5G作為支撐經濟社會數字化、信息化、智能化轉型的關鍵新型基礎設施，是實現各行業數字化轉型的重要手段，能夠實時、穩定、可靠、高效為電網數字化建設提供網絡支撐，從根本上滿足能源互聯網戰略目標和業務場景的剛性需求。本文重點聚焦智能配用電領域的5G應用創新，分析國家電網數字新基建能源互聯網5G應用發展背景，結合智能配用電業務現狀及發展趨勢，提出基于5G技術的配用電典型場景應用解決方案，并在具體實踐中驗證5G技術在電網應用中的可用性。
2020年5月的政府工作報告中明確提出，加強新型基礎設施建設，發展新一代信息網絡，拓展5G應用。國家強化新基建，拓展5G應用，將開啟5G賦能千行百業新篇章。在這一背景下，國家電網公司在同年6月對外發布“數字新基建”十大重點建設任務，其中就包含能源互聯網5G應用。
能源互聯網與5G的深度結合，將有效促進資源集約化利用，將傳統電網轉變為能源信息樞紐，創建能源與信息共享互濟、融合創新的新業態。作為支撐經濟社會數字化、信息化、智能化轉型的關鍵新型基礎設施，5G能夠實時、穩定、可靠、高效為電網數字化建設提供網絡支撐，從根本上滿足能源互聯網戰略目標和業務場景的剛性需求，可廣泛應用于發、輸、變、配、用各環節，助力國家電網數字化轉型。
1、配用電業務現狀及發展趨勢
配電網是指從輸電網或地區發電廠接受電能，通過配電設施就地分配或按電壓逐級分配給各類用戶的電力網，是由架空線路、電纜、桿塔、配電變壓器、隔離開關、無功補償器及一些附屬設施等組成的，在電力網中起重要分配電能作用的網絡。配電網是電網的重要組成部分，直接面向電力用戶，是電力系統各環節中聯接電網和用戶的關鍵結點。
然而我國配電網網架基礎薄弱，配電系統自動化與智能化程度遠低于輸電系統，其安全和可靠性與主網相比配電網仍顯薄弱和發展相對滯后，配電自動化目前主要集中在城市中心區。配電網規模化、系統化程度較低，很多裝置沒有互聯互通的功能，只具備在本地監測和控制的功能。配電網中大量設備需要實時監控，信息雙向交互頻繁，造成有線光纖敷設成本高、運維難度大，而傳統無線通信使得智能終端和用戶終端連接困難、連接匱乏、通信質量差。由于用戶側分布式新能源規模并網，配電網缺乏與外部環境的互動，新能源消納與電網安全穩定運行之間的矛盾日益突出。
隨著智能電網建設及能源互聯網發展，配電側業務逐步延伸至0.4kV，連接節點達到千萬，呈現高安全、低時延、廣覆蓋的特征，并且控制應用需要更加精準。用電側業務用電規模不斷擴大且采集頻次變高，呈現出精益化管理和高效互動的特征。根據業務特征將配電側業務分為控制類、采集類及移動應用類。
控制類：是指配電自動化三遙，精準負荷控制，配網差動保護以及分布式新能源等，主要涉及電網安全穩定運行，具有典型的低時延、高可靠業務特征。未來的連接模式將出現更多的分布式點對點連接，使得主站系統將逐步下沉，并且出現更多的本地就近控制，使得時延需要達到毫秒級。
采集類：是指用電信息采集、電動汽車充電樁以及配電環境監測等，涉及海量終端，并且分布廣泛，具有廣覆蓋、大連接業務特征。未來采集頻次趨于分鐘級使得連接數量至少翻一倍。若集采方式下沉，那么連接數量預計翻50-100倍，進而使得采集內容趨于視頻化、高清化，屆時連接需求將達到數十億級。
移動應用類：是指視頻監控和機器人巡檢，其對于網絡帶寬和移動性有更多的需求，具有典型的大帶寬、靈活接入業務特征，其中帶寬要求不低于2Mbps。移動應用未來將向4K/8K高清視頻、AR/VR方向發展，屆時帶寬需求將達到50Mbps以上。
2、5G通信技術概述
（1）5G的基本特征
5G，指的是第五代移動通信技術，法定名稱是IMT-2020。在早期5G關鍵指標需求征集中，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，確定了以下5個基本特征，即高速率、高容量、高可靠性、低時延與低能耗，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，能夠達到20Gbps。
高容量。5G能夠連接海量終端設備，每平方公里可以連接100萬個移動終端，能夠為能源互聯網中萬物互聯提供幫助。
高可靠性。5G傳輸速率成功概率高達99.999%，電力通信可靠性也將提升電力系統本身的可靠性。
低時延。5G能夠讓端到端時延小于10ms，為靈活響應各種需求提供幫助。
低能耗。5G 通過優化通信硬件協議等而具備的低能耗特點將有效解決電力通信能耗問題。
圖1 5G性能指標
（2）5G技術與電力業務適配性分析
無線通信作為有線通信的拓展和補充，尤其在解決配電網業務“最后一公里”接入方面，采用無線能夠實現快速、靈活部署。5G無線通信技術具備更泛在的終端接入能力、強大的多業務承載能力、差異化安全隔離能力及高效靈活的管理能力，與配用電業務的“高安全、低時延、高可靠、廣覆蓋、大聯接”的通信需求高度契合，是配用電業務無線通信的最佳選擇。ITU正式確認了5G 三大應用場景，分別是eMMB（增強型移動帶寬）、uRLLC（低時延高可靠通信）、mMTC（海量物聯網通信）。5G“三高兩低”的特點與電力業務發展需求相匹配，如下表1所示。
3、5G賦能智能配用電業務
為全面推動配用電業務的建設發展，提升自動化、智能化水平，為人們提供優質的電力服務，亟需依托先進的信息通信技術，極大提高配用電運維管理能力和供電服務水平，助力智慧配用電業務發展。
（1）5G在配電自動化業務中的應用
在配電側，基于5G的配電自動化可以支撐高可靠配電網保護，可以實現故障快速定位與隔離恢復，可以實現精準負荷控制、實時視頻監控，最終達到精益化管理。高效利用MEC平臺，一方面能夠降低通信終端之間的通信時延，另一方面提升了業務數據的安全性，配電自動化如圖2所示。
圖2 配電自動化示意圖
（2）5G在電動汽車充電樁業務中的應用
在用電側，利用5G通信大連接、高帶寬的特性，能夠解決充電樁業務面臨的接入經濟性、安全性等問題，滿足充電樁業務快速部署建設、高效采集運營的需求，實現未來對分散或集中建設的充電樁站點的信息采集、控制并提高充電樁業務運營實效，如圖3所示。
圖3 電動汽車充電樁示意圖
4、實踐案例
（1）智慧配電房整體架構
智慧配電房建設創新性的采用“5G+電力物聯網+數字孿生”等技術，依托具備5G通信能力的邊緣物聯代理裝置實現全感知配電房高效實時的信息采集，進而提高對配電站房的感知互聯能力。并且還能實現多站點的拓撲自動呈現、監測數據高效分析以及預警、布控、故障處理的實時決策，進而支撐遠程控制功能來大幅提升運維管理效率和供電服務水平，整體架構如圖4所示。
圖4 智慧配電房整體架構圖
（2）智慧配電房核心技術
●采用5G邊緣物聯代理裝置實現邊緣計算、智能接入。邊緣物聯代理作為“云-管-邊-端”智慧物聯體系中的邊側設備，不但可以實現配電房中狀態、環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技術實現健壯安全的自由組網。主要采用無線多跳自組網技術實現感知設備之間的通信。該技術能實現大面積覆蓋，可靈活部署網絡節點，并且節點具備較好的抗干擾能力。
●通過數據采集、分析與控制全流程實現數據同源、融合貫通。依托邊緣物聯代理和運維管理賦能平臺來探索智慧物聯體系建設，保證配電房管理實現智能化和精益化，從而助推配電房用電服務和管理水平雙提升。
●打造數字孿生的配電房實現輔助決策。該技術不僅對配電房進行多維感知、實時監測和智能評估，未來還能夠實現配電房保電、應急等操作的模擬控制，進而為配電房全生命周期運行維護提供指導。
（3）智慧配電房核心設備
5G通信模組：主要特點包括支持5GNSA/SA雙模組網方式，同時也支持2G/3G/4G網絡覆蓋。主要用于電網各場景信息采集，電網現有設備中采用3G/4G的通信的終端通過更換通信模組實現網絡通信從3G/4G到5G的平滑升級，例如計量表計、采集器、集中器、配變終端等設備升級。
5G邊緣物聯代理：主要特點包括能夠對設備進行連接匯聚，從而實現平臺之間的互聯、邊緣計算、區域自治等功能；采用容器技術實現不同容器中應用APP的隔離。主要適用于電動汽車充電樁管理和控制、用戶側柔性負荷控制以及開關站、配電房等場景中的監控設備廣泛接入和管理等電力物聯網領域。
（4）預期成效分析
在業務成效上，全感知配電房依托先進的監測技術，構建靈活、自主、可靠的全感知神經網絡，率先采用數字孿生技術，實現配電房場景下5G邊緣物聯代理的應用，使得配電房感知能力提升至100%，最終在感知能力、管理水平、數據融合、保電安防等方面實現提質增效，極大提升了配電側運維管理能力和供電服務水平。
在經濟效益上，經測算，配電房投運之后可減少人工運維管理費，還能降低設備故障維護成本以及增加售電收入等。
在社會效益上，全感知配電房的推廣建設可聚集配電房用能數據資源，形成電網客戶側大數據價值；同時提高了電網精益化管理水平，提升了供保電服務和服務社會民生能力，還能以強大的電網側數據為社會各行各業發展提供新動能，體現電網企業的社會責任。
通過應用5G技術建設智慧配電房，提高了配電房運維效率，緩解了電力基礎設施保障的壓力，實現了精細化和動態管理。通過及時準確反映電力設備的運行狀態、環境狀態，實現對用戶配電房數據感知、分析、決策和反饋現場設備聯動控制，既達到減員增效的目的，又提高工作質量和效率，實現配電設備狀態智能化管控。
筆者通過上文探討了5G技術在智能配用電領域的應用與實踐，介紹了配用電業務的發展現狀和趨勢，深入分析了5G與配用電業務的適配性，通過智慧配電房建設驗證5G在智能配電領域的實踐。配用電智能化管理在提高電力系統運行安全性和穩定性，具有不可替代的重要作用。5G能夠很好地滿足電力業務對于通信層面在帶寬、延時等方面的差異化需求，能夠為智能配用電領域的建設提供高效支撐。
作者：北京中電飛華通信有限公司 張寧池
