5G在智能配用电领域的应用探索与实践

5G作为支撑经济社会数字化、信息化、智能化转型的关键新型基础设施，是实现各行业数字化转型的重要手段，能够实时、稳定、可靠、高效为电网数字化建设提供网络支撑，从根本上满足能源互联网战略目标和业务场景的刚性需求。本文重点聚焦智能配用电领域的5G应用创新，分析国家电网数字新基建能源互联网5G应用发展背景，结合智能配用电业务现状及发展趋势，提出基于5G技术的配用电典型场景应用解决方案，并在具体实践中验证5G技术在电网应用中的可用性。
2020年5月的政府工作报告中明确提出，加强新型基础设施建设，发展新一代信息网络，拓展5G应用。国家强化新基建，拓展5G应用，将开启5G赋能千行百业新篇章。在这一背景下，国家电网公司在同年6月对外发布“数字新基建”十大重点建设任务，其中就包含能源互联网5G应用。
能源互联网与5G的深度结合，将有效促进资源集约化利用，将传统电网转变为能源信息枢纽，创建能源与信息共享互济、融合创新的新业态。作为支撑经济社会数字化、信息化、智能化转型的关键新型基础设施，5G能够实时、稳定、可靠、高效为电网数字化建设提供网络支撑，从根本上满足能源互联网战略目标和业务场景的刚性需求，可广泛应用于发、输、变、配、用各环节，助力国家电网数字化转型。
Part 01
配用电业务现状及发展趋势
配电网是指从输电网或地区发电厂接受电能，通过配电设施就地分配或按电压逐级分配给各类用户的电力网，是由架空线路、电缆、杆塔、配电变压器、隔离开关、无功补偿器及一些附属设施等组成的，在电力网中起重要分配电能作用的网络。配电网是电网的重要组成部分，直接面向电力用户，是电力系统各环节中联接电网和用户的关键结点。
然而我国配电网网架基础薄弱，配电系统自动化与智能化程度远低于输电系统，其安全和可靠性与主网相比配电网仍显薄弱和发展相对滞后，配电自动化目前主要集中在城市中心区。配电网规模化、系统化程度较低，很多装置没有互联互通的功能，只具备在本地监测和控制的功能。配电网中大量设备需要实时监控，信息双向交互频繁，造成有线光纤敷设成本高、运维难度大，而传统无线通信使得智能终端和用户终端连接困难、连接匮乏、通信质量差。由于用户侧分布式新能源规模并网，配电网缺乏与外部环境的互动，新能源消纳与电网安全稳定运行之间的矛盾日益突出。
随着智能电网建设及能源互联网发展，配电侧业务逐步延伸至0.4kV，连接节点达到千万，呈现高安全、低时延、广覆盖的特征，并且控制应用需要更加精准。用电侧业务用电规模不断扩大且采集频次变高，呈现出精益化管理和高效互动的特征。根据业务特征将配电侧业务分为控制类、采集类及移动应用类。
控制类：是指配电自动化三遥，精准负荷控制，配网差动保护以及分布式新能源等，主要涉及电网安全稳定运行，具有典型的低时延、高可靠业务特征。未来的连接模式将出现更多的分布式点对点连接，使得主站系统将逐步下沉，并且出现更多的本地就近控制，使得时延需要达到毫秒级。
采集类：是指用电信息采集、电动汽车充电桩以及配电环境监测等，涉及海量终端，并且分布广泛，具有广覆盖、大连接业务特征。未来采集频次趋于分钟级使得连接数量至少翻一倍。若集采方式下沉，那么连接数量预计翻50-100倍，进而使得采集内容趋于视频化、高清化，届时连接需求将达到数十亿级。
移动应用类：是指视频监控和机器人巡检，其对于网络带宽和移动性有更多的需求，具有典型的大带宽、灵活接入业务特征，其中带宽要求不低于2Mbps。移动应用未来将向4K/8K高清视频、AR/VR方向发展，届时带宽需求将达到50Mbps以上。
Part 02
5G通信技术概述
5G的基本特征
5G，指的是第五代移动通信技术，法定名称是IMT-2020。在早期5G关键指标需求征集中，中国最开始提出了“5G之花”，如图1。ITU采纳了中国的部分指标，确定了以下5个基本特征，即高速率、高容量、高可靠性、低时延与低能耗，可简单概括为“三高两低”。
高速率。5G峰值速率指的是最佳条件下的最大速率，能够达到20Gbps。
高容量。5G能够连接海量终端设备，每平方公里可以连接100万个移动终端，能够为能源互联网中万物互联提供帮助。
高可靠性。5G传输速率成功概率高达99.999%，电力通信可靠性也将提升电力系统本身的可靠性。
低时延。5G能够让端到端时延小于10ms，为灵活响应各种需求提供帮助。
低能耗。5G 通过优化通信硬件协议等而具备的低能耗特点将有效解决电力通信能耗问题。








图1 5G性能指标
5G技术与电力业务适配性分析
无线通信作为有线通信的拓展和补充，尤其在解决配电网业务“最后一公里”接入方面，采用无线能够实现快速、灵活部署。5G无线通信技术具备更泛在的终端接入能力、强大的多业务承载能力、差异化安全隔离能力及高效灵活的管理能力，与配用电业务的“高安全、低时延、高可靠、广覆盖、大联接”的通信需求高度契合，是配用电业务无线通信的最佳选择。ITU正式确认了5G 三大应用场景，分别是eMMB（增强型移动带宽）、uRLLC（低时延高可靠通信）、mMTC（海量物联网通信）。5G“三高两低”的特点与电力业务发展需求相匹配，如表1所示。


Part 03
5G赋能智能配用电业务
为全面推动配用电业务的建设发展，提升自动化、智能化水平，为人们提供优质的电力服务，亟需依托先进的信息通信技术，极大提高配用电运维管理能力和供电服务水平，助力智慧配用电业务发展。
5G在配电自动化业务中的应用
在配电侧，基于5G的配电自动化可以支撑高可靠配电网保护，可以实现故障快速定位与隔离恢复，可以实现精准负荷控制、实时视频监控，最终达到精益化管理。高效利用MEC平台，一方面能够降低通信终端之间的通信时延，另一方面提升了业务数据的安全性，配电自动化如图2所示。








图2 配电自动化示意图
5G在电动汽车充电桩业务中的应用
在用电侧，利用5G通信大连接、高带宽的特性，能够解决充电桩业务面临的接入经济性、安全性等问题，满足充电桩业务快速部署建设、高效采集运营的需求，实现未来对分散或集中建设的充电桩站点的信息采集、控制并提高充电桩业务运营实效，如图3所示。








图3 电动汽车充电桩示意图
Part 04
实践案例
智慧配电房整体架构
智慧配电房建设创新性的采用“5G+电力物联网+数字孪生”等技术，依托具备5G通信能力的边缘物联代理装置实现全感知配电房高效实时的信息采集，进而提高对配电站房的感知互联能力。并且还能实现多站点的拓扑自动呈现、监测数据高效分析以及预警、布控、故障处理的实时决策，进而支撑远程控制功能来大幅提升运维管理效率和供电服务水平，整体架构如图4所示。








图4 智慧配电房整体架构图
智慧配电房核心技术
采用5G边缘物联代理装置实现边缘计算、智能接入。边缘物联代理作为“云-管-边-端”智慧物联体系中的边侧设备，不但可以实现配电房中状态、环境等信息的全面采集，而且支持多种通信方式接入。
基于无线多跳自组网技术实现健壮安全的自由组网。主要采用无线多跳自组网技术实现感知设备之间的通信。该技术能实现大面积覆盖，可灵活部署网络节点，并且节点具备较好的抗干扰能力。
通过数据采集、分析与控制全流程实现数据同源、融合贯通。依托边缘物联代理和运维管理赋能平台来探索智慧物联体系建设，保证配电房管理实现智能化和精益化，从而助推配电房用电服务和管理水平双提升。
打造数字孪生的配电房实现辅助决策。该技术不仅对配电房进行多维感知、实时监测和智能评估，未来还能够实现配电房保电、应急等操作的模拟控制，进而为配电房全生命周期运行维护提供指导。
智慧配电房核心设备
5G通信模组：主要特点包括支持5GNSA/SA双模组网方式，同时也支持2G/3G/4G网络覆盖。主要用于电网各场景信息采集，电网现有设备中采用3G/4G的通信的终端通过更换通信模组实现网络通信从3G/4G到5G的平滑升级，例如计量表计、采集器、集中器、配变终端等设备升级。
5G边缘物联代理：主要特点包括能够对设备进行连接汇聚，从而实现平台之间的互联、边缘计算、区域自治等功能；采用容器技术实现不同容器中应用APP的隔离。主要适用于电动汽车充电桩管理和控制、用户侧柔性负荷控制以及开关站、配电房等场景中的监控设备广泛接入和管理等电力物联网领域。
预期成效分析
在业务成效上，全感知配电房依托先进的监测技术，构建灵活、自主、可靠的全感知神经网络，率先采用数字孪生技术，实现配电房场景下5G边缘物联代理的应用，使得配电房感知能力提升至100%，最终在感知能力、管理水平、数据融合、保电安防等方面实现提质增效，极大提升了配电侧运维管理能力和供电服务水平。
在经济效益上，经测算，配电房投运之后可减少人工运维管理费，还能降低设备故障维护成本以及增加售电收入等。
在社会效益上，全感知配电房的推广建设可聚集配电房用能数据资源，形成电网客户侧大数据价值；同时提高了电网精益化管理水平，提升了供保电服务和服务社会民生能力，还能以强大的电网侧数据为社会各行各业发展提供新动能，体现电网企业的社会责任。
通过应用5G技术建设智慧配电房，提高了配电房运维效率，缓解了电力基础设施保障的压力，实现了精细化和动态管理。通过及时准确反映电力设备的运行状态、环境状态，实现对用户配电房数据感知、分析、决策和反馈现场设备联动控制，既达到减员增效的目的，又提高工作质量和效率，实现配电设备状态智能化管控。
笔者通过上文探讨了5G技术在智能配用电领域的应用与实践，介绍了配用电业务的发展现状和趋势，深入分析了5G与配用电业务的适配性，通过智慧配电房建设验证5G在智能配电领域的实践。配用电智能化管理在提高电力系统运行安全性和稳定性，具有不可替代的重要作用。5G能够很好地满足电力业务对于通信层面在带宽、延时等方面的差异化需求，能够为智能配用电领域的建设提供高效支撑。
作者：北京中电飞华通信有限公司 张宁池