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5G技术在电力系统中的应用

来源:智能电力网 时间:2021-06-02 20:14:25 发布信息

       随着我国社会迅速发展,电网规模不断扩大,同时随着智能电网建设的推进,电力设备、电力终端、用户陡增,设备与设备之间、设备与用户之间、用户与用户之间的信息传递互动的需求呈爆发式增长,迫切需要高效、安全稳定的通信技术作为支撑,提升电力系统的智能化、自动化、信息化水平,从而为社会经济的稳定提供可靠的服务。国家电网公司在2019年两会报告中提出要建设运营“泛在电力物联网”,泛在电力物联网的目的是围绕电力系统各环节,实现各个环节的互联互通,因此,通信技术泛在电力物联网中发挥了核心作用。


       移动通信技术经过多年的发展,取得了很大的进步,在技术、性能、应用模式等方面都发生了质的变化。移动通信技术先后经历了1G至5G时代,其中,3G时代和4G时代真正地走进了互联网时代,网络速度进一步加快,兼容性好、业务多样性等特点为物联网发展创造了条件。目前,中国已正式进入5G时代,通信性能及技术得到大幅度提升。每一代技术的更新换代都给各个领域的快速发展带来了机遇。


1、5G通信

1.1  5G通信网络架构

       5G网络采用基于服务体系的架构,5G通信系统由接入网、承载网和核心网组成。

       (1)接入网主要由集中单元、分布单元、有源天线单元组成。集中单元从原基带处理单元的非实时部分分割出来,负责处理非实时协议和服务;分布单元是原基带处理单元的剩余功能重新定义,负责处理物理层协议和实时服务;有源天线单元由基于基带处理单元的部分物理层处理功能与原基带射频拉远及无源天线合并而成。

       (2)承载网是基础资源,必须先于无线网部署到位,其作用就是把网元的数据传到另外一个网元上。承载网采用Mesh组网,逐步下沉到接入层,实现前传、回传统一。支持网络FlexE分片;支持整网的SDN部署,提供整网的智能动态管控。接入环达到50GE,汇聚环达到200GE,核心层达到400GE。


1.2  5G通信特点

       (1)高速度。与4G网络相比,5G网络的传输速度得到了大幅提升。5G基站峰值大于20 Gb/s,速度的剧增为数据的下载、上传提供了更优的服务。电力系统中存在海量数据,如监测视频数据、图像、文本等,5G的高速度特点为电力系统中的数据传输提供了保障。

       (2)高容量。4G时代,除了方便人们生活的手机、电脑、智能家电、共享汽车等设备需要使用网络以外,其他很多领域也需要联网,尤其对于复杂的电力系统,仅仅凭借人工对电力系统的操作、监测、管理等已不能满足快速发展的智能电力系统的要求。电力系统中很多终端设备都需要联网,4G通信能够连接的终端有限,5G的高容量特点为实现电力系统的各设备之间的互联和智能化管理提供了保障。

       (3)高可靠,低时延。在时延和可靠性方面,相比之前的蜂窝移动通信技术,5G通信有了极大的提升。5G通信技术实现了基站与终端间,上下行均为0.5 ms的用户面时延。该时延是从发送方5G无线协议层入口点,经由5G无线传输,到接收方5G无线协议层出口点的时间。

低功耗。物联网中由于终端多,充电频繁即充电限制,给其发展带了很大的困扰,阻碍了物联网的发展。5G通信通过降低信令开销来解决功耗高的问题,从而使设备终端长期保持在线状态。


 2、电力系统中5G通信技术的应用场景

       5G通信技术在电力系统中的应用多种多样,如智能电网、输电线路巡检、智能配电网、泛在电力物联网等,5G通信技术在电力方向的应用,必将为整个电力系统带来质的改变。


2.1  智能电网

       智能电网的主要作用是智能自动化配电、精准负荷控制,但其需要先进的设备、网络和技术作为支撑。随着数字化、智能化、智慧化技术的发展应用,电网也逐步向低时延、高可靠方向发展。5G通信技术以其低时延、高可靠的特性实现了故障的智能定位、智能识别和智能处理,减少了故障停电时间长给人们带来的不便。电力负荷控制时,解决负荷过大问题的传统手段基本是通过一刀切方法切断整条线路或者整个区域,而利用5G网络可以优先切断非重要负荷,减少对用户的影响,降低经济损失。


2.2  输电线路巡检

       输电线路中存在各种缺陷,如金具锈蚀、对空距离超限、绝缘子掉串、导线断股等,电力运维部门每年都需要对输电线路进行巡检。传统的线路巡检主要采用人工巡检的方式,此方法受恶劣环境、地形影响大,存在成本高、效率低等缺点。而利用直升机及无人机采集线路的视频、图片或者点云数据,可以减少环境和地形对输电线路巡检的影响,但4G网络数据的传输存在卡顿不流畅、实时效果差等缺点。5G通信的大宽带技术可以实时流畅地将采集的数据传输至终端,通过展示平台实时对输电线路的状态进行监控,以便运维人员根据监控结果进行缺陷的修复、消缺,提高线路巡检的准确度和巡检效率。


2.3  智能配电网

       配电网结构复杂,设备终端多,连接复杂,保证其安全稳定运行至关重要,但目前对配电网状态的监测存在很大缺失。同时配电网中存在很多的拓扑关系,这些拓扑信息也很少被监测到。5G通信可以实现海量信息的展示及动态感知,实现配电网运行状态信息的透明化。同时,5G技术结合DFACTS等技术可以解决配电网存在的供电过程电路中断、三相不平衡、电压暂降等问题,从而保证设备终端的正常稳定工作,保障配电网的可靠性及设备的可持续利用,并间接提高电力系统的经济效益及社会效益。5G技术结合DER满足了网络长期发展的需要,减少了成本投入,可以有效节约能源,避免资源浪费,促进电力系统的绿色健康发展。


2.4  泛在电力物联网

       5G通信技术在泛在电力物联网中的应用主要包括万物互联、精准控制、海量量测、宽带通信、高效计算等5个方面。

       (1)电力网络的设备终端使得与电力相关的万物关联起来,如将家庭中电力设备终端关联起来,形成智能家居,同时可以将不同家庭的智能电力设备关联,实现同层、同栋、同小区的集群;将不同共享单车进行关联,形成区域性单车用电模式,有利于智慧交通的实现。

       (2)5G通信低时延、高速度的特点为无人自动驾驶的发展提供了可能。在需求响应上,低时延可以及时躲避障碍物以及控制车的行为,具有十分重要的应用价值。在可靠性方面,相比于4G,5G可以提供稳定性较好的信息传输,为泛在电力物联网的精准控制提供基础。在电能的储存控制方面,电能输送端、节点等的分配协调需要考虑重要企业、非重要企业、不同区域、用户之间的用电差异性,需要在短时间内对电能进行精准分配控制。

       (3)随着电力的快速发展,电力系统中产生了海量信息,为了减少通信阻力,对信息进行了数据处理,如舍去相同数字的位数、四舍五入数据、只选择短时间段的数据等,此操作造成了数据分析的不准确。5G的通信高速度特征能够实现数据的细粒度的采集,为电力大数据分析及泛在电力物联网的发展提供坚实的基础。

       (4)海量的泛在物联网数据信息不仅有结构化的数据,也存在非结构化的数据,如视频、图片、语音等。为打造透明化泛在电力物联网,实现海量非结构化数据的优质服务,5G宽带通信能实现高速率的视频通信,同时可以实现电力虚拟现实的应用,给使用者提供全新的视觉体验。

       (5)电力相关应用平台需要进行大量数据的运算,如线路缺陷图像识别、大数据分析、地图数据等,因此需要安全稳定的运算环境。在泛在电力物联网时代,云计算和边缘计算带需要5G通信保障其运算安全及运算速率。

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