面向泛在电力物联网的 5G 通信：技术原理与典型应用 张宁，杨经纬，王毅，陈启鑫，康重庆 DOI: 10.13334/j.0258-8013.pcsee.190892
1. 为什么要研究5G通信在电力系统和泛在电力物联网中的应用？ 2019 年，国家电网公司提出建设“泛在电力物联网”的战略目标，其中无线通信技术将发挥连接万物的重要作用。同时，第5 代移动通信技术发展迅速，在传输速率、延时等指标上拥有远高于 4G 通信的性能。5G 通信技术的应用影响深远，在多个行业已展现出潜在的颠覆性效果和巨大商业价值，例如高清视频的超高速下载、无人驾驶汽车与车联网、远程手术等，目前鲜有文献对 5G 通信与电力系统和泛在电力物联网的融合进行思考和探究。5G 通信快速发展将促进电力系统的变革，有必要探讨 5G 通信在电力系统中的典型应用场景，研究电力系统发展和泛在电力物联网建设面临的挑战和机遇。本文详细分析 5G 通信技术的原理和特点，结合当前电力系统中通信系统结构，思考 5G 通信在未来电力系统和泛在电力物联网中的应用突破点，并提出了7个典型应用场景。 2. 5G 通信技术的原理与特点
[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]5G通信的核心特点包括高速率、高容量、高可靠性、低延时、低功耗五点。2016 年， ITU-R 发布了 5G 通信的性能指标，其中部分关键指标如表 1所示。5G 通信在各个性能指标上都领先于 4G 通信，图 1 展示了 5G 通信与 4G-LTE 通信在各个指标上的对比。 [color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]
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[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]5G通信系统主要由核心网(Core Network)、宏基站(macro base station，MBS)和微基站(small base station，SBS) 3 个部分组成，其基本结构如图2所示。 [color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]
3.泛在电力物联网中 5G 通信技术的定位 [color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]5G通信技术具有高带宽、高容量、高可靠性、低延时、低功耗等特性，而电力系统本身的特点以及其对通信的要求，决定了5G通信技术在电力系统中不是广泛普适的技术，而将在某些特定关键的领域发挥作用。
[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]（1）通信对象
[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]5G通讯高密度连接的特点使其更适用于“量大面广”的具有通信需求的电力设备，例如，风电、光伏等分布式电源、分布式储能、低压馈线测量装置、海量可控负荷等。同时，5G通信低功耗的特点也能够适用于移动设备（例如无人机、巡线机器人等）的通信。
[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]（2）通信内容
[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]5G通信除了承载部分密级较低的电力系统物理信息之外，还将承载“社会系统”与“环境系统”的通信。例如，对交通网、楼宇的视频监控信息，对气象、空气污染的监测信息等。5G通信技术高带宽的特点使其能够实时传输大量高清照片与视频，将极大的助力电力系统“物理-信息-社会-环境”的融合。
[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]（3）通信时效性
[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]电力系统不同通讯业务对时效性的要求不同，5G通信低延时、高可靠性的特点使其能够应用于对时效性有很高要求的业务中。例如，1）需要实时通信的场景：利用5G通信可以使更多的分布式资源响应调频信号；2）要求通讯延时很低、快速动作的场景：例如安全稳定控制、馈线故障排除等。
4.泛在电力物联网中5G通信的典型应用 [color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]（1）高带宽需求场景1：泛在电力物联网高清视频与图像实时监控基
[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]以无人机巡检和配电房视频监控为例。目前无人机巡检一般采用录像的方式，返回后对视频进行分析。这一方法无法做到在线实时分析，无法保证故障处理的时效性，且对线路“平均采样”，无法对复杂场景详细探查。如果无人机巡检采用5G通信，则可以将线路的高清视频和图像实时传递至监控中心，控制人员还可以重点核查部分问题线路，及时采取相应措施。配电房视频监控则一般通过有线专网回传，需要铺设光纤，而5G的应用则可以大幅降低有线专网铺设成本，特别是位于偏远地区和地质复杂地区的配电房等。
[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]（2）高带宽需求场景2：基于高清图像感知的光伏短期预测
[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]近期，部分学者提出了利用高清图像智能感知的方法实现高精度光伏预测的方法，使用远端摄像头实时采集光伏电站附近区域的天空图像无线传输至分析中心，运用机器学习方法计算云彩遮挡因子，预测云彩运行路径，从而实现短期光伏出力的精准预测。随着5G通信的应用，摄像头可连续、快速的将信息传输至分析中心，使得小时级乃至分钟级的精准预测得以实现。
[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]（3）高容量需求场景1：泛在电力物联网密集状态感知
[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]5G系统拥有高密度连接特性，在空间上支持大量智能量测元件的部署。若电力系统每个节点都部署智能量测单元，则系统状态将完全可观，系统安全性大大提高。此外，5G系统的高单位面积容量也支持PMU数据的无损传输，分析中心可获得所有PMU的时序数据，更加全面的分析电力系统的安全稳定性。
[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]（4）高容量需求场景2：用户综合负荷预测与高精度肖像描绘
[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]5G通信能够实现电力系统各环节万物互联，广泛的信息获取使电力系统能够从社会行为的角度理解和掌握用户用电特征。5G通信网络拥有高密度连接和高单位面积容量特性，不仅仅将海量用电设备接入通信网络，还将纳入更广泛的智能设备，使交通网信息、社会生产活动信息、用户生活作息变得更加透明可观。在此基础上，能够在“物理-信息-社会-环境”复杂系统的视角下对用户进行高精度感知与肖像描绘，进而对用户的电、热、冷、气等多类型能源负荷进行更精准的预测。
[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]（5）低延时需求场景1：泛在资源参与安全稳定控制
[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]5G通信技术的毫秒级低延时使其能够完成负荷的精准控制，相比通过电力光纤专网的控制，5G通信还拥有海量设备接入的能力，使控制能够精确到设备层面，例如城市景观照明、路灯、空调等，实现不切除馈线情况下的系统紧急切负荷，使海量分布式资源能够参与系统的安全稳定控制。
[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]（6）低延时需求场景2：分布式馈线继电保护
[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]馈线继电保护是配电自动化系统与电力系统安稳控制中的重要环节，随着大量分布式能源接入配电网，分布式馈线自动化系统得到了广泛应用。由于分布式馈线继电保护系统涉及大量子站的相互通信，其需要超低延时的通信网络支撑，从而在发生故障时快速隔离，保护系统安全。5G通信系统将是光纤的有力替代品，其低时延特性可以提供低至1ms的传输延迟，可以有效提高继电保护速度，同时适用于广域的分布式馈线系统，特别是无法铺设光纤或铺设光纤成本极高的区域。
[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]（7）低延时需求场景3：需求侧资源实时调频
[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]需求侧参与电力系统调频的一大挑战是通信延迟问题，即过高的通信延迟无法让需求侧资源精准、快速的响应上级调频控制指令。5G网络的延时低至1ms，可有效解决需求侧资源实时参与调频的通信延迟问题。5G通信的高容量和超广域覆盖特性也使得大量需求侧设备均可接入系统参与调频，例如分布式储能、电动汽车充电桩等，无需铺设昂贵的光纤。
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