5G作為支撐經(jīng)濟社會數(shù)字化、信息化、智能化轉型的關鍵新型基礎設施，是實現(xiàn)各行業(yè)數(shù)字化轉型的重要手段，能夠實時、穩(wěn)定、可靠、高效為電網(wǎng)數(shù)字化建設提供網(wǎng)絡支撐，從根本上滿足能源互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略目標和業(yè)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(chuàng)新，分析國家電網(wǎng)數(shù)字新基建能源互聯(lián)網(wǎng)5G應用發(fā)展背景，結合智能配用電業(yè)務現(xiàn)狀及發(fā)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(wǎng)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(fā)展新一代信息網(wǎng)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(yè)新篇章。在這一背景下，國家電網(wǎng)公司在同年6月對外發(fā)布“數(shù)字新基建”十大重點建設任務，其中就包含能源互聯(lián)網(wǎng)5G應用。
能源互聯(lián)網(wǎng)與5G的深度結合，將有效促進資源集約化利用，將傳統(tǒng)電網(wǎng)轉變?yōu)槟茉葱畔屑~，創(chuàng)建能源與信息共享互濟、融合創(chuàng)新的新業(yè)態(tài)。作為支撐經(jīng)濟社會數(shù)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(wěn)定、可靠、高效為電網(wǎng)數(shù)字化建設提供網(wǎng)絡支撐，從根本上滿足能源互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略目標和業(yè)務場景的剛性需求，可廣泛應用于發(fā)、輸、變、配、用各環(huán)節(jié)，助力國家電網(wǎng)數(shù)字化轉型。
1、配用電業(yè)務現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
配電網(wǎng)是指從輸電網(wǎng)或地區(qū)發(fā)電廠接受電能，通過配電設施就地分配或按電壓逐級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、無功補償器及一些附屬設施等組成的，在電力網(wǎng)中起重要分配電能作用的網(wǎng)絡。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)和用戶的關鍵結點。
然而我國配電網(wǎng)網(wǎng)架基礎薄弱，配電系統(tǒng)自動化與智能化程度遠低于輸電系統(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)展相對滯后，配電自動化目前主要集中在城市中心區(qū)。配電網(wǎng)規(guī)模化、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)測和控制的功能。配電網(wǎng)中大量設備需要實時監(jiān)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(tǒng)無線通信使得智能終端和用戶終端連接困難、連接匱乏、通信質量差。由于用戶側分布式新能源規(guī)模并網(wǎng)，配電網(wǎng)缺乏與外部環(huán)境的互動，新能源消納與電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行之間的矛盾日益突出。
隨著智能電網(wǎng)建設及能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，配電側業(yè)務逐步延伸至0.4kV，連接節(jié)點達到千萬，呈現(xiàn)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(yè)務用電規(guī)模不斷擴大且采集頻次變高，呈現(xiàn)出精益化管理和高效互動的特征。根據(jù)業(yè)務特征將配電側業(yè)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(wǎng)差動保護以及分布式新能源等，主要涉及電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，具有典型的低時延、高可靠業(yè)務特征。未來的連接模式將出現(xiàn)更多的分布式點對點連接，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(huán)境監(jiān)測等，涉及海量終端，并且分布廣泛，具有廣覆蓋、大連接業(yè)務特征。未來采集頻次趨于分鐘級使得連接數(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(shù)十億級。
移動應用類：是指視頻監(jiān)控和機器人巡檢，其對于網(wǎng)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(yè)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(fā)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(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(yōu)化通信硬件協(xié)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(yè)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(wǎng)業(yè)務“最后一公里”接入方面，采用無線能夠實現(xiàn)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(yè)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(yè)務的“高安全、低時延、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(lián)網(wǎng)通信）。5G“三高兩低”的特點與電力業(yè)務發(fā)展需求相匹配，如下表1所示。
3、5G賦能智能配用電業(yè)務
為全面推動配用電業(yè)務的建設發(fā)展，提升自動化、智能化水平，為人們提供優(yōu)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(yè)務發(fā)展。
（1）5G在配電自動化業(yè)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(wǎng)保護，可以實現(xiàn)故障快速定位與隔離恢復，可以實現(xiàn)精準負荷控制、實時視頻監(jiān)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(yè)務數(shù)據(jù)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(yè)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(yè)務面臨的接入經(jīng)濟性、安全性等問題，滿足充電樁業(yè)務快速部署建設、高效采集運營的需求，實現(xiàn)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(yè)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(chuàng)新性的采用“5G+電力物聯(lián)網(wǎng)+數(shù)字孿生”等技術，依托具備5G通信能力的邊緣物聯(lián)代理裝置實現(xiàn)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(lián)能力。并且還能實現(xiàn)多站點的拓撲自動呈現(xiàn)、監(jiān)測數(shù)據(jù)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(lián)代理裝置實現(xiàn)邊緣計算、智能接入。邊緣物聯(lián)代理作為“云-管-邊-端”智慧物聯(lián)體系中的邊側設備，不但可以實現(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)技術實現(xiàn)健壯安全的自由組網(wǎng)。主要采用無線多跳自組網(wǎng)技術實現(xiàn)感知設備之間的通信。該技術能實現(xiàn)大面積覆蓋，可靈活部署網(wǎng)絡節(jié)點，并且節(jié)點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現(xiàn)數(shù)據(jù)同源、融合貫通。依托邊緣物聯(lián)代理和運維管理賦能平臺來探索智慧物聯(lián)體系建設，保證配電房管理實現(xiàn)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(shù)字孿生的配電房實現(xiàn)輔助決策。該技術不僅對配電房進行多維感知、實時監(jiān)測和智能評估，未來還能夠實現(xiàn)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(wǎng)方式，同時也支持2G/3G/4G網(wǎng)絡覆蓋。主要用于電網(wǎng)各場景信息采集，電網(wǎng)現(xiàn)有設備中采用3G/4G的通信的終端通過更換通信模組實現(xiàn)網(wǎng)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(lián)代理：主要特點包括能夠對設備進行連接匯聚，從而實現(xiàn)平臺之間的互聯(lián)、邊緣計算、區(qū)域自治等功能；采用容器技術實現(xiàn)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(jiān)控設備廣泛接入和管理等電力物聯(lián)網(wǎng)領域。
（4）預期成效分析
在業(yè)務成效上，全感知配電房依托先進的監(jiān)測技術，構建靈活、自主、可靠的全感知神經(jīng)網(wǎng)絡，率先采用數(shù)字孿生技術，實現(xiàn)配電房場景下5G邊緣物聯(lián)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(shù)據(jù)融合、保電安防等方面實現(xiàn)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(jīng)濟效益上，經(jīng)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(shù)據(jù)資源，形成電網(wǎng)客戶側大數(shù)據(jù)價值；同時提高了電網(wǎng)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(wǎng)側數(shù)據(jù)為社會各行各業(yè)發(fā)展提供新動能，體現(xiàn)電網(wǎng)企業(yè)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(xiàn)了精細化和動態(tài)管理。通過及時準確反映電力設備的運行狀態(tài)、環(huán)境狀態(tài)，實現(xiàn)對用戶配電房數(shù)據(jù)感知、分析、決策和反饋現(xiàn)場設備聯(lián)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(xiàn)配電設備狀態(tài)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(yè)務的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，深入分析了5G與配用電業(yè)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(tǒng)運行安全性和穩(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
