5G在智能电网的应用研究

徐 群 程琳琳 孟 建 夏 旭 俞观晔

1 国网青岛供电公司 青岛 266000

2 北京信通传媒有限责任公司 北京 100078

3 中国电信研究院 北京 100053

4 中浙信科技咨询有限公司 杭州 310012

目前电网公司处在从坚强电网向能源互联网的转变时期，对于实现“双碳”目标而言，构建新型电力系统意义重大[1]。所以希望智能电网能够对内全面深度感知源网荷储设备运行状态和环境信息，从而提升智能化运营水平，并逐步加大清洁能源的使用；
对外向能源生态系统服务商转型，提供能源互联网生态圈。5G以其大带宽、广连接、低时延、高可靠的特性，结合网络切片、边缘计算等创新技术，能够很好地满足能源互联网的通信需求[2]。

智能电网在传统电网基础上，融合了通信、传感测量等先进技术，形成新型电网，代表了未来电网的发展趋势[3]。如5G网络切片技术就是为不同场景提供差异化服务的重要技术。通过网络切片，运营商在一个通用物理平台上构建多个专用的、虚拟的、隔离的、按需定制的逻辑网络，来满足不同行业用户对网络能力的不同需求[4]。5G LAN支持同一5G LAN-VN的成员UE之间按需建立UE到UE、组播和广播的私有通信。基于IEC 61850 GOOSE和SV(OSI第二层)的智能电网服务可以通过5G LAN在5G网络上流畅地部署[5]。

本论文将对5G智能电网的潜在服务需求进行研究，包括研究满足5G智能电网服务的容量、时延、可靠性、端到端QoS、弹性和安全性等通信需求，研究分布式电源系统、配电自动化、高精度电力负荷监测与控制、电表自动化等用例，研究微电网分布式发电所需的5G无线通信的KPI和确定性服务要求。

目前，如5G切片、5G专网等技术已经在实践案例中得到广泛探讨，在电网应用已由试点推向规模化，但是目前还缺少对智能电网场景的应用系统研究[6]。本文以5G toB使能智慧电网为基础，重点分析了5G toB技术在智慧电网场景中的应用和实践，并对潜在应用场景进行了分析与技术指标探讨，最后总结了5G toB技术在智能电网领域的应用匹配情况，并针对目前遇到的挑战提出了建议。

5G具备高带宽、低时延、大连接的特点，能够深刻变革电力通信网，在输电、变电、配电、用电等环节均可发挥重要作用，从而全面提升电力信息化水平。不同频段下电网不同场景的5G通信需求如图1所示。

图1 不同频段下电网不同场景下的5G通信需求

智能电网是智慧能源的基本保障，是推动我国经济社会协调、可持续发展进程的重要物质基础。基于现有电网业务作“从主干向末端延伸”式的5G应用，如配网差动保护、毫秒级精准负荷控制对通信的可靠性、低时延、大带宽、安全防护有着迫切需求，5G技术为这些业务的推广应用提供了基础[7]。

1.1 输电环节：5G促进巡检无人化

在输电环节，其主要职责要保障输电的安全性和可靠性，目前这个环节最大的痛点是整个输电电力的巡检。传统的巡线模式需要工人爬到输电线路上“走钢丝”，翻山越岭地来检查设备或线路的状态。利用5G低时延、大带宽的特性，可以使工作人员在地面通过5G控制无人机的飞行，并利用无人机上带的5G摄像头，将巡视点设备的视频、图片等实时回传到控制台，控制台利用人工智能图像处理算法，自动发现问题、识别隐患。

1.2 变电环节：5G促进变电管理智能化

在变电环节，重要的是保障变电设备和线路的安全稳定，这就需要对变电设备和线路进行例行的巡检。传统运维模式通过人工对这些设备进行巡检，作业风险高、重复性强，而且存在人员疏忽等形成“巡检黑洞”，从而造成生产事故。现在变电环节利用5G+巡检机器人和5G+视频两种业务相互配合，从而实现变电站和线路的自动化巡检。

1.3 配电环节：5G促进配电实时化、柔性化

配电网是主网与用户之间连接的桥梁，直接面向用户。配电环节存在的难点主要有三个，第一是网络覆盖范围广，第二是对故障的发现及隔离的响应速度要快，第三是要保障新能源稳定、可预测的接入。5G与配电网的融合实现了5G+配电自动化、5G+差动保护、5G+自动巡检、5G+源网荷储等应用。

5G+差动保护解决了电网以往面临的光纤部署难、铺设成本高等问题，将故障隔离时间从秒级提升至毫秒级。利用5G通信低时延特性对分布在城市内的电力负荷进行精准调控，有效解决传统光纤通信方式下接口多，光缆敷设难度大、成本高等问题。5G+分布式电源可以实时采集分布式电源状态信息，同时可以反向控制分布式电源接入主网，能够有效地解决原有分布式电源光纤部署不方便的问题，也可以解决可再生能源分布式电站分布广、容量大等问题，形成电网对分布式电源的群调群控能力。

1.4 用电环节：5G促进用电互动实时化

用电环节主要是电网企业与用户交互的直接界面，因此整个用电环节未来发展趋势是实现用户用电的交互实时化，实现用户智能家居。在用电环节，利用5G大连接特性，可以实时采集用户用电信息，将用户用电信息收集粒度由每天降低到15分钟，甚至更低粒度，这样就能根据不同时间实现动态实时电价，同时通过5G与用户实时互动，提供更多的用电扩展服务。电网不同场景下的多种基站形态如表1所示。

表1 电网不同场景下的多种基站形态

2.1 5G“大带宽”应用场景

基于5G“大带宽”特性，电网已开展了5G+北斗无人机、5G+电力线路监测、5G+变电站巡检等应用。

1)5G+北斗无人机

电网研发了5G SA专网的图传模块，引入北斗服务，实现无人机巡检数据安全、实时、可靠回传。同时，融入图像智能识别技术，最终实现无人机自主巡检、图像实时传输、缺陷智能识别、提出辅助决策，解决了困扰无人机巡检“操作难”“回传难”“分析难”的问题。5G+北斗无人机自动巡检如图2所示。

图2 5G+北斗无人机自动巡检

2)5G+电力线路监测

基于5G网络大带宽性能，电网实现电力线路超高清视频、高压电缆接头温度及护层监测电流等数据的实时回传，同时可智能识别吊车、挖掘机等十几类外破隐患，提高输电线路、电缆防外破能力。如图3所示，在青岛等相关地区完成基于5G的输电线路安全可视化试点，实现高清视频实时回传。

图3 5G+4K超高清可视化监拍

3)5G+变电站巡检

电网建设基于5G移动互联的变电站巡检系统，如图4所示。依托5G网络，实现“云端+单兵终端”的立体巡检，达成人、设备、系统的信息交互，实现人工智能全替代、站内信息全覆盖、状态信息全获取、作业行为全管控。

图4 5G+变电站巡检

2.2 5G“低时延”应用场景

基于5G“低时延”特性，电网开展了5G+配网差动保护、5G+精准负荷控制、5G+智能分布式FA(Feeder Automation，馈线自动化)等应用。

1)5G+配网差动保护

基于5G SA专网的“基于故障发生时刻的同步方法”，电网克服5G网络纵差保护同步难题，实现配网故障区段的快速定位与隔离。以传统配电监测终端为基础，通过增加5G接口模块CPE、更新通信接口配置方案、升级软件算法等方式，研制开发出嵌入电流差动保护功能的智能配电终端装置STU(Smart Terminal Unit)。当网络内发生故障时，STU通过5G网络交换电流信息，能准确判定出故障区段，故障定位时间小于70ms。其已在10kV康大线成功投运。5G+配网差动保护如图5所示。

图5 5G+配网差动保护

2)5G+精准负荷控制

电网基于5G SA网络实现“毫秒级精准负荷控制”装置负荷量上送及整组传动测试试验，解决传统光纤通信方式下通信接口转接多、光缆敷设难度大、成本高以及后期运维难度大、费用高等问题。5G+精准负荷控制如图6所示。

图6 5G+精准负荷控制

3)5G+智能分布式FA

基于5G网络低时延特性，实现中压配网智能终端(STU)间故障信息与控制信息直接交互，实现不需要依靠主站就可以进行故障隔离与网络重构。已在电网完成智能分布式FA试点应用，实现配网线路故障就地隔离和快速恢复供电，停电范围达到最小化，停电时间缩短到秒级。5G+智能分布式FA如图7所示。

图7 5G+智能分布式FA

2.3 5G“广连接”应用场景

基于5G“广连接”特性，电网已开展5G+分布式电源、5G+智慧物资管控、5G+移动办公等应用。

1)5G+分布式电源

在分布电源及地方电厂调度接入方面，电网已规模化开展分布式光伏电站5G切片网络通信接入，并实现了基于5G通信技术的10kV分布式光伏出力平滑调节，解决调度接入“最后一公里”问题，具备了对分布式电源及地方电厂“群调群控”能力，为以新能源为主的新型电力系统建设提供了实践案例。5G+分布式电源接入如图8所示。

图8 5G+分布式电源接入

2)5G+智慧物资管控

基于5G海量连接能力，电网已开展物资库内的监控、机器人、AGV、立体仓储、微仓储等各类仓储设备的5G网络接入，进行数据采集和控制，实现基于5G的智能化仓储管理，提高物资运转效率，有效节省人力资源。5G+智慧物资管控如图9所示。

图9 5G+智慧物资管控

3)5G+移动办公

基于5G移动终端，电网已开展了内网邮件、协同办公等常用的移动应用微服务化升级，实现实时语音录入、语音识别等功能的应用，可实现移动办公，提升了办公效率。5G+移动办公如图10所示。

图10 5G+移动办公

2.4 智能电网采用5G toB技术的场景分类

1)生产控制

生产控制大区业务主站位于地市供电公司，为实现业务本地分流，在地市供电公司中心机房部署电力专用UPF，双机热备。地市供电公司中心机房部署2套承载网设备，与运营商承载网对接，形成双归结构，对N2/N3/N4等5G核心网接口做双路由保护，并保证承载网升级过程中业务不中断。在运营商核心网资源池中划分硬件资源，部署电力独享专用SMF及AMF网元。生产控制大区5G专网信令及业务流向如图11所示。

图11 生产控制大区5G专网信令及业务流向示意图

2)管理信息

管理信息大区业务主站集中部署于省电力公司，为实现5G网络与业务架构匹配，在省电力公司中心机房部署电力专用UPF，双机热备，并部署2套承载网设备，与运营商承载网对接，形成双归结构，对N2/N3/N4等5G核心网接口做双路由保护，并保证承载网升级过程中业务不中断。管理信息大区5G专网信令及业务流向如图12所示。

图12 管理信息大区5G专网信令及业务流向示意图

基于以上网络资源，划分1个电力管理信息大区5G切片。空口部分，做基于5QI的优先级调度。承载网部分，划分VPN与其他公网业务做逻辑隔离。核心网部分，部署独立的转发面UPF供电力独享，核心网控制面网元均与运营商共享。

3)互联网业务

互联网大区业务主站集中部署于省电力公司，采用虚拟专网方式构建1个电力互联网大区5G切片。使用运营商部署的ToB共享UPF，开通专线至省电力公司机房，实现N6接口与互联网大区主站的对接，不同业务通过DNN方式做逻辑隔离。互联网大区5G专网信令及业务流向如图13所示。

图13 互联网大区5G专网信令及业务流向示意图

2.5 智能电网潜在的5G toB应用场景

1)基于5G的地方电厂电力监控

地方电厂多为用户小型自备电厂，多由冶金、水泥、热力等企业自建，是城市发电的重要组成部分。

电厂内部DCS系统具备有线监控网络，同时电厂需要通过远程通信单元RTU与电网侧建立符合电力调度业务需求的通信系统，将遥测数据和遥信数据传输至地市电力调度主站，并能执行调度主站对并网线路开关的遥控操作指令。

部分地方电厂光纤未覆盖，存在调控盲区，一定程度上影响了电力调度，且新建光缆线路造价较高，因此需利用无线接入方式实现电力调度中心对电厂的统一调控。

建立地方电厂至电力调度主站的通信链路，具体指标需求如下：①通信速率：≥19.2kbit/s；
②通信时延：＜300ms；
③通信可靠性：＞99.999%；
④连接密度：＜10个/km2；
⑤隔离要求：地方电厂业务属于生产控制大区，要求与管理信息大区业务物理隔离。

2)基于5G的智能配电台区

在国家“碳达峰、碳中和”战略提出后，分布式能源迎来快速发展新机遇。目前超过50%的分布式能源通过低压配电网接入，台区智能融合终端通过对接入设备和分布式能源的全景监控，为“源—网—荷—储”友好互动提供本地协调策略，支撑分布式能源大规模消纳。

智能配电台区业务场景主要通过多类型传感器和采集终端获取电网状态基础信息，并利用物联网等信息通信技术构建数据链路，实现数据的互联、互通、互享，开展数据的多元融合和综合分析，能够实现电网运行状态的实时感知、综合能源管理、故障快速研判、台区线损分析及治理等功能。

随着智能配电台区建设规模的扩大，接入网络的终端数量和数据上传量大幅增加，对通信性能的要求进一步提高：①通信速率：≥19.2kbit/s；
②通信时延：≤2s；
③通信可靠性：＞99.9%；
④连接密度：数百个/km2；
⑤隔离要求：智能配电台区业务属于管理信息大区，与生产控制大区进行物理隔离，与管理信息大区其他业务进行逻辑隔离。

3)基于5G的现场作业安全管控

现场作业具有范围广、环境复杂、危险系数高、危险源多等特点，管理人员对作业现场设备设施、人身安全、施工运维工作的管理难以有效掌控。因此需要构建现场作业安全管控平台，实现对作业现场构建物、设备设施、工作人员、来访人员的动态监控管理，达到提升现场作业安全度和施工进度的目的。现场作业安全管控平台主要包含人脸识别系统、人员安全行为监控、5G智能安全帽等。

人脸识别系统通过入口处的摄像头采集所有进入施工现场的人员脸部图像，通过人脸分析引擎自动核实身份，记录人员出入情况，对未办理准入手续的人员进行警告，并向管理部门推送非法闯入告警。

人员安全行为监控以作业计划为主线，在作业实施过程中，基于图像智能分析开展作业现场视频布防及分析，及时有效发现现场不规范、不文明施工行为，并在设备端对视频数据进行智能分析及预警，包括安全帽检测、着装规范检测、低挂安全带识别功能，及时准确地发现现场异常情况。

5G智能安全帽采用了内置SOS救援系统的方式，一旦作业人员有危险，长按SOS，报警信息马上发送到后台，提醒相关管理人员紧急救援，方便作业人员遇到危险或突然状况时能得到及时救援，为作业人员多一份保障。

通信需求如下：①语音：传输速率≥256kbit/s，端到端时延≤600ms，丢包率≤1%；
②视频：传输速率≥4Mbit/s，端到端时延≤600ms，丢包率≤1%；
③告警：传输速率≥128kbit/s，端到端时延≤100ms，丢包率≤1%；
④隔离要求：现场作业安全管控业务属于管理信息大区，与生产控制大区进行物理隔离，与管理信息大区其他业务进行逻辑隔离。

4)基于5G的基建现场视频管控

近年来，随着电网投资规模不断扩大，电网特高压工程和换流站的大规模部署对输变电工程现场带来生产建设难题，基建工程现场管理水平要求不断提高，需要在开工前将现场视频接入基建管理系统，以实现工程建设的远程视频应用，从而进一步加强基建安全、质量、进度管控。

然而，对于电网基建现场的图像信息采集，会在网络层产生大量信息数据，但信息的传输带宽成为了系统应用的瓶颈，并且电力施工现场的位置不固定、采集方式多样。如采用有线网络进行传输，光缆敷设成本较高，并且容易受到现场施工外力破坏；
如利用公网进行传输，则传输的带宽和安全性无法保证。采用5G eMBB技术可以提供足够的网络带宽，融合智能高清视频技术，能够实现连续实时回传，可以提高主控站的监测力度并提高智能识别违章操作的准确度。

通信需求如下：①传输速率：普清视频≥2Mbit/s，高清视频≥4Mbit/s，控制信息≥10kbit/s；
②传输时延：＜300ms；
③可靠性：＞99.9%；
④隔离要求：基站现场视频管控业务属于管理信息大区，与生产控制大区进行物理隔离，与管理信息大区其他业务进行逻辑隔离。

3.1 5G toB技术在智能电网领域的应用挑战

1)电力5G模组成本高，制约了电力行业应用发展。目前5G终端产品成本较高，5G工业模组价格受测试、芯片等成本限制，5G芯片和模组的高价格影响了5G行业终端的丰富性。

2)5G切片承载电力业务的安全性尚未完成测评。根据电力监控系统安全防护要求，生产控制业务大区的业务需要达到物理隔离的安全防护强度。虽然5G切片技术在安全隔离方面相对4G有了优化提升，但端到端的安全隔离能力能否达到电力安全防护要求，尚未完成安全测评认证[8]。

3)电网企业与运营商5G创新商业合作模式尚未确立。当前5G切片技术处在技术方案及应用验证的阶段，运营商尚未与电力企业对专用切片的计费模式达成一致，与此同时，5G电力虚拟专网的网络租赁费远超预期。

3.2 5G toB技术在智能电网领域的推广建议

本论文解决5G公网通用标准中缺少电力调控业务通信属性问题，以及5G公网与电力业务要求不能完全匹配的问题，文章分析了toB电力场景下的5G公网技术增强及组网实现方案，提出适用于不同电力场景确定性5G电力网络方案。

未来将重点关注5G公网与电力融合应用标准，明确标准化重点方向，加强5G公网与电力的基础共性标准、融合设备标准等解决方案标准的研制，着重考虑5G电力场景的零差错、零风险、低时延等网络刚需，突破在服务确定性、授时精度、安全保障等若干关键技术标准(3GPP、IEC、CCSA、5GAIA、5GDNA)的研究和制定，加强全产业链合作，促进相关标准在重点业务场景的应用落地，从而推动新型电力系统建设，推进5G在电网中的应用，全面助力实现“双碳”目标。