新型電力系統(tǒng)的通信需求
新型電力系統(tǒng)在演進(jìn)升級(jí)過(guò)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(jī)容量和發(fā)電電量的提升，大容量型集中式新能源場(chǎng)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(lái)涌現(xiàn)，兩類新能源發(fā)電的間歇性和隨機(jī)性將對(duì)電網(wǎng)并網(wǎng)的安全性提出嚴(yán)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(chǎng)站氣象信息和運(yùn)行信息，并做出實(shí)時(shí)功率預(yù)測(cè)計(jì)算與電網(wǎng)交互。另一方面，用戶側(cè)用電量和最大負(fù)荷在未來(lái)也將呈現(xiàn)雙極增長(zhǎng)，電力負(fù)荷峰谷差增速明顯，單純靠擴(kuò)容滿足最大負(fù)荷增長(zhǎng)將造成極大的資源投入和浪費(fèi)，因此，利用在線調(diào)節(jié)手段實(shí)現(xiàn)負(fù)荷優(yōu)化運(yùn)行勢(shì)在必行。
而處于電源和用戶之間的電網(wǎng)，無(wú)論從新能源電源接入消納、負(fù)荷側(cè)尖峰抑制，還是從電網(wǎng)的穩(wěn)定高效運(yùn)行方面來(lái)看，都需要向高效的、疊加了信息化功能的智能電網(wǎng)轉(zhuǎn)型升級(jí)。因此，不難看出，打造堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)系統(tǒng)是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的關(guān)鍵，而適應(yīng)智能電網(wǎng)需求的信息通信系統(tǒng)領(lǐng)域的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)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(diào)度控制類、運(yùn)行檢修類和用戶數(shù)據(jù)采集類。調(diào)度控制類的實(shí)時(shí)性、安全性要求高，以光纖網(wǎng)絡(luò)承載為主；運(yùn)行檢修類帶寬顆粒大、安全隔離性要求高，以局域無(wú)線和廣域光纖網(wǎng)絡(luò)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(wú)線公網(wǎng)混合承載。而在智能電網(wǎng)的運(yùn)行控制方面，需要通過(guò)“大云物移智鏈”等先進(jìn)技術(shù)與電力技術(shù)深度融合，實(shí)現(xiàn)全業(yè)務(wù)信息感知、全系統(tǒng)協(xié)同控制、全過(guò)程在線決策、全時(shí)空優(yōu)化平衡、全方位負(fù)荷調(diào)度（簡(jiǎn)稱“五全”）。實(shí)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(zhǔn)速算和回傳。
為解決上述問(wèn)題，以超低時(shí)延超高可靠（uRLLC）、大帶寬（eMBB）、大規(guī)模連接（mMTC）三大技術(shù)特性為主的5G通信技術(shù)脫穎而出，成為支撐新型電力系統(tǒng)能源轉(zhuǎn)型的重要戰(zhàn)略資源和新型基礎(chǔ)設(shè)施。
5G的三大發(fā)力點(diǎn)
2021年6月，國(guó)家發(fā)展改革委等相關(guān)部門聯(lián)合印發(fā)了關(guān)于《能源領(lǐng)域5G應(yīng)用實(shí)施方案》的通知，通知中指出，未來(lái)3～5年，我國(guó)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(yīng)用場(chǎng)景，以有效提升能源數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展水平，為構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系提供有力支撐。
其實(shí)早在去年6月，國(guó)家電網(wǎng)有限公司就發(fā)布了“數(shù)字新基建”十大重點(diǎn)建設(shè)任務(wù)，明確未來(lái)將重點(diǎn)聚焦大數(shù)據(jù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、5G、人工智能等領(lǐng)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(jí)的消費(fèi)市場(chǎng)以及數(shù)十億的民生需求，重要性不言而喻。當(dāng)下，5G通信技術(shù)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(hù)場(chǎng)景中，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明超過(guò)85%的停電事故與配電網(wǎng)故障有關(guān)，而5G通信的低延時(shí)、高可靠性技術(shù)優(yōu)勢(shì)則可以大幅度地降低配電網(wǎng)的停電事故幾率。在5G獨(dú)立組網(wǎng)(SA)網(wǎng)絡(luò)下保護(hù)動(dòng)作時(shí)間可縮短至幾十毫秒，策略優(yōu)化后，故障自愈時(shí)間可由數(shù)分鐘降至幾百毫秒，大大減少停電時(shí)間，縮小停電范圍。廣東電網(wǎng)公司在配電網(wǎng)保護(hù)應(yīng)用場(chǎng)景中充分利用5G網(wǎng)絡(luò)的uRLLC特性，搭載5G模組的智能分布式配電自動(dòng)化，通過(guò)配電終端之間點(diǎn)到（多）點(diǎn)通信，改進(jìn)了保護(hù)原理及配置，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)雙端量、多端量保護(hù)，實(shí)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(chǎng)景中，類似機(jī)器人巡檢、無(wú)人機(jī)巡檢等檢修任務(wù)需要高清視頻監(jiān)測(cè)，需將多路4K超高清視頻實(shí)時(shí)回傳，要求網(wǎng)絡(luò)具備大帶寬能力，尤其是提供上行大帶寬業(yè)務(wù)保障，此時(shí)，5G網(wǎng)絡(luò)的高速率、大連接特性和邊緣計(jì)算等技術(shù)便派上用場(chǎng)，同時(shí)引入邊緣計(jì)算技術(shù)，使本作業(yè)區(qū)數(shù)據(jù)在本級(jí)管理區(qū)落地終結(jié)，大大提高了數(shù)據(jù)傳送效率，降低了數(shù)據(jù)時(shí)延。國(guó)網(wǎng)河南省電力公司與國(guó)網(wǎng)天津市電力公司對(duì)于5G在智能巡檢上的應(yīng)用進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證。
在網(wǎng)絡(luò)切片管理場(chǎng)景中，以往4G公網(wǎng)無(wú)法在電力領(lǐng)域進(jìn)行專網(wǎng)應(yīng)用是因?yàn)闊o(wú)法真正實(shí)現(xiàn)資源隔離，而5G網(wǎng)絡(luò)的切片管理可根據(jù)不同業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬、時(shí)延、安全性、可靠性、地理覆蓋范圍等SLA（服務(wù)等級(jí)協(xié)議）需求，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)從一張基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)上“切”出多個(gè)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(wù)提供差異化服務(wù)。目前，5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)不僅可以滿足電網(wǎng)不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)于大帶寬、低時(shí)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(guò)網(wǎng)絡(luò)切片管理平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)能力開放讓電網(wǎng)行業(yè)客戶自運(yùn)維、自管理自己的切片網(wǎng)絡(luò)。國(guó)網(wǎng)青島供電公司和國(guó)網(wǎng)南京供電公司與運(yùn)營(yíng)商合作測(cè)試和驗(yàn)證了網(wǎng)絡(luò)切片在電力行業(yè)的應(yīng)用。
5G落地的挑戰(zhàn)
上述提到5G在電力行業(yè)的應(yīng)用過(guò)程中取得了一定的成效，但是這些試點(diǎn)應(yīng)用都是基于R15軟件版本的5G通信網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備，目前測(cè)試的主要是eMBB類業(yè)務(wù)，網(wǎng)絡(luò)切片功能得到驗(yàn)證。在配電網(wǎng)保護(hù)等低時(shí)延類業(yè)務(wù)測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，時(shí)延不能連續(xù)穩(wěn)定保持10毫秒以內(nèi)，存在時(shí)延抖動(dòng)和重傳現(xiàn)象。海量連接場(chǎng)景沒(méi)有規(guī)模測(cè)試，并發(fā)接入處理能力受網(wǎng)絡(luò)配置的控制信道資源、業(yè)務(wù)信道資源、內(nèi)存硬件資源和系統(tǒng)算力影響，目前還不能全面實(shí)現(xiàn)每平方千米百萬(wàn)級(jí)別的并發(fā)連接。當(dāng)然，如果并發(fā)的界定不是絕對(duì)精準(zhǔn)的同一時(shí)間點(diǎn)，允許毫秒級(jí)的時(shí)間差，系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)就會(huì)容易許多。
應(yīng)該看到，5G在電力行業(yè)落地的挑戰(zhàn)還有很多，因?yàn)閭鹘y(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(shí)時(shí)性容忍度較高，允許延時(shí)重傳（NB-IOT已納入5G標(biāo)準(zhǔn)體系），但是公共資源收斂共享導(dǎo)致其實(shí)時(shí)并發(fā)接入能力不是很強(qiáng)。因此，當(dāng)前利用現(xiàn)有5G公網(wǎng)開展電網(wǎng)5G試點(diǎn)應(yīng)用項(xiàng)目均為eMBB數(shù)據(jù)傳送類業(yè)務(wù)，而基于uRLLC的配電網(wǎng)保護(hù)業(yè)務(wù)，因目前5G現(xiàn)網(wǎng)R15版本并沒(méi)有特殊機(jī)制保障而性能不穩(wěn)；基于mMTC的海量連接類業(yè)務(wù)基本沒(méi)有開展，后兩類業(yè)務(wù)的開展需要R16以后的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)支持，相應(yīng)的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)也會(huì)有針對(duì)電力行業(yè)應(yīng)用專網(wǎng)的特殊設(shè)計(jì)才能保證應(yīng)用。
5G公網(wǎng)在行業(yè)上的應(yīng)用不是4G網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的“盡力而為”，而應(yīng)該是因需而建。在后續(xù)的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品研發(fā)和網(wǎng)絡(luò)部署應(yīng)用中，公、專網(wǎng)兩種模型的沖突處理機(jī)制研究是需要予以重點(diǎn)考慮的。
目前，5G的頻譜利用率較4G提升了3倍，5G網(wǎng)絡(luò)的能效較4G提升了10倍，但是由于數(shù)據(jù)需求的增長(zhǎng)是數(shù)百倍的，因而社會(huì)上產(chǎn)生了對(duì)于5G網(wǎng)絡(luò)基站占用頻帶資源過(guò)寬，單基站能耗偏大的一些認(rèn)識(shí)。隨著相關(guān)基帶調(diào)制技術(shù)和射頻技術(shù)的發(fā)展，相信這些問(wèn)題會(huì)得到解決。
雖然社會(huì)上對(duì)于5G網(wǎng)絡(luò)能耗偏大還有一部分偏差認(rèn)識(shí)，甚至?xí)邪l(fā)展5G與“雙碳”目標(biāo)是否背離的猜測(cè)。但實(shí)際上，因?yàn)?G網(wǎng)絡(luò)承載的數(shù)據(jù)量將會(huì)達(dá)到4G網(wǎng)絡(luò)的數(shù)百倍以上，因此5G網(wǎng)絡(luò)將會(huì)在千行百業(yè)“雙碳”達(dá)標(biāo)過(guò)程中起到強(qiáng)力數(shù)字化支撐保障作用。自5G開始建設(shè)以來(lái)，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本已經(jīng)趨近4G網(wǎng)絡(luò)，但是因?yàn)樾袠I(yè)應(yīng)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(yīng)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(chǔ)設(shè)施，5G技術(shù)是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的重要技術(shù)手段，進(jìn)入5G新基建時(shí)代，5G與電網(wǎng)這兩大超級(jí)基礎(chǔ)設(shè)施的融合促進(jìn)，將引領(lǐng)新的變革。
