智能电网建设中5G通信技术的应用

智能电网建设中 5G通信技术的应用

赖剑锋

公诚管理咨询有限公司

摘要：本文阐述了智能电网对无线通信的需求，并对5G无线通信的关键技术及在智能电网中的应用进行了探讨，以供同仁参考。

关键词：智能电网；5G无线通信；关键技术；技术应用

1. 前言

  智能电网是国家的发展战略，是未来电网的发展方向，而通信则是智能电网发展的基础。在配电自动化业务中，通信是最为薄弱的环节，严重制约了电力设备智能化程度，在时间进度上也影响了智能电网的发展。而无线通信技术的发展不仅是在网络部署、投资建设成本、用电侧覆盖、后期扩容维护等方面完胜有线通信技术，还弥补了无线公网话务拥塞、剩余容量小、安全性低的缺点，具有专网专用，容量大，接通率高、安全性高的特性。目前电力无线专网的系统设计采用的上下行4:2比例配置，大量带宽用于下行传输，可通过10kV终端通信接入，实现开关站、箱式变电站等设备的信息采集和控制。同时系统还为智能配电网设计了专门的优先级管理算法，可完全满足不同业务的优先级和时延要求，提高电力系统的供电质量。基于此，本文阐述了智能电网对无线通信的需求，并对5G无线通信的关键技术及在智能电网中的应用进行了探讨，以供同仁参考。

二、智能电网对无线通信的需求分析

坚强智能电网建设是一项高度复杂的系统工程，包括发电、输电、变电、配电、用电、调度 6 个环节以及支撑各个环节的通信信息平台，南网智能电网发展规划架构体系在全面贯通的通信网络领域提出： 加强信息通信基础设施建设， 构建大容量、安全可靠的光纤骨干通信网，采用多种手段构建泛在的配电通信接入网，保障电网安全稳定、灵活可靠运行，满足现代能源体系建设的信息交互需要。与传统配电网相比，智能配电网技术将进一步拓展对配电网全景信息的获取能力，以坚强、可靠、通畅的实体电网架构和信息交互平台为基础，以服务生产全过程为需求，整合系统各种实时生产和运营信息，通过加强对电网业务实时动态的分析、诊断和优化，为电网运行和管理人员提供更为全面、完整和精细的配电网运营状态图，并给出相应的辅助决策支持，以及控制实施方案和应对预案， 最大程度地实现更为精细、准确、及时、绩优的配电网运行和管理。在智能配电网、智能用电技术领域，国内两大电网公司优先选用光纤专网通信方式。技术形式上，主要采用无源EPON 及工业以太网交换机，但在具体实施应用时智能配电

网、智能用电存在较多问题：一是业务终端节点多，位置分散；二是通信光缆城区施工难度大，工期长，需要挖开路面或架空；三是大量配用电终端所在地点光纤无法铺设；此时为了解决以上难点问题， 通信方式只能依赖无线通信方式， 无线通信是有线通信的拓展与补充，解决“最后 1km”的接入问题，是快速建设电力通信专网的最佳选择。

三、5G无线通信的关键技术

（1）高频段传输。高频段在移动通信中的应用是未来的发展趋势，足够量的可用带宽、小型化的天线和设备、较高的天线增益是高频段毫米波移动通信的主要优点。

（2）新型多天线传输。引入了有源天线阵列，基站侧可支持的协作天线数量将

达到128 根。此外，原来的 2D天线阵列拓展成为 3D天线阵列，形成新颖的 3D-MIMO 技术，支持多用户波束智能赋型，减少用户间干扰，结合高频段毫米波技术，将进一步改善无线信号覆盖性能，形成广覆盖。

（3）同时同频全双工。全双工技术能够突破 FDD 和 TDD 方式的频谱资源使用

限制，使得频谱资源的使用更加灵活。

（4）D2D。D2D 技术无需借助基站的帮助就能够实现通信终端之间的直接通信， 拓展网络连接和接入方式。由于短距离直接通信，信道质量高，D2D能够实现较高的数据速率、较低的时延和较低的功耗；通过广泛分布的终端，能够改善覆盖， 实现频谱资源的高效利用；支持更灵活的网络架构和连接方法，提升链路灵活性和网络可靠性。

（5）密集网络。在未来的 5G 通信中，无线通信网络正朝着网络多元化、宽带化、综合化、智能化的方向演进。随着各种智能终端的普及，数据流量将出现井喷式的增长。未来数据业务将主要分布在室内和热点地区，这使得超密集网络成为实现未来 5G 的1000倍流量需求的主要手段之一。

（6）新型网络架构。未来 5G 可能采用 C-RAN 接入网架构。C-RAN 是基于集中

化处理、协作式无线电和实时云计算构架的绿色无线接入网构架。C-RAN 的基本思想是通过充分利用低成本高速光传输网络，直接在远端天线和集中化的中心节点间传送无线信号，以构建覆盖上百个基站服务区域，甚至上百平方公里的无线接入系统。C-RAN 架构适于采用协同技术，能够减小干扰，降低功耗，提升频谱效率，同时便于实现动态使用的智能化组网，集中处理有利于降低成本，便于维护，减少运营支出。目前的研究内容包括 C-RAN 的架构和功能，如集中控制、基带池 RRU 接口定义、基于 C-RAN 的更紧密协作，如基站簇、虚拟小区等。

四、智能电网建设中5G通信技术的应用

（1）D2D技术的应用。传统无线通信连接方式依赖基站，连接成本较高，信号

覆盖范围有限，导致较难在电网大规模的应用。D2D(Device-to-Device）网络连接技术是5G技术的主要功能，无需将基站作为中转站，实现通信终端直接与通信网络相连接。智能电网通信终端的分布密度可充分应用D2D技术优势，使网络连接质量和网络传输速度大幅度，降低对运营商基站的依赖度及运营成本。

（2）多天线传输技术的应用。多天线技术指的是通过引进有源天线阵列，改善传统网络通信技术信号覆盖性不强的缺点。多天线传输技术所使用的天线，其总数量为128根，伴随着科学技术的进一步发展，天线阵列逐渐由2D变为了3D， 这样一来，就使信号传输的准确性得到了提升。该技术可明显改善地下配电房等智能电网终端应用场景的传输质量。

（3）5G网络切片技术的应用。对运营商网络进行划分，促使其转变成虚拟网络， 并且这些网络有不同的特点，具体表现在带宽和网络延时方面，在特定的领域应用不同的虚拟网络，可以满足行业发展对网络的需求。我国已单独就5G网络切片技术制定了白皮书，对其在智能电网中的应用提出了意见，要求电力行业在发展智能电网的过程中应用5G网络切片技术，以建立5G网络功能模块，丰富智能电网的功能。

4. C-RAN接入网架构的应用。C-RAN接入网结构是5G网络通信技术的发展方向，具有非常快速的传输效率，能够满足5G通信技术对信息传输速率的要求，该网络架构对光传输网络、远端天线等技术和设施加以利用，促使无线网络信号的覆盖范围进一步扩大。现阶段，相关领域的学者将集中控制和接口自定义作为了重点研究对象。这个架构应用到智能电网现有的电力光通信网络之中，可以使电网通信运行成本进一步减少。同时，便于工作人员收集数据，找出电网运行中存在的问题。

（5）拓展配网自动化功能。配网自动化是智能电网发展的重要趋势之一，配电自动化当中涉及到多种技术的应用，主要包括数据传输技术、计算机技术与控制技术等，并且需要先进设备与科学管理方式的配合。智能自动化配电的应用能够有效提升供电效率与电能质量，减少配电系统的运行维护成本，促进供电可靠性的提升。目前常见的自动化配电有以下几种方式，首先是运用自动化开关等设备，发生故障时能够起到有效的隔离作用。还包括利用通信网络系统，对配电网运行过程中呢情况作出监控，发生故障阶段需要调度员进行手动操作。

（6）精准负荷控制。电力负荷控制是指对用电负荷进行跟踪检测，在电力负荷超过事先设定的负荷定值时，系统首先进行报警，而后跳闸切断负荷，是管理用电负荷的一种重要方式。在传统的电力负荷控制工作中，由于缺乏相应的通信网络，一般只能对配电线路进行整体切除，对于电力用户造成的影响较大。在目前的发展趋势下，电力企业需要加强负荷控制的精确程度，降低对于重要电力用户的影响。通过利用精准负荷控制技术，可以首先切断电动汽车充电桩以及工厂非连续生产电源等重要程度较低的负荷。运用 5G 通信技术进行负荷控制，在稳控技术支持下，充分发挥 5G 通信网络时延低、可靠性强的优势。能够有效提高控制系统的精确度，对故障用户的可中断负荷进行有效控制。能够起到减少经济损失，降低对其他用户影响的作用。在今后的发展中，5G 通信技术的应用也将促进精准负荷控制技术的推广。
（7）低压用电信息采集。用电信息的采集能为电网进行负荷预测、电力营销等提供强有力的数据支撑，让电网企业更加精准地掌握区域用电的情况，从而提升电网的服务水平。电力无线专网通过高带宽、容量大、频谱效率高的特性，可实现用电数据采集的高效、稳定，达到了精准抄表的目标，同时在一些公网无法覆盖的地区，也可以考虑部署部分电力无线专网热点，将用电信息采集的范围进一步延伸，实现更精细化的供需平衡。5G网络的大规模运营使得其在低压电能计量服务上的应用具备得天独厚的优势，可将偏远地区、农电配网和城市密集的用电户都实时精准地接入用电信息采集系统，同时也减少了有线网络的建设规模。（8）分布式电源的控制。我国分布式电源发展迅速，按1%的占比逐年增加，到2020年，我国分布式电源装机容量可达1.87亿千瓦，占同期全国总装机的9.1%。而目前分布式发电面临的关键问题有两个：一是业务节点多、海量的数据如何接入？二是如何对大量分布式能源进行控制和管理，防止其并网或脱网时对电力大网造成电压波动？针对问题一，5G通信技术则凭借高速率、高安全、全覆盖、智能化的特点，可有效地解决分布式电源分散、点多、量大等问题，为分布式电源的海量数据接入提供保障。问题二的难点通过采用电力无线宽带专网系统的双向无线高速通道，电网中央控制平台能够在毫秒级时间内实现与网关智能电表的数据双向交互和较强的实时性，也能得到解决。

五、总结
  综上所述，智能电网的建设对于提升电网运行效率和增强供电可靠性具有重要意义，目前5G通信技术在许多行业中都得到了发展和运用，在智能电网的建设当中，需要加强对5G通信技术的研究，将更多新型技术用于智能电网建设。同时，5G通信技术在自动化配电、负荷控制、用电信息的采集、分布式电源的控制等领域也具有良好的应用效果，今后也应加强5G通信技术在上述领域的应用。

参考文献
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[3]5G无线通信技术的应用与发展趋势[J].王科.中国新通信.2017(07)
[4]5G无线通信技术的应用前景探讨[J].李明珲.通讯世界.2019(09)