G通信技术的优势、价值，进一步推动智能电网的发展，并为电力用户提供更好更快的服务。