5G技术在电力系统中的研究与应用

王宏延，顾舒娴，完颜绍澎，于佳

(1.国网江苏省电力有限公司南京供电分公司，江苏 南京 210000；2.南京苏逸实业有限公司科技信息网络分公司，江苏 南京 210000；3.南瑞集团有限公司(国网电力科学研究院有限公司)，江苏 南京 211000)

近年来，国家电网有限公司(以下简称“国网”)积极推进智能电网建设。随着分布式能源接入、电动汽车服务、用电信息采集、配电自动化、用户双向互动等业务快速发展，各类电网设备、电力终端、用电客户的通信需求爆发式增长，迫切需要实时、稳定、可靠、高效的新兴通信技术及系统支撑，提升能源行业的信息化、智能化水平，为经济社会发展提供可靠的用能保障[1-5]。

2019年，国网提出了建设泛在电力物联网的战略部署，这是推进“三型两网”建设的重要内容和关键环节。泛在电力物联网将电力用户及其设备、电网企业及其设备、发电企业及其设备、供应商及其设备，以及人和物连接起来，产生共享数据，为用户、电网、发电、供应商和政府社会服务；以电网为枢纽，发挥平台和共享作用，为全行业和更多市场主体发展创造更大的机遇，提供价值服务。以5G为代表的移动通信技术正在与AI、大数据紧密结合，开启一个万物互联的全新时代[6-11]。5G网络以超高带宽、超低时延、超大规模连接为显著特征[12-14]，将改变行业业务的运营方式和作业模式，全面提升行业的运营效率和决策智能化水平。

5G的用户体验速率是4G的10倍，峰值速率达到20 Gbit/s，空口时延为1 ms。5G的应用场景包括海量物联和低时延高可靠，中国是5G产业的引领者，推动着5G从移动物联网时代走向万联物联网时代。国网的发展需求与5G应用场景高度契合，在基站站址、通信网络、业务应用等方面具有先天资源优势，有能力参与并引领5G行业应用，进而激发出新的产业、业态和模式。如何在智能电网和泛在电力物联网建设的环境背景下，深入系统地探究5G技术与电力系统的融合发展，推动我国电力系统的持续稳定发展，是当前的研究重点和热点之一。对此，本文分析了多种电力系统下基于5G技术的典型业务场景，然后针对一种典型应用进行测试，将测试结果与采用传统4G技术的测试结果进行比较，验证了5G技术的特性。

1 5G关键技术概述

1.1 5G通信特点

5G是指第5代移动通信技术，其核心是提高性能和满足多样化的要求，主要特点是成本低、可靠、时延低和具有开放的技术架构。5G技术在电力领域中具有广阔的应用场景和发展前景，应用场景主要有以下4个特点：①小的连接技术；②可靠技术时延高；③覆盖的整体技术；④容量比较大的技术。5G技术的特点与电力系统的基本需求也是一一对应的，见表1。

表1 5G技术特点与电力需求对应关系Tab.1 Characteristics of 5G communication technology and power demands

5G技术的通信特征与电力系统的特征与需求之间还具有互补性，5G的主要特征包括增强移动宽带(enhanced mobile broadband，eMBB)，低时延、高可靠通信(ultral reliable low latency communications，URLLC)和低功耗大连接海量机器类通信(massive machine class communication，mMTC)。对电力系统来说，5G在海量量测、精准控制、宽带通信等方面都具有广泛的应用，其应用场景如图1所示。

1.2 5G通信网络结构

5G通信系统主要由宏基站、微基站和核心网组成，如图2所示。核心网主要负责控制系统和传输数据信息，是通信系统的指挥中心；宏基站主要负责通过光纤或微波与核心网连接，不同区域的基站和用户信息主要通过无线通信进行传递，宏基站相当于通信系统的“中枢神经”。5G网络在性能指标方面均胜于4G网络，图3所示为二者在性能上的对比，其中MIMO表示多个发射天线和接收天线(multiple-input multiple-output)，D2D表示设备到设备(device-to-device)。

图1 电力5G技术应用场景Fig.1 Application scenarios of 5G communication technology in power systems

图2 5G网络结构Fig.2 5G communication network architecture

2 低时延、高可靠业务场景

5G技术的一个主要应用场景是无人驾驶汽车。在无人驾驶汽车中，汽车需要在很短的时间内做出刹车、转弯等判断行为，所以对时延的要求特别高。在电力系统中，电力是以光速进行传播，为了及时响应电力的各种变化，需要进行精准控制。

图3 5G与4G技术性能对比Fig.3 Comparison of performance between 5G and 4G technologies

以典型业务场景中的精准负荷控制为例进行介绍。精准负荷控制系统重点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，根据不同的控制要求，分为实现快速负荷控制的毫秒级控制系统和更加友好互动的秒级及分钟级控制系统[15]。前者针对频率紧急控制的要求，第1时限快速切除部分可中断负荷；后者在第2时限切除部分可中断负荷，实现发用电平衡。图4所示为精准负荷控制结构，图中CPE为客户前置设备(customer premise equipment)。

图4 精准负荷控制结构Fig.4 Structure of precise load control

毫秒级控制系统的处理时间及时延包含故障信息采集和决策时间、通道传输时间、用户站点转接装置延时时间、分路开关跳开时间，总体时延要求小于650 ms；其中协控中心站经控制中心站、控制主站至子站的通道传输时间要求小于30 ms，子站到控制终端的通道传输时间要求小于20 ms。秒级及分钟级控制系统中通信时延要求参照毫秒级控制系统的50 ms。

3 广覆盖、大连接业务场景

电力系统中有成千上万的电力设备，电力设备之间的互联互通能够协调户与户之间、小区与小区之间的智能集群用电，为建设智慧城市提供便利。在没有5G技术的时候，最后1 km电力设备的接入比较困难；有了5G通信，大量设备能够互联互通，实现真正意义上的万物互联。在大数据时代，数据采集是数据分析的基础，以前在电力系统中，尽管安装了传感器，但由于通信压力，丢弃了很多数据，而5G技术可以让数据采集在电力系统中得到更加广泛的应用。我国的用电信息采集应用比较广泛，但很多电表只是上传每天的数据，而无法做到0.5 h数据上传一次，这对数据分析造成不便[16]。5G的通信速率很高，给用电采集的大量数据分析带来了便利。

以典型业务场景中的用电信息采集为例进行介绍。用电信息采集系统由主站、远程及本地通道、集中器和采集器/电表组成，其主要结构如图5所示。集中器与主站遵循Q/GDW 1376.3通信规约，集中器和采集器/电表之间遵循Q/GDW 1376.2通信规约[17-19]。采集主站与采集终端之间采用异步传输帧格式，数据帧由起始字符(68H)、报文头(固定长度)、起始字符(68H)、控制域C、地址域A、链路用户数据、校验和CS、结束字符(16H)组成。用电信息采集的数据流向包括上行和下行2种类型，上行数据流是指低压工商业、居民用户和公用配电变压器(以下简称“配变”)用户的电能表数据经过采集器(可选)上传到集中器，集中器经上行通信通道传到用电信息采集系统主站；专用变压器(以下简称“专变”)用户电能表的数据上传到专变终端，再经上行通道传到用电信息采集系统主站。下行数据流是指用电信息采集系统主站通过集中器和专变终端下发指令到电能表，开展跳合闸、安全认证命令等控制业务。目前多以配变台区为基本单元进行集中抄表，集中器通过运营商无线公网回传至主站系统；一般以天、小时为频次采集上报用户的基本用电数据，数据以上行为主，单集中器带宽为10 kbit/s级，月流量3～5 MB。

电力用户用电信息采集系统主站与采集终端通信协议主要依据Q/GDW 376—2012，规定采用专用无线数传信道。主站采集数据分为定时自动采集、随机召测和主动上报3种，目前主要采用定时自动采集方式，主站每天集中采召采集终端1次数据。专变采集终端记录专变三相智能电能表的数据，每15 min记录1次，每天记录96次，记录数据缓存在专变终端中；专变控制命令信息不定时进行下发，下发频率不固定。集中抄表终端记录单相智能电能表、三相智能电能表和公用配变电表的数据，每15 min记录1次，每天记录96次，记录数据缓存在集中器。分布式能源监控终端与集中抄表终端要求一致。

图5 用电信息采集结构Fig.5 Structure of electricity information collection

用电信息采集系统的实时性要求包括：主站巡检终端重要信息(重要状态信息及总加功率和电能量)时间少于15 min；系统控制操作响应时间(遥控命令下达至终端响应的时间)不超过5 s；常规数据召测和设置响应时间(指主站发送召测命令到主站显示数据的时间)少于15 s；历史数据召测响应时间(指主站发送召测命令到主站显示数据的时间)少于30 s；系统对客户侧事件的响应时间不超过30 min 。

4 大容量、高带宽业务场景

在电力行业中，很多业务(例如语音、视频等)对带宽的需求很高，在视频监控中，最常使用的监控方式是无人机巡检，无人机通过主站传回拍摄的视频，然后主站再据此判断电力线路的状态。采用5G技术，能够高速率地传播视频数据；在配电业务中，也可以应用视频监控对配电系统进行监理，传回诊断数据等。虚拟现实业务对带宽、实时性和网络的要求都很高，比如实时更新高清画面；采用虚拟现实技术，可以对传回的数据进行处理，并且能够实现配电网全景图。

以典型业务场景中的智能巡检为例进行介绍。面向智能巡检典型业务主要对现场作业的安全情况进行全过程管控，系统由主站(现场作业安全管控、音视频互动)、通信通道和终端组成，如图6所示[20-24]。主站侧包含音视频互动媒体服务、音视频互动控制网关服务和现场作业安全管控服务；通信通道指系统主站与采集终端之间的远程通信信道，主要包括光纤信道和无线专网信道；终端是指在现场部署配置的移动作业终端。

在营配调一体化的背景下，移动巡检包括配电工区的移动巡视、移动检修等业务，不同业务的传输速率范围为：语音业务8～64 kbit/s，视频业务384 kbit/s～2 Mbit/s，数据业务64 kbit/s～2 Mbit/s；其中，语音和视频类业务对时延和可靠性要求较高，时延不超过300 ms。

机器人巡检针对户外与户内设备，通过车载和轨道安装方式的机器人搭载可见光、红外和局部放电综合检测设备，对设备进行观测，实现对设备缺陷的智能诊断和综合管理；自动生成线路及设备健康状态的检测报告，并将检测数据和诊断结果自动上传至生产管理系统，为配电网的状态管控提供基础数据[25-29]。通过智能巡检技术，机器人巡检可代替运维人员进行日常巡视和缺陷录入工作，主要配置在少人或无人值守的220 kV及以上电压等级变电站和换流站。目前采用导轨导航技术的机器人已全面实现视觉检测、红外测温、远程控制、智能分析、缺陷管理、闸刀和开关状态判别、微气象数据采集分析及自主充电等功能应用。机器人巡检传输数据类型包括图像、设备诊断等信息，数据传输速率要求大于2 Mbit/s，对通信时延、可靠性的要求较高，时延小于300 ms，可靠性达99.99%。

无人机巡线技术主要被应用于电力线与杆塔巡线、线路施工测绘等，通过地面控制站进行操控拍摄，完成图像的实时回传与快速拼接，实现在复杂地形、恶劣环境下的现场信息获取[30-33]。无人机应配置可见光摄像机和无线图像传输系统，图像清晰度应能满足巡检要求(标清及以上)；无人机通信系统主要实现无人机遥控信号、巡检图像与遥控操作台的信息传输；巡检图像传输速率要求2 Mbps以上，遥控操作速率在100 kbit/s以内，对实时性和可靠性的要求较高，一般时延小于300 ms，可靠性达99.99%。

图6 智能巡检系统结构Fig.6 Structure of intelligent inspection system

5 5G技术验证测试

5.1 测试背景

本文选择精控业务为例，按照国网电力精控业务电信切片验证工作方案，以保证现网在运业务安全稳定运行为原则，以“安全可靠、实施高效、测试全面”为指导思想，采用实际环境与测试终端相结合的方式，搭建精控电信5G验证测试环境，检测精控业务在电信5G网络下的时延，为后续精控业务接入提供依据。

5.2 测试方案

利用现有5G网络，在机房搭建精控主站和精控子站，在另一个地方采用CPE接入负控终端，进行精准负荷控制时延测试。网络拓扑如图7所示。图7中，UDM为单元部署管理器，PCF表示分组控制功能，IPRAN为端到端的业务承载网络，NR是基于OFDM的全新空口设计的全球性5G标准，SA是指5G的非独立组网，CP为控制面，UP为用户面。

测试步骤如下：

a)CPE通过以太网口连接配电终端，CPE插入USIM卡，开机进入空闲状态；

b)正确配置CPE和系统侧相关参数，完成核心网承载激活过程；

c)模拟下发切负荷命令到源网荷模拟主站，源网荷模拟子站通过5G无线网下发控制命令到精准切负荷终端并记录下发时间。

d)高精度时间测试仪检测到精准切负荷终端端子跳变并记录时标，通过两时标计算模拟子站下发命令到终端跳变的时延。

现场测试环境如图8所示。

5.3 测试结果

本次测试分别选取4个测试点位，相关的测试数据见表2，其中RSRP表示参考信号接收功率。

本次验证精控业务在5G无线环境下实验平均延时为35 ms，在4G环境下平均时延为40 ms，距离越远，信号越差，时延越长，室外比室内时延短，实验结果验证了5G的低时延特性。

图7 测试拓扑Fig.7 Test topology

表2 5G测试结果Tab.2 5G test results

图8 现场测试图Fig.8 Field test diagram

6 结束语

泛在电力物联网对电力数据的承载、采集、应用和分析提出了更高的要求，电力业务应考虑业务的流量模型，站房监控数量的增多，移动业务场景对大带宽、大流量的需求，以及控制业务对时延和可靠性的要求很高等。本文系统地探究了5G技术与电力系统业务的融合发展手段，对多种典型的电力业务场景在5G技术下的应用进行了分析，并选择一种典型的业务场景，即精准负荷控制业务进行了测试，测试结果验证了5G技术的低时延特性，由此证明5G技术可为电力泛在物联网的应用提供技术支撑。