5G 通信技术在电力信息采集中的应用

尹春浩

（国网江苏省电力有限公司苏州供电分公司，江苏 苏州 215000）

0 引 言

5G 通信技术是当前经济社会智能化、信息化、数字化转型所需的全新基础设施，也是各行各业达成数字化升级与转型目标的关键手段，能够以高效可靠、稳定、实时的方式为当前的电网数字化升级工作提供网络支持，有效满足能源互联网发展的各业务场景与战略目标的刚性需求。5G 通信技术与能源互联网的深度融合，可以实现各类资源要素的集约化利用，使电网成为能源信息传递的枢纽，构筑信息与能源融合创新、互济共享的全新业态。

1 5G 通信技术在电力信息采集中的主要优点

1.1 大连接与低功耗

5G 通信网络连接范围极广，连接量也较为庞大，但其对网络连接能力有着更为严苛的技术要求，终端消耗水平不可过高，必须在允许范围内。5G 通信技术低功耗特点对于增强电力数据采集的经济性有重大意义，有助于提升电网状态监控工作的质量与效率，并为视频监控提供海量规模的连接端口，涉及的数据包也相对较小[1]。通过对通信硬件协议进行优化可降低通信能耗，进而应对当前电力通信中存在的能耗过大的问题。

1.2 可靠性强与延时低

5G 通信技术传输速率有着接近99.999%的成功率，能够有效增强电力系统的可靠性。5G 通信技术的时延为1 ms，将其运用到采集电力信息的活动，能够有效降低物联网端时延获得，进一步增强通信业务的有效性。

1.3 热点容量高

与前几代通信技术相比，5G 通信技术在热点容量方面的优势也极其突出，其连接海量终端设备时，单位面积范围内可实现对多达100 万个移动终端的有效连接，支持电力能源互联网体系中的万物互联提供技术支持[2]。5G 通信技术以多基站式的通信方式为基础，在其覆盖范围内能够构成局部热点，以此高效传递局部范围以内的电力数据，提高网络流量密度。用户能够根据电力信息获取需求，随时与网络连接，期间的掉线率也较低。由于运用了5G 通信技术，用户可获得100 Mb/s 的良好网络通信体验。

1.4 信号覆盖面更广

5G 通信技术已经被引入物联网技术，并处于极为关键的位置，其将多进多出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）电路、波束赋性、波速追踪技术以及天线阵列技术相融合，形成了更大的信号覆盖范围，满足采集移动性、连续性目标信息的需求。物联网获得5G 通信技术的支持，高速传输电力数据时，其整体性能得到切实改善。

2 5G 通信技术在电力信息采集中的基本应用场景

2.1 配用电场景

5G 通信技术与物联网技术相互融合后，以解决问题为基本导向，构建相应的工作框架，精准且实时地评估电力系统处于运行状态时面临的风险因素，从而使配电系统形成更强的风险防控与抵抗能力，同时增强传输能力。此外，通过负荷监测技术，可使电能维持充足状态，以此缩减电力资源的使用，并降低电压，满足发电端的有效经济调度需求。

2.2 移动类场景

移动类场景主要涉及移动巡检类的电力业务，有应急式现场自组网系统综合化应用、移动式现场作业管理与控制以及变电站所用的巡检机器人。识别与采集的目标数据包括电力生产管理期间的开关柜和配电柜的视频与图片，多为中低速率水平的移动化场景。重点采集其中的开关资源状态与运行状态等方面的数据信息，以此实现对机房整体环境的有效监控，避免发生环境污染与安全事故，并通过此种方式缩减人工巡检环节的工作量，同时将人工现场作业行为存在的不确定性控制到最低程度，缩减人工成本，促进运维效率有效提升[3]。在巡检机器人方面的业务中，可对处于110 kV 及以上的电力变电站系统范围内的各一次设备的实际运行状况实施安全巡视与综合监控。通过Wi-Fi 将巡检机器人巡视期间获取的视频信息保存在站内本地。巡检机器人可搭载用于监控变电站环境的传感装置与多路视频摄像装置，实时回传检测、采集的数据，使监控信息能够在第一时间被输送到远程监控中心端。基于全新的工作需求，巡检机器人能够进行过程相对简单的带电状态作业，如控制道闸开关。以低时延迟化的远程控制方式来控制巡检机器人以及多路回传高清视频，满足通信与信息获取方面的需求。结合具体的应用场景设置带宽，应确保其持续稳定地处于4 ～100 Mb/s。在时延方面，控制类信息的时延迟应在100 ms 以下；多媒体类信息时延需要在200 ms 以下。在可靠性方面，控制类信息的实际可靠性需达到99.999%的标准；多媒体类信息的可靠性标准为99.9%。业务大多在电网Ⅲ区范畴中，安全性要求为低于电网Ⅰ/Ⅱ区。针对巡检机器人的控制类信息应达到电网Ⅰ/Ⅱ区的要求。集中处于局部位置时，连接数量应在2 ～10 个。移动速率范围为10 ～20 km/h。移动巡检类业务应用场景架构如图1所示。

图1 移动巡检类业务应用场景

2.3 通信网络

电力信息传输具有规模较小、频次偏低的典型特征，同时存在下行流量较少，上行流量较大的情况。通过无线网与光纤进行传输时，为多种类别的用户终端实施了集中器方法，省级公司针对主站进行统一部署。而随着业务量规模越来越庞大，对于用电信息实时、准时上报的要求逐步增加。日后，采集用电信息的业务范围将向用户家庭延伸，确保直接从用电终端处获取负荷信息，提升电网管控的精细化水平，并通过合理引导来实现错峰用电。

以5G 通信技术为基础的大规模机器通信（massive Machine Type Communication，mMTC）应用场景可实现用电信息的有效采集。在采集类业务之中，需要完成自动采集用电信息、监测计量异常情况、监测电能质量、分析用电信息以及推进用电管理等任务。采集系统的构成部分包括电表、采集器、集中器、本地与远程通道以及主站。采集用电信息时的数据流向主要有下行与上行2 种类别。其中，上行数据流是公配变用户端、居民用户端和低压工商业用户端的电能表计量数据借助采集器装置向集中器装置处上传的数据输送活动，集中器装置再利用上行通道把用电信息输送至主站处。专变用户端的电能表则上传电能计量数据至转变终端，其同样通过上行通道将所采集的信息传递到主站端。终端部署位置包括小区配电房、屋檐与楼道，少量终端位于地下空间。

用电信息采集系统框架如图 2 所示。采集用电信息的系统涵盖采集设备层、通信信道层与主站层3个不同层次，主站层有数据库管理、前置采集平台、营销采集业务管理及应用等功能。业务应用模块可有效实现系统中的多种差异化业务逻辑，数据采集模块在采集终端用电信息的基础上，需要解析通信协议。控制执行是指业务终端对各项控制操作进行执行。前置机装置能够支持围绕终端开展的调度与通信管理工作。采集设备与主站以通信信道层为连接纽带，可全面提供无线与有线通信信道，以此形成终端与主站进行信息传递与交互活动时所需的链路基础，可选用的通信方式包括中压电力线载波、无线专网、无线公网以及光纤专网等[4]。采集设备层属于整个系统的信息底层，其功能为提供与收集系统的所有原始用电数据。

图2 用电信息采集系统框架

从通信需求的角度分析，结合用户的具体情况，采集用电信息业务的通信速率应当在1.05 kb/s 以上，在负荷控制指令方面，传输速率则应在2.5 kb/s，上行数据流通信带宽应在2 Mb/s 以下，下行数据流通信带宽应在1 Mb/s 以下，通信可靠性应在99.99%以上，连接密度应小于10 000 个/km2，通信方式应能够实现永久在线，频次需满足小于等于5 min/次的要求。在安全性方面，应达到较高的安全标准，通过逻辑隔离、物联网切片、接入区安全认证以及加密认证等多种安全策略来保障通信安全。在时延方面，低压集抄、专变/公变检测时延应在3 s 以内，精准费控的时延应在200 ms 以内。

2.4 多站融合业务场景

随着电力物联网与智能电网的深入建设持续推进，在电力信息采集等方面产生了新的业务活动与通信需求。针对存量业务通信积累不足的问题，5G 通信技术可以与以往通信方式相结合，满足多站融合业务下的电力信息采集、传输等需求。在多站融合模式下，可充分利用抽水蓄能电站、供电营业厅所、电动汽车充电站、储能站、新能源场站以及变电站等差异化的业务场景与多种等级的数据中心站，对变电站数据进行边缘计算、本地存储以及网络边缘计算，以此实现对云计算功能的有效延伸，云计算平台与其具备的能力可被迁移到新能源场站与变电站等网络边缘，进而支撑本地化、低时延、高带宽的信息采集以及传输等通信业务。

3 5G 通信技术在电力信息采集中的应用挑战与潜力分析

3.1 主要挑战

5G 通信网络能够以业务需求为基准，围绕切片形成定制化的安全保护机制，满足切片间的安全隔离需求，提供安全分级服务，并以虚拟网络为基础来实施安全管理与安全部署，相比4G 通信网络，在安全性方面有较大优势。然而，电力系统对于通信网络的安全性与可靠性存在相对特殊化的要求。同时，5G通信系统的海量连接、承载超低延时业务、核心网下沉与网络切片给电力网络管理和安全防护系统的构建带来不少新挑战。从应用安全的角度分析，主要涉及数据安全风险、应用安全风险、网络安全风险以及终端安全风险。在数据安全方面，需要重点关注用户隐私需求。在应用安全方面，应认识到5G 通信网络切片并不是针对电力信息采集等业务专门设计，因此在使用期间可能会有资源匹配度较低的情况，甚至无法对信息采集业务存在的不同安全保护要求进行满足；5G 边缘计算可对数个不同的应用进行部署，实现相关资源的共享，但若其中一个应用安全防护遭到攻击，其他应用也将受到影响，导致电网运行效率降低，资源遭到浪费。在网络安全方面，若隔离机制未能够发挥作用，防护能力较弱的网络切片受到攻击，其他切片也将进入攻击范围内，最终给电力系统带来冲击。在终端安全方面，须考虑接入海量终端后面临的网络风险与认证风险[5]。

针对安全风险给电力信息采集带来的威胁，各个主体必须做好协同配合工作，确定安全责任边界，以此在电力行业领域中实现通信安全防护技术与5G通信技术的同步发展。设备供应商、网络运营商与电力企业应共同围绕通信网络的架构设计与技术指标选择进行量化工作，确保全面满足网络管理界面、开放协商网络能力、端至端的业务时延、业务隔离以及网络安全等方面的要求，为治理电力信息传输等多种应用场景中的安全隐患，提供差异化的应对方案，并逐步推进技术示范与验证工作。

3.2 发展潜力

从采集用电信息这一业务场景来看，获得5G 技术的支持后，可以自动高效地采集用电信息，监测异常计量情况、管控电能质量、发布用电信息以及开展智能化用电交互活动。该项业务场景具有极高的价值创造潜力，可对智能化电力消费活动中的创新短板与技术短板进行弥补。目前，国家层面鼓励与支持“互联网+”智慧能源持续发展与新基建事业。从电力需求规模角度分析，连接的通信终端的数量级别决定市场需求量，虽然短期内业务规模相对有限，但随着终端数量持续增加，业务量也将得到有效扩大。从商业可行性角度分析，其在短期阶段中的快速落实潜力尚有挖掘空间，主要是因为对于连接终端的具体量级有较高要求，需要有可靠性强、带宽高的通信网络作为支撑。从颠覆性发展角度分析，借助采集的信息可开发能源交易、节能等增值服务，并使用户能源消费习惯得到改变。

4 结 论

电力行业应当积极拓展5G通信技术的应用范围，将其运用到发电、配电、变电、输电以及用电等各个电力生产环节中，加快国家电网系统数字化转型的速度。电力信息采集业务活动具有分布广泛、连接海量终端的典型特征，采集内容朝着高清化、视频化的方向发展，需要5G 通信技术为其提供支持。在日后的电力信息采集系统扩展与升级中，应继续对5G 技术的应用潜力进行深度挖掘，并防控安全风险。