趙 洋，趙曉紅，任天成，劉 新，呂國棟

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003；2.山東中實易通集團有限公司，山東 濟南 250003）

0 引言

2020 年，國家電網(wǎng)公司提出建設(shè)“具有中國特色國際領(lǐng)先的能源互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)”的戰(zhàn)略目標，以電網(wǎng)為中心，以堅強智能電網(wǎng)為基礎(chǔ)平臺，將先進的信息通信技術(shù)、控制技術(shù)與先進能源技術(shù)深入融合應(yīng)用，建設(shè)具有清潔低碳、安全可靠、泛在互聯(lián)、高效互動、智能開放等特征的智慧能源系統(tǒng)。

相比于傳統(tǒng)電網(wǎng)，智能電網(wǎng)的自動化、智能化程度大大提高，因此更加離不開先進的通信技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支持。近幾年，隨著國家電網(wǎng)公司戰(zhàn)略目標的不斷完善，電力物聯(lián)網(wǎng)的重要性也在不斷提升。電力物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能電網(wǎng)中的一種具體表現(xiàn)形式和應(yīng)用落地，既包含了電能的互聯(lián)互通，又包含了信息的互聯(lián)互通。因此，通信技術(shù)對于支撐先進能源互聯(lián)網(wǎng)的重要性不言而喻。

近年來，隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展，光纖通信已經(jīng)在電力通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。山東省境內(nèi)光纖骨干傳輸網(wǎng)已建設(shè)完成，光纖通信網(wǎng)絡(luò)已覆蓋省內(nèi)各電壓等級變電站、供電所、營業(yè)廳及上百個直屬單位。先進能源互聯(lián)網(wǎng)要求實現(xiàn)電網(wǎng)各環(huán)節(jié)的萬物互聯(lián)，而光纖全面覆蓋的成本較高，目前配用電側(cè)海量設(shè)備還沒有完全實現(xiàn)信息的互聯(lián)互通，電力系統(tǒng)的“最后一公里”挑戰(zhàn)仍然存在，并且亟待解決。這決定了實現(xiàn)泛在互聯(lián)需要無線通信網(wǎng)絡(luò)的支持。

5G 移動通信技術(shù)是4G 在網(wǎng)絡(luò)性能和應(yīng)用場景方面的進一步演進成果。目前，世界各國都在5G 通信的研發(fā)和部署方面不斷發(fā)力，中國在該領(lǐng)域的研究中也取得了大量的成果，在國際上擁有較高的話語權(quán)。相比于4G，5G 移動通信技術(shù)在用戶感知速率、時延和覆蓋范圍等技術(shù)指標方面都有明顯優(yōu)勢［1］。

高速率。5G 通信系統(tǒng)峰值速率不低于20 Gbit／s，并且要求在小區(qū)內(nèi)的各個位置均能實現(xiàn)100 Mbit／s至1 Gbit／s 的用戶感知速率，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)高速傳輸。

廣連接。5G 通信系統(tǒng)可支持終端的海量連接，可以實現(xiàn)100 萬臺／km2級別的移動終端接入密度，包括各種移動通信終端和物聯(lián)網(wǎng)終端，為實現(xiàn)萬物互聯(lián)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

高可靠性。5G 通信系統(tǒng)發(fā)送1 個32 字節(jié)數(shù)據(jù)單元的成功概率高達99.999%，丟包率僅為0.001%。

低時延。5G 通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)端到端時延小于10 ms，提升了系統(tǒng)響應(yīng)各種業(yè)務(wù)的速度。

低能耗。5G 通信系統(tǒng)通過降低設(shè)備能耗的方式延長傳感器與通信設(shè)備電池更換或充電周期，從而使納入萬物互聯(lián)的各類設(shè)備保持長期在線。

根據(jù)以上分析，5G 通信系統(tǒng)的各項性能優(yōu)勢使其為推進先進能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)發(fā)展提供強有力的技術(shù)支持。

1 電力系統(tǒng)中的5G 通信應(yīng)用場景

根據(jù)數(shù)據(jù)典型應(yīng)用場景劃分，電力系統(tǒng)通信業(yè)務(wù)可分為控制和采集兩大類?？刂祁悩I(yè)務(wù)主要包括電網(wǎng)保護與控制、配電自動化、精準負荷控制、分布式能源調(diào)控、智能巡檢等。采集類業(yè)務(wù)主要包括用電信息采集、高級計量、配變監(jiān)測、配電房環(huán)境監(jiān)測、視頻監(jiān)控、配電設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)測、儲能站監(jiān)測等。

1.1 配電自動化

配電自動化集成了計算機技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸及控制技術(shù)、現(xiàn)代化設(shè)備及管理技術(shù)，是一套綜合信息管理系統(tǒng)。通過檢測配電網(wǎng)的線路或設(shè)備狀態(tài)，實現(xiàn)故障的智能判斷、分析、定位、隔離以及故障區(qū)域供電恢復，通過提升網(wǎng)絡(luò)智能水平，節(jié)省人力成本。配電網(wǎng)節(jié)點數(shù)量巨大，光纖通信系統(tǒng)全面覆蓋的實現(xiàn)成本過高，無線通信網(wǎng)絡(luò)能夠使得配網(wǎng)自動化中饋線的量測、控制、自動隔離和恢復以相對較低的通信成本實現(xiàn)?；?G 通信系統(tǒng)的低時延特性，當發(fā)生異常情況時，配電自動化終端可將測量數(shù)據(jù)迅速回傳，主站指令也將迅速發(fā)送至配電終端，基于通信網(wǎng)絡(luò)快速控制開關(guān)、環(huán)網(wǎng)柜等其他相關(guān)設(shè)備，實現(xiàn)配網(wǎng)線路區(qū)段或配網(wǎng)設(shè)備的故障判斷及準確定位，快速隔離配網(wǎng)線路故障區(qū)段或故障設(shè)備，最大可能地縮小故障停電時間和范圍，使配網(wǎng)故障處理時間從分鐘級縮短到毫秒級。

1.2 精準切負荷

精準負荷控制系統(tǒng)重點解決電網(wǎng)故障初期頻率快速跌落、主干通道潮流越限、省際聯(lián)絡(luò)線功率超用、電網(wǎng)旋轉(zhuǎn)備用不足等問題?？煞譃楹撩爰壙刂坪兔爰墸昼娂壙刂疲瑢崿F(xiàn)可中斷負荷快速切除，及發(fā)電、用電平衡［2］。有線電力通信網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)毫秒級負荷控制，但由于用戶數(shù)量較大，逐個用戶配置光纖和PTN 設(shè)備成本較高。采用5G 無線通信系統(tǒng)既可以滿足精準切負荷業(yè)務(wù)時延要求，又能有效降低網(wǎng)絡(luò)覆蓋成本。

1.3 輸電線路巡檢

電力系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的輸電線路巡檢工作主要采用人工方式，受地理環(huán)境影響，部分地區(qū)只能徒步到達或無法到達，且人工巡檢通常使用望遠鏡，無法全方位觀察輸電線路是否存在問題。近年來，隨著無人機巡檢及輸電線路監(jiān)拍裝置的應(yīng)用，人工巡檢方式逐漸被取代。無人機巡檢通常采用高清錄像的方式，返回后對視頻進行分析［3］，缺乏實時性。利用輸電線路監(jiān)拍裝置可實現(xiàn)實時監(jiān)控，但受帶寬影響，視頻圖像質(zhì)量較差，導致后臺工作人員無法及時發(fā)現(xiàn)問題?；?G 通信系統(tǒng)的大帶寬性能優(yōu)勢，監(jiān)拍系統(tǒng)產(chǎn)生的高清圖像及視頻可以實時傳輸至后臺，提升輸電線路的視頻及圖像監(jiān)控效率。另外，對于無人機巡檢場景，通過將5G 通信模塊集成至無人機內(nèi)，可以實時地將拍攝畫面?zhèn)鬏斨梁笈_監(jiān)控中心，便于工作人員及時發(fā)現(xiàn)問題，并針對存在問題重點核查，采取相應(yīng)措施。

1.4 用電信息采集

當前，智能電表已經(jīng)取代傳統(tǒng)電表成為新的用戶用電計量裝置，智能電表不僅精確度高，且具有通信拓展性，即，智能電表配置通信模塊后，可將用戶用電信息傳輸至控制中心的計費平臺，從而實現(xiàn)遠程抄表。現(xiàn)階段，用電信息采集主要依靠租賃運營商GPRS 或4G 公網(wǎng)實現(xiàn)。在此類電力業(yè)務(wù)中，5G 通信帶來的技術(shù)應(yīng)用革新相對較小。但考慮到當前用電信息采集頻率較低，在5G 通信大帶寬特性的支撐下，采集頻率可以實現(xiàn)較大提升，從而有力支撐電費稽查等電力系統(tǒng)營銷業(yè)務(wù)。另外，基于5G 通信系統(tǒng)相比于GPRS 及4G 公網(wǎng)更強的網(wǎng)絡(luò)安全能力，可以更好地保護客戶用電信息安全。

電力系統(tǒng)各類業(yè)務(wù)的時延及可靠性要求如表1所示，由表1 可知，5G 通信網(wǎng)絡(luò)可以滿足各類業(yè)務(wù)的QoS 指標，并且有效減少光纖敷設(shè)的成本，從而推進先進能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展。

表1 電力系統(tǒng)各類應(yīng)用場景QoS 需求

2 電力系統(tǒng)中的5G 通信應(yīng)用可行性

2.1 5G 關(guān)鍵技術(shù)

2.1.1 大規(guī)模MIMO 技術(shù)

大規(guī)模多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技術(shù)是實現(xiàn)5G 通信的核心技術(shù)之一，其基本特征是在基站側(cè)布置數(shù)十根甚至上百根收發(fā)天線陣列。分布在同一小區(qū)內(nèi)的多個用戶在同一時頻資源上利用基站配置大規(guī)模天線陣列所提供的空間自由度與基站同時進行通信［4］。利用波束成型技術(shù)，基站可以有效地向一個非常狹小的范圍發(fā)送信號，從而提升時頻資源在多個用戶之間的復用能力以及用戶間抗干擾能力。因此，大規(guī)模MIMO 系統(tǒng)頻譜資源利用率得到大幅提升，從而有力支持能源互聯(lián)網(wǎng)中的大帶寬和低時延業(yè)務(wù)。

另外，為實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)中的大規(guī)模機器類通信需求，無線通信網(wǎng)絡(luò)中的多址技術(shù)需要進一步發(fā)展。4G 移動通信網(wǎng)絡(luò)通過OFDMA 技術(shù)有效提升了小區(qū)內(nèi)用戶的可接入數(shù)量，但仍不能滿足未來“萬物互聯(lián)”的要求。大規(guī)模MIMO 系統(tǒng)通過開發(fā)更多的空間自由度，增加了正交導頻數(shù)量，減小了小區(qū)內(nèi)用戶間的導頻干擾，使得系統(tǒng)接入能力進一步提升，有效支持大規(guī)模機器類通信業(yè)務(wù)［5］。除正交多址技術(shù)外，5G 移動通信系統(tǒng)也通過采用其他非正交多址技術(shù)顯著增強了系統(tǒng)接入能力［6］。

2.1.2 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)

5G 網(wǎng)絡(luò)切片最早是由下一代移動網(wǎng)絡(luò)（Next Generation Mobile Networks，NGMN）引入的新概念［7］。網(wǎng)絡(luò)切片利用軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Function Virtualization，NFV）技術(shù)，將網(wǎng)絡(luò)資源進行切片，單一物理網(wǎng)絡(luò)可以劃分成多個邏輯虛擬網(wǎng)絡(luò)，多個網(wǎng)絡(luò)切片共用網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，提升網(wǎng)絡(luò)資源利用率；且在每個切片之間，包括切片內(nèi)的設(shè)備、接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、核心網(wǎng)在邏輯上都是相互獨立的，網(wǎng)絡(luò)切片之間互不影響［8-10］。基于SDN 集中控制，數(shù)據(jù)平面和控制平面可實現(xiàn)解耦合，從而簡化網(wǎng)絡(luò)管理，路由配置更加靈活［11］。

網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)根據(jù)行業(yè)需求，將運營商的物理網(wǎng)絡(luò)切分成多個虛擬網(wǎng)絡(luò)，形成適應(yīng)不同行業(yè)的邏輯隔離專網(wǎng)。先進能源互聯(lián)網(wǎng)對于行業(yè)專網(wǎng)的要求較高，運營商提供的電力切片需要與其他通信業(yè)務(wù)具有較高的隔離度。通過在通用硬件的基礎(chǔ)上劃分獨立的時頻資源塊，滿足電力業(yè)務(wù)安全性、實時性、高可靠性等方面的嚴格要求。同時，針對電力系統(tǒng)不同業(yè)務(wù)的帶寬和時延要求進一步細化電力網(wǎng)絡(luò)切片，能更好應(yīng)對先進能源互聯(lián)網(wǎng)多樣化業(yè)務(wù)的需求。

2.1.3 邊緣計算技術(shù)

對于移動邊緣計算 （Mobile Edge Computing，MEC），歐洲電信標準化協(xié)會（European Telecommunication Standards Institute，ETSI） 給出了其標準定義，即，邊緣計算是一種在靠近終端的一側(cè)，打造集成網(wǎng)絡(luò)、計算、存儲、應(yīng)用等核心能力的綜合開放平臺，為網(wǎng)絡(luò)終端提供近端服務(wù)，從而滿足業(yè)務(wù)對實時性、智能型、安全性、數(shù)據(jù)優(yōu)化等各種需求的計算模式。網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生邊緣計算的位置被稱為邊緣節(jié)點，在通信系統(tǒng)中，位于移動終端和核心云中間，具有計算資源和網(wǎng)絡(luò)資源的節(jié)點都可以作為邊緣節(jié)點。邊緣計算可以實現(xiàn)核心云中大型服務(wù)的有效分解，將大型服務(wù)分解成為多個小型的、更易處理的業(yè)務(wù)，并由更加靠近移動終端的邊緣節(jié)點進行處理。

邊緣計算技術(shù)在工業(yè)、交通、互聯(lián)網(wǎng)等諸多領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用場景。在電力系統(tǒng)中，由于智能電網(wǎng)涉及多種高實時性、高安全性業(yè)務(wù)，或是部分業(yè)務(wù)對響應(yīng)速度及安全防護都有較高需求。因此，對于5G 通信技術(shù)與電力系統(tǒng)結(jié)合而言，邊緣計算是必不可少的。例如，配電自動化及精準切負荷業(yè)務(wù)，可以發(fā)揮基于MEC 的低時延優(yōu)勢，提升電網(wǎng)對異常狀態(tài)的響應(yīng)速度；在智能巡檢業(yè)務(wù)中，高清視頻和圖片的處理可在網(wǎng)絡(luò)邊緣完成，從而減少大顆粒數(shù)據(jù)對承載網(wǎng)資源的占用；對于用電信息采集業(yè)務(wù)，可借助MEC 本地存儲的性能特點，避免用戶用電數(shù)據(jù)通過運營商公網(wǎng)傳輸，減少用戶數(shù)據(jù)被竊取的可能性，更加有效地保護用戶隱私。

2.2 成本分析

2.2.1 現(xiàn)有業(yè)務(wù)支出

表2 為2019 年度山東省電力系統(tǒng)無線通信業(yè)務(wù)資費情況。據(jù)統(tǒng)計，2019 年山東電網(wǎng)無線通信業(yè)務(wù)服務(wù)費為1.78 億元，其中，僅用電信息采集業(yè)務(wù)單項服務(wù)費即為1.56 億元。也就是說，國網(wǎng)山東省電力公司每年需向電信運營商繳納近2 億元服務(wù)費以實現(xiàn)各類電力無線通信類業(yè)務(wù)的正常運轉(zhuǎn)。此方式帶來巨大的費用支出，并且上述費用并不包含應(yīng)用于各類業(yè)務(wù)的無線通信模塊采購及設(shè)備改造成本。隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展，智能電網(wǎng)無線終端數(shù)量將會繼續(xù)增加，無線通信服務(wù)費用也將繼續(xù)面臨大幅增長。

表2 2019 年山東電力無線通信資費 萬元

2.2.2 建設(shè)成本

根據(jù)電信運營商成本測算，5G 通信系統(tǒng)單座室外宏基站的建設(shè)成本約為50～60 萬元，其中，土地租賃、桿塔建設(shè)等與站址選擇相關(guān)的費用占比超過50%。電力系統(tǒng)中，變電站及環(huán)網(wǎng)柜的位置選取是由人口和工業(yè)生產(chǎn)的密集程度決定的，這與通信系統(tǒng)中基站的站址選取原則基本一致。

從國家戰(zhàn)略層面分析，同行業(yè)內(nèi)及跨行業(yè)間的技術(shù)合作及基礎(chǔ)設(shè)施資源共享將會在未來一段時間內(nèi)成為主流。若考慮采用國家電網(wǎng)公司和電信設(shè)備運營商共建共享通信網(wǎng)絡(luò)的方式，即，國家電網(wǎng)公司提供基站站址、配套桿塔、機房、動力環(huán)境等設(shè)施，電信運營商提供頻譜資源并負責通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，同時對電力無線通信業(yè)務(wù)提供免費網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，則電力系統(tǒng)無線通信業(yè)務(wù)應(yīng)用成本將有效降低，同時，從長遠角度分析，共建共享的商業(yè)模式將為國家電網(wǎng)公司帶來其他經(jīng)濟效益，這將為進一步推進能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展提供重要的技術(shù)和經(jīng)濟支撐。

3 電力系統(tǒng)中的5G 通信應(yīng)用瓶頸

3.1 通信系統(tǒng)能耗

5G 通信時代，由于邊緣計算技術(shù)的應(yīng)用，核心網(wǎng)的功能將部分下沉至網(wǎng)絡(luò)邊緣，邊緣計算服務(wù)器的部署位置也將更加接近于基站，因此，網(wǎng)絡(luò)接入側(cè)承擔了較多的網(wǎng)絡(luò)任務(wù)。據(jù)統(tǒng)計，在當前通信系統(tǒng)中，基站射頻拉遠單元（Remote Radio Unit，RRU）及相應(yīng)的基帶處理單元（Base Band Unit，BBU）機房用電量最大，約為總能耗的70%～80%［12］。2012 年，全球共有約110 萬座通信基站，每年消耗電量約為140 億kWh［13］。5G 時代，基站部署密度將數(shù)倍于現(xiàn)有密度，預計在2025 年將增至1 310 萬個基站，移動基站每年的能耗將達2 000 億kWh。另外，大規(guī)模天線陣列應(yīng)用使得單站耗能大幅增加。據(jù)統(tǒng)計，4G基站功耗約為900 W，而5G 基站功耗約為2 700 W。且5G 通信系統(tǒng)的基站部署密度將數(shù)倍于4G 系統(tǒng)，形成超密集異構(gòu)組網(wǎng)，因此，5G 通信系統(tǒng)的能耗將給電力系統(tǒng)的能源管理帶來新的問題與挑戰(zhàn)。

3.2 無線通信安全

5G 通信推動了萬物互聯(lián)的進程，然而，終端的無線接入也對通信網(wǎng)絡(luò)安全及用戶隱私保護帶來了更大的挑戰(zhàn)。對于5G 通信網(wǎng)絡(luò)，需要考慮的網(wǎng)絡(luò)安全問題包括接入側(cè)安全、切片隔離安全、MEC 安全、用戶邊界／私有云安全。對于先進的能源互聯(lián)網(wǎng)而言，網(wǎng)絡(luò)安全與用戶隱私保護也尤為重要。例如，電力系統(tǒng)中的調(diào)度及控制數(shù)據(jù)關(guān)系到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，一旦發(fā)生網(wǎng)絡(luò)安全事件，將造成不可估量的損失；而企業(yè)等大客戶的用電數(shù)據(jù)，不僅是電費核算的重要依據(jù)，也可以據(jù)其估算企業(yè)產(chǎn)能，對于用戶而言屬于隱私數(shù)據(jù)，需加強對此類數(shù)據(jù)的保護?？傊磥砟茉椿ヂ?lián)網(wǎng)將涉及海量數(shù)據(jù)傳輸，需更加謹慎地設(shè)定數(shù)據(jù)保密等級，實現(xiàn)電力通信網(wǎng)的數(shù)據(jù)安全與隱私保護。

3.3 通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

盡管國家電網(wǎng)與電信運營商共建共享通信網(wǎng)絡(luò)是一個理想的決策，但目前尚沒有明確的官方信息證實這一想法。事實上，5G 通信系統(tǒng)目前在中國尚未實現(xiàn)大規(guī)模商用，且國家電網(wǎng)公司并非傳統(tǒng)電信運營商，不具備規(guī)劃和建設(shè)通信網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢。獨自建設(shè)電力無線通信專網(wǎng)的成本有可能超過現(xiàn)階段租賃電信運營商網(wǎng)絡(luò)的成本，且未來經(jīng)濟效益尚不明確。另外，電力系統(tǒng)輸電、變電網(wǎng)絡(luò)電壓等級較高，會對無線通信產(chǎn)生電磁干擾，因此，是否采用現(xiàn)有變電站作為通信基站站址仍有待進一步討論。

4 結(jié)語

智慧電網(wǎng)是電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢。2020 年國家電網(wǎng)公司戰(zhàn)略為未來能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)提出了更加明確的目標；同時，2020 年也是國家大力推進5G 規(guī)?；逃玫囊荒?。5G 通信技術(shù)將重塑未來生活方式，也將重塑電力與能源系統(tǒng)。分析了5G 通信的特點和技術(shù)指標，討論了5G 在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用場景以及推進先進能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)和發(fā)展的重要技術(shù)。同時，經(jīng)過分析，5G 通信應(yīng)用于電力系統(tǒng)仍存在瓶頸。如何在世界領(lǐng)先的能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)和發(fā)展中取其精華，將會成為今后的主要研究方向。