5G技术在智能电网中的应用

5G技术在智能电网中的应用

陈相业

广东顺畅科技有限公司  529000

摘要：近几年，按照“三型两网”的发展战略，南方电网或国家电网企业正在大力发展“三型”电力系统。在分布式能源接入、电动汽车服务、电力信息采集、配电网自动化、用户双向互动等方面，各类电网设备、终端及用户对信息的方面需求呈现爆炸性的增长。普遍存在的电力物联网需要对装置与网络的信息进行全方位的感知，以信息流来调控能量流动，从而达到能源的生产与消耗的信息共享。在这种情况下，对实时、稳定、可靠、高效的通信技术提出了更高的要求。

关键词：5G；智能电网；应用

1、5G与电网业务融合场景分析

5G具有低成本、高可靠性、低延迟性和开放技术架构等等优点，将在电网领域得到广泛应用。为实现电网物联网无处不在这个目标，打通发电、输电、变电、配电、用电等业务场景的应用，实现配电自动化、精准负荷控制、电动汽车充电、用电信息采集等现有基础服务，并逐步扩展到差动保护、智能巡检、物理ID等新业务。结合5G通信技术和应用业务场景详细划分，从带宽、时延、安全可靠性、接口等维度分析电力业务通信方面的需求。以实现各种终端设备的通用性接入和智能应用。如下表1列出了5G特性和电力服务的基本的要求。

表1：5G通信特点及电力系统需求

5G的通信特性及其对电网的需求是互补的。在智能电网中，5G在大规模连接、精确控制和宽带通信等领域方面具有广阔的应用前景。如图1所示。

图1：5G在智能电网中的应用场景分类

5 G通信系统由宏基站、微基站和核心网络三部分组成。其中，核心网是以控制系统为主体，实现数据、信息的传递。宏基的基地台，主要用于将光纤和微波通信连接到核心网络。各区域内的基站与用户之间的通信以无线电通信为主。与4 G相比，5 G具有更好的性能。5 G和4 G的性能指标在表格2中进行了比较。

表2：5G与4G相关参数比较

2、5G在电网中应用场景分析

2.1低延迟高可靠性应用场景

2.1.1毫秒级精准负荷控制

在电网中，负载控制的功能是控制负载曲线，以实现负载平衡，提高网络的利用率和安全性。精确的负荷控制可以快速解决电网故障时低频快速下降、电网中省际联络线过载、电网中发电设备缺乏储备等问题。在电力网络上，对于秒级和分钟级的电力系统，单个终端与主站之间的通信带宽达到48.1 kbit/s-1.13 Mbit/s，端到端单向延迟小于50 ms，可靠性达到99.999%，它需要与管理区域的工作完全隔离和独特，因此它的工作模式是物理的，控制系统需要连续和不间断。针对当前5G网络的缺点，将5G CPE应用于具有5G低延迟和高可靠性特性的电力系统，并进行低延迟和低可靠性的端到端网络切片，以实现微秒级的精确负载控制。

2.1.2差动保护

在高电压传输技术中，差动保护是目前应用最为广泛和成熟的一种技术。它的基本原理是在同一时间内，对保护设备中的两个或多个的电流向量进行对比。当检测到两相间的电流差量超出了理论值的余量，则由差动保护判定该时刻发生了故障，而使断路器断路，并进行了保护动作，将有助于有效提升对电网的防护性能，提升电网的可靠性，为保障电网的安全、稳定运行奠定坚实的基础。

其关键在于，差动与电流的区别是建立在同步电流的基础上，这就需要由多个相关的差动保护终端去保证时间同步，且时间准确度在10微秒以内。交互式资讯之端到端传送时延，最长不能大于12毫秒。目前，我国对配电网络中差动保护的通信技术还没有形成统一的规范。按照高压差动保护的需求，配电差动保护对通信带宽的要求是2 Mbit/s以上，而且单相端到端延时不超过12 ms，延时抖动不超过±50μ s，可靠性达到99.999%，这就需要对其进行独占，才能对其进行与区域业务无关的管理，才能实现从服务终端到服务终端的通信。

2.1.3配网自动化

在10KV及以上配电线路上，配电网的自动控制终端主要包括柱式开关FTU、开关站DTU和智能TTU。配电自动化终端主要用于自动收集和监控配电线路的电压、电流、温度等目标数据，无线网络用于直接在当地（市政）公司收集数据，然后将数据传输到配电自动化系统主站。在主站，基于全网馈线或单节点的配电网信息，进行综合分析判断处理，实现故障线路或电气设备的判断、隔离、故障定位等目标功能，最终达到确保供电可靠性目标。

2.2广覆盖与大连接场景应用

电力用户信息收集与配电网络运行监控在大范围、大连通的背景下具有典型意义。电力数据收集系统包括：主站、集线器、远近通道、电表等。按照能量消耗的方向，能量消耗信息收集系统可以划分为上行链路和下行链路两类。其中，上行数据是指低压侧用户（工业、商业、居民等用户）的电表数据。该数据经采集机上载到集线机，该集线机将对应的数据经上行通道传送到主站的功率信息收集系统；下行数据主要是指电力信息采集系统主站通过由集中器和专用变压器终端，向电能表发送的控制开关、安全认证等控制服务。收集的时间一般是按日或者按小时计算，并且收集到的是每一位使用者的电力消耗资料。

配电网状态监测指的是通过传感器、网络、平台等手段，来对配电网中电网设备的运行状况和设备所在环境展开监控，提升对配电网中重要关键设备设施的运行管理水平，从而保证配电网的安全稳定运行。配电网监控的主要设备是：配电变压器、开关柜、环网柜、分支箱、故障指示器、电动汽车充电设施、分布式电源等。电力系统运行状况下的监控数据呈现“小数据”特性，且监控节点主要分布于地库、配电箱等区域，需要大容量、深度广的监控。

2.3大容量高带宽场景

2.3.1智能巡检

电气设备种类繁多，结构复杂，工作环境恶劣。传统的检测方法主要是人工监测，存在效率低、可靠性低、安全性低等问题。测试结果不完整，很容易错过和忘记测试。随着5G通信技术的发展，AR技术将在电力系统检测中得到更广泛的应用。佩戴AR智能眼镜后，检查员可以将检查标准与真实情况无缝对接，大大提高了检查工作的准确性和安全性。

借助5 G的大容量和高带宽，它能够对固定隧道、配电室等环境进行自动化地采集，并将数据和高清图像、视频等信息进行传输。并利用5 G网络，将数据传输到指挥中心。在220 kV及以上的变电所、换流站，当只有少数人或无人值班时，使用智能巡查技术，代替了操作员进行日常巡查，并记录出现的问题。目前，基于导轨导航技术的机器人，已经在视觉检测、红外测温、远程控制、智能分析、缺陷管理、刀闸状态识别、微观气象数据采集和分析、自主充电等方面得到了充分地实现。机器人巡检所传送的资料，有影像资料，也有装置资料。该系统每秒需要超过2Mbit，延迟＜300ms，具有99.99%的可靠性，因此系统需要更高的延迟和可靠性。无人机线路检测技术主要用于电力线路和杆塔线路检测，以及线路施工测量。通过地面控制台的控制和摄像头的监控，完成了复杂地形和恶劣条件下的野外观测，从而实现了野外观测数据的实时、快速、准确获取。无人机需配置可视化摄像、无线影像传送装置，影像清晰程度需达到巡逻检查的标准（或更高）。UAV通讯系统主要负责 UAV远程控制信号与 UAV监控图像、 UAV监控终端的通讯。探测图像传送速率超过2 Mbit/s，远程控制速率低于100 Mbit/s。本系统实时性好，可靠性高。一般情况下，在300 ms以内，其可靠性可达99.99%.

2.3.2视频监控

视频监控的重点是实时监控电网中的配电室和电力系统中的重要节点，如开关站。配电站通常设置在地下或相对隐蔽的地方。在这种情况下，可以对配电柜、开关柜、仪表柜等重要设备进行实时监控和数据传输，通过智能识别，实现对各类设备工作状态的预警和开关状态的判断，这大大减少了手工检查的繁琐工作，提高了检查效率。为了确保图像清晰度和上传速率，对每个节点的带宽有4-10 Mbit/s的需求，并且对传输速率有持续稳定的需求。为了确保图像传输中没有卡，延迟应在200毫秒内。

结语

综上所述，本文对电力系统中电力数据的控制、收集和应用进行了全面分析，并进一步探讨了各方面的工作对网络的需求。针对5 G网络的有关特征，对5 G技术与电网的融合与发展进行了较为系统的归纳，并对5 G在电网的典型应用场景进行了分析。在国家数字经济政策顶层设计逐渐完善的大环境下，“5 G+智能电厂”以及“5 G+智慧电网”在电力行业的产业应用逐渐成熟，这一定会帮助电力行业在发电、输电、变电、配电等全过程中进行创新发展，在用电、采集、检测、监测、控制等方面，帮助电力行业实现全方位、全链条的升级。

参考文献

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