5G移动通信技术在电力行业的应用分析

马振华，王蓉蓉，樊丽娟，马 静

（国网宁夏电力有限公司石嘴山供电公司，宁夏 石嘴山 753000）

0 引 言

5G移动通信技术（以下简称“5G技术”）拥有开放式的技术架构，与4G技术相比，具备成本低、时延低、速率高、容量大、可靠性高以及技术整体性强等技术优势，在电力行业具有广阔的应用前景[1]。基于5G技术的电力系统建设，能满足电力行业海量数据传输、万物信息互联、灵活响应、协调控制以及系统可靠性的建设需求，为电力行业发展带来技术上的变革。

1 5G移动通信技术的电力应用场景

在电力行业中，智慧电网建设与电力业务拓展对5G技术的需求日益增长。从当前情况来看，基于5G技术的电力应用场景主要包括以下7大领域。

1.1 清洁能源消纳

在电力生产中，可将5G技术应用到清洁能源消纳领域，满足在线资源评估、光伏群功率预测以及分布式新能源快速功率群控的业务需求[2]。评估与预测业务的宽带速率超过4 Mb/s，时延小于1 s，时间同步小于100 ms，通信可靠性大于99%；群控业务的宽带速率超过2 Mb/s，时延小于100 ms，时间同步小于100 ms，通信可靠性大于99.99%.

1.2 智慧输电

在输电线路中，可将5G技术应用于在线检测、无人机巡检等领域，满足输电线路的状态监控需求。智慧输电业务的宽带速率超过10 Mb/s，时延小于200 ms，时间同步小于10 ms，通信可靠性大于99.9%。

1.3 智慧变电

在变电设备管理中，可将5G技术应用于设备状态感知领域，满足变电设备的状态监控需求。智慧变电业务的宽带速率超过10 Mb/s，时延小于200 ms，时间同步小于10 ms，通信可靠性大于99.9%。

1.4 配电物联网

在配电系统中，可将5G技术应用于智能分布式配电、分布式能源调控、精准负控、无人智能巡检以及现场作业管控等方面，以实现万物互联，提高配电调控效率。分布式配电业务的宽带速率超过2 Mb/s，时延小于15 ms，时间同步小于10 μs，通信可靠性大于99.999%；精准负控业务的宽带速率超过2 Mb/s，时延小于50 ms，时间同步小于10 ms，通信可靠性大于99.999%；无人机智能巡检业务的宽带速率超过10 Mb/s，时延小于200 ms，时间同步小于10 ms，通信可靠性大于99.9%；配网保护业务的宽带速率超过10 Mb/s，时延小于15 ms，时间同步小于10 μs，通信可靠性大于99.999%。

1.5 智慧用电

在终端用户的用电管理中，可将5G技术应用于用电信息采集和电动汽车充电等方面，实现对用电数据信息的实时分析，为供电决策提供依据。智慧用电业务的宽带速率超过2 Mb/s，时延小于500 ms，时间同步小于1 s，通信可靠性大于99.9%。

1.6 源网荷储调度控制

基于5G技术的源网荷储调度控制系统的宽带速率超过2 Mb/s，时延小于1 s，时间同步小于100 ms，通信可靠性大于99.9%。

1.7 电网资产管理

电网资产管理是电力行业优化配置资源和提高资产利用率的重要手段，基于5G技术的电网资产管理系统可实现资产信息的快速传输，满足电力供应链的决策需求[3]。智慧供应链业务的宽带速率超过10 Kb/s，时延小于1 s，时间同步小于1 s，通信可靠性大于99%。

2 5G移动通信技术在电力行业的具体应用

5G技术的3大应用场景包括URLLC（低时延、高可靠通信）、mMTC（海量机器类通信）、eMBB（增强移动宽带），其在电力行业的应用主要体现在以下方面。

2.1 URLLC的应用——电力精准负荷控制系统

在电力行业中，应用5G技术中的低时延、高可靠通信可满足电力光速传播需求，提高电力响应时效性，实现电力精准控制。例如，在传统电网故障中，一般存在频率跌落过快、主干通道潮流越线以及联络线功能超用等问题，为解决上述问题，可基于URLLC建设精准负荷控制系统，达到毫秒级的快速负荷控制。发生电网故障时，精准负荷控制系统会在接收到频率紧急控制要求的第一时间快速切除可中断的负荷，保证供用电平衡。该系统在完成负荷中断控制中所用的时间包括故障信息采集、故障决策、通道传输、转接装置以及分路开关跳开等一系列操作所需的时间，总用时在650 ms之内。同时，要求协控中心站到子站和子站到控制终端的通信时间分别不得超过30 ms、20 ms[4]。

2.2 mMTC的应用——电力信息采集系统

在智能集群用电管理中，传统的电力设备接入无法满足“最后一千米”的需求，难以实现电力设备之间的数据采集与互通。而应用5G技术可实现万物互联，提高数据采集的完整程度，保证用电信息采集的完整性和实时性，可做到0.5 h上传一次数据，为电力系统数据分析提供了技术支持。例如，基于5G技术的电力信息采集系统主要包括主站、远程和本地通道、集中器以及采集器（电表），在各个控制系统的通信中执行Q/GDW 1376.2和Q/GDW 1376.3规约。

2.2.1 数据流类型

采集系统的数据流包括以下两种类型。一是上行数据流。其分为两种不同的情况一种情况是采集器采集配电变压器用户电能表中的数据，将数据上传到集中器，之后数据经过集中器的上行通信通道直接传输到主站。另一种情况是专用变压器用户电能表中的数据上传到的专用变压器终端，之后数据经过上行通道传输到主站。二是下行数据流。主站以集中器和专用变压器终端为传输中介下达指令，根据指令信息直接控制相关业务，包括跳合闸控制和命令安全认证等。采集系统的基本单元为配变台区，对各个配变台区进行抄表，使用户数据通过无线公网传输到主站，数据采集频次以小时为单位，采用上行数据流，集中器所用的无线宽带为10 Kb/s。

2.2.2 数据采集与传输

采集系统执行Q/GDW 376—2012通信协议进行主站与采集终端之间的专用无线数据传输通信，主站的数据采集形式包括上报数据、定时采集数据以及随机召测数据[5]。其中，应用最为广泛的是定时采集数据，主站每天会在定点时间集中采集一次终端设备中的用户数据。集中抄表终端用于记录公用配变电表和单相、三相智能电能表中的用户数据，专用变压器采集终端用于记录三相智能电能表数据，集中报表终端和专用变压器采集端的记录频次均为96次/天，每间隔15 min进行一次记录，记录之后直接存储数据信息。

2.2.3 数据传输的实时性

基于5G技术的采集系统可达到广覆盖和数据实时采集传输的要求，具体体现在以下方面。采集系统远程向终端下达指令，并由终端相应执行指令的耗时在5 s之内；主站巡检终端中采集的重要用户用电信息的耗时仅为15 min；主站召测常规数据的耗时在15 s之内，召测历史数据的耗时在30 s之内；采集系统在接收终端业务申请的响应时长在30 min之内。

2.3 eMBB的应用——无人机巡检

视频监控是电力系统中的重要业务，对宽带要求较高，而应用5G技术能够满足电力视频监系统高速率传输视频数据的要求。例如，基于eMBB的无人机智能巡检系统主要由主站、通信通道以及终端构成，可全程监控电力现场作业情况。

2.3.1 巡检系统基本架构

主站提供音频互动媒体、互动控制网关以及现场作业安全管控3项服务。通信通道包括无线专网与光纤信道2种通信方式，实现主站与采集终端之间的远程通信需求。终端主要是指在电力现场安装的移动终端设备。巡检系统可实现移动巡视与检修功能，根据不同业务确定相应传输速率，语音、视频以及数据业务的传输速率要求分别为8～64 Kb/s、384～8 000 Kb/s以及64～2 000 Kb/s。在5G技术的支撑下，语音与视频业务的时延可控制在300 ms之内，大幅度提升业务的可靠性。

2.3.2 巡检系统功能

巡检系统功能包括3个部分。一是智能诊断。在户内外设备巡检中，无人机巡检系统可搭载红外检测设备、可见光检测设备以及局部放电综检设备，检查户内外设备的故障缺陷，做出智能诊断，出具诊断报告，通过报告反映设备的健康状态。报告数据通过通信网络传输到生产管理系统，便于控制中心实时掌握设备运行状态，实施状态监控[6]。二是替代人工作业。巡检系统可完成运维人员的大部分工作，实现变电站无人值守。系统可智能化执行视觉检测、远程控制、数据分析、红外测温、缺陷管理以及微气象数据管理等操作。三是恶劣环境现场巡检。在恶劣环境下的电力线与杆塔巡视中，巡视系统可利用地面控制站中的拍摄设备，实时传输电力线与杆塔的图像信息，以解决运维人员的现场巡检难题。巡检图像清晰度可达到高清以上，系统能远程遥控巡检信号，遥控速率可达到100 Kb/s，时延不超过300 ms。

3 5G移动通信技术在电力行业中的应用实例

3.1 分布式光伏云网

2018年3 月，基于5G技术的全国首个分布式光伏云网正式运行，实现了分布式光伏一站式共享服务。以河北省涞水县的分布式光伏电站为例，该电站可将发电量、功率以及转化率等信息快速传输到光伏云网中，信息传输速率为100 Gb/s。在5G技术的支持下，光伏云网可自动采集光伏电站海量信息、监控现场设备状态、远程诊断并运维故障设备，解决了分布式数据难以集中采集的问题。同时，光伏云网应用了5G技术中的网络切片关键技术，可根据不同业务属性隔离数据采集、运行监控以及电费结算，提高光伏云网的智能化服务水平[7]。

3.2 智慧特高压变电站

安徽省宣城市在电力物联网建设中建成了国内首例应用5G技术的特高压变电站，基站中心的无线传输通道下行的速率高峰值和速率平均值分别为800 Mb/s和570 Mb/s，无线传输通道上行速率高峰值和速率平均值分别为160 Mb/s和100 Mb/s。宣城特高压变电站线路途径6个省区，输送容量达1 200万kW，已成为世界电力行业领域中技术水平最为先进的智慧特高压输电工程。该工程应用5G技术实现了4K高清监控视频，无线接入智能巡检系统扩大了物联网智能感知业务覆盖范围。

3.3 一体化电力巡检

我国首例基于5G技术的一体化电力设备立体巡检系统于2019年5月正式投入使用，该巡检系统由国网天津滨海供电公司研发，在指挥中心的控制下，可使无人机完成30 m高空输电线路巡检，并将巡检数据实时传输到指挥中心，图像清晰度达到高清，方便指挥中心的运维人员根据图像信息找出缺陷。智能巡检机器人结合采用5G技术和VR技术，在机器人上搭载5G终端设备8K高清摄像头，可通过无线网络实时传回高清图像。运维人员在佩戴VR眼镜的情况下可看到三维立体的视觉成像，辅助运维人员做出更加准确的远程诊断。

3.4 智能配电网

我国首例基于5G技术的电力无线专网投入运行于2019年7月，由南京电网公司负责运行，实现了电力无线专网在南京区域内的全面覆盖，能满足用户多样化的用电需求。电力无线专网是智能配电网建设的关键所在，能在电力物联网时代下发挥出电力无线通信的优势，可以将其作为电力光纤通信的补充，消除有线通信和公网通信的弊端，大幅度提升配电网的智能化服务水平。

4 结 论

在电力行业发展中应用5G技术建设智慧电网已成为电力业务发展的必然趋势。电力行业要充分利用5G技术数据传输快、时延低以及可靠性高等优势，积极建设电力精准负荷控制系统、电力信息采集系统、无人机巡检系统以及配电自动化系统等，逐步扩大基于5G技术的电力应用场景，从而推进电力行业技术改革，使我国电网建设处于世界先进水平。