新型電力系統的通信需求
新型電力系統在演進(jìn)升級過(guò)程中，電源趨于清潔化、電網(wǎng)趨于智能化、用戶(hù)趨于電氣化。一方面，隨著(zhù)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(chǎng)站和海量泛在的園區家庭分布式小型新能源電站將在未來(lái)涌現，兩類(lèi)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。想要解決并網(wǎng)這一難題，需要接入大量的新能源場(chǎng)站氣象信息和運行信息，并做出實(shí)時(shí)功率預測計算與電網(wǎng)交互。另一方面，用戶(hù)側用電量和最大負荷在未來(lái)也將呈現雙極增長(cháng)，電力負荷峰谷差增速明顯，單純靠擴容滿(mǎn)足最大負荷增長(cháng)將造成極大的資源投入和浪費，因此，利用在線(xiàn)調節手段實(shí)現負荷優(yōu)化運行勢在必行。
而處于電源和用戶(hù)之間的電網(wǎng)，無(wú)論從新能源電源接入消納、負荷側尖峰抑制，還是從電網(wǎng)的穩定高效運行方面來(lái)看，都需要向高效的、疊加了信息化功能的智能電網(wǎng)轉型升級。因此，不難看出，打造堅強智能電網(wǎng)系統是構建新型電力系統的關(guān)鍵，而適應智能電網(wǎng)需求的信息通信系統領(lǐng)域的各項關(guān)鍵技術(shù)手段尤其重要。
一般而言，傳統電網(wǎng)的信息通信需求主要包括調度控制類(lèi)、運行檢修類(lèi)和用戶(hù)數據采集類(lèi)。調度控制類(lèi)的實(shí)時(shí)性、安全性要求高，以光纖網(wǎng)絡(luò )承載為主；運行檢修類(lèi)帶寬顆粒大、安全隔離性要求高，以局域無(wú)線(xiàn)和廣域光纖網(wǎng)絡(luò )承載為主；用戶(hù)數據采集類(lèi)數量大、分布廣，以近距離物聯(lián)接入和無(wú)線(xiàn)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(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)現全業(yè)務(wù)信息感知、全系統協(xié)同控制、全過(guò)程在線(xiàn)決策、全時(shí)空優(yōu)化平衡、全方位負荷調度（簡(jiǎn)稱(chēng)“五全”）。實(shí)現“五全”需要在輸電、變電、配電和用電各環(huán)節擁有海量數據信息的采集，并且這些數據能夠高效傳送、精準速算和回傳。
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能源轉型的重要戰略資源和新型基礎設施。
5G的三大發(fā)力點(diǎn)
2021年6月，國家發(fā)展改革委等相關(guān)部門(mén)聯(lián)合印發(fā)了關(guān)于《能源領(lǐng)域5G應用實(shí)施方案》的通知，通知中指出，未來(lái)3～5年，我國將圍繞智能電廠(chǎng)、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(chǎng)景，以有效提升能源數字化、網(wǎng)絡(luò )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(shí)早在去年6月，國家電網(wǎng)有限公司就發(fā)布了“數字新基建”十大重點(diǎn)建設任務(wù)，明確未來(lái)將重點(diǎn)聚焦大數據、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略合作協(xié)議。
作為“六?！薄傲€”的重要一環(huán)，電網(wǎng)一端連接著(zhù)能源命脈，另一端連接著(zhù)不斷升級的消費市場(chǎng)以及數十億的民生需求，重要性不言而喻。當下，5G通信技術(shù)成為保障電網(wǎng)安全、穩定的又一大利器。
在配電網(wǎng)保護場(chǎng)景中，統計數據表明超過(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(luò )下保護動(dòng)作時(shí)間可縮短至幾十毫秒，策略?xún)?yōu)化后，故障自愈時(shí)間可由數分鐘降至幾百毫秒，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)保護應用場(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)了保護原理及配置，實(shí)現配電網(wǎng)雙端量、多端量保護，實(shí)現快速可靠隔離電網(wǎng)故障，提升了供電可靠性。
在智能變電站場(chǎng)景中，類(lèi)似機器人巡檢、無(wú)人機巡檢等檢修任務(wù)需要高清視頻監測，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算等技術(shù)便派上用場(chǎng)，同時(shí)引入邊緣計算技術(shù)，使本作業(yè)區數據在本級管理區落地終結，大大提高了數據傳送效率，降低了數據時(shí)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(jìn)行了測試驗證。
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(zhuān)網(wǎng)應用是因為無(wú)法真正實(shí)現資源隔離，而5G網(wǎng)絡(luò )的切片管理可根據不同業(yè)務(wù)對網(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)等級協(xié)議）需求，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )切片技術(shù)從一張基礎網(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(zhuān)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(mǎn)足電網(wǎng)不同應用場(chǎng)景對于大帶寬、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 )切片管理平臺和網(wǎng)絡(luò )能力開(kāi)放讓電網(wǎng)行業(yè)客戶(hù)自運維、自管理自己的切片網(wǎng)絡(luò )。國網(wǎng)青島供電公司和國網(wǎng)南京供電公司與運營(yíng)商合作測試和驗證了網(wǎng)絡(luò )切片在電力行業(yè)的應用。
5G落地的挑戰
上述提到5G在電力行業(yè)的應用過(guò)程中取得了一定的成效，但是這些試點(diǎn)應用都是基于R15軟件版本的5G通信網(wǎng)絡(luò )和設備，目前測試的主要是eMBB類(lèi)業(yè)務(wù)，網(wǎng)絡(luò )切片功能得到驗證。在配電網(wǎng)保護等低時(shí)延類(lèi)業(yè)務(wù)測試中發(fā)現，時(shí)延不能連續穩定保持10毫秒以?xún)?，存在時(shí)延抖動(dòng)和重傳現象。海量連接場(chǎng)景沒(méi)有規模測試，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、內存硬件資源和系統算力影響，目前還不能全面實(shí)現每平方千米百萬(wàn)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(shí)間點(diǎn)，允許毫秒級的時(shí)間差，系統的實(shí)現就會(huì )容易許多。
應該看到，5G在電力行業(yè)落地的挑戰還有很多，因為傳統電力系統是典型的工業(yè)系統，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標準體系），但是公共資源收斂共享導致其實(shí)時(shí)并發(fā)接入能力不是很強。因此，當前利用現有5G公網(wǎng)開(kāi)展電網(wǎng)5G試點(diǎn)應用項目均為eMBB數據傳送類(lèi)業(yè)務(wù)，而基于uRLLC的配電網(wǎng)保護業(yè)務(wù)，因目前5G現網(wǎng)R15版本并沒(méi)有特殊機制保障而性能不穩；基于mMTC的海量連接類(lèi)業(yè)務(wù)基本沒(méi)有開(kāi)展，后兩類(lèi)業(yè)務(wù)的開(kāi)展需要R16以后的技術(shù)標準支持，相應的5G網(wǎng)絡(luò )架構也會(huì )有針對電力行業(yè)應用專(zhuān)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(luò )時(shí)代的“盡力而為”，而應該是因需而建。在后續的標準產(chǎn)品研發(fā)和網(wǎng)絡(luò )部署應用中，公、專(zhuān)網(wǎng)兩種模型的沖突處理機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，但是由于數據需求的增長(cháng)是數百倍的，因而社會(huì )上產(chǎn)生了對于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識。隨著(zhù)相關(guān)基帶調制技術(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 )上對于5G網(wǎng)絡(luò )能耗偏大還有一部分偏差認識，甚至會(huì )有發(fā)展5G與“雙碳”目標是否背離的猜測。但實(shí)際上，因為5G網(wǎng)絡(luò )承載的數據量將會(huì )達到4G網(wǎng)絡(luò )的數百倍以上，因此5G網(wǎng)絡(luò )將會(huì )在千行百業(yè)“雙碳”達標過(guò)程中起到強力數字化支撐保障作用。自5G開(kāi)始建設以來(lái)，網(wǎng)絡(luò )建設成本已經(jīng)趨近4G網(wǎng)絡(luò )，但是因為行業(yè)應用尚少，終端模組受規模限制成本還有很大下降空間，需要產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節企業(yè)共同努力，降低成本。
電力供應與信息通信是現代人類(lèi)生產(chǎn)生活必不可少的兩大基礎設施，5G技術(shù)是構建新型電力系統的重要技術(shù)手段，進(jìn)入5G新基建時(shí)代，5G與電網(wǎng)這兩大超級基礎設施的融合促進(jìn)，將引領(lǐng)新的變革。
