陳皓勇1，李志豪1，陳永波2，陳錦彬1，王曉娟1

(1.華南理工大學電力學院，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)結構不斷調整。能源互聯網和泛在電力物聯網的概念相繼被提出，要實現電力系統(tǒng)數據的泛在連接，電網建設進入新階段。5G技術飛速發(fā)展，有著帶寬更大、傳輸速率更高、時延更低的特點，與泛在電力物聯網網絡層的建設緊密結合。介紹了泛在電力物聯網的概念，結合5G技術的關鍵技術和特點，探討5G在泛在電力物聯網中的應用場景。最后指出了基于5G的泛在電力物聯網面臨的安全性挑戰(zhàn)和未來發(fā)展方向。

關鍵詞：能源互聯網; 泛在電力物聯網; 5G; 數據科學

0 引言

在大電網的發(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)。而現在，在大規(guī)模分布式發(fā)電和儲能的接入下[1]，能源結構行業(yè)結構不斷調整，可再生能源逐漸獲得大眾青睞[2]。Jeremy Rifkin 提出“能源互聯網(Energy Internet)”的概念[3]，其目標是以可再生能源為主要一次能源，實現如冷、電、熱、氣等多種能源形式的互補互聯和綜合利用[4]，基于互聯網實現能源信息的共享，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《關于推進“互聯網+”智慧能源發(fā)展的指導意見》，加快了能源互聯網的建設。2019年3月，國家電網有限公司對泛在電力物聯網(Ubiquitous Power Internet of Things, UPIoT)做出了全面部署安排。同年，南方電網將數字化作為發(fā)展戰(zhàn)略，提出了“4321”行動，要將發(fā)、輸、變、配、用、調全面智能化，實現多源管理，進行新業(yè)務、新形態(tài)拓展。文獻[5]在智能電網中，提出適應自動發(fā)電控制新變化的控制框架和關鍵技術。文獻[6]對綜合能源系統(tǒng)中的穩(wěn)態(tài)問題進行建模，進行了總結與歸納，提出一種基于能源集線器概念和多能互補思想的綜合能源系統(tǒng)。文獻[7]在主動配電網中分析了用電采集系統(tǒng)和在線監(jiān)控系統(tǒng)中的大數據，結合主動配電網，對大數據技術可能的應用場景做了展望。文獻[8]對于具有高風電滲透率的大型AC/DC混合輸電系統(tǒng)，提出了一種分布式調度方法來解決安全約束單元承諾問題，促進了區(qū)域間風力發(fā)電適應性和改善整體系統(tǒng)運行經濟性，同時減輕了接收側系統(tǒng)的峰值調節(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，得到了飛速的發(fā)展。文獻[9]提出了一種針對5G移動應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計，可在保持高增益波束的同時選擇所需的覆蓋區(qū)域。文獻[10]針對5G應用，研究并實現了一種新型的寬帶磁電偶極天線。與4G等無線技術相比，5G通信技術帶寬更大，傳輸速率更高，時延更低[11-12]。文獻[13]系統(tǒng)地評估了由實時地球靜止衛(wèi)星回傳支持的5G核心網絡上的實時4K視頻流的性能。

在5G技術興起之前，電力系統(tǒng)通過有線的方式進行數據通信，若是泛在物聯網也采用有線的方式來連接萬物，成本很高，而且效率低下。因此物聯網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網的建設熱潮，二者有望實現緊密的結合[14]，前者所提供的高質量通信，完全可以滿足泛在電力物聯的建設需求。

本文主要分析研究了UPIoT的含義和現狀，指出了UPIoT中的通信挑戰(zhàn)，指出UPIoT網絡層中5G建設的重要意義，重點分析了UPIoT中5G通信的關鍵技術和技術特點，并對5G的UPIoT應用場景進行了闡述，還對5G所面臨的挑戰(zhàn)進行了進一步的分析，最后展望了UPIoT中5G的發(fā)展方向。

1 泛在電力物聯網(UPIoT)

泛在電力物聯網(UPIoT)，可分為三個方面對其進行解讀。首先，物聯網(Internet of Things, IoT)，即“萬物相連的互聯網”，其核心仍是互聯網，是互聯網的延伸和拓展，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[15]。物聯網的前身是傳感網絡，只代表著物與物之間的信息交互。其次是電力網，電力網是物聯網中的一種具體形態(tài)。最后則是“泛在網”(Ubiquitous Network)，圖1表示了傳感網絡、物聯網、泛在網絡之間的關系[16]。泛在網表示的是，無論是時間還是空間，抑或是任何對象的任何范圍內，都存在相互的連接網絡。而“泛在物聯”即是任何時間、任何地點、任何人、任何物之間，都會存在信息的連接和交互。

圖1 泛在網絡、物聯網、傳感網之間的關系

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

而泛在電力物聯網，就是圍繞電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)，充分應用移動互聯、人工智能等現代信息技術、先進通信技術，實現電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)萬物互聯、人機交互，具有狀態(tài)全面感知、信息高效處理、應用便捷靈活特征的智慧服務系統(tǒng)[17]。原來的電力網絡，只能體現電能的“泛在”，卻不能實現電力信息的“泛在”，泛在電力物聯網將把電網從單純的能量網絡變?yōu)椤澳芰?數據”網絡。要想實現電力物聯網的泛在，必須對電力網絡中的關鍵數據和信息進行采集和連接，如用戶的用電數據、配電系統(tǒng)中的狀態(tài)信息、分布式電源的數據等等，因此需要基于先進的信息通信技術。

泛在電力物聯網的結構如圖2所示[18]，包含4個層次。

圖2 泛在電力物聯網結構

Fig. 2 Network architecture of ubiquitous power internet of things

1) 感知層重點是統(tǒng)一終端標準，推動跨專業(yè)數據同源采集，實現配電側、用電側采集監(jiān)控深度覆蓋，提升終端智能化和邊緣計算水平[19]。

2) 網絡層重點是推進電力無線專網和終端通信建設，增強帶寬，實現深度全覆蓋，滿足新興業(yè)務發(fā)展需要。

3) 平臺層實現各類采集到的數據管理，是公共基礎平臺，重點是實現超大規(guī)模終端統(tǒng)一物聯管理，深化全業(yè)務統(tǒng)一數據中心建設，推廣“國網云”平臺建設和應用，提升數據高效處理和云霧協同能力。

4) 應用層是應用和控制中心，重點是全面支撐核心業(yè)務智慧化運營，全面服務能源互聯網生態(tài)，促進管理提升和業(yè)務轉型。

只有把感知層和網絡層建設好，應用層和平臺層才能得到好的硬件條件支持。其中，5G技術屬于泛在電力物聯網中的網絡層。

2 5G技術簡述

2.1 電力物聯網的通信挑戰(zhàn)

現代通信技術在電力系統(tǒng)中獲得了廣泛的應用。除了光纖和微波通信，電力線載波通信作為電網特有的通信方式[20]，利用輸電線路，將模擬或數字信號進行高速傳輸，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現大規(guī)模的應用。

泛在電力物聯網發(fā)展的前提是充分的連接。文獻[17]介紹了基于低功率廣域網絡(LPWAN)技術的泛在電力物聯網的基本概念、體系架構及相關前沿技術。在配電網中，大量新能源、節(jié)能服務、儲能元素接入，需精細調控，配網連接必不可少。如圖3所示，在配電及用戶接入側，電動汽車、分布式光伏電池、智能家居、配電終端等智能終端，會產生大量的數據。這些海量的數據屬于基礎小數據，有著巨大的價值。

圖3 電力網終端接入圖

Fig. 3 Diagram of power grid communication terminal access

在現在及未來的電力業(yè)務通信中，有著三大需求，分別是：

1) 實時、可靠，電力業(yè)務需要大于99.999%的可靠性和可用性，并且數據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)務通信過程必須有著獨特的通信資源，不能被隨意截取，而且要全面監(jiān)控，專門管理。

3) 靈活、方便、經濟，在點多面廣的海量智能終端的設備連接上，如何降低其連接的復雜程度和成本，也是電力業(yè)務通信的需求之一。

然而，面對點多、面廣的智慧終端和用戶終端，以以往的通信技術，在通信信息獲取的終端一公里內，有著連接困難、連接匱乏、無線通信質量低等問題。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、施工和維護困難的缺點，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備。

為了實現充分連接和提高通信質量，5G技術成為泛在電力物聯網通信技術中的一大發(fā)展熱點。5G是面向2020年后新一代的移動通信技術，與2G/3G/4G相比，5G的無線覆蓋性能、傳輸時延、系統(tǒng)安全性和用戶體驗都得到了顯著的提高，是電力行業(yè)中多種業(yè)務泛在連接的重要選項。電力網和5G技術相結合，對建設泛在電力物聯網有著極大的幫助。

2.2 5G關鍵技術

5G通信技術的關鍵技術主要體現在無線技術和網絡技術兩個方面。

大規(guī)模多天線技術是一種多入多出(Multiple-In Multipleout, MIMO)的通信技術，在無線技術領域有著重要地位[23]。由通信理論可知，在傳輸過程中增加越多的天線，會極大地增強頻譜效率和可靠性。但由于多天線所需的空間大、實現技術復雜等原因， 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，如5G，4G，LTE等，一個超密集組網通過增加基站密度可極大提升頻率復用的效率。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)內設置多個通信節(jié)點，形成超密集組網，將是5G未來的發(fā)展方向之一。在多場景多業(yè)務模式下，發(fā)送信號時將信號在空/時/頻/碼域進行疊加，可提高系統(tǒng)頻譜效率和接入能力，稱之為多址接入技術，是現在移動通信系統(tǒng)的關鍵特征之一[25]。除了傳統(tǒng)的OFDMA技術，5G還將支持SCMA技術、MUSA技術， PDMA技術[26]以及NOMA技術等多種新型多址技術。全雙工技術，是在同時雙向通信的技術，在無線網絡中，由于收發(fā)天線距離較近且功率差異大，因此不管是網絡側還是終端，在發(fā)射信號時，都會對接收的信號產生自干擾，因此不能實現同時同頻地傳輸信號，不僅在時間上，還是在頻率上，都浪費了很多的無線資源。理論上，全雙工技術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、自組織組網技術、內容分發(fā)網絡技術、新型多址和全頻譜接入技術也是5G無線技術中很重要的一部分[27]。

如圖4所示，5G網絡架構可分為三個部分，分別為接入云、轉發(fā)云和控制云。接入云適應各種無線鏈路接入，可實現高效的數據感知，網絡拓撲豐富，有著集中式接入和分布式接入兩種接入架構。轉發(fā)云在控制云的控制下，實現數據的低時延高效傳輸。控制云控制全局的信息管理并保證5G通信服務質量，根據業(yè)務不同提供不同的差異化服務，保證每個業(yè)務對象的需求。

圖4 5G網絡架構

Fig. 4 Network architecture of 5G

2.3 5G技術特點

相比同類型的無線網絡4G技術，如表1所示，5G技術KPI全方位超越4G技術。

表1 5G與4G指標對比

由表可見，5G網絡技術的優(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20 Gbps，滿足高清視頻、虛擬現實等數據的大量傳輸。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整整少了一個數量級，5G的空中接口的時延在1 ms左右，在自動駕駛和遠程醫(yī)療等實時應用創(chuàng)造了條件。傳統(tǒng)的4G網絡連接的終端有限，多為用戶的手機，而5G網絡需有著超大的網絡容量，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網的海量智能終端的接入需求。5G技術通過通信原理的優(yōu)化，會降級傳感器或節(jié)點的能耗[28]，不需要對通信設備進行更換電池或者充電，給萬物互聯提供了很好的技術條件。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，使用戶的體驗更上一層樓。

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

為了實現三大場景業(yè)務，在5G通信網絡中，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技術的理論極限。在接入方式方面，5G通信網絡采用新型多址接入(MUSA)，MUSA技術是屬于NOMA技術的一種，通過SIC算法，能夠同時實現高過載和免調度，接入終端的數量可提升3到6倍，連接數量遠超標準要求，最高可達9 300萬。再者，為了得到極低的傳輸時延，5G采用了新型的幀結構技術，通過基于統(tǒng)一空口架構的設計，可以適應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0.416 ms，遠超5G標準的1 ms。

在上述的新空口技術上，5G網絡還采用了全新的網絡架構。利用海量的大數據進行，通過自動化運維系統(tǒng)，設計、分析、管理、編排、控制，在云平臺上部署全局，重新切分無線網絡，實現CU/DU分離，在核心網上實現2/3/4/5G/FIX重新融合，并實現DC間的低時延直接連接，可以實現DC的靈活調度。

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

圖5 5G網絡切片

Fig. 5 Network slicing of 5G

基于一張5G基礎網絡，劃分不同特性的切片子網絡，即可獨享網絡資源，提供定制化的準專網服務，也可根據實際需求，部分或全部共享切片網絡。切片為不同應用場景提供服務等級協議(SLA)保障的連接服務，滿足多樣化的場景需求。由于基礎設施是統(tǒng)一的，并沒有額外建設通信網絡，實現了資源共享，因此5G切片網絡降低了整體的建設運營成本。5G的切片網絡中，設置了多級隔離，安全性高，獨享部分的網絡資源的準專網實施強隔離，每一塊切片網絡都有獨立的生命周期管理，因此安全性、獨立性極高。每一塊切片網絡都是面向服務、按需定制的，實施實時監(jiān)控，動態(tài)調度，SLA得到了保障。

3 基于5G的泛在電力物聯網

5G通信的特點與優(yōu)勢和電力系統(tǒng)的特點十分互補，對于不同的用戶類型，都有著不同的服務方式。對于電力運營來說，如智能電表的高計量，配電自動化，配電智能運檢等，需要基于權益法則的5G差異化通信連接服務。對于需要智能家居的用電管理和用戶系統(tǒng)的監(jiān)控維保服務的消費類電力用戶來說，可通過聯合電力公司共同服務電力用戶。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，比如虛擬專網、專業(yè)子網和IoT云平臺增值服務等。

3.1 5G應用場景

在泛在電力物聯網中，5G技術廣泛地應用在各個方面。

1) 5G+配電網差動保護(分布式自動化)。當前配電網保護多采用簡單地過流、過壓邏輯[32]，不依賴通信，但是不能實現分段隔離，停電影響范圍會擴大，故障后供電恢復時間長(幾天或小時級別)。而且，配電網終端通信點多面廣，且布局分散，光纖鋪設難度大，成本高。未來5G無線通信具有快速部署、成本低、易升級和擴容等特點，基于高精度時鐘同步，5G通信技術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的差動保護需求。其差動保護時延可小于12 ms，可完全隔離電網I區(qū)。

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

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

4) 5G+虛擬電廠。由于大量的分布式電源、可控負荷、儲能設備和電動汽車相連接，系統(tǒng)所要求的控制實時性和調控響應都要達到毫秒級，然而光纖通信連接點數量少成本高，而其他無線通信方式時延高，5G通信技術由于其低時延、高可靠性的優(yōu)點，成為毫秒級實時響應與調控、調頻調壓的新手段。

5) 5G+智能巡檢。在電力系統(tǒng)的巡檢業(yè)務中，經常使用網聯機器人巡檢[34]，需要做到實時數據實時分析，高清視頻監(jiān)控，智能在線分析識別。當前基于短距離無線、WIFI或有限的智能巡檢設備受到很多局限，如移動或飛行距離短，可靠性低，需要有人近距離操控、數據不能實時處理。利用基于5G的網聯無人機和機器人巡檢，帶寬更大，單位時間內可傳輸的視頻和圖像更多，更高效，實現數據實時回傳、直播互動、遠程作業(yè)、遠程VR/AR專家指導。

6) 5G+網絡精確授時。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對授時信號經過處理，輸出到IRIG-B，電力終端通過IRIG-B碼接口實現對時同步，時延小于10 ms。

7) 5G+數據增值服務。電力系統(tǒng)用戶側數據涉及全社會各行各業(yè)，包含大量社會經濟信息，從數據科學的角度，其價值遠比電網內部數據的價值要高。當下的電力系統(tǒng)數據大多把著眼點放在電力系統(tǒng)本身，仍缺乏對用戶側數據的充分關注。但是，由于用戶側數據雜亂無章，缺乏科學的處理方法，目前的數據處理時間尚不能滿足時延要求，原來的網絡承載能力也有限，所以目前用戶側數據的隱藏價值并沒有被發(fā)掘出來。5G技術的出現，其低時延大帶寬的優(yōu)勢，給電力系統(tǒng)數據增值帶來新的契機。通過5G邊緣計算，在采集到用戶側數據時，實時進行用電行為分析、定制個性化用電方案等，把數據增值計算下沉至數據源頭，將使整體網絡服務響應更快、效率更高。

5G可為電力物聯網提供更有價值的泛在接入方案，如：為業(yè)務無線接入提供更優(yōu)的解決方案，為電力不同業(yè)務提供差異化的網絡服務能力，為電網不同分區(qū)業(yè)務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營管理能力。5G網絡通信技術，是泛在電力物聯網業(yè)務創(chuàng)新的重要機遇[35]。

3.2 5G泛在電力物聯網面臨的挑戰(zhàn)

首先，電力通信安全是5G在泛在電力物聯網應用的關鍵挑戰(zhàn)。如圖6所示，電網安全分區(qū)原則制定于20年前，2014年修訂，適用于主網。由于主網容量大，事故的破壞影響大，后果嚴重，嚴格要求無可厚非，而且非常必要。當時，配網末端、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。由于泛在電力物聯網使用的是5G公網，如何進行物理隔離，是一個始終繞不過去的問題。現在大量的智能終端接入配電網末端，是否應該重新考慮，在配用領域，采用分層、分區(qū)、分類設置安全方案的新原則，適度放開對5G公網的使用，達到效率、利益與安全的平衡。

圖6 電網信息安全分區(qū)

Fig. 6 Security division of power grid information systems

再者，現在5G技術仍然在發(fā)展當中，在5G的發(fā)展初期，即2020年以前，業(yè)務場景大多集中在5G大視頻類，重點在于滿足eMBB大帶寬需求，提升用戶體驗，提升大視頻類業(yè)務如監(jiān)控、VR、AR的體驗。2020年后，增加uRLLC，mMTC切片需求，在2020到2025年之間，5G業(yè)務可逐步拓展至垂直行業(yè)，5G結合車聯網、能源、工業(yè)等試點，幫助客戶通過5G推進數字化轉型，保證業(yè)務隔離和差異化體驗。至于到了2025年之后，5G業(yè)務可大規(guī)模推廣至各個垂直行業(yè)，基于5G端到端的切片服務，把目標客戶群體聚焦在企業(yè)客戶。

4 結論

泛在電力物聯網的建設正在如火如荼地進行中，5G作為新興通信技術，是建設網絡層的關鍵通信技術之一。5G技術有著高速率、高容量、高可靠性、低時延、低能耗特點，因此十分適合進行泛在電力物聯網的建設。本文詳細闡述了5G技術的關鍵和特點，并給出了5G在泛在電力物聯網中的應用場景，為以后的研究奠定基礎和提供方向。

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