新型電力系統(tǒng)的通信需求
新型電力系統(tǒng)在演進升級過程中，電源趨于清潔化、電網(wǎng)趨于智能化、用戶趨于電氣化。一方面，隨著新能源發(fā)電裝機容量和發(fā)電電量的提升，大容量型集中式新能源場站和海量泛在的園區(qū)家庭分布式小型新能源電站將在未來涌現(xiàn)，兩類新能源發(fā)電的間歇性和隨機性將對電網(wǎng)并網(wǎng)的安全性提出嚴峻挑戰(zhàn)。想要解決并網(wǎng)這一難題，需要接入大量的新能源場站氣象信息和運行信息，并做出實時功率預測計算與電網(wǎng)交互。另一方面，用戶側用電量和最大負荷在未來也將呈現(xiàn)雙極增長，電力負荷峰谷差增速明顯，單純靠擴容滿足最大負荷增長將造成極大的資源投入和浪費，因此，利用在線調節(jié)手段實現(xiàn)負荷優(yōu)化運行勢在必行。
而處于電源和用戶之間的電網(wǎng)，無論從新能源電源接入消納、負荷側尖峰抑制，還是從電網(wǎng)的穩(wěn)定高效運行方面來看，都需要向高效的、疊加了信息化功能的智能電網(wǎng)轉型升級。因此，不難看出，打造堅強智能電網(wǎng)系統(tǒng)是構建新型電力系統(tǒng)的關鍵，而適應智能電網(wǎng)需求的信息通信系統(tǒng)領域的各項關鍵技術手段尤其重要。
一般而言，傳統(tǒng)電網(wǎng)的信息通信需求主要包括調度控制類、運行檢修類和用戶數(shù)據(jù)采集類。調度控制類的實時性、安全性要求高，以光纖網(wǎng)絡承載為主；運行檢修類帶寬顆粒大、安全隔離性要求高，以局域無線和廣域光纖網(wǎng)絡承載為主；用戶數(shù)據(jù)采集類數(shù)量大、分布廣，以近距離物聯(lián)接入和無線公網(wǎng)混合承載。而在智能電網(wǎng)的運行控制方面，需要通過“大云物移智鏈”等先進技術與電力技術深度融合，實現(xiàn)全業(yè)務信息感知、全系統(tǒng)協(xié)同控制、全過程在線決策、全時空優(yōu)化平衡、全方位負荷調度（簡稱“五全”）。實現(xiàn)“五全”需要在輸電、變電、配電和用電各環(huán)節(jié)擁有海量數(shù)據(jù)信息的采集，并且這些數(shù)據(jù)能夠高效傳送、精準速算和回傳。
為解決上述問題，以超低時延超高可靠（uRLLC）、大帶寬（eMBB）、大規(guī)模連接（mMTC）三大技術特性為主的5G通信技術脫穎而出，成為支撐新型電力系統(tǒng)能源轉型的重要戰(zhàn)略資源和新型基礎設施。
5G的三大發(fā)力點
2021年6月，國家發(fā)展改革委等相關部門聯(lián)合印發(fā)了關于《能源領域5G應用實施方案》的通知，通知中指出，未來3～5年，我國將圍繞智能電廠、智能電網(wǎng)、智能煤礦、智能油氣、綜合能源、智能制造與建造等方面拓展一批5G典型應用場景，以有效提升能源數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化發(fā)展水平，為構建清潔低碳、安全高效的能源體系提供有力支撐。
其實早在去年6月，國家電網(wǎng)有限公司就發(fā)布了“數(shù)字新基建”十大重點建設任務，明確未來將重點聚焦大數(shù)據(jù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、5G、人工智能等領域，并與華為、阿里、騰訊、百度等41家合作伙伴簽署了戰(zhàn)略合作協(xié)議。
作為“六?！薄傲€(wěn)”的重要一環(huán)，電網(wǎng)一端連接著能源命脈，另一端連接著不斷升級的消費市場以及數(shù)十億的民生需求，重要性不言而喻。當下，5G通信技術成為保障電網(wǎng)安全、穩(wěn)定的又一大利器。
在配電網(wǎng)保護場景中，統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明超過85%的停電事故與配電網(wǎng)故障有關，而5G通信的低延時、高可靠性技術優(yōu)勢則可以大幅度地降低配電網(wǎng)的停電事故幾率。在5G獨立組網(wǎng)(SA)網(wǎng)絡下保護動作時間可縮短至幾十毫秒，策略優(yōu)化后，故障自愈時間可由數(shù)分鐘降至幾百毫秒，大大減少停電時間，縮小停電范圍。廣東電網(wǎng)公司在配電網(wǎng)保護應用場景中充分利用5G網(wǎng)絡的uRLLC特性，搭載5G模組的智能分布式配電自動化，通過配電終端之間點到（多）點通信，改進了保護原理及配置，實現(xiàn)配電網(wǎng)雙端量、多端量保護，實現(xiàn)快速可靠隔離電網(wǎng)故障，提升了供電可靠性。
在智能變電站場景中，類似機器人巡檢、無人機巡檢等檢修任務需要高清視頻監(jiān)測，需將多路4K超高清視頻實時回傳，要求網(wǎng)絡具備大帶寬能力，尤其是提供上行大帶寬業(yè)務保障，此時，5G網(wǎng)絡的高速率、大連接特性和邊緣計算等技術便派上用場，同時引入邊緣計算技術，使本作業(yè)區(qū)數(shù)據(jù)在本級管理區(qū)落地終結，大大提高了數(shù)據(jù)傳送效率，降低了數(shù)據(jù)時延。國網(wǎng)河南省電力公司與國網(wǎng)天津市電力公司對于5G在智能巡檢上的應用進行了測試驗證。
在網(wǎng)絡切片管理場景中，以往4G公網(wǎng)無法在電力領域進行專網(wǎng)應用是因為無法真正實現(xiàn)資源隔離，而5G網(wǎng)絡的切片管理可根據(jù)不同業(yè)務對網(wǎng)絡帶寬、時延、安全性、可靠性、地理覆蓋范圍等SLA（服務等級協(xié)議）需求，通過網(wǎng)絡切片技術從一張基礎網(wǎng)絡上“切”出多個相互隔離的、安全的、SLA可保障的虛擬專網(wǎng)，為不同的業(yè)務提供差異化服務。目前，5G網(wǎng)絡切片技術不僅可以滿足電網(wǎng)不同應用場景對于大帶寬、低時延、大連接、安全性、可靠性、隔離性、SLA保障的不同需求，還能通過網(wǎng)絡切片管理平臺和網(wǎng)絡能力開放讓電網(wǎng)行業(yè)客戶自運維、自管理自己的切片網(wǎng)絡。國網(wǎng)青島供電公司和國網(wǎng)南京供電公司與運營商合作測試和驗證了網(wǎng)絡切片在電力行業(yè)的應用。
5G落地的挑戰(zhàn)
上述提到5G在電力行業(yè)的應用過程中取得了一定的成效，但是這些試點應用都是基于R15軟件版本的5G通信網(wǎng)絡和設備，目前測試的主要是eMBB類業(yè)務，網(wǎng)絡切片功能得到驗證。在配電網(wǎng)保護等低時延類業(yè)務測試中發(fā)現(xiàn)，時延不能連續(xù)穩(wěn)定保持10毫秒以內，存在時延抖動和重傳現(xiàn)象。海量連接場景沒有規(guī)模測試，并發(fā)接入處理能力受網(wǎng)絡配置的控制信道資源、業(yè)務信道資源、內存硬件資源和系統(tǒng)算力影響，目前還不能全面實現(xiàn)每平方千米百萬級別的并發(fā)連接。當然，如果并發(fā)的界定不是絕對精準的同一時間點，允許毫秒級的時間差，系統(tǒng)的實現(xiàn)就會容易許多。
應該看到，5G在電力行業(yè)落地的挑戰(zhàn)還有很多，因為傳統(tǒng)電力系統(tǒng)是典型的工業(yè)系統(tǒng)，各方生產(chǎn)要素是約束性的，安全冗余度較高，而信息通信系統(tǒng)建立的模型是共享高效的，具備海量連接能力的物聯(lián)網(wǎng)實時性容忍度較高，允許延時重傳（NB-IOT已納入5G標準體系），但是公共資源收斂共享導致其實時并發(fā)接入能力不是很強。因此，當前利用現(xiàn)有5G公網(wǎng)開展電網(wǎng)5G試點應用項目均為eMBB數(shù)據(jù)傳送類業(yè)務，而基于uRLLC的配電網(wǎng)保護業(yè)務，因目前5G現(xiàn)網(wǎng)R15版本并沒有特殊機制保障而性能不穩(wěn)；基于mMTC的海量連接類業(yè)務基本沒有開展，后兩類業(yè)務的開展需要R16以后的技術標準支持，相應的5G網(wǎng)絡架構也會有針對電力行業(yè)應用專網(wǎng)的特殊設計才能保證應用。
5G公網(wǎng)在行業(yè)上的應用不是4G網(wǎng)絡時代的“盡力而為”，而應該是因需而建。在后續(xù)的標準產(chǎn)品研發(fā)和網(wǎng)絡部署應用中，公、專網(wǎng)兩種模型的沖突處理機制研究是需要予以重點考慮的。
目前，5G的頻譜利用率較4G提升了3倍，5G網(wǎng)絡的能效較4G提升了10倍，但是由于數(shù)據(jù)需求的增長是數(shù)百倍的，因而社會上產(chǎn)生了對于5G網(wǎng)絡基站占用頻帶資源過寬，單基站能耗偏大的一些認識。隨著相關基帶調制技術和射頻技術的發(fā)展，相信這些問題會得到解決。
雖然社會上對于5G網(wǎng)絡能耗偏大還有一部分偏差認識，甚至會有發(fā)展5G與“雙碳”目標是否背離的猜測。但實際上，因為5G網(wǎng)絡承載的數(shù)據(jù)量將會達到4G網(wǎng)絡的數(shù)百倍以上，因此5G網(wǎng)絡將會在千行百業(yè)“雙碳”達標過程中起到強力數(shù)字化支撐保障作用。自5G開始建設以來，網(wǎng)絡建設成本已經(jīng)趨近4G網(wǎng)絡，但是因為行業(yè)應用尚少，終端模組受規(guī)模限制成本還有很大下降空間，需要產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)企業(yè)共同努力，降低成本。
電力供應與信息通信是現(xiàn)代人類生產(chǎn)生活必不可少的兩大基礎設施，5G技術是構建新型電力系統(tǒng)的重要技術手段，進入5G新基建時代，5G與電網(wǎng)這兩大超級基礎設施的融合促進，將引領新的變革。
