面向泛在电力物联网的 5G通信 :技术原理与典型应用

面向泛在电力物联网的 5G通信 :技术原理与典型应用

李鹏飞

内蒙古电力（集团）有限责任公司乌兰察布供电 分 公司 内 蒙古乌兰察布 012000

摘要： 无线通信网络是能源互联网的重要基础设施。随着大量分布式可再生能源的接入和智能计量设备的应用，无线通信的重要性将进一步提升，是保障能源互联网安全、可靠、高效运行的有效方法。

关键词：5G移动通信；泛在电力物联网；能源互联网；电力通信；

随着坚强智能电网建设的深入和泛在电力物联网的快速发展，第五代移动通信技术(5G通信)因其“高带宽、高容量、高可靠性、低延迟、低功耗”的特性，将成为引领和支撑电力系统技术创新、实现万物互联的关键技术。电力系统的特点及其通信需求决定了5G通信技术可以在一些特定领域发挥关键作用。

一、5G通信核心特征

1.高速率。5G通信拥有极高的速度。其峰值速度(理论最高速度)可达上行10Gbps，下行20Gbps；用户实际体验速度可达上行50Mbps，下行100Mbps。5G通信提高速率主要依赖于3类方法。第一类方法是提高频谱范围，将原本4G-LTE通信使用的2~3GHz频段提升至6GHz乃至28~100GHz的毫米波(mm wave)。随着通信频段的提高，信道可用带宽也相应增加，根据香农公式，在信号信噪比不变的情况下，最高传输速率将与频段成正比提高。第二类方法是提高频谱利用率，其中以大规模天线阵列技术(Massive MIMO)为典型代表。在5G毫米波系统中，天线的长度大大缩短，因此可部署大量天线，形成大规模阵列，进一步提高通信速度。第三类方法是提高传输效率，其中代表性的技术是3D波束赋形。 在5G大规模天线阵列基站中，高密度的天线阵列可以形成有效的三维波束赋形，在水平维度的基础上引入垂直维度波束赋形，大幅增加了空间利用率和信号信噪比，进一步提高传输速度。

2.高容量。5G通信网络能够支持高密度的设备连接和高容量的数据传输，其性能指标为每平方公里支持1000000个设备连接，每平方米支持10Mbps的数据传输容量。5G高容量特性得益于频谱宽度的提升、微基站的广泛应用和空中接口技术的革新。随着技术的进步，通信网络逐步转向以用户为中心，形成以用户与微基站数据交换为主的“分布式”通信。在4G时代，微基站开始逐步应用于通信网络，取得了显著成效。5G通信网络将部署更多微基站，从而进一步提升最大连接密度。

3.高可靠性。5G通信支持高可靠性的数据连接，其性能指标为0.001%丢包率，与光纤通信相当。多连接技术(multi-connectivity)是支撑5G通信高可靠性的关键因素。在高可靠性需求场景下，5G通信网络将不仅仅依靠毫米波高频段通信，而是充分整合6GHz以下的频段以及可获取的Wi-Fi资源，利用低频段的覆盖和可移动性以及高频段的高带宽和高速率，通过多连接技术为用户提供高可靠性通信。在这一技术下，用户的通信不依赖单一频段和单一制式，即使某一种通信方式出现干扰依然可以保持稳定的数据传输。

4.低延时。5G通信拥有极低的延时，其端对端时延(End-to-End Latency)的期望性能指标为1ms。5G通信的低延时特性主要依赖于无线传输网络(RAN)、核心网络(Core)、数据缓存(Cache)3个部分的多项创新技术。在无线传输网络部分，5G通信使用了较于4G-LTE更短的帧结构传输信息，并优化了数据帧的控制方式，从而达到更短的时延。5G通信还缩短了核心网与用户的物理距离，将核心网部分功能下沉至城域中心机房甚至是通信基站，进一步降低了延时。在

5.低功耗。5G通信在特定场景下可实现低功耗特性，即支持高休眠/活动比以及无数据传输时的长时间休眠，在低功耗广域网(LPWAN)、物联网(IoT)中有极大的应用前景。

二、电力系统中无线通信技术的定位与应用

1.当前电力系统无线通信技术的应用现状。为保障电力系统安全稳定运行，建立和完善电力系统监控和数据网络安全防护体系，明确指出，在做好安全隔离措施的前提下，无线通信可以应用于电力行业。因此在电力无线网络中，生产控制大区的数据仍可通过安全接入区以无线专网交互，管理信息大区的部分辅助数据在不影响生产控制大区安全的前提下可通过无线公网交互。

2.泛在电力物联网中5G通信技术的定位。（1）通信的对象。电力系统对控制实时性和可靠性要求极高，因此，电力系统中的调度中心、大型发电设备以及输变电设施均接入电力光纤专网，其通讯带宽、可靠性以及通讯延时等方面的性能均不低于5G通信，因此，5G通信对上述环节难有作为。（2）通信内容。未来电力系统将成为“物理–信息–社会–环境”高度融合的复杂系统。目前电力光纤专网中主要通信内容为“物理系统”相关的信息，如发电变电输电设备量测数据、控制信号以及调度语音数据等，其特点是与其他网络的物理隔离以保证安全性，这类数据不需要通过5G通信传输。5G通信技术高带宽的特点使其能够实时传输大量高清照片与视频，将极大的助力“物理–信息–社会–环境”的融合。（3）通信时效性。电力系统不同通讯业务对时效性的要求不同，5G通信低延时、高可靠性的特点使其能够应用于对时效性有很高要求的业务中。

三、泛在电力物联网中5G通信的典型应用

1.泛在电力物联网高清视频与图像实时监控。5G通信的高速率、高带宽特性使得高清视频和图像能够快速、便捷的进行远程无线传输，可大量应用于电力系统视频图像监控场景，提升监控效率，降低通信成本。

2.基于高清图像感知的光伏短期预测。短期光伏发电预测是新能源和电力系统研究中的一项重要课题。然而对于大型光伏基地和分布式光伏系统中的光伏单元，每一组光伏系统的地理位置和环境都不一样，受到的辐照不同，仅依靠传统的数值天气预报和历史出力序列预测精度有限。 随着5G通信的应用，摄像头可连续、快速的将信息传输至分析中心，使得小时级乃至分钟级的精准预测得以实现。

3.高容量需求场景。（1）泛在电力物联网密集状态感知。状态估计是电力系统安全运行的重要环节。目前电力系统仅在有限的节点部署了量测元件，特别是在配电网中量测元件很少，在空间上难以形成对电网的全面状态估计。（2）用户综合负荷预测与高精度肖像描绘。5G通信能够实现电力系统各环节万物互联，广泛的信息获取使电力系统能够从社会行为的角度理解和掌握用户用电特征。5G通信网络拥有高密度连接和高单位面积容量特性，不仅仅将海量用电设备接入通信网络，还将纳入更广泛的智能设备，使交通网信息、社会生产活动信息、用户生活作息变得更加透明可观。在此基础上，能够在“物理–信息–社会–环境”复杂系统的视角下对用户进行高精度感知与肖像描绘，进而对用户的电、热、冷、气等多类型能源负荷进行更精准的预测。

3.低延时需求场景。（1）泛在资源参与安全稳定控制。我国特高压交直流混联电网发展对电力系统安全稳控制的要求不断提升，在大功率冲击(如直流闭锁)下，需要及时切除发电机与负荷以阻断连锁故障。（2）分布式馈线继电保护。馈线继电保护是配电自动化系统与电力系统安稳控制中的重要环节，随着大量分布式能源接入配电网，分布式馈线自动化系统得到了广泛应用。在发生故障时，传统的集中式安稳控制通常需要切整条馈线，使得大量与故障无关的负荷被切，降低了供电可靠性。
总之，5G通信将是引领科技创新，驱动价值创造，实现产业升级的关键技术与基础性平台，在未来电力系统与泛在电力物联网的建设中将起到关键性的支撑作用。

参考文献：

[1]刘凤．关于面向泛在电力物联网的5G通信:技术原理与典型应用.2020.

[2]张金群，低压智能配电网技术研究综述．2020.