本文來自5G行業(yè)應(yīng)用，作者：開山。
電力是關(guān)系國計民生的重要產(chǎn)業(yè)，近年來，在國家雙碳戰(zhàn)略背景下，電力行業(yè)發(fā)生深刻變革，面臨多重挑戰(zhàn)。5G與智能電網(wǎng)性能高度匹配，可在發(fā)電、輸電、變電、配電、用電各個環(huán)節(jié)發(fā)揮重要作用。具體應(yīng)用方面，包括控制類業(yè)務(wù)、采集類業(yè)務(wù)、移動應(yīng)用類業(yè)務(wù)、以及以多站融合為代表的電網(wǎng)型業(yè)務(wù)。
政策推動下，電網(wǎng)公司作為5G智能電網(wǎng)技術(shù)攻關(guān)及工程實(shí)踐的引領(lǐng)者和主導(dǎo)者，已開展了廣泛的研究和實(shí)踐。未來，5G在電力行業(yè)的應(yīng)用雖仍面臨諸多挑戰(zhàn)，但應(yīng)用前景十分廣闊。本文梳理5G賦能電力行業(yè)的背景、主要場景及應(yīng)用實(shí)踐。
背景與痛點(diǎn)
電力是關(guān)系國計民生的重要產(chǎn)業(yè)，是支撐經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施。近年來，在國家雙碳戰(zhàn)略背景下，供需形勢的逆轉(zhuǎn)、負(fù)荷特性的變化和電源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化讓電網(wǎng)調(diào)節(jié)壓力倍增，面臨諸多痛點(diǎn)。具體表現(xiàn)在發(fā)電、輸電、變電、配電、用電各環(huán)節(jié)中：
1.發(fā)電環(huán)節(jié)中，隨著我國新能源發(fā)電的快速發(fā)展，可再生能源發(fā)電的大量并網(wǎng)給電網(wǎng)運(yùn)行、管理帶來新的挑戰(zhàn)。一是可再生能源具有間歇性、隨機(jī)性的特點(diǎn)，二是分布式的深度滲透使配電網(wǎng)由功率單向流動的無源網(wǎng)絡(luò)變?yōu)楣β孰p向流動的有源網(wǎng)絡(luò)。
2.輸電網(wǎng)覆蓋面積大，既有城市的地下電纜，又有高壓線路，傳統(tǒng)以人工巡檢為主，工作效率低下，存在網(wǎng)絡(luò)故障監(jiān)測困難的問題。
3.變電環(huán)節(jié)中傳統(tǒng)的電力生產(chǎn)控制業(yè)務(wù)已基于光纖實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行，但隨著電力物聯(lián)網(wǎng)及智能變電站的業(yè)務(wù)發(fā)展，業(yè)務(wù)呈現(xiàn)出大帶寬、高可靠、移動性等特點(diǎn)，需要考慮引入可靠的無線通信方式解決業(yè)務(wù)接入。
4.配電網(wǎng)主網(wǎng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)光纖覆蓋，但是電網(wǎng)末梢神經(jīng)的配網(wǎng)仍屬于“盲調(diào)”狀態(tài)，由于數(shù)量巨大，造成光纖全覆蓋成本高、時間長、維護(hù)難的問題。
5.用電環(huán)節(jié)中，隨著大規(guī)模配電網(wǎng)自動化、低壓集抄、分布式能源接入、用戶雙向互動等業(yè)務(wù)快速發(fā)展，各類電網(wǎng)設(shè)備、電力終端、用電客戶的通信需求爆發(fā)式增長，傳統(tǒng)光纖專網(wǎng)的建設(shè)成本高、業(yè)務(wù)開通時間長，無法滿足快速靈活的廣域接入需求。
5G賦能電力行業(yè)
5G可在電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)發(fā)揮重要作用
5G特點(diǎn)與智能電網(wǎng)性能高度匹配，對電力行業(yè)而言，5G可促進(jìn)電力系統(tǒng)負(fù)荷特性的優(yōu)化和調(diào)整，大幅提升系統(tǒng)運(yùn)行效率。比如，5G+智能電網(wǎng)不僅能夠大幅降低用戶平均停電時間、有效提升供電可靠性和管理效率。同時，可極大的豐富和擴(kuò)展電網(wǎng)應(yīng)用場景，降本增效，助力電網(wǎng)向綜合能源服務(wù)商轉(zhuǎn)型。
具體來講，5G可以為新型電力系統(tǒng)帶來更靈活經(jīng)濟(jì)、更安全可靠和低時延確定性的網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)，在電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、變電、配電、用電、調(diào)度，以及應(yīng)急通信各個環(huán)節(jié)發(fā)揮重要作用。
1.在發(fā)電環(huán)節(jié)，5G網(wǎng)絡(luò)低時延、大連接特性可實(shí)現(xiàn)發(fā)電廠分布式儲能調(diào)節(jié)能力評估、發(fā)電預(yù)測以及場站運(yùn)行分析等模塊數(shù)據(jù)實(shí)時交互。此外，發(fā)電廠設(shè)備傳感器和高清攝像頭視頻數(shù)據(jù)可通過5G大帶寬能力傳輸?shù)皆破脚_或本地邊緣計算平臺，實(shí)現(xiàn)廠區(qū)無人化巡檢、機(jī)器視覺視頻安防等應(yīng)用。
2.在輸電環(huán)節(jié)，利用5G網(wǎng)絡(luò)大帶寬、高可靠特性可實(shí)現(xiàn)無人機(jī)在架空輸電線路的精細(xì)化、大范圍巡檢。利用5G網(wǎng)絡(luò)低時延特性，可對地下輸電線路走廊隧道機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時精準(zhǔn)控制，實(shí)現(xiàn)接地環(huán)流等監(jiān)測。
3.在變電環(huán)節(jié)，通過將視頻監(jiān)控攝像頭、環(huán)境傳感器等設(shè)備接入5G網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)站內(nèi)變壓器、開關(guān)柜等設(shè)備實(shí)時監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)排除設(shè)備故障。
4.在配電環(huán)節(jié)，5G網(wǎng)絡(luò)能有效滿足配電終端分布廣、采集點(diǎn)多、安全要求高的需求，利用5G網(wǎng)絡(luò)高可靠、低時延特性，可實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)差動保護(hù)、自動化三遙、精準(zhǔn)負(fù)荷控制、配電站設(shè)備及生產(chǎn)安全綜合監(jiān)控等應(yīng)用，保障配電作業(yè)安全。
5.在用電環(huán)節(jié)，利用5G網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)對重要客戶電能質(zhì)量的高頻采集監(jiān)測，解決電力運(yùn)行監(jiān)測成本難題，助力實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量高頻監(jiān)測的規(guī)模部署；同時通過5G網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)充電樁與管理平臺間數(shù)據(jù)交互，促進(jìn)優(yōu)化用電。
主要應(yīng)用場景
目前來看，5G在電力行業(yè)的應(yīng)用包括四大類業(yè)務(wù)場景：控制類業(yè)務(wù)、采集類業(yè)務(wù)、移動應(yīng)用類業(yè)務(wù)、以及多站融合類業(yè)務(wù)。
控制類業(yè)務(wù)中，5G可優(yōu)化能源配置，避免大面積停電以影響企業(yè)和居民，同時滿足配電網(wǎng)實(shí)時動態(tài)數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測；采集類業(yè)務(wù)中，5G可推動收集和提供整個系統(tǒng)的原始用電信息；移動類業(yè)務(wù)中，5G可預(yù)防安全事故和環(huán)境污染，減少人工巡檢工作量，未來還可嘗試帶電操作；多站融合業(yè)務(wù)中，5G技術(shù)將推進(jìn)平臺型、共享型企業(yè)建設(shè)。
精準(zhǔn)負(fù)荷控制
精準(zhǔn)負(fù)荷控制技術(shù)是指當(dāng)多直流饋入電網(wǎng)發(fā)生多直流連續(xù)換相失敗和故障導(dǎo)致直流閉鎖、受端電網(wǎng)有功大幅缺額、頻率急劇下降時，根據(jù)直流損失功率的大小通過精準(zhǔn)控制分散性海量電力用戶可中斷負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與電源、負(fù)荷友好互動，達(dá)到電力供需瞬時平衡，支撐能源大范國優(yōu)化配置，避免了大面積停電的發(fā)生，將電網(wǎng)損失降至最小，對企業(yè)和居民用電的影響降至最低。
精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)整組動作時延越少，恢復(fù)電網(wǎng)故障就越快。因此，對通信的時延是越低越好。對通信的需求中，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)時延、可用性、安全性、可靠性?；?G通信網(wǎng)絡(luò)的精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)由業(yè)務(wù)終端、需求響應(yīng)終端、通信網(wǎng)絡(luò)和主站系統(tǒng)構(gòu)建。其中，業(yè)務(wù)終端通過本地網(wǎng)絡(luò)接入樓宇響應(yīng)終端，需求響應(yīng)終端通過5G通信網(wǎng)絡(luò)接入需求響應(yīng)系統(tǒng)主站。
配網(wǎng)差動保護(hù)業(yè)務(wù)
配網(wǎng)差動保護(hù)技術(shù)作為一種在高壓輸電網(wǎng)中成熟應(yīng)用的電網(wǎng)技術(shù)，可以很好地解決分布電源接入對配電網(wǎng)帶來的諸多困擾。其原理是配電差動保護(hù)終端比較兩端或多端同時刻電流值（矢量），當(dāng)電流差值超過整定值時判定為故障發(fā)生，斷開其中的斷路器或開關(guān)，執(zhí)行差動保護(hù)動作，從而實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)故障的精確定位和隔離。
5G+配網(wǎng)差動保護(hù)通過5G工業(yè)級授時CPE和5G+配網(wǎng)差動保護(hù)終端，監(jiān)測配電線路兩端節(jié)點(diǎn)實(shí)時電流值，并進(jìn)行交互比對，判斷連接線路是否出現(xiàn)故障。一旦發(fā)現(xiàn)故障，快速定位并切斷故障線路，完成故障隔離，避免連鎖反應(yīng)。同時可實(shí)時啟動備用線路，通過線路切換實(shí)現(xiàn)故障恢復(fù)。
輸電線路智能巡檢及安全監(jiān)測
傳統(tǒng)的電力輸電線路巡檢為人工方式，需要專門配備電力人員定期到現(xiàn)場查勘線路、設(shè)備運(yùn)行情況，然而傳統(tǒng)巡檢方式一是部分施工地點(diǎn)危險性高、巡檢難度大，例如野外高壓輸電線路需要定期進(jìn)行物理特性檢查，一般兩個桿塔之間的線路長度在200至500米，巡檢范圍數(shù)公里長；二是人工作業(yè)存在效率低、不確定性等問題。因此，人工巡檢逐漸由無人機(jī)、機(jī)器人等智能巡檢方式代替。
當(dāng)前智能巡檢設(shè)備通過內(nèi)嵌的5G模組或5G CPE等網(wǎng)關(guān)設(shè)備接入5G網(wǎng)絡(luò)，將設(shè)備上攝像頭、傳感器采集的巡檢現(xiàn)場數(shù)據(jù)，通過5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)時回傳至邊緣云平臺，經(jīng)由邊緣云平臺的圖像識別、深度學(xué)習(xí)等智能技術(shù)和算法處理，綜合判斷得出巡檢結(jié)果，取代人工現(xiàn)場巡檢，實(shí)現(xiàn)巡檢無人化與智能化。
多站融合業(yè)務(wù)
多站融合業(yè)務(wù)充分利用變電站、新能源場站、儲能站、電動汽車充電站、供電營業(yè)廳所、抽水蓄能電站等場地環(huán)境，建設(shè)不同等級和應(yīng)用場景的數(shù)據(jù)中心站。數(shù)據(jù)中心站提供變電站數(shù)據(jù)的本地存儲與邊緣計算能力，網(wǎng)絡(luò)邊緣計算作為云計算的延伸，通過把云計算平臺及其能力遷移到變電站、新能源場站等網(wǎng)絡(luò)邊緣，具備對高帶寬、低時延、本地化業(yè)務(wù)的更強(qiáng)支撐功能，向社會提供資源共享服務(wù)。
多站融合是探索利用變電站資源建設(shè)運(yùn)營數(shù)據(jù)中心站、5G基站、北斗地基增強(qiáng)站、充電樁、儲能站等，對內(nèi)支撐堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)業(yè)務(wù)，對外拓展能源服務(wù)渠道，助力電力物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，推進(jìn)電力企業(yè)搭建共享平臺，更好的為社會創(chuàng)造價值。
典型案例
2020年3月，工信部與國家發(fā)改委印發(fā)《關(guān)于組織實(shí)施2020年新型基礎(chǔ)建設(shè)工程（寬帶網(wǎng)絡(luò)和5G領(lǐng)域）的通知》，明確提出了重點(diǎn)支持面向智能電網(wǎng)等七大領(lǐng)域的5G創(chuàng)新應(yīng)用。通知指出在面向智能電網(wǎng)的5G新技術(shù)規(guī)?；瘧?yīng)用方面，將基于5G新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及智能電網(wǎng)場景，開展5G端到端網(wǎng)絡(luò)切片及資源調(diào)度系統(tǒng)研發(fā)。
在國家政策推動下，各地紛紛提出了5G智能電網(wǎng)建設(shè)計劃。電網(wǎng)公司作為5G智能電網(wǎng)技術(shù)攻關(guān)及工程實(shí)踐的引領(lǐng)者和主導(dǎo)者，開展了廣泛的5G業(yè)務(wù)研究和應(yīng)用實(shí)踐，包括5G智能電網(wǎng)假設(shè)、控制類業(yè)務(wù)如配網(wǎng)差動保護(hù)、移動巡檢類業(yè)務(wù)如視頻交互等。
國家電網(wǎng)
國家電網(wǎng)積極與聯(lián)通、電信等運(yùn)營商開展合作，基于“5G+”思維創(chuàng)新開展信息采集智能巡檢、智慧監(jiān)控、綜合管理等應(yīng)用方案。
5G虛擬測量方面，國網(wǎng)北京市電力公司與中國聯(lián)通、中國電科院合作，在北京市開展了“5G虛擬測量平合”項(xiàng)目建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)現(xiàn)場監(jiān)測場景的應(yīng)用。用電環(huán)節(jié)通過5G虛擬測量平合，以12.8K的采樣率，對電能質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測。利用5G的技術(shù)特點(diǎn)，將儀表的分析部分云化部署，前端只保留采集裝置，解決了傳統(tǒng)采集裝置功能復(fù)雜、成本高的問題，將儀表設(shè)備成本降低90%。有效解決了電力運(yùn)行監(jiān)測成本行業(yè)性難題，有力推動了電能質(zhì)量監(jiān)測的規(guī)模部署，己在服貿(mào)會、石景山、延慶冬奧測試賽中廣泛應(yīng)用。
5G+北斗智能巡檢方面，2021年2月，國家電網(wǎng)與中國電信合作，在山東省青島市開展“5G+北斗智能巡檢無人機(jī)”項(xiàng)目建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了無人智能巡檢場景的應(yīng)用。項(xiàng)目新建5G獨(dú)立組網(wǎng)（SA）網(wǎng)絡(luò)，完成了5G SA專網(wǎng)的圖傳模塊研發(fā)，引入北斗服務(wù)，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)巡檢數(shù)據(jù)安全、實(shí)時、可靠回傳，解決傳統(tǒng)輸變線路巡檢耗時長、耗人多、工作環(huán)境惡劣的問題，改善一線工人的工作環(huán)境，大幅降低安全風(fēng)險。同時，采用圖像智能識別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)自主巡檢、圖像實(shí)時傳輸、缺陷智能識別、輔助決策輸出等功能，解決了困擾無人機(jī)巡檢操作難、回傳難、分析難的問題，大尺寸缺陷識別準(zhǔn)確率達(dá)99%、小尺寸識別準(zhǔn)確率達(dá)40%，工作效率提升百倍以上。
5G電力虛擬專網(wǎng)綜合管理平合方面，2021年5月，國網(wǎng)浙江省電力有限公司上線全國首個5G電力虛擬專網(wǎng)綜合管理平合，實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)行業(yè)SIM卡管理、5G終端管理、5G用戶面核心網(wǎng)設(shè)備管理和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控等功能的整合和綜合應(yīng)用。為滿足電力調(diào)度、電網(wǎng)平衡對源網(wǎng)荷儲海量資源的敏捷響應(yīng)、精準(zhǔn)控制需求，國網(wǎng)浙江電力開展5G公網(wǎng)電力應(yīng)用示范，基于運(yùn)營商5G公網(wǎng)，利用網(wǎng)絡(luò)切片、邊緣計算等先進(jìn)技術(shù)打造安全可號的5G電力虛擬專用網(wǎng)絡(luò)。5G電力虛擬專網(wǎng)綜合管理乎合是電力企業(yè)實(shí)現(xiàn)5G電力虛擬專網(wǎng)資源可視、可管的重要手段，對手保障5G公網(wǎng)承找電力業(yè)務(wù)可靠性和安全性具有重要意義。
南方電網(wǎng)
2022年8月，南方電網(wǎng)5G智能電網(wǎng)項(xiàng)目成功入選2022年世界5G大會5G十大應(yīng)用案例。該項(xiàng)目從2018年起，從電力5G虛擬專網(wǎng)頂層設(shè)計、關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)、技術(shù)驗(yàn)證、行標(biāo)企標(biāo)、安全論證、業(yè)務(wù)落地等方面推動5G與數(shù)字電網(wǎng)融合發(fā)展，提出5G高精度授時、虛擬專網(wǎng)端到端資源保障、5G局域網(wǎng)透明傳送、1%PRB資源預(yù)留、5G切片資源自管理等技術(shù)，全面孵化驗(yàn)證54個業(yè)務(wù)場景，涵蓋電力發(fā)、輸、變、配、用、綜合各個環(huán)節(jié)，并形成規(guī)?；瘧?yīng)用重點(diǎn)場景24個，已完成5G終端上線6000多個。2022年下半年，5G+數(shù)字電網(wǎng)示范區(qū)的應(yīng)用成果將復(fù)制推廣到東莞、珠海、江門、湛江、茂名、汕頭、潮州、清遠(yuǎn)、云浮等9個地市，5G技術(shù)與電力場景融合的深度、廣度將達(dá)到新的水平。
目前項(xiàng)目完成了行業(yè)首個基于R16標(biāo)準(zhǔn)的5G精確授時功能驗(yàn)證，首個廣域電力5G切片虛擬專網(wǎng)上線，首個基于現(xiàn)有電力網(wǎng)絡(luò)的差動保護(hù)業(yè)務(wù)投入運(yùn)行，發(fā)布了行業(yè)首個支持高精度授時的CPE終端，標(biāo)準(zhǔn)方面，項(xiàng)目孵化了3GPP國際標(biāo)準(zhǔn)20多項(xiàng)提案和南方電網(wǎng)一系列5G應(yīng)用企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在業(yè)務(wù)應(yīng)用方面，項(xiàng)目已完成現(xiàn)網(wǎng)54種5G業(yè)務(wù)54個場景的端到端商用驗(yàn)證，其中重點(diǎn)場景24個，5G終端投放超過6000個。
發(fā)展展望
雖然5G在電力行業(yè)的應(yīng)用仍面臨諸多問題，比如安全性與電力業(yè)務(wù)適配仍需驗(yàn)證、商用價值與成本的平衡尚待摸索、部分業(yè)務(wù)商業(yè)模式有待進(jìn)一步清晰等，但是，未來5G在電力行業(yè)的應(yīng)用前景廣闊，據(jù)德勤估算，2026年，5G將為能源產(chǎn)業(yè)帶來2500億美元的數(shù)字化市場規(guī)模。
短期內(nèi)，利用5G替換原有無線系統(tǒng)或有線網(wǎng)絡(luò)，將成為5G+智慧電力主要發(fā)展的應(yīng)用類型。在輸、變電環(huán)節(jié)，以5G無人機(jī)/機(jī)器人巡檢為代表的新型運(yùn)維應(yīng)用將支撐監(jiān)控、作業(yè)、安防向智能化、可視化、高清化升級。用電環(huán)節(jié)的電力充電樁、電能質(zhì)量監(jiān)測等應(yīng)用目前已逐步投入應(yīng)用，這類業(yè)務(wù)可在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用復(fù)制推廣。
配電環(huán)節(jié)的配電自動化等控制類業(yè)務(wù)，由于具備較高安全性和可靠性要求，現(xiàn)處于探索驗(yàn)證階段，長期來看，隨著5G SA網(wǎng)絡(luò)的全面覆蓋以及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的不斷演進(jìn)和完善，精準(zhǔn)負(fù)荷控制、配網(wǎng)差動保護(hù)等整合變革類應(yīng)用將全面賦能智能電網(wǎng)，電力核心的控制類業(yè)務(wù)深度融合，全面提升控制類業(yè)務(wù)的精準(zhǔn)度。
參考資料
1.《信通院，5G應(yīng)用創(chuàng)新發(fā)展白皮書》
2.《5G電力虛擬專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)安全白皮書》
3.《德勤，5G賦能未來電力》
4.《信通院，基于5G的能源電力行業(yè)應(yīng)用發(fā)展研究》
