5G作為支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)數(shù)字化、信息化、智能化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵新型基礎(chǔ)設(shè)施，是實(shí)現(xiàn)各行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要手段，能夠?qū)崟r(shí)、穩(wěn)定、可靠、高效為電網(wǎng)數(shù)字化建設(shè)提供網(wǎng)絡(luò)支撐，從根本上滿足能源互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略目標(biāo)和業(yè)務(wù)場景的剛性需求。本文重點(diǎn)聚焦智能配用電領(lǐng)域的5G應(yīng)用創(chuàng)新，分析國家電網(wǎng)數(shù)字新基建能源互聯(lián)網(wǎng)5G應(yīng)用發(fā)展背景，結(jié)合智能配用電業(yè)務(wù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，提出基于5G技術(shù)的配用電典型場景應(yīng)用解決方案，并在具體實(shí)踐中驗(yàn)證5G技術(shù)在電網(wǎng)應(yīng)用中的可用性。
2020年5月的政府工作報(bào)告中明確提出，加強(qiáng)新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，發(fā)展新一代信息網(wǎng)絡(luò)，拓展5G應(yīng)用。國家強(qiáng)化新基建，拓展5G應(yīng)用，將開啟5G賦能千行百業(yè)新篇章。在這一背景下，國家電網(wǎng)公司在同年6月對(duì)外發(fā)布“數(shù)字新基建”十大重點(diǎn)建設(shè)任務(wù)，其中就包含能源互聯(lián)網(wǎng)5G應(yīng)用。
能源互聯(lián)網(wǎng)與5G的深度結(jié)合，將有效促進(jìn)資源集約化利用，將傳統(tǒng)電網(wǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)槟茉葱畔屑~，創(chuàng)建能源與信息共享互濟(jì)、融合創(chuàng)新的新業(yè)態(tài)。作為支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)數(shù)字化、信息化、智能化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵新型基礎(chǔ)設(shè)施，5G能夠?qū)崟r(shí)、穩(wěn)定、可靠、高效為電網(wǎng)數(shù)字化建設(shè)提供網(wǎng)絡(luò)支撐，從根本上滿足能源互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略目標(biāo)和業(yè)務(wù)場景的剛性需求，可廣泛應(yīng)用于發(fā)、輸、變、配、用各環(huán)節(jié)，助力國家電網(wǎng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。
Part 01
配用電業(yè)務(wù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
配電網(wǎng)是指從輸電網(wǎng)或地區(qū)發(fā)電廠接受電能，通過配電設(shè)施就地分配或按電壓逐級(jí)分配給各類用戶的電力網(wǎng)，是由架空線路、電纜、桿塔、配電變壓器、隔離開關(guān)、無功補(bǔ)償器及一些附屬設(shè)施等組成的，在電力網(wǎng)中起重要分配電能作用的網(wǎng)絡(luò)。配電網(wǎng)是電網(wǎng)的重要組成部分，直接面向電力用戶，是電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)中聯(lián)接電網(wǎng)和用戶的關(guān)鍵結(jié)點(diǎn)。
然而我國配電網(wǎng)網(wǎng)架基礎(chǔ)薄弱，配電系統(tǒng)自動(dòng)化與智能化程度遠(yuǎn)低于輸電系統(tǒng)，其安全和可靠性與主網(wǎng)相比配電網(wǎng)仍顯薄弱和發(fā)展相對(duì)滯后，配電自動(dòng)化目前主要集中在城市中心區(qū)。配電網(wǎng)規(guī)?；?、系統(tǒng)化程度較低，很多裝置沒有互聯(lián)互通的功能，只具備在本地監(jiān)測(cè)和控制的功能。配電網(wǎng)中大量設(shè)備需要實(shí)時(shí)監(jiān)控，信息雙向交互頻繁，造成有線光纖敷設(shè)成本高、運(yùn)維難度大，而傳統(tǒng)無線通信使得智能終端和用戶終端連接困難、連接匱乏、通信質(zhì)量差。由于用戶側(cè)分布式新能源規(guī)模并網(wǎng)，配電網(wǎng)缺乏與外部環(huán)境的互動(dòng)，新能源消納與電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行之間的矛盾日益突出。
隨著智能電網(wǎng)建設(shè)及能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，配電側(cè)業(yè)務(wù)逐步延伸至0.4kV，連接節(jié)點(diǎn)達(dá)到千萬，呈現(xiàn)高安全、低時(shí)延、廣覆蓋的特征，并且控制應(yīng)用需要更加精準(zhǔn)。用電側(cè)業(yè)務(wù)用電規(guī)模不斷擴(kuò)大且采集頻次變高，呈現(xiàn)出精益化管理和高效互動(dòng)的特征。根據(jù)業(yè)務(wù)特征將配電側(cè)業(yè)務(wù)分為控制類、采集類及移動(dòng)應(yīng)用類。
控制類：是指配電自動(dòng)化三遙，精準(zhǔn)負(fù)荷控制，配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)以及分布式新能源等，主要涉及電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，具有典型的低時(shí)延、高可靠業(yè)務(wù)特征。未來的連接模式將出現(xiàn)更多的分布式點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，使得主站系統(tǒng)將逐步下沉，并且出現(xiàn)更多的本地就近控制，使得時(shí)延需要達(dá)到毫秒級(jí)。
采集類：是指用電信息采集、電動(dòng)汽車充電樁以及配電環(huán)境監(jiān)測(cè)等，涉及海量終端，并且分布廣泛，具有廣覆蓋、大連接業(yè)務(wù)特征。未來采集頻次趨于分鐘級(jí)使得連接數(shù)量至少翻一倍。若集采方式下沉，那么連接數(shù)量預(yù)計(jì)翻50-100倍，進(jìn)而使得采集內(nèi)容趨于視頻化、高清化，屆時(shí)連接需求將達(dá)到數(shù)十億級(jí)。
移動(dòng)應(yīng)用類：是指視頻監(jiān)控和機(jī)器人巡檢，其對(duì)于網(wǎng)絡(luò)帶寬和移動(dòng)性有更多的需求，具有典型的大帶寬、靈活接入業(yè)務(wù)特征，其中帶寬要求不低于2Mbps。移動(dòng)應(yīng)用未來將向4K/8K高清視頻、AR/VR方向發(fā)展，屆時(shí)帶寬需求將達(dá)到50Mbps以上。
Part 02
5G通信技術(shù)概述
5G的基本特征
5G，指的是第五代移動(dòng)通信技術(shù)，法定名稱是IMT-2020。在早期5G關(guān)鍵指標(biāo)需求征集中，中國最開始提出了“5G之花”，如圖1。ITU采納了中國的部分指標(biāo)，確定了以下5個(gè)基本特征，即高速率、高容量、高可靠性、低時(shí)延與低能耗，可簡單概括為“三高兩低”。
高速率。5G峰值速率指的是最佳條件下的最大速率，能夠達(dá)到20Gbps。
高容量。5G能夠連接海量終端設(shè)備，每平方公里可以連接100萬個(gè)移動(dòng)終端，能夠?yàn)槟茉椿ヂ?lián)網(wǎng)中萬物互聯(lián)提供幫助。
高可靠性。5G傳輸速率成功概率高達(dá)99.999%，電力通信可靠性也將提升電力系統(tǒng)本身的可靠性。
低時(shí)延。5G能夠讓端到端時(shí)延小于10ms，為靈活響應(yīng)各種需求提供幫助。
低能耗。5G 通過優(yōu)化通信硬件協(xié)議等而具備的低能耗特點(diǎn)將有效解決電力通信能耗問題。
圖1 5G性能指標(biāo)
5G技術(shù)與電力業(yè)務(wù)適配性分析
無線通信作為有線通信的拓展和補(bǔ)充，尤其在解決配電網(wǎng)業(yè)務(wù)“最后一公里”接入方面，采用無線能夠?qū)崿F(xiàn)快速、靈活部署。5G無線通信技術(shù)具備更泛在的終端接入能力、強(qiáng)大的多業(yè)務(wù)承載能力、差異化安全隔離能力及高效靈活的管理能力，與配用電業(yè)務(wù)的“高安全、低時(shí)延、高可靠、廣覆蓋、大聯(lián)接”的通信需求高度契合，是配用電業(yè)務(wù)無線通信的最佳選擇。ITU正式確認(rèn)了5G 三大應(yīng)用場景，分別是eMMB（增強(qiáng)型移動(dòng)帶寬）、uRLLC（低時(shí)延高可靠通信）、mMTC（海量物聯(lián)網(wǎng)通信）。5G“三高兩低”的特點(diǎn)與電力業(yè)務(wù)發(fā)展需求相匹配，如表1所示。
Part 03
5G賦能智能配用電業(yè)務(wù)
為全面推動(dòng)配用電業(yè)務(wù)的建設(shè)發(fā)展，提升自動(dòng)化、智能化水平，為人們提供優(yōu)質(zhì)的電力服務(wù)，亟需依托先進(jìn)的信息通信技術(shù)，極大提高配用電運(yùn)維管理能力和供電服務(wù)水平，助力智慧配用電業(yè)務(wù)發(fā)展。
5G在配電自動(dòng)化業(yè)務(wù)中的應(yīng)用
在配電側(cè)，基于5G的配電自動(dòng)化可以支撐高可靠配電網(wǎng)保護(hù)，可以實(shí)現(xiàn)故障快速定位與隔離恢復(fù)，可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)負(fù)荷控制、實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控，最終達(dá)到精益化管理。高效利用MEC平臺(tái)，一方面能夠降低通信終端之間的通信時(shí)延，另一方面提升了業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的安全性，配電自動(dòng)化如圖2所示。
圖2 配電自動(dòng)化示意圖
5G在電動(dòng)汽車充電樁業(yè)務(wù)中的應(yīng)用
在用電側(cè)，利用5G通信大連接、高帶寬的特性，能夠解決充電樁業(yè)務(wù)面臨的接入經(jīng)濟(jì)性、安全性等問題，滿足充電樁業(yè)務(wù)快速部署建設(shè)、高效采集運(yùn)營的需求，實(shí)現(xiàn)未來對(duì)分散或集中建設(shè)的充電樁站點(diǎn)的信息采集、控制并提高充電樁業(yè)務(wù)運(yùn)營實(shí)效，如圖3所示。
圖3 電動(dòng)汽車充電樁示意圖
Part 04
實(shí)踐案例
智慧配電房整體架構(gòu)
智慧配電房建設(shè)創(chuàng)新性的采用“5G+電力物聯(lián)網(wǎng)+數(shù)字孿生”等技術(shù)，依托具備5G通信能力的邊緣物聯(lián)代理裝置實(shí)現(xiàn)全感知配電房高效實(shí)時(shí)的信息采集，進(jìn)而提高對(duì)配電站房的感知互聯(lián)能力。并且還能實(shí)現(xiàn)多站點(diǎn)的拓?fù)渥詣?dòng)呈現(xiàn)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)高效分析以及預(yù)警、布控、故障處理的實(shí)時(shí)決策，進(jìn)而支撐遠(yuǎn)程控制功能來大幅提升運(yùn)維管理效率和供電服務(wù)水平，整體架構(gòu)如圖4所示。
圖4 智慧配電房整體架構(gòu)圖
智慧配電房核心技術(shù)
采用5G邊緣物聯(lián)代理裝置實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算、智能接入。邊緣物聯(lián)代理作為“云-管-邊-端”智慧物聯(lián)體系中的邊側(cè)設(shè)備，不但可以實(shí)現(xiàn)配電房中狀態(tài)、環(huán)境等信息的全面采集，而且支持多種通信方式接入。
基于無線多跳自組網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)健壯安全的自由組網(wǎng)。主要采用無線多跳自組網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)感知設(shè)備之間的通信。該技術(shù)能實(shí)現(xiàn)大面積覆蓋，可靈活部署網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，并且節(jié)點(diǎn)具備較好的抗干擾能力。
通過數(shù)據(jù)采集、分析與控制全流程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同源、融合貫通。依托邊緣物聯(lián)代理和運(yùn)維管理賦能平臺(tái)來探索智慧物聯(lián)體系建設(shè)，保證配電房管理實(shí)現(xiàn)智能化和精益化，從而助推配電房用電服務(wù)和管理水平雙提升。
打造數(shù)字孿生的配電房實(shí)現(xiàn)輔助決策。該技術(shù)不僅對(duì)配電房進(jìn)行多維感知、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和智能評(píng)估，未來還能夠?qū)崿F(xiàn)配電房保電、應(yīng)急等操作的模擬控制，進(jìn)而為配電房全生命周期運(yùn)行維護(hù)提供指導(dǎo)。
智慧配電房核心設(shè)備
5G通信模組：主要特點(diǎn)包括支持5GNSA/SA雙模組網(wǎng)方式，同時(shí)也支持2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋。主要用于電網(wǎng)各場景信息采集，電網(wǎng)現(xiàn)有設(shè)備中采用3G/4G的通信的終端通過更換通信模組實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信從3G/4G到5G的平滑升級(jí)，例如計(jì)量表計(jì)、采集器、集中器、配變終端等設(shè)備升級(jí)。
5G邊緣物聯(lián)代理：主要特點(diǎn)包括能夠?qū)υO(shè)備進(jìn)行連接匯聚，從而實(shí)現(xiàn)平臺(tái)之間的互聯(lián)、邊緣計(jì)算、區(qū)域自治等功能；采用容器技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同容器中應(yīng)用APP的隔離。主要適用于電動(dòng)汽車充電樁管理和控制、用戶側(cè)柔性負(fù)荷控制以及開關(guān)站、配電房等場景中的監(jiān)控設(shè)備廣泛接入和管理等電力物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。
預(yù)期成效分析
在業(yè)務(wù)成效上，全感知配電房依托先進(jìn)的監(jiān)測(cè)技術(shù)，構(gòu)建靈活、自主、可靠的全感知神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，率先采用數(shù)字孿生技術(shù)，實(shí)現(xiàn)配電房場景下5G邊緣物聯(lián)代理的應(yīng)用，使得配電房感知能力提升至100%，最終在感知能力、管理水平、數(shù)據(jù)融合、保電安防等方面實(shí)現(xiàn)提質(zhì)增效，極大提升了配電側(cè)運(yùn)維管理能力和供電服務(wù)水平。
在經(jīng)濟(jì)效益上，經(jīng)測(cè)算，配電房投運(yùn)之后可減少人工運(yùn)維管理費(fèi)，還能降低設(shè)備故障維護(hù)成本以及增加售電收入等。
在社會(huì)效益上，全感知配電房的推廣建設(shè)可聚集配電房用能數(shù)據(jù)資源，形成電網(wǎng)客戶側(cè)大數(shù)據(jù)價(jià)值；同時(shí)提高了電網(wǎng)精益化管理水平，提升了供保電服務(wù)和服務(wù)社會(huì)民生能力，還能以強(qiáng)大的電網(wǎng)側(cè)數(shù)據(jù)為社會(huì)各行各業(yè)發(fā)展提供新動(dòng)能，體現(xiàn)電網(wǎng)企業(yè)的社會(huì)責(zé)任。
通過應(yīng)用5G技術(shù)建設(shè)智慧配電房，提高了配電房運(yùn)維效率，緩解了電力基礎(chǔ)設(shè)施保障的壓力，實(shí)現(xiàn)了精細(xì)化和動(dòng)態(tài)管理。通過及時(shí)準(zhǔn)確反映電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、環(huán)境狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶配電房數(shù)據(jù)感知、分析、決策和反饋現(xiàn)場設(shè)備聯(lián)動(dòng)控制，既達(dá)到減員增效的目的，又提高工作質(zhì)量和效率，實(shí)現(xiàn)配電設(shè)備狀態(tài)智能化管控。
筆者通過上文探討了5G技術(shù)在智能配用電領(lǐng)域的應(yīng)用與實(shí)踐，介紹了配用電業(yè)務(wù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)，深入分析了5G與配用電業(yè)務(wù)的適配性，通過智慧配電房建設(shè)驗(yàn)證5G在智能配電領(lǐng)域的實(shí)踐。配用電智能化管理在提高電力系統(tǒng)運(yùn)行安全性和穩(wěn)定性，具有不可替代的重要作用。5G能夠很好地滿足電力業(yè)務(wù)對(duì)于通信層面在帶寬、延時(shí)等方面的差異化需求，能夠?yàn)橹悄芘溆秒婎I(lǐng)域的建設(shè)提供高效支撐。
