5G通信技术在智能电网的应用

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5G通信技术在智能电网的应用
符霄乾
吉林吉大通信设计院股份有限企业， 吉林 长春 130000
摘要：智能电网是电网的智能化发展成果，具有高可靠性、自愈性、高质量、兼容性等特征，为实现智能电网建设目标，5G通信技术为关键内容。基于此，文章从智能电网建设需求入手，论述5G通信技术的优势，结合技术现状，总结5G通信技术在智能电网中的应用方式与内容，深化推进智能电网建设。
关键词：5G通信技术；智能电网；网络切片

前言：在智能电网建设中，需部署智能设备，接入大量分布式能源，这就要求智能电网具备更强无线通信能力，方可保障智能电网可靠运行。5G通信技术是目前最先进的移动通信技术，可显著提升无线通信速率，降低通信时延，适用于智能电网建设与运行的多个场景，技术人员需加强技术研发，发挥技术优势。
1.智能电网建设需求
智能电网涵盖发电、输电、变电、配电、用电、电力调度六部分，各个部分间的信息共享与交互，是智能电网运行的关键。通信是电网发展规划的重点内容，要求电力企业做好基础设施建设，为智能电网建设与运行提供光纤骨干通信网，这类通信网络具有大容量、高稳定性等优势，可实现泛在配电通信，符合当前电网分布式能源接入模式[1]。综合而言，智能电网的建设需求如下：
（1）配电自动化。在智能电网建设中，配电自动化为基础要求，技术人员可综合利用各项先进技术，集成配网建设的馈线、设备、终端等模块。基于用户与日俱增的电力需求，配网模块产生的数据增多，通信需求随之增多，需配置更大容量、更高速度的通信系统，高效处理配网运行数据，使智能电网具备自诊断、自愈功能。
（2）准确负荷控制。智能电网中配置智能电表与智能终端，兼备负荷控制、计量及防盗等作用。可自动完成用户信息采集、用电管理等工作。通信技术是上述功能发挥的基础，要求带宽达到2.4kbps，确保电网的负荷、计量等信息在短时间内完成远程传输，真正实现“光纤入户”。
（3）用户服务。在“光纤入户”支撑下，智能电网的用户服务功能增多，可在计量的同时，具备电能质量检测、窃电行为评估、用电分析、分布式能源监控、故障自诊断、信息交互等功能，而上述功能实现时，均需可靠稳定的通信。
（4）指挥调度。在智能电网运行期间，电力企业需实施线路巡查、设备检修等工作，以确保智能电网长久稳定运行。在巡查与检修工作中，产生数据通信需求，应配置完善通信系统，供巡查与检修人员将采集数据传输至控制中心，由控制中心管理人员实施指挥调度工作，及时发现、排除故障。
（5）移动办公。基于用户的广泛用电需求，智能电网覆盖农村、城市等多个地区，需配置可靠通信装置，确保恶劣环境下数据准确、全面运输，以便于电力企业移动办公，为各地区用户提供高质量电力业务服务[2]。
（6）安全监控。在智能电网建设中，机房与变电站等场所可支撑无人值守工作模式，通过监控装置、传感器等设备，远程控制智能电网设备，通信是远程控制的基础。
可见，在智能电网建设中，各项功能的实现均需可靠的通信基础。而传统通信技术存在节点多、建造成本高、分散性强、适用范围小等缺陷，不满足智能电网建设需求。5G通信技术是最新一代的移动通信技术，可支撑不同终端间的高效通信，在智能电网中配置5G通信专网，可拓展光纤专网的通信内容，提高通信速率，在低能耗、低时延的情况下，完成可靠通信[3]。
2.5G通信技术在智能电网中的应用方式
通过上述分析可知，5G通信技术在智能电网中发挥关键作用，技术人员应根据智能电网的建设与运行需求，合理利用5G通信技术，拓展智能电网的功能，提高电力服务的便捷性、全面性。细化来说，5G通信技术通过如下关键技术，用于智能电网工程。
2.1V2G技术
V2G技术是指车辆—电网技术，是智能电网的新型网络服务模式，可在智能电网接入过多设备、分布式能源的情况下，加大通信网络的容量，降低调度压力，使设备与分布式能源稳定运行。在实际智能电网建设中，为发挥V2G技术优势，技术人员应构建双向通信基础架构，在云服务器、本地服务器、供电器、电动汽车间形成双向通信与电力传输，利用V2G技术实现智能电网的密集型服务供给，实现智能电网通信具备更低时延。细化来说，双向基础通信架构由电力传输线路与通信线路构成，具体传输方向如下：云服务器和本地服务器实现双向信息通信；本地服务器与供电器实现双向信息通信；供电器和电动汽车实现双向信息通信与电力传输。
在实际应用中，基于电动汽车的不确定性，智能电网可根据通信数据类型，设置不同工作模式，以实现电力服务的智能化供给。例如，在电动汽车以电源、数据通信的默认访问点和供电器的数据聚合器连接时，智能电网以家庭模式供电；在电动汽车以临时连接点和供电器的数据聚合器连接时，智能电网一访问模式供电，使智能电网始终维持高效运行状态，增强运行效益，减少能耗。
2.2云—边缘计算技术
在5G通信技术支撑下，技术人员可引进云计算技术，将其与电力物联网整合，加强对智能电网运行数据的管理。但在实际运行中，该技术不能妥善处理智能电网边缘设备的数据，使智能电网管理出现盲区。为应对该现象，技术人员可整合云计算与边缘计算技术，将云—边缘计算技术用于智能电网建设，实现智能电网数据的分布式管理，便于数据分析，使电力服务更符合用户需求。在智能电网的数据处理中，可采用三种计算方式，针对本地终端，可采用本地计算方式；针对云端数据，采用云计算方式；针对边缘终端，采用边缘计算方式[4]。
同时，技术人员应根据智能电网实现各项功能的数据需求，优化配置电力系统的计算方式，并根据电力系统的资源条件，设置算法的各项参数，以获取更为全面、准确的数据，为数据通信提供便利。
2.35G网络切片技术
基于智能电网的海量数据通信需求，技术人员应在低成本、低能耗的基础上，保障数据可靠通信。5G网络切片技术可将智能电网的物理网络划分为若干个逻辑虚拟网络，这类虚拟网络具有独立性，根据智能电网的不同功能需求，提供定制服务，协调配置智能电网的各项资源。对于智能电网而言，其网络切片可实现通信时延、通信可靠性、通信业务隔离、业务优先级、终端量级、带宽等需求，为不同功能提供不同网络切片，满足其需求。
例如，在智能分布式配电自动化系统中，对通信时延、通信可靠性、通信业务隔离、业务优先级四方面有高要求，对带宽要求偏低；在分布式电源系统中，对通信可靠性、终端量级有高要求，对带宽要求偏低；在毫秒级精准负荷控制中，对通信时延、通信可靠性及业务隔离有高要求，带宽、终端量级、业务优先级的要求为中高水平；在低压用电信息采集系统中，对终端量级有高要求，对通信时延、业务隔离的要求偏低。
3.5G通信技术在智能电网中的应用场景
基于5G通信技术各项关键技术的功能，可将其用于智能电网的不同场景，发挥其技术优势，强化智能电网的各项功能。本文总结以下5G通信技术在智能电网中的典型应用场景。
3.1配电自动化场景
在智能电网中，配电自动化属于低时延需求场景。在配电自动化建设中，我国电网表现出电压升高、交直流电混联等特征，对配电自动化的安全性提出更高要求，在电力配网时，应合理布置安全保护装置，确保智能电网运行期间，遇到大功率冲击现象时，可自动切除发电机及相应符合，避免智能电网出现连锁故障。在智能电网的分布式接入中，常用保护装置为分布式馈线保护，其保护系统中配置通信技术，可全面整合智能电网各个变电站的运行数据，精确定位故障点，在馈线保护切除负荷时，可精确切除故障位置。在实际数据通信中，多个变电站实施通信，极易出现通信延时问题，导致故障点不能及时隔离，扩大故障范围，影响电网安全性。
5G通信技术可妥善解决上述问题，降低通信时延，提高通信效率，将网络延迟控制在1ms内。相关数据统计指出，如果网络延迟为10ms，当分布式馈线保护系统实施故障隔离时，可在故障出现的100ms内完成隔离。而5G通信系统可将网络延迟缩小10倍，进一步提高保护隔离效率，实现可靠、安全供电。同时，和光纤通信相比，5G通信技术在分布式馈线系统中部署更为便捷，可降低配电自动化建设成本。
3.2负荷控制场景
在智能电网中，负荷控制属于高容量需求场景，通过智能电网的状态感知、负荷预测与负荷控制，实现智能电网负荷的智能控制，使智能电网服务供给更为智能、全面。
在状态感知中，目前电网系统配置的SCADA系统仅可感知三相电压与电流的数值，不能感知相角在不同阶段的变化，不满足智能电网的实时数据通信需求。5G通信技术的应用，可拓展智能电网通信系统的功能，利用其高密度连接优势，在智能电网上部署大量检测元件，全面感知智能电网在不同节点的运行状态，综合评估智能电网运行是否安全，进而提高智能电网稳定性。例如，某技术人员在智能电网系统中嵌入线性潮流模型，可全面感知智能电网的电压、功率及相角都等参数，并在5G通信技术支撑下实现PMU时序数据的无损传输，实现电网运行中状态的实时动态评估。
在负荷预测中，5G通信技术可将电网与物联网整合，实现电网中各项设备、各个环节的数据共享。同时，5G通信技术可扩大智能电网容量，支撑海量设备与各项能源接入智能电网，综合采集用户信息，如生活信息、交通网信息、电网信息等，准确预测用户的综合负荷，为电力用户构建精准画像，明确其用电需求，以此开展智能电网调度工作，实现负荷精准控制。细化来说，在5G通信技术应用基础上，智能电网可根据海量数据，评估用户在电、热、冷、气等多种能源的负荷，为负荷控制提供参考。
在负荷控制中，5G通信技术可将负荷控制工作细化至智能电网的具体设备，如智能电网中的照明灯、空调系统等，一旦某个设备出现故障，可在不切除馈线的基础上，自动切断故障负荷，实现智能电网中分布式能源的精准管控，提高智能电网运行可靠性，
3.3安全监控场景
在智能电网中，安全监控属于高带宽需求场景，智能电网的监控通过图像与视频的采集来实现。而在图像、视频数据传输时，基于其大容量特征，需通信系统具备较高的速率与带宽。5G通信技术在安全监控场景中的应用，可显著提高通信速率与通信带宽，支撑大容量文件传输，保障通信图像与视频的清晰、准确。同时，技术人员可利用5G通信技术的历史传输数据，组织监控中心的计算机实施机器学习，在后续通信传输过程中，可智能诊断电网运行现场的图像与视频，及时发现智能电网运行异常，向监控中心的值班人员报警。例如，配电房安全监控中，电力企业通常采用无人机与摄像装置实现监控。在传统通信模式下，无人机巡检不能实现实时通信，配电房摄像装置需有线专网，光纤铺设成本较高。5G通信技术可使无人机将实时采集图像与视频信息传输至监控中心，无需在配电房铺设大量光纤，节约成本。
同时，在智能电网的多种能源接入发展模式下，安全监控需求增多，如太阳能接入的智能电网，需对光伏发电实施短期预测，评估光伏设备的光照情况，精准预测光伏发电的出力数值，便于智能电网管理。因光伏器件所处的地理位置不同，受到的光照不同，单纯根据天气预报不能精准预测光伏出力，易使智能电网生产调度工作出现偏差。5G通信技术可实现高清图像的智能感知，在光伏器件附近安装远端摄像头，采集光伏器件周围的天空图像，计算机可根据图像信息实施云彩遮挡因子分析，预测天空中云彩的运行路径，以此预测光伏器件出力。在实际应用中，5G通信技术可实现小时级乃至分钟级的光伏出力预测，合理调度区域智能电网的供电，以保障稳定、持续供电，避免光伏出力不足引发停电事故。
结论：综上所述，智能电网的配电自动化、负荷控制、用户服务、指挥调度等功能，均需可靠的通信技术支撑。通过本文的分析，技术人员可在智能电网建设中应用V2G技术、云—边缘计算技术、5G网络切片技术等5G通信技术，用于高容量、低时延、高带宽等需求场景，如配电自动化、负荷控制、安全监控等，提升智能电网的智能化水平。
参考文献：
[1]闫明,郭文豪,胡永乐,等.基于5G的配电网智能故障诊断方法[J/OL].电测与仪表:1-8.
[2]刘腾飞,叶丛林,朱建磊,等.基于5G通信技术的智能分布式配电自动化系统可行性[J].农村电气化,2021(01):53-54.
[3]熊轲,张锐晨,王蕊,等.5G助力电力物联网：网络架构与关键技术[J].中国电力,2021,54(03):99-108.
[4]王莹,王雪,刘嫚,等.面向智能电网的5G网络切片应用前瞻性思考[J].电力信息与通信技术,2020,18(08):1-7.
编辑概况：符霄乾（1984-），男，汉族，黑龙江省佳木斯市，职称：工程师，本科学历，研究方向：无线通信