新型電力系統(tǒng)的通信需求
新型電力系統(tǒng)在演進升級過程中，電源趨于清潔化、電網趨于智能化、用戶趨于電氣化。一方面，隨著新能源發(fā)電裝機容量和發(fā)電電量的提升，大容量型集中式新能源場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涌現，兩類新能源發(fā)電的間歇性和隨機性將對電網并網的安全性提出嚴峻挑戰(zhàn)。想要解決并網這一難題，需要接入大量的新能源場站氣象信息和運行信息，并做出實時功率預測計算與電網交互。另一方面，用戶側用電量和最大負荷在未來也將呈現雙極增長，電力負荷峰谷差增速明顯，單純靠擴容滿足最大負荷增長將造成極大的資源投入和浪費，因此，利用在線調節(jié)手段實現負荷優(yōu)化運行勢在必行。
而處于電源和用戶之間的電網，無論從新能源電源接入消納、負荷側尖峰抑制，還是從電網的穩(wěn)定高效運行方面來看，都需要向高效的、疊加了信息化功能的智能電網轉型升級。因此，不難看出，打造堅強智能電網系統(tǒng)是構建新型電力系統(tǒng)的關鍵，而適應智能電網需求的信息通信系統(tǒng)領域的各項關鍵技術手段尤其重要。
一般而言，傳統(tǒng)電網的信息通信需求主要包括調度控制類、運行檢修類和用戶數據采集類。調度控制類的實時性、安全性要求高，以光纖網絡承載為主；運行檢修類帶寬顆粒大、安全隔離性要求高，以局域無線和廣域光纖網絡承載為主；用戶數據采集類數量大、分布廣，以近距離物聯接入和無線公網混合承載。而在智能電網的運行控制方面，需要通過“大云物移智鏈”等先進技術與電力技術深度融合，實現全業(yè)務信息感知、全系統(tǒng)協(xié)同控制、全過程在線決策、全時空優(yōu)化平衡、全方位負荷調度（簡稱“五全”）。實現“五全”需要在輸電、變電、配電和用電各環(huán)節(jié)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。
為解決上述問題，以超低時延超高可靠（uRLLC）、大帶寬（eMBB）、大規(guī)模連接（mMTC）三大技術特性為主的5G通信技術脫穎而出，成為支撐新型電力系統(tǒng)能源轉型的重要戰(zhàn)略資源和新型基礎設施。
5G的三大發(fā)力點
2021年6月，國家發(fā)展改革委等相關部門聯合印發(fā)了關于《能源領域5G應用實施方案》的通知，通知中指出，未來3～5年，我國將圍繞智能電廠、智能電網、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典型應用場景，以有效提升能源數字化、網絡化、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。
其實早在去年6月，國家電網有限公司就發(fā)布了“數字新基建”十大重點建設任務，明確未來將重點聚焦大數據、工業(yè)互聯網、5G、人工智能等領域，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)，電網一端連接著能源命脈，另一端連接著不斷升級的消費市場以及數十億的民生需求，重要性不言而喻。當下，5G通信技術成為保障電網安全、穩(wěn)定的又一大利器。
在配電網保護場景中，統(tǒng)計數據表明超過85%的停電事故與配電網故障有關，而5G通信的低延時、高可靠性技術優(yōu)勢則可以大幅度地降低配電網的停電事故幾率。在5G獨立組網(SA)網絡下保護動作時間可縮短至幾十毫秒，策略優(yōu)化后，故障自愈時間可由數分鐘降至幾百毫秒，大大減少停電時間，縮小停電范圍。廣東電網公司在配電網保護應用場景中充分利用5G網絡的uRLLC特性，搭載5G模組的智能分布式配電自動化，通過配電終端之間點到（多）點通信，改進了保護原理及配置，實現配電網雙端量、多端量保護，實現快速可靠隔離電網故障，提升了供電可靠性。
在智能變電站場景中，類似機器人巡檢、無人機巡檢等檢修任務需要高清視頻監(jiān)測，需將多路4K超高清視頻實時回傳，要求網絡具備大帶寬能力，尤其是提供上行大帶寬業(yè)務保障，此時，5G網絡的高速率、大連接特性和邊緣計算等技術便派上用場，同時引入邊緣計算技術，使本作業(yè)區(qū)數據在本級管理區(qū)落地終結，大大提高了數據傳送效率，降低了數據時延。國網河南省電力公司與國網天津市電力公司對于5G在智能巡檢上的應用進行了測試驗證。
在網絡切片管理場景中，以往4G公網無法在電力領域進行專網應用是因為無法真正實現資源隔離，而5G網絡的切片管理可根據不同業(yè)務對網絡帶寬、時延、安全性、可靠性、地理覆蓋范圍等SLA（服務等級協(xié)議）需求，通過網絡切片技術從一張基礎網絡上“切”出多個相互隔離的、安全的、SLA可保障的虛擬專網，為不同的業(yè)務提供差異化服務。目前，5G網絡切片技術不僅可以滿足電網不同應用場景對于大帶寬、低時延、大連接、安全性、可靠性、隔離性、SLA保障的不同需求，還能通過網絡切片管理平臺和網絡能力開放讓電網行業(yè)客戶自運維、自管理自己的切片網絡。國網青島供電公司和國網南京供電公司與運營商合作測試和驗證了網絡切片在電力行業(yè)的應用。
5G落地的挑戰(zhàn)
上述提到5G在電力行業(yè)的應用過程中取得了一定的成效，但是這些試點應用都是基于R15軟件版本的5G通信網絡和設備，目前測試的主要是eMBB類業(yè)務，網絡切片功能得到驗證。在配電網保護等低時延類業(yè)務測試中發(fā)現，時延不能連續(xù)穩(wěn)定保持10毫秒以內，存在時延抖動和重傳現象。海量連接場景沒有規(guī)模測試，并發(fā)接入處理能力受網絡配置的控制信道資源、業(yè)務信道資源、內存硬件資源和系統(tǒng)算力影響，目前還不能全面實現每平方千米百萬級別的并發(fā)連接。當然，如果并發(fā)的界定不是絕對精準的同一時間點，允許毫秒級的時間差，系統(tǒng)的實現就會容易許多。
應該看到，5G在電力行業(yè)落地的挑戰(zhàn)還有很多，因為傳統(tǒng)電力系統(tǒng)是典型的工業(yè)系統(tǒng)，各方生產要素是約束性的，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網實時性容忍度較高，允許延時重傳（NB-IOT已納入5G標準體系），但是公共資源收斂共享導致其實時并發(fā)接入能力不是很強。因此，當前利用現有5G公網開展電網5G試點應用項目均為eMBB數據傳送類業(yè)務，而基于uRLLC的配電網保護業(yè)務，因目前5G現網R15版本并沒有特殊機制保障而性能不穩(wěn)；基于mMTC的海量連接類業(yè)務基本沒有開展，后兩類業(yè)務的開展需要R16以后的技術標準支持，相應的5G網絡架構也會有針對電力行業(yè)應用專網的特殊設計才能保證應用。
5G公網在行業(yè)上的應用不是4G網絡時代的“盡力而為”，而應該是因需而建。在后續(xù)的標準產品研發(fā)和網絡部署應用中，公、專網兩種模型的沖突處理機制研究是需要予以重點考慮的。
目前，5G的頻譜利用率較4G提升了3倍，5G網絡的能效較4G提升了10倍，但是由于數據需求的增長是數百倍的，因而社會上產生了對于5G網絡基站占用頻帶資源過寬，單基站能耗偏大的一些認識。隨著相關基帶調制技術和射頻技術的發(fā)展，相信這些問題會得到解決。
雖然社會上對于5G網絡能耗偏大還有一部分偏差認識，甚至會有發(fā)展5G與“雙碳”目標是否背離的猜測。但實際上，因為5G網絡承載的數據量將會達到4G網絡的數百倍以上，因此5G網絡將會在千行百業(yè)“雙碳”達標過程中起到強力數字化支撐保障作用。自5G開始建設以來，網絡建設成本已經趨近4G網絡，但是因為行業(yè)應用尚少，終端模組受規(guī)模限制成本還有很大下降空間，需要產業(yè)鏈各環(huán)節(jié)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生產生活必不可少的兩大基礎設施，5G技術是構建新型電力系統(tǒng)的重要技術手段，進入5G新基建時代，5G與電網這兩大超級基礎設施的融合促進，將引領新的變革。
