5G推动智能电网变革
发布时间：2020-06-08 14:53:27
随着智能电网建设的不断深入，各类新能源、新业务开始大规模接入电力网络，控制信息由局部向全程拓展，信息采集呈现爆发式增长，业务通信需求逐步呈现出“高安全、低时延、高可靠、广覆盖、大联接”特征，对无线通信网络的业务承载能力提出新的挑战，因此迫切需要采用先进、可靠、稳定、高效的新兴通信技术予以支撑，实现智能电网业务接入、承载、安全及端到端的自主管控。5G系统的eMBB、uRLLC、mMTC三大基础能力将有助于激发电力运行新型作业方式和用电服务模式，实现电网业务智能化升级，促进电力新兴业务发展。
一、引言
随着智能电网建设的不断深入，各类新能源、新业务开始大规模接入电力网络，控制信息由局部向全程拓展，信息采集呈现爆发式增长，业务通信需求逐步呈现出“高安全、低时延、高可靠、广覆盖、大联接”特征，对无线通信网络的业务承载能力提出新的挑战，因此迫切需要采用先进、可靠、稳定、高效的新兴通信技术予以支撑，实现智能电网业务接入、承载、安全及端到端的自主管控。5G系统的eMBB、uRLLC、mMTC三大基础能力将有助于激发电力运行新型作业方式和用电服务模式，实现电网业务智能化升级，促进电力新兴业务发展。
二、5G+智能电网发展现状
智能电网贯穿发电、输电、变电、配电和用电五大环节，从应用分布统计来看，5G在智能电网领域的探索主要集中在配电和用电两个环节，以设备信息采集、无人机巡检、精准负荷控制、配网差动保护等业务为主。
1. 配电环节
配电网承载电力核心业务，对安全隔离、实时性要求较高，其关键特征为“灵活可靠、可管可控、开放兼容、经济适用”。智能电网配电环节涉及配电自动化、精准负荷控制、配网机器人巡检/抢修、配电设备环境监测、分布式电源接入等典型业务场景。目前配电通信网侧各类电网设备、电力终端、用电客户的通信需求呈爆发式增长，而光纤覆盖建设成本高、运维难度大，公网承载能力有限，难以满足智能电网配电环节的通信需求，因此迫切需要构建安全可信、接入灵活的“泛在化、全覆盖”配电通信接入网。
分布式配电自动化：主要实现对配电网的保护控制，通过继电保护自动装置检测配电网线路或设备状态信息，快速实现配网线路区段或配网设备的故障判断及准确定位，快速隔离配网线路故障区段或故障设备。分布式配电自动化对通信网络要求时延≤15ms，带宽2~10Mbps，可靠性99.999%，授时精度<10us，属于安全生产Ⅰ区，连接数为X*10个/km2。采用5G边缘计算技术实现核心网下沉场站，数据本地交换、不出安全区，为配电自动化业务提供充分的安全保障；5G技术可实现毫秒级空口时延，满足配电自动化业务对时延的要求。
图1 配电自动化示意图
2019年初，南方电网公司联合中国移动、华为公司在深圳坂田完成了国内首个基于5G NSA网络的智能分布式配网差动保护业务外场测试。本次测试为5G智能电网应用的第一阶段外场测试，搭建3.5GHz频段的基站，并覆盖两个电力环网柜开关站点，覆盖距离在234米左右。本次试验成功验证了单基站场景下，配网DTU终端之间端到端时延平均在10ms以内，5G网络空口授时精度达到300nm以内，可满足智能分布式配网差动保护等电网控制类业务的毫秒级低时延通信、微秒级高精度授时等需求。
毫秒级精准负荷控制系统：传统配电网络由于网络条件限制，切除负荷手段相对简单粗暴，通常只能切除整条配电线路。毫秒级精准负荷控制系统把控制对象由传统稳控系统的变电站负荷线路变为以生产企业为最小节点，精准控制企业内部可中断的380V分支回路。精准负荷控制要求极高的网络可靠性，要求时延≤50ms，带宽10kbps-2Mbps，可靠性99.999%，属于安全生产Ⅰ区，连接数为X*10个/km2。精准负荷控制可通过5G网络解决电网故障初期频率快速跌落、主干通道潮流越限、省际联络线功率超用、电网旋转备用不足等问题，优先中断非重要负荷，充分满足电网紧急情况下的应急处置需求，将经济损失、社会影响降至最低。
图2 精准负荷控制示意图
2019年4月，国网公司与中国电信、华为公司合作，在南京完成了基于5G承载精准负控业务的测试验证；初步验证了核心网切片应用可行性，经实测端到端平均时延为37ms，5G切片可以满足精准负荷控制50ms的端到端平均时延要求。
2. 用电环节
智能电网用电环节关键特征为“多元友好、双向互动、灵活多样、节约高效”。用电环节以信息采集类业务为主，涉及海量终端，且分布广泛，具有典型的广覆盖、大连接、高频率高并发业务特征，典型业务涉及用电信息采集/负控、源网荷互动控制、智能家居、电动汽车充电桩、分布式能源接入等。
用电信息采集业务：当前主要以数据传输为主，包括上行方向的状态量采集类业务及下行方向的常规总召命令，呈现出上行流量大、下行流量小的特点。当前主要通过低压集抄方式进行计量采集，以天、小时为频次采集上报用户基本用电数据，单集中器带宽为10kbps级，月流量3-5MB。未来将实现用电信息数据实时上报的新趋势，同时用电信息采集将进一步延伸到家庭，能够获取所有用电终端的负荷信息，以更精细化的实现供需平衡，牵引合理错峰用电。未来对通信的需求为：上行带宽2Mbps，下行带宽≥1Mbps，一般的大客户管理、配变监测、低压集抄、智能电表时延在3秒以内，需要精准费控的场景时延要求小于200ms，可靠性要求99.9%，集抄模式下的连接数量为X*100个/km2，下沉到用户后翻50-100倍，可达千级/平方千米，甚至万级/平方千米，属于管理信息大区III区业务，可采用5G网络切片方式实现数据回传。
电动汽车充电业务：数据采集方式分为定时自动采集、按需召测和事件触发主动上报三种，上行数据主要包括充电桩状态、计量等，下行数据主要为运行、对时和计费等信息。通信质量要求方面，业务系统要求可靠性≥99.9％，业务容忍最大时延要求业务系统端到端时延＜5s，单个充电桩带宽要求为4kbps。
5G网络mMTC可提供百万级连接能力，满足用电环节海量终端接入的需求，另一方面，5G切片技术可提供更高强度的安全隔离，为电网信息采集业务提供安全性、稳定性的保障。目前国家电网公司已经建成覆盖4亿户以上的智能电表用电信息采集系统，以及全球最大的智慧车联网平台，可接入充电桩17万个以上。未来随着5G技术的不断成熟，用户与电网的双向互动的环节将越来越深入，采集频次、内容、双向互动方面都将发生将进一步革新。
三、结语
5G+智能电网的应用目前主要集中在配用电环节，对电网智能化水平提升效果已显现。未来随着5G网络的进一步成熟和完善，将不断刺激电网新业务、新应用、新服务的出现和发展，电网业务将迎来进一步智能化升级。
作者简介：
周洁：就职于中国信息通信研究院技术与标准研究所无线信息化研究部。
来源：中国信息通信研究院
