加 玉

(專利審查協(xié)作北京中心,北京 100160)

0 引言

隨著社會經濟的高速發(fā)展,社會用電量快速增加,迫切需要電力通信網絡向泛在電力物聯網演進,提高國家電網的信息化和智能化水平,滿足綠色發(fā)展理念的要求。 國家電網早在2019 年就已提出要大力建設泛在電力物聯網,提升電力物聯網的管理效率,構建移動互聯、人際交互的智能化系統(tǒng)[1]。 然而目前泛在電力物聯網建設仍然面臨通信技術標準混亂等問題,本文基于5G 通信和物聯網云平臺,構建新型的泛在電力物聯網架構,并對現有技術進行檢索,進行相關專利分析。

1 5G 通信與泛在電力物聯網

1.1 泛在電力物聯網

電力物聯網是利用信息互聯將全國電力網絡中的電力設備和物理對象進行連接,構建完全普適的物聯網,可以提升家用電器和電力系統(tǒng)的智能化水平,有助于電力系統(tǒng)的健康可持續(xù)發(fā)展[2]。 電力物聯網可以實時監(jiān)測電網運行狀態(tài),保障電網的安全可靠運行。 然而在傳統(tǒng)的電力物聯網中,信息互聯存在許多問題,傳統(tǒng)的物理連接方式受外部因素影響較為嚴重,連接質量不高,穩(wěn)定性較差[3]。 因此,需要考慮整合5G 等通信技術,加強電力設備連接的穩(wěn)定性,提升電力物聯網的傳輸和轉換功能。

泛在電力物聯網由國家電網在2019 年提出,基本結構包括感知層、網絡層、平臺層和應用層。 感知層借助傳感器實時采集電網及設備信息并傳遞到電能表中;網絡層通過通信協(xié)議實現傳感器的遠程操控;平臺層提供數據存儲、跨主體傳遞等功能;應用層實現電力與信息的互聯互通,實現業(yè)務網與通信網的深度融合,從而提高電力服務質量[4]。

1.2 5G 通信與泛在電力物聯網的契合性

5G 通信在帶寬、時延等性能指標上優(yōu)勢明顯,擁有低成本、低時延、低功耗、廣連接、高容量、高可靠性的特點,可以滿足用戶的多樣化需求,傳輸效率更高,通信性能更強[5]。 5G 通信的理論最高數據傳輸速度達到4G 的20 倍,可以滿足電力系統(tǒng)大規(guī)模、多元化數據采集的需求;5G 通信擁有千兆赫茲的頻譜寬度,支持高密度連接和大容量數據傳輸,性能指標數據是4G的近百倍,可以為電力系統(tǒng)接入海量終端設備和大視頻應用等提供技術支持;5G 通信的多連接技術丟包率極低,具有極高的可靠性,能夠為電力系統(tǒng)提供可靠穩(wěn)定的無線網絡;5G 通信端到端延遲性能指標為1 ms,在協(xié)同控制場景具有及時的響應能力;5G 通信的網絡切片技術、休眠設置可以降低智能終端設備的能耗,使電力通信網絡以較低能耗和成本運行,還可以延長設備使用壽命[6]。 由此可見,5G 通信技術在泛在電力物聯網中有著廣闊的應用前景。

2 5G 電力物聯網的相關專利分析

專利分析是以專利文獻和專利信息為研究對象,將專利分析應用于某一技術的技術活動、技術能力的研究,能夠評價某一技術的發(fā)展歷程及研究現狀,并能為企業(yè)后期的專利布局提供有價值的情報。

2.1 申請趨勢分析

通過對專利申請的年度趨勢進行分析,可掌握某個領域技術發(fā)展的歷程。 本文通過對截至2020 年的5G 泛在電力物聯網的相關專利申請數據進行檢索,發(fā)現2014 年以前為0 申請,2015 年開始有3 例申請,到2020 年猛增至94 例申請。

2.2 技術構成

如圖1 所示的是分析對象在各技術方向的數量分布情況。 通過該分析可以了解分析對象覆蓋的技術類別以及各技術分支的創(chuàng)新熱度。

圖1 5G 泛在電力物聯網的相關專利在各技術方向的數量分布情況

2.3 技術構成功效

各技術領域不同功效的專利數量分布情況如圖2所示,有助于了解各類技術的主要應用特征,從而對研發(fā)路線進行適應性的調整。

圖2 5G 泛在電力物聯網的相關專利不同功效的數量分布情況

經過上述專利分析,我們可以看出隨著5G 的發(fā)展,5G 在泛在電力物聯網中應用研究專利申請量在2020 年達到高峰,其研究的主要方向還是集中在H04L 上,即集中在5G 網絡與電力網的結合上,實現的技術效果和技術目標是提高效率和安全性、智能化,降低成本。

3 新型泛在電力物聯網的架構設計

傳統(tǒng)電力測量停留在遠程抄表的階段,用戶、智能化終端、電力企業(yè)之間缺乏及時有效的交互,無法支持實時監(jiān)控等服務的開展[7]。 在此背景下,泛在電力物聯網應運而生,依托感知層實現智能化終端的標準化接入,通過網絡層將智能化終端采集的數據上傳到平臺層,由平臺層對數據進行整合分析后傳送到應用層,最后應用層根據數據處理結果產生決策[8]。

3.1 新型泛在電力物聯網架構

新型泛在電力物聯網依然采用4 個層級的架構。感知層由各種智能化終端設備組成,需要對終端數據采集、監(jiān)控等進行標準化設計。 終端設備采用統(tǒng)一的標準化接口,內部集成5G 通信模塊和微處理器,運行統(tǒng)一的操作系統(tǒng),具備原始數據初步整合處理功能,可以通過5G 網絡與平臺層進行數據交換[9]。 網絡層主要使用5G 通信技術,在5G 通信技術不適用場景以其他無線通信協(xié)議輔助數據傳輸,物聯網傳輸協(xié)議建議使用MQTT協(xié)議和COAP 協(xié)議。 平臺層的職能與現有的泛在電力物聯網基本一致,主要負責數據整合、存儲、分析等工作,差別在于采用兩種云平臺,在國家電網專用平臺基礎上使用企業(yè)開發(fā)的云平臺,不僅可以依托國家電網專用平臺提供專業(yè)化的服務,還可以依托企業(yè)物聯網平臺提供個性化定向服務,豐富平臺層的功能。 應用層是泛在電力物聯網的用戶接口,可以依托平臺層提供的數據產生決策,通過平臺層、網絡層對智能終端實現控制,滿足用戶的服務需求。

3.2 新型泛在電力物聯網的優(yōu)勢

新型泛在電力物聯網的優(yōu)勢在于結合一體化國網云平臺和企業(yè)物聯網云平臺,用戶數據處理能力更強,可以彌補國家電網因自身限制產生的功能劣勢,利用企業(yè)的技術優(yōu)勢提供個性化的服務。 更為重要的是,以5G通信技術為主要通信手段,可以解決多種通信協(xié)議聯合使用的弊端,提升泛在電力物聯網的通信質量、效率、穩(wěn)定性和可靠性,為泛在電力物聯網的健康可持續(xù)發(fā)展提供強大的技術保障[10]。

4 5G 通信在泛在電力物聯網中的應用

4.1 5G 通信技術的具體應用

5G 通信技術具有高帶寬、高速率等優(yōu)勢,可以在實時監(jiān)控、傳輸高清圖像視頻和電力系統(tǒng)穩(wěn)定性控制等工作中發(fā)揮作用,提升泛在電力物聯網的數據傳輸能力和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5G 通信技術可以用于發(fā)送大容量文件,解放了智能終端設備的性能,可以支持智能終端采集高清視頻圖像信息,并發(fā)揮低延時特性,實現電網設備運行狀態(tài)的實時監(jiān)測。 借助5G 通信技術,可以實現對電網設備工作狀態(tài)的實時監(jiān)測,高效收集電力數據,且不易出現數據丟包現象,保證數據收集和傳輸的質量[11]。

4.2 5G 通信技術的應用效果

5G 通信技術在泛在電力物聯網中的應用,可以提升動態(tài)監(jiān)測質量,實現精準控制,強化測量與計算能力,豐富電力服務內容。 首先,5G 通信技術的應用,可以在電力系統(tǒng)各個節(jié)點安裝各種傳感器,對電力系統(tǒng)設備電壓等運行參數進行動態(tài)監(jiān)測,獲取電力設備的實時運行狀態(tài),從而為優(yōu)化電網拓撲結構、制定維護檢修方案提供可靠的數據支持;其次,5G 通信技術的高傳輸速率、高響應速度可以滿足各種高精度應用需求,以最低處理時效進行科學決策,達到精準控制的目的,并提升泛在電力物聯網運行的靈活度;最后,5G 通信的高速率、大容量,可以滿足海量數據在線交互和處理分析的需求,實現多元化數據采集和高質量數據傳輸,不僅優(yōu)化數據采集能力,還可以提供數據處理分析功能,減少研究誤差。

5 5G 通信在泛在電力物聯網中的應用面臨的挑戰(zhàn)

當前,5G 通信技術以其突出的性能優(yōu)勢,逐步取代現有的有線和無線通信技術,成為泛在電力物聯網的主要技術手段,同時5G 通信技術在泛在電力物聯網中的應用,依然面臨一些困難和挑戰(zhàn)。

5.1 5G 通信與其他數據傳輸方案的融合問題

5G 通信技術和其他通信技術相比優(yōu)勢十分顯著,但仍無法完全取代其他通信技術成為唯一的數據傳輸方案。 因此,如何實現5G 通信技術與其他數據傳輸方案的融合,加強不同通信技術之間的協(xié)作,是未來研究的重要問題之一。

5.2 5G 通信的時間同步問題

在泛在電力物聯網中,時間同步技術的作用至關重要,需要聯合5G 通信與衛(wèi)星技術建設天地一體化時間同步網絡,提高終端節(jié)點的時間處理精度,統(tǒng)一時間基準,從而更好地滿足測量等業(yè)務的需求。

5.3 5G 通信的能耗管理問題

5G 通信網絡的主要能耗在于大規(guī)模的通信基站和智能終端設備,需要注意的是,隨著泛在電力物聯網的發(fā)展,5G 通信基站越來越多,越來越密集的基站及終端設備會帶來巨大的能耗。 需要考慮如何有效降低通信中的能源消耗,以體現節(jié)能環(huán)保理念,降低企業(yè)的運營成本。

5.4 5G 通信的安全性問題

5G 通信技術作為新一代無線蜂窩技術,泛在電力物聯網中的通信網絡往往是公共網絡和電力專網共存。 無線通信和公共網絡的安全性風險很高,如何保證5G 公共網絡終端安全、接入安全、切片安全,是值得深入研究的重要問題。 未來需要重點研究如何統(tǒng)一身份管理與認證,構建多元化信任關系,采取適宜的隱私保護策略,以提升5G 通信網絡的安全性。

6 結語

綜上所述,泛在電力物聯網擁有廣闊的發(fā)展前景,而5G 通信技術的應用可以為泛在電力物聯網建設與發(fā)展提供強有力的技術支持。 本文對5G 通信在泛在電力物聯網中的應用進行較為詳盡的闡述,并對未來發(fā)展進行了展望。 5G 通信的應用還有很長的路要走,需要不斷研發(fā)相關的技術,制定統(tǒng)一的技術標準,逐步實現5G 通信與泛在電力物聯網的融合發(fā)展,從而推動國家電力能源產業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。