陳皓勇1，李志豪1，陳永波2，陳錦彬1，王曉娟1

(1.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東 廣州 510641；2.中興通訊股份有限公司，江蘇 南京 210012)

摘要：在大規(guī)模分布式發(fā)電和儲能的接入下，能源行業(yè)結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整。能源互聯(lián)網(wǎng)和泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的概念相繼被提出，要實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)的泛在連接，電網(wǎng)建設(shè)進(jìn)入新階段。5G技術(shù)飛速發(fā)展，有著帶寬更大、傳輸速率更高、時延更低的特點(diǎn)，與泛在電力物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層的建設(shè)緊密結(jié)合。介紹了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的概念，結(jié)合5G技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)和特點(diǎn)，探討5G在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用場景。最后指出了基于5G的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)面臨的安全性挑戰(zhàn)和未來發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：能源互聯(lián)網(wǎng); 泛在電力物聯(lián)網(wǎng); 5G; 數(shù)據(jù)科學(xué)

0 引言

在大電網(wǎng)的發(fā)展階段，電力行業(yè)高度依賴化石能源，發(fā)展不可持續(xù)。而現(xiàn)在，在大規(guī)模分布式發(fā)電和儲能的接入下[1]，能源結(jié)構(gòu)行業(yè)結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整，可再生能源逐漸獲得大眾青睞[2]。Jeremy Rifkin 提出“能源互聯(lián)網(wǎng)(Energy Internet)”的概念[3]，其目標(biāo)是以可再生能源為主要一次能源，實(shí)現(xiàn)如冷、電、熱、氣等多種能源形式的互補(bǔ)互聯(lián)和綜合利用[4]，基于互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)能源信息的共享，在何時何地，何人何物都能順暢通信，從而提升整體的能源利用率。

2016年，國家發(fā)改委發(fā)布《關(guān)于推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導(dǎo)意見》，加快了能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)。2019年3月，國家電網(wǎng)有限公司對泛在電力物聯(lián)網(wǎng)(Ubiquitous Power Internet of Things, UPIoT)做出了全面部署安排。同年，南方電網(wǎng)將數(shù)字化作為發(fā)展戰(zhàn)略，提出了“4321”行動，要將發(fā)、輸、變、配、用、調(diào)全面智能化，實(shí)現(xiàn)多源管理，進(jìn)行新業(yè)務(wù)、新形態(tài)拓展。文獻(xiàn)[5]在智能電網(wǎng)中，提出適應(yīng)自動發(fā)電控制新變化的控制框架和關(guān)鍵技術(shù)。文獻(xiàn)[6]對綜合能源系統(tǒng)中的穩(wěn)態(tài)問題進(jìn)行建模，進(jìn)行了總結(jié)與歸納，提出一種基于能源集線器概念和多能互補(bǔ)思想的綜合能源系統(tǒng)。文獻(xiàn)[7]在主動配電網(wǎng)中分析了用電采集系統(tǒng)和在線監(jiān)控系統(tǒng)中的大數(shù)據(jù)，結(jié)合主動配電網(wǎng)，對大數(shù)據(jù)技術(shù)可能的應(yīng)用場景做了展望。文獻(xiàn)[8]對于具有高風(fēng)電滲透率的大型AC/DC混合輸電系統(tǒng)，提出了一種分布式調(diào)度方法來解決安全約束單元承諾問題，促進(jìn)了區(qū)域間風(fēng)力發(fā)電適應(yīng)性和改善整體系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，同時減輕了接收側(cè)系統(tǒng)的峰值調(diào)節(jié)壓力。

與此同時，在2019年，5G作為最新一代蜂窩移動通信技術(shù)，得到了飛速的發(fā)展。文獻(xiàn)[9]提出了一種針對5G移動應(yīng)用的具有波束控制特性的毫米波(mm-Wave)陣列天線封裝的新設(shè)計(jì)，可在保持高增益波束的同時選擇所需的覆蓋區(qū)域。文獻(xiàn)[10]針對5G應(yīng)用，研究并實(shí)現(xiàn)了一種新型的寬帶磁電偶極天線。與4G等無線技術(shù)相比，5G通信技術(shù)帶寬更大，傳輸速率更高，時延更低[11-12]。文獻(xiàn)[13]系統(tǒng)地評估了由實(shí)時地球靜止衛(wèi)星回傳支持的5G核心網(wǎng)絡(luò)上的實(shí)時4K視頻流的性能。

在5G技術(shù)興起之前，電力系統(tǒng)通過有線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，若是泛在物聯(lián)網(wǎng)也采用有線的方式來連接萬物，成本很高，而且效率低下。因此物聯(lián)網(wǎng)一般采用無線來連接。而5G的興起，剛好碰上了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)熱潮，二者有望實(shí)現(xiàn)緊密的結(jié)合[14]，前者所提供的高質(zhì)量通信，完全可以滿足泛在電力物聯(lián)的建設(shè)需求。

本文主要分析研究了UPIoT的含義和現(xiàn)狀，指出了UPIoT中的通信挑戰(zhàn)，指出UPIoT網(wǎng)絡(luò)層中5G建設(shè)的重要意義，重點(diǎn)分析了UPIoT中5G通信的關(guān)鍵技術(shù)和技術(shù)特點(diǎn)，并對5G的UPIoT應(yīng)用場景進(jìn)行了闡述，還對5G所面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行了進(jìn)一步的分析，最后展望了UPIoT中5G的發(fā)展方向。

1 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)(UPIoT)

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)(UPIoT)，可分為三個方面對其進(jìn)行解讀。首先，物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things, IoT)，即“萬物相連的互聯(lián)網(wǎng)”，其核心仍是互聯(lián)網(wǎng)，是互聯(lián)網(wǎng)的延伸和拓展，其次則是把原來的用戶終端延伸至任何物品和物品之間。這一詞語最早于1995年比爾·蓋茨的書籍《未來之路》中出現(xiàn)[15]。物聯(lián)網(wǎng)的前身是傳感網(wǎng)絡(luò)，只代表著物與物之間的信息交互。其次是電力網(wǎng)，電力網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)中的一種具體形態(tài)。最后則是“泛在網(wǎng)”(Ubiquitous Network)，圖1表示了傳感網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、泛在網(wǎng)絡(luò)之間的關(guān)系[16]。泛在網(wǎng)表示的是，無論是時間還是空間，抑或是任何對象的任何范圍內(nèi)，都存在相互的連接網(wǎng)絡(luò)。而“泛在物聯(lián)”即是任何時間、任何地點(diǎn)、任何人、任何物之間，都會存在信息的連接和交互。

圖1 泛在網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、傳感網(wǎng)之間的關(guān)系

Fig. 1 Relationship between ubiquitous network, internet of things, and sensor network

而泛在電力物聯(lián)網(wǎng)，就是圍繞電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)，充分應(yīng)用移動互聯(lián)、人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)、先進(jìn)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)萬物互聯(lián)、人機(jī)交互，具有狀態(tài)全面感知、信息高效處理、應(yīng)用便捷靈活特征的智慧服務(wù)系統(tǒng)[17]。原來的電力網(wǎng)絡(luò)，只能體現(xiàn)電能的“泛在”，卻不能實(shí)現(xiàn)電力信息的“泛在”，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)將把電網(wǎng)從單純的能量網(wǎng)絡(luò)變?yōu)椤澳芰?數(shù)據(jù)”網(wǎng)絡(luò)。要想實(shí)現(xiàn)電力物聯(lián)網(wǎng)的泛在，必須對電力網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行采集和連接，如用戶的用電數(shù)據(jù)、配電系統(tǒng)中的狀態(tài)信息、分布式電源的數(shù)據(jù)等等，因此需要基于先進(jìn)的信息通信技術(shù)。

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示[18]，包含4個層次。

圖2 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)

Fig. 2 Network architecture of ubiquitous power internet of things

1) 感知層重點(diǎn)是統(tǒng)一終端標(biāo)準(zhǔn)，推動跨專業(yè)數(shù)據(jù)同源采集，實(shí)現(xiàn)配電側(cè)、用電側(cè)采集監(jiān)控深度覆蓋，提升終端智能化和邊緣計(jì)算水平[19]。

2) 網(wǎng)絡(luò)層重點(diǎn)是推進(jìn)電力無線專網(wǎng)和終端通信建設(shè)，增強(qiáng)帶寬，實(shí)現(xiàn)深度全覆蓋，滿足新興業(yè)務(wù)發(fā)展需要。

3) 平臺層實(shí)現(xiàn)各類采集到的數(shù)據(jù)管理，是公共基礎(chǔ)平臺，重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模終端統(tǒng)一物聯(lián)管理，深化全業(yè)務(wù)統(tǒng)一數(shù)據(jù)中心建設(shè)，推廣“國網(wǎng)云”平臺建設(shè)和應(yīng)用，提升數(shù)據(jù)高效處理和云霧協(xié)同能力。

4) 應(yīng)用層是應(yīng)用和控制中心，重點(diǎn)是全面支撐核心業(yè)務(wù)智慧化運(yùn)營，全面服務(wù)能源互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)，促進(jìn)管理提升和業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型。

只有把感知層和網(wǎng)絡(luò)層建設(shè)好，應(yīng)用層和平臺層才能得到好的硬件條件支持。其中，5G技術(shù)屬于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)層。

2 5G技術(shù)簡述

2.1 電力物聯(lián)網(wǎng)的通信挑戰(zhàn)

現(xiàn)代通信技術(shù)在電力系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。除了光纖和微波通信，電力線載波通信作為電網(wǎng)特有的通信方式[20]，利用輸電線路，將模擬或數(shù)字信號進(jìn)行高速傳輸，速度快，成本低[21]，但由于配電變壓器阻隔、三相損耗、線路耦合損耗、電力線本身的脈沖干擾等原因[22]，通信的可靠性降低，電力線載波通信并不能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的應(yīng)用。

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的前提是充分的連接。文獻(xiàn)[17]介紹了基于低功率廣域網(wǎng)絡(luò)(LPWAN)技術(shù)的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的基本概念、體系架構(gòu)及相關(guān)前沿技術(shù)。在配電網(wǎng)中，大量新能源、節(jié)能服務(wù)、儲能元素接入，需精細(xì)調(diào)控，配網(wǎng)連接必不可少。如圖3所示，在配電及用戶接入側(cè)，電動汽車、分布式光伏電池、智能家居、配電終端等智能終端，會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。這些海量的數(shù)據(jù)屬于基礎(chǔ)小數(shù)據(jù)，有著巨大的價值。

圖3 電力網(wǎng)終端接入圖

Fig. 3 Diagram of power grid communication terminal access

在現(xiàn)在及未來的電力業(yè)務(wù)通信中，有著三大需求，分別是：

1) 實(shí)時、可靠，電力業(yè)務(wù)需要大于99.999%的可靠性和可用性，并且數(shù)據(jù)的傳輸時延不能大于20 ms，時延抖動要小于3 ms，甚至要到μs級。

2) 安全、可控，電力業(yè)務(wù)通信過程必須有著獨(dú)特的通信資源，不能被隨意截取，而且要全面監(jiān)控，專門管理。

3) 靈活、方便、經(jīng)濟(jì)，在點(diǎn)多面廣的海量智能終端的設(shè)備連接上，如何降低其連接的復(fù)雜程度和成本，也是電力業(yè)務(wù)通信的需求之一。

然而，面對點(diǎn)多、面廣的智慧終端和用戶終端，以以往的通信技術(shù)，在通信信息獲取的終端一公里內(nèi)，有著連接困難、連接匱乏、無線通信質(zhì)量低等問題。比如，4G等無線方式，時延大多在50 ms到100 ms以上，帶寬不足，難以完成高清視頻的傳輸，安全性和投資的使用成本也難以保障。光纖等有線方式則有著投資大、施工和維護(hù)困難的缺點(diǎn)，而且覆蓋的范圍僅僅只包含了高價值用戶，靈活性差，需要物理連接到每一臺設(shè)備。

為了實(shí)現(xiàn)充分連接和提高通信質(zhì)量，5G技術(shù)成為泛在電力物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)中的一大發(fā)展熱點(diǎn)。5G是面向2020年后新一代的移動通信技術(shù)，與2G/3G/4G相比，5G的無線覆蓋性能、傳輸時延、系統(tǒng)安全性和用戶體驗(yàn)都得到了顯著的提高，是電力行業(yè)中多種業(yè)務(wù)泛在連接的重要選項(xiàng)。電力網(wǎng)和5G技術(shù)相結(jié)合，對建設(shè)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)有著極大的幫助。

2.2 5G關(guān)鍵技術(shù)

5G通信技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在無線技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)兩個方面。

大規(guī)模多天線技術(shù)是一種多入多出(Multiple-In Multipleout, MIMO)的通信技術(shù)，在無線技術(shù)領(lǐng)域有著重要地位[23]。由通信理論可知，在傳輸過程中增加越多的天線，會極大地增強(qiáng)頻譜效率和可靠性。但由于多天線所需的空間大、實(shí)現(xiàn)技術(shù)復(fù)雜等原因， MIMO系統(tǒng)的最佳天線位置，也需要研究人員去探尋[24]。在5G系統(tǒng)里，有著多種無線接入技術(shù)，如5G，4G，LTE等，一個超密集組網(wǎng)通過增加基站密度可極大提升頻率復(fù)用的效率。在無線通信中，減少通信小區(qū)半徑，可提高頻譜資源的空間利用率，從而提高頻譜效率，因此，在一個小區(qū)內(nèi)設(shè)置多個通信節(jié)點(diǎn)，形成超密集組網(wǎng)，將是5G未來的發(fā)展方向之一。在多場景多業(yè)務(wù)模式下，發(fā)送信號時將信號在空/時/頻/碼域進(jìn)行疊加，可提高系統(tǒng)頻譜效率和接入能力，稱之為多址接入技術(shù)，是現(xiàn)在移動通信系統(tǒng)的關(guān)鍵特征之一[25]。除了傳統(tǒng)的OFDMA技術(shù)，5G還將支持SCMA技術(shù)、MUSA技術(shù)， PDMA技術(shù)[26]以及NOMA技術(shù)等多種新型多址技術(shù)。全雙工技術(shù)，是在同時雙向通信的技術(shù)，在無線網(wǎng)絡(luò)中，由于收發(fā)天線距離較近且功率差異大，因此不管是網(wǎng)絡(luò)側(cè)還是終端，在發(fā)射信號時，都會對接收的信號產(chǎn)生自干擾，因此不能實(shí)現(xiàn)同時同頻地傳輸信號，不僅在時間上，還是在頻率上，都浪費(fèi)了很多的無線資源。理論上，全雙工技術(shù)可以直接提高一倍的頻譜利用率，因此也是5G的一個重要發(fā)展方向。除此之外，信道建模與編碼、濾波器組多載波、自組織組網(wǎng)技術(shù)、內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、新型多址和全頻譜接入技術(shù)也是5G無線技術(shù)中很重要的一部分[27]。

如圖4所示，5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可分為三個部分，分別為接入云、轉(zhuǎn)發(fā)云和控制云。接入云適應(yīng)各種無線鏈路接入，可實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)感知，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湄S富，有著集中式接入和分布式接入兩種接入架構(gòu)。轉(zhuǎn)發(fā)云在控制云的控制下，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的低時延高效傳輸。控制云控制全局的信息管理并保證5G通信服務(wù)質(zhì)量，根據(jù)業(yè)務(wù)不同提供不同的差異化服務(wù)，保證每個業(yè)務(wù)對象的需求。

圖4 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

Fig. 4 Network architecture of 5G

2.3 5G技術(shù)特點(diǎn)

相比同類型的無線網(wǎng)絡(luò)4G技術(shù)，如表1所示，5G技術(shù)KPI全方位超越4G技術(shù)。

表1 5G與4G指標(biāo)對比

由表可見，5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的優(yōu)勢主要在于，包括峰值速率、區(qū)域速率、邊緣速率，都比4G有了極大提高，峰值速率最高可達(dá)20 Gbps，滿足高清視頻、虛擬現(xiàn)實(shí)等數(shù)據(jù)的大量傳輸。通信時延指信息從一端傳送到另一端的時間，5G時延比傳統(tǒng)的4G整整少了一個數(shù)量級，5G的空中接口的時延在1 ms左右，在自動駕駛和遠(yuǎn)程醫(yī)療等實(shí)時應(yīng)用創(chuàng)造了條件。傳統(tǒng)的4G網(wǎng)絡(luò)連接的終端有限，多為用戶的手機(jī)，而5G網(wǎng)絡(luò)需有著超大的網(wǎng)絡(luò)容量，每平方公里能夠連接100萬個終端，包括智能家電和各種智能終端，能夠滿足泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的海量智能終端的接入需求。5G技術(shù)通過通信原理的優(yōu)化，會降級傳感器或節(jié)點(diǎn)的能耗[28]，不需要對通信設(shè)備進(jìn)行更換電池或者充電，給萬物互聯(lián)提供了很好的技術(shù)條件。除此之外，在頻譜效率、流量密度、連接密度等方面都大幅度提高，滿足了用戶的需求，使用戶的體驗(yàn)更上一層樓。

因此可以總結(jié)，5G技術(shù)需具有三大應(yīng)用場景特征，分別是大帶寬高速率(eMBB)、海量連接(mMTC)、低時延高可靠性(uRLLC)。

為了實(shí)現(xiàn)三大場景業(yè)務(wù)，在5G通信網(wǎng)絡(luò)中，波束賦形由2D升級為3D，頻譜效率提升了6到8倍，改善了邊緣覆蓋的性能，因此具有超高的接入速率，吞吐量大于19G，接近了5G技術(shù)的理論極限。在接入方式方面，5G通信網(wǎng)絡(luò)采用新型多址接入(MUSA)，MUSA技術(shù)是屬于NOMA技術(shù)的一種，通過SIC算法，能夠同時實(shí)現(xiàn)高過載和免調(diào)度，接入終端的數(shù)量可提升3到6倍，連接數(shù)量遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn)要求，最高可達(dá)9 300萬。再者，為了得到極低的傳輸時延，5G采用了新型的幀結(jié)構(gòu)技術(shù)，通過基于統(tǒng)一空口架構(gòu)的設(shè)計(jì)，可以適應(yīng)不同場景的時延與帶寬需求，可靈活分配無線資源，時延可達(dá)0.416 ms，遠(yuǎn)超5G標(biāo)準(zhǔn)的1 ms。

在上述的新空口技術(shù)上，5G網(wǎng)絡(luò)還采用了全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。利用海量的大數(shù)據(jù)進(jìn)行，通過自動化運(yùn)維系統(tǒng)，設(shè)計(jì)、分析、管理、編排、控制，在云平臺上部署全局，重新切分無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)CU/DU分離，在核心網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)2/3/4/5G/FIX重新融合，并實(shí)現(xiàn)DC間的低時延直接連接，可以實(shí)現(xiàn)DC的靈活調(diào)度。

除此之外，5G還帶來了其獨(dú)有的網(wǎng)絡(luò)切片能力和新運(yùn)營模式[29-31]。5G網(wǎng)絡(luò)切片如圖5所示，將一個物理的5G網(wǎng)絡(luò)按照不同的場景需求切割成數(shù)個虛擬的端到端的邏輯網(wǎng)絡(luò)，不同的網(wǎng)絡(luò)切片支持不同的場景、業(yè)務(wù)需求。切片之間，相互不影響，相互絕緣，當(dāng)某一張切片產(chǎn)生問題時，并不會影響其他切片的正常工作。

圖5 5G網(wǎng)絡(luò)切片

Fig. 5 Network slicing of 5G

基于一張5G基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，劃分不同特性的切片子網(wǎng)絡(luò)，即可獨(dú)享網(wǎng)絡(luò)資源，提供定制化的準(zhǔn)專網(wǎng)服務(wù)，也可根據(jù)實(shí)際需求，部分或全部共享切片網(wǎng)絡(luò)。切片為不同應(yīng)用場景提供服務(wù)等級協(xié)議(SLA)保障的連接服務(wù)，滿足多樣化的場景需求。由于基礎(chǔ)設(shè)施是統(tǒng)一的，并沒有額外建設(shè)通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了資源共享，因此5G切片網(wǎng)絡(luò)降低了整體的建設(shè)運(yùn)營成本。5G的切片網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)置了多級隔離，安全性高，獨(dú)享部分的網(wǎng)絡(luò)資源的準(zhǔn)專網(wǎng)實(shí)施強(qiáng)隔離，每一塊切片網(wǎng)絡(luò)都有獨(dú)立的生命周期管理，因此安全性、獨(dú)立性極高。每一塊切片網(wǎng)絡(luò)都是面向服務(wù)、按需定制的，實(shí)施實(shí)時監(jiān)控，動態(tài)調(diào)度，SLA得到了保障。

3 基于5G的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)

5G通信的特點(diǎn)與優(yōu)勢和電力系統(tǒng)的特點(diǎn)十分互補(bǔ)，對于不同的用戶類型，都有著不同的服務(wù)方式。對于電力運(yùn)營來說，如智能電表的高計(jì)量，配電自動化，配電智能運(yùn)檢等，需要基于權(quán)益法則的5G差異化通信連接服務(wù)。對于需要智能家居的用電管理和用戶系統(tǒng)的監(jiān)控維保服務(wù)的消費(fèi)類電力用戶來說，可通過聯(lián)合電力公司共同服務(wù)電力用戶。而對于需要新能源監(jiān)控、充電樁監(jiān)控、綜合能源服務(wù)等企業(yè)類電力用戶來說，可通過MEC等為企業(yè)提供差異化通信服務(wù)，比如虛擬專網(wǎng)、專業(yè)子網(wǎng)和IoT云平臺增值服務(wù)等。

3.1 5G應(yīng)用場景

在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中，5G技術(shù)廣泛地應(yīng)用在各個方面。

1) 5G+配電網(wǎng)差動保護(hù)(分布式自動化)。當(dāng)前配電網(wǎng)保護(hù)多采用簡單地過流、過壓邏輯[32]，不依賴通信，但是不能實(shí)現(xiàn)分段隔離，停電影響范圍會擴(kuò)大，故障后供電恢復(fù)時間長(幾天或小時級別)。而且，配電網(wǎng)終端通信點(diǎn)多面廣，且布局分散，光纖鋪設(shè)難度大，成本高。未來5G無線通信具有快速部署、成本低、易升級和擴(kuò)容等特點(diǎn)，基于高精度時鐘同步，5G通信技術(shù)為終端提供一種更優(yōu)的解決方案，其理論上可以滿足配電網(wǎng)的差動保護(hù)需求。其差動保護(hù)時延可小于12 ms，可完全隔離電網(wǎng)I區(qū)。

2) 5G+配網(wǎng)PMU。PMU測量點(diǎn)多，通信頻次高，而且通信要求實(shí)時控制[33]，到達(dá)毫秒等級，而且報文有大有小、實(shí)時性有高有低。5G通信技術(shù)由于其大帶寬、實(shí)時性可靠性高，可在配電網(wǎng)大范圍部署，感知配電網(wǎng)狀態(tài)，多方協(xié)同通信，可作為判斷配電網(wǎng)故障的新手段。

3) 5G+精準(zhǔn)控制系統(tǒng)。將終端用戶接入層由原來的全光纖方案，用5G專網(wǎng)代替，可控資源大幅增加，利用5G連接相關(guān)可中斷負(fù)荷、調(diào)控分布式能源。

4) 5G+虛擬電廠。由于大量的分布式電源、可控負(fù)荷、儲能設(shè)備和電動汽車相連接，系統(tǒng)所要求的控制實(shí)時性和調(diào)控響應(yīng)都要達(dá)到毫秒級，然而光纖通信連接點(diǎn)數(shù)量少成本高，而其他無線通信方式時延高，5G通信技術(shù)由于其低時延、高可靠性的優(yōu)點(diǎn)，成為毫秒級實(shí)時響應(yīng)與調(diào)控、調(diào)頻調(diào)壓的新手段。

5) 5G+智能巡檢。在電力系統(tǒng)的巡檢業(yè)務(wù)中，經(jīng)常使用網(wǎng)聯(lián)機(jī)器人巡檢[34]，需要做到實(shí)時數(shù)據(jù)實(shí)時分析，高清視頻監(jiān)控，智能在線分析識別。當(dāng)前基于短距離無線、WIFI或有限的智能巡檢設(shè)備受到很多局限，如移動或飛行距離短，可靠性低，需要有人近距離操控、數(shù)據(jù)不能實(shí)時處理。利用基于5G的網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)和機(jī)器人巡檢，帶寬更大，單位時間內(nèi)可傳輸?shù)囊曨l和圖像更多，更高效，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時回傳、直播互動、遠(yuǎn)程作業(yè)、遠(yuǎn)程VR/AR專家指導(dǎo)。

6) 5G+網(wǎng)絡(luò)精確授時。5G基站時鐘精度高于100 ns，24小時漂移小于1.5 μs，可以作為授時時鐘源。基站發(fā)出統(tǒng)一授時的物理信號到5G UE(CPE)，CPE對授時信號經(jīng)過處理，輸出到IRIG-B，電力終端通過IRIG-B碼接口實(shí)現(xiàn)對時同步，時延小于10 ms。

7) 5G+數(shù)據(jù)增值服務(wù)。電力系統(tǒng)用戶側(cè)數(shù)據(jù)涉及全社會各行各業(yè)，包含大量社會經(jīng)濟(jì)信息，從數(shù)據(jù)科學(xué)的角度，其價值遠(yuǎn)比電網(wǎng)內(nèi)部數(shù)據(jù)的價值要高。當(dāng)下的電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)大多把著眼點(diǎn)放在電力系統(tǒng)本身，仍缺乏對用戶側(cè)數(shù)據(jù)的充分關(guān)注。但是，由于用戶側(cè)數(shù)據(jù)雜亂無章，缺乏科學(xué)的處理方法，目前的數(shù)據(jù)處理時間尚不能滿足時延要求，原來的網(wǎng)絡(luò)承載能力也有限，所以目前用戶側(cè)數(shù)據(jù)的隱藏價值并沒有被發(fā)掘出來。5G技術(shù)的出現(xiàn)，其低時延大帶寬的優(yōu)勢，給電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)增值帶來新的契機(jī)。通過5G邊緣計(jì)算，在采集到用戶側(cè)數(shù)據(jù)時，實(shí)時進(jìn)行用電行為分析、定制個性化用電方案等，把數(shù)據(jù)增值計(jì)算下沉至數(shù)據(jù)源頭，將使整體網(wǎng)絡(luò)服務(wù)響應(yīng)更快、效率更高。

5G可為電力物聯(lián)網(wǎng)提供更有價值的泛在接入方案，如：為業(yè)務(wù)無線接入提供更優(yōu)的解決方案，為電力不同業(yè)務(wù)提供差異化的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力，為電網(wǎng)不同分區(qū)業(yè)務(wù)提供可靠的安全隔離能力，為海量的接入終端提供高效靈活的運(yùn)營管理能力。5G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，是泛在電力物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)創(chuàng)新的重要機(jī)遇[35]。

3.2 5G泛在電力物聯(lián)網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)

首先，電力通信安全是5G在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。如圖6所示，電網(wǎng)安全分區(qū)原則制定于20年前，2014年修訂，適用于主網(wǎng)。由于主網(wǎng)容量大，事故的破壞影響大，后果嚴(yán)重，嚴(yán)格要求無可厚非，而且非常必要。當(dāng)時，配網(wǎng)末端、電力用戶的通信連接需求極少，未充分考慮末端及用戶的連接需求。由于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)使用的是5G公網(wǎng)，如何進(jìn)行物理隔離，是一個始終繞不過去的問題。現(xiàn)在大量的智能終端接入配電網(wǎng)末端，是否應(yīng)該重新考慮，在配用領(lǐng)域，采用分層、分區(qū)、分類設(shè)置安全方案的新原則，適度放開對5G公網(wǎng)的使用，達(dá)到效率、利益與安全的平衡。

圖6 電網(wǎng)信息安全分區(qū)

Fig. 6 Security division of power grid information systems

再者，現(xiàn)在5G技術(shù)仍然在發(fā)展當(dāng)中，在5G的發(fā)展初期，即2020年以前，業(yè)務(wù)場景大多集中在5G大視頻類，重點(diǎn)在于滿足eMBB大帶寬需求，提升用戶體驗(yàn)，提升大視頻類業(yè)務(wù)如監(jiān)控、VR、AR的體驗(yàn)。2020年后，增加uRLLC，mMTC切片需求，在2020到2025年之間，5G業(yè)務(wù)可逐步拓展至垂直行業(yè)，5G結(jié)合車聯(lián)網(wǎng)、能源、工業(yè)等試點(diǎn)，幫助客戶通過5G推進(jìn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，保證業(yè)務(wù)隔離和差異化體驗(yàn)。至于到了2025年之后，5G業(yè)務(wù)可大規(guī)模推廣至各個垂直行業(yè)，基于5G端到端的切片服務(wù)，把目標(biāo)客戶群體聚焦在企業(yè)客戶。

4 結(jié)論

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)正在如火如荼地進(jìn)行中，5G作為新興通信技術(shù)，是建設(shè)網(wǎng)絡(luò)層的關(guān)鍵通信技術(shù)之一。5G技術(shù)有著高速率、高容量、高可靠性、低時延、低能耗特點(diǎn)，因此十分適合進(jìn)行泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)。本文詳細(xì)闡述了5G技術(shù)的關(guān)鍵和特點(diǎn)，并給出了5G在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用場景，為以后的研究奠定基礎(chǔ)和提供方向。

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