5G 通信技术在智能电网的应用分析

2024-05-17巩庆超

通信电源技术 2024年6期

巩庆超，于涛，张强

（国网山东省电力公司泰安供电公司，山东泰安 271000）

0 引言

随着科技的飞速进步，智能电网成为国家能源战略的重要一环，预示着未来电力行业的发展方向。该进程中，无线通信技术发挥着不可或缺的作用，尤其在提高电力设备智能化水平方面具有直接影响。5G 通信技术作为新一代的无线通信技术，相较于传统的通信方式，具有显著的优势。它不仅极大地提升数据传输的速度和带宽，降低延迟，还为大数据、物联网等新兴技术的应用奠定坚实基础。这些特性使得5G通信技术在智能电网中具有广泛的应用前景。因此，为充分发挥5G 通信技术在智能电网中的潜力，需要进一步加强技术创新和研究，不断探索和实践，从而实现智能电网的全面升级。

1 智能电网的特点

随着新时代的电力发展步伐不断加快，智能电网成为推动电力行业进步的关键因素。智能电网以其独特的优势和特点，逐渐成为保障电力供应稳定、安全和高效的核心力量。智能电网具体优势和特点内容如下。

第一，智能电网具有较高的可靠性。借助先进的高级通信技术，智能电网能够在各种复杂情况下快速、准确地做出判断。智能电网不仅在面临突发状况时具备自我修复能力，可以降低故障导致的电力中断概率，而且能预警潜在问题，提前采取措施，确保电力供应的稳定性和连续性。

第二，智能电网具有开放兼容的特性。智能电网能够兼容各类电源，使得风能、太阳能等可再生能源能够更好地融入电力系统，提高能源利用效率[1]。这种开放兼容性不仅促进电力行业的多元化发展，而且为用户提供更加多样化的电力选择。

第三，智能电网具备互动性特点。随着技术的发展，智能电网能够实现电网部门与电力用户之间的实时互动。用户可以根据自己的需求向电网部门反馈，电网部门可以及时获取用户的反馈，从而不断优化服务质量和用户体验。这种互动性不仅有助于改善用户满意度，还能促进电力行业的持续改进和创新。

第四，智能电网还具有高效性优势。通过先进的通信技术和智能化管理，智能电网能够实现电力的高效运行和信息的快速集结整理。这有助于优化电力资源的配置，减少能源浪费，提高电力系统的运行效率。同时，智能电网可以降低运营成本，为电力企业创造更大的经济效益。

2 5G 通信技术在智能电网中的应用

2.1 D2D 技术的应用

虽然基站是保障通信稳定的关键，但是传统无线通信技术的建设成本相对较高。另外，每个基站的信号覆盖范围有限，使得大规模应用受限。随着5G通信技术的不断演进，终端直通（Device-to-Device，D2D）网络连接技术得到广泛应用[2]。这一技术的核心优势是无须基站，即可进行电力通信传输，从而减少电力传输的成本。每个节点可以独立操作，自主发送和接收信号，实现信息的快速传递。D2D 技术示意如图1 所示。在智能电网中，D2D 技术的应用进一步提升网络连接质量和传输速度，通过直接连接通信终端与网络，降低运营过程中对基站的依赖程度，从而降低整体运营成本。这一技术的应用有助于实现更加高效、稳定和经济的电力传输与分配。

图1 D2D 技术示意

2.2 C-RAN 接入网架构的应用

集中式无线接入网（Centralized-Radio Access Network，C-RAN）是一种5G 通信技术中的网络架构，它采用2 层网络云的结构，主要由集中单元（Centralized Unit，CU）和分布单元（Distributed Unit，DU）组成。CU 负责控制和管理，DU 处理无线信号的传输和处理。智能电网通过C-RAN 架构中的CU和DU，可以实时获取电网各部分的数据，如电力负载、能源产量和能耗等信息，有助于更精确地监控电网运行状态和分析数据，以便优化能源管理。通过C-RAN架构的集中管理和控制能力，智能电网的运维人员能够更快速地发现电网运行中的问题，并及时采取措施进行修复和维护，增强电网的可靠性和稳定性[3]。

2.3 5G 网络切片技术的应用

5G 网络切片技术指将5G 网络资源按照不同业务需求进行逻辑上的分割，为各种不同的应用场景提供定制化的网络服务。这种切片方式可以将网络资源，如带宽、延迟、连接密度等按需分配给特定的应用，以提供更灵活、高效和可靠的通信服务。5G 网络切片技术在智能电网领域的应用示意见图2。

图2 5G 网络切片技术在智能电网领域的应用

在智能电网领域，5G 网络切片技术可以为智能电网提供高可靠性的通信服务。通过创建专用的切片，可以确保电网设备之间的实时通信和数据传输的可靠性，从而提升电网的稳定性和可靠性。5G 网络切片技术可以为智能电网提供低延迟的通信能力，以满足如故障检测、紧急控制和预防性维护等实时性要求。5G 网络切片可以创建虚拟专网连接，将智能电网的各个子系统、设备和应用连接起来。这种连接可以提供安全、私密和高效的通信渠道，支持智能电网中的分布式控制和协同工作。

2.4 多天线传输技术的应用

多天线传输技术主要是使用多个有源天线发射和接收信号。该技术不仅能扩大传统网络通信技术的信号覆盖范围，还能增强信号的稳定性。近年来，随着技术的不断进步，天线阵列已从2D 模式演变为3D模式，进一步提高信号传输的精确度。在智能电网中，多天线传输技术的应用，尤其在地下配电房等终端场景中发挥重要作用。在地下环境下，传统通信技术的信号穿透和传输距离上常受限，而多天线传输技术可以解决这一问题，通过优化信号覆盖范围和传输质量，有力保障智能电网的稳定运行。

2.5 支持用电负荷需求侧响应

需求侧响应指电力用户根据市场价格的变动主动调整用电负荷。这意味着用户可以根据电力市场的供需情况，选择在价格较低的时段使用更多电力，而在价格较高的时段减少用电量。需求侧响应能够帮助电网维持平衡，减少峰值负荷，并降低能源消耗。传统需求侧响应的局限性在于用户的响应能力有限，用户只能根据自身的日常生活需求来调整用电，而无法根据市场供需情况进行灵活调整。随着5G 通信技术的引入，多方参与需求侧响应成为可能[4]。5G 通信技术的高速率和低延迟使得电力系统和用户之间能够实现实时数据交互和及时决策。具体来说，5G 通信技术能够提供高速率、低延迟的通信连接，使得电力系统可以与用户的智能电网终端或智能家居设备进行实时数据交互。这意味着电力系统可以获得用户的用电信息和需求，并为用户提供及时的电力市场价格和供需情况。这种情况下，用户可以根据实时的市场价格和供需情况，灵活地调整自己的用电行为。

3 5G 通信技术在智能电网应用的发展方向

3.1 智能自动化配电

随着5G 通信技术的快速发展，其在智能电网中的应用前景十分广阔。借助5G 的高速度、大容量和低延迟特性，配电系统将实现更高程度的自动化和智能化，为电力行业带来革命性的变革。5G 通信技术为智能自动化配电提供强大的支持，通过高效数据传输和实时通信能力实时监控配电网络的运行状态，及时发现和解决潜在问题，不仅可以提升供电的可靠性和持续性，而且可以降低运维成本，缩短故障处理时间。同时，5G 通信技术能够支持远程控制和监测电网设备，使得配电系统更加灵活和智能化。在智能自动化配电中，5G通信技术可以实现毫秒级的故障处理时间，满足市场对电力可靠性的高要求。通过准确分析和定位故障，5G 通信技术能够迅速进行隔离和恢复供电，有效缩小停电范围，缩短故障影响时间，不仅可以增强电力供应的可靠性，而且可以提高电力企业的服务水平和竞争力。

3.2 低压用电信息采集

低压用电信息采集旨在收集与处理用户的用电信息，通过实时监测和数据分析调整电力供需。然而，随着用电需求的不断增长和电网规模的扩大，传统的信息采集方式已难以满足实时性和通信规模的要求。在这样的背景下，5G 通信技术的引入为低压用电信息采集带来新的发展机遇。5G 通信技术具有高速率、大容量和低延迟的特性，能够满足大规模数据传输和实时通信的需求，从而能够实现更为精准的用电信息采集，实时监测电网的运行状态，及时发现和解决潜在问题。这不仅可以提升供电的可靠性和稳定性，也可以降低运维成本，缩短故障处理时间[5]。此外，5G 通信技术可以进一步细化用户信息采集工作，获取全面的用户终端信息，从而更加精准地分析用电需求和优化电力供应。在此基础上，可以制定更为科学合理的电价阶梯报价等管理制度，实现电力资源的优化配置。

3.3 分布式电源

太阳能、风能发电以及电动汽车充换电站等分布式电源逐渐成为智能电网的重要组成部分。这些分布式电源具有显著的优势，如降低投资成本、提高电力系统的运行效率等，对智能电网的发展起到积极的推动作用。然而，分布式电源并网也带来一些挑战，如电网结构的复杂化、电力质量的保障等。5G 通信技术的出现，为解决这些问题提供了新的契机。5G通信技术具有高速、大容量和低延迟的特性，能够满足大规模数据传输和实时通信的需求。利用5G 通信技术可以实现对分布式电源的实时监控和数据收集处理，自动进行有功功率与无功功率的调控等功能。这不仅有助于提高分布式电源的运行效率，还可以减少能源浪费，对实现能源的可持续发展具有重要意义。此外，5G 通信技术可以促进分布式电源与其他能源系统的集成和协同工作，从而实现能源系统的互联互通，优化能源资源的配置和利用。这不仅可以提高能源的利用效率，还可以降低能源成本，为社会经济的发展提供强有力的支持。

3.4 精准负荷控制

传统的负荷控制方法无法精确地调整每一个用电单位的负荷。通过5G 通信技术的低时延和高可靠性，可以实时监测和调控电负荷。具体来说，5G 通信技术提供实时通信的能力，使得智能电网能够收集和分析各个用电单位的负荷数据。通过传感器和智能计量装置等设备的连接，5G 通信技术可以实时监测并传输负荷信息，帮助智能电网系统准确了解每个用电单位的负荷情况。基于这些实时数据，智能电网系统可以利用5G 通信技术实现实时负荷管理和调控。通过与各类负荷设备的通信，系统可以根据实时需求和优先级，精确控制负荷的开关状态和电力消耗。这种精准负荷控制既可以用于整体负荷管理，又可以针对具体负荷单元进行个别控制。此外，5G 通信技术具有高可靠性和稳定性的特点，可以确保负荷控制命令的准确传输和执行，提高负荷控制的效率和精度。