“电力+5G”应因需而建

发布日期:2021-07-20· 能源评论•首席能源观 马开志

5G网络切片技术不仅可以满足电网不同应用场景对于大带宽、低时延、大连接、安全性、可靠性、隔离性、SLA保障的不同需求。广东电网公司在配电网保护应用场景中充分利用5G网络的uRLLC特性。5G技术是构建新型电力系统的重要技术手段。

2021年3月15日,中央财经委员会第九次会议上部署了未来能源领域的重点工作并指出,“十四五”是碳达峰的关键期、窗口期,要构建清洁低碳安全高效的能源体系,控制化石能源总量,着力提高能源利用能效,实施可再生能源替代行动,深化电力体制改革,构建以新能源为主体的新型电力系统。

新型电力系统的通信需求

新型电力系统在演进升级过程中,电源趋于清洁化、电网趋于智能化、用户趋于电气化。一方面,随着新能源发电装机容量和发电电量的提升,大容量型集中式新能源场站和海量泛在的园区家庭分布式小型新能源电站将在未来涌现,两类新能源发电的间歇性和随机性将对电网并网的安全性提出严峻挑战。想要解决并网这一难题,需要接入大量的新能源场站气象信息和运行信息,并做出实时功率预测计算与电网交互。另一方面,用户侧用电量和最大负荷在未来也将呈现双极增长,电力负荷峰谷差增速明显,单纯靠扩容满足最大负荷增长将造成极大的资源投入和浪费,因此,利用在线调节手段实现负荷优化运行势在必行。

而处于电源和用户之间的电网,无论从新能源电源接入消纳、负荷侧尖峰抑制,还是从电网的稳定高效运行方面来看,都需要向高效的、叠加了信息化功能的智能电网转型升级。因此,不难看出,打造坚强智能电网系统是构建新型电力系统的关键,而适应智能电网需求的信息通信系统领域的各项关键技术手段尤其重要。

一般而言,传统电网的信息通信需求主要包括调度控制类、运行检修类和用户数据采集类。调度控制类的实时性、安全性要求高,以光纤网络承载为主;运行检修类带宽颗粒大、安全隔离性要求高,以局域无线和广域光纤网络承载为主;用户数据采集类数量大、分布广,以近距离物联接入和无线公网混合承载。而在智能电网的运行控制方面,需要通过“大云物移智链”等先进技术与电力技术深度融合,实现全业务信息感知、全系统协同控制、全过程在线决策、全时空优化平衡、全方位负荷调度(简称“五全”)。实现“五全”需要在输电、变电、配电和用电各环节拥有海量数据信息的采集,并且这些数据能够高效传送、精准速算和回传。

为解决上述问题,以超低时延超高可靠(uRLLC)、大带宽(eMBB)、大规模连接(mMTC)三大技术特性为主的5G通信技术脱颖而出,成为支撑新型电力系统能源转型的重要战略资源和新型基础设施。

5G的三大发力点

2021年6月,国家发展改革委等相关部门联合印发了关于《能源领域5G应用实施方案》的通知,通知中指出,未来3~5年,我国将围绕智能电厂、智能电网、智能煤矿、智能油气、综合能源、智能制造与建造等方面拓展一批5G典型应用场景,以有效提升能源数字化、网络化、智能化发展水平,为构建清洁低碳、安全高效的能源体系提供有力支撑。

其实早在去年6月,国家电网有限公司就发布了“数字新基建”十大重点建设任务,明确未来将重点聚焦大数据、工业互联网、5G、人工智能等领域,并与华为、阿里、腾讯、百度等41家合作伙伴签署了战略合作协议。

作为“六保”“六稳”的重要一环,电网一端连接着能源命脉,另一端连接着不断升级的消费市场以及数十亿的民生需求,重要性不言而喻。当下,5G通信技术成为保障电网安全、稳定的又一大利器。

在配电网保护场景中,统计数据表明超过85%的停电事故与配电网故障有关,而5G通信的低延时、高可靠性技术优势则可以大幅度地降低配电网的停电事故几率。在5G独立组网(SA)网络下保护动作时间可缩短至几十毫秒,策略优化后,故障自愈时间可由数分钟降至几百毫秒,大大减少停电时间,缩小停电范围。广东电网公司在配电网保护应用场景中充分利用5G网络的uRLLC特性,搭载5G模组的智能分布式配电自动化,通过配电终端之间点到(多)点通信,改进了保护原理及配置,实现配电网双端量、多端量保护,实现快速可靠隔离电网故障,提升了供电可靠性。

在智能变电站场景中,类似机器人巡检、无人机巡检等检修任务需要高清视频监测,需将多路4K超高清视频实时回传,要求网络具备大带宽能力,尤其是提供上行大带宽业务保障,此时,5G网络的高速率、大连接特性和边缘计算等技术便派上用场,同时引入边缘计算技术,使本作业区数据在本级管理区落地终结,大大提高了数据传送效率,降低了数据时延。国网河南省电力公司与国网天津市电力公司对于5G在智能巡检上的应用进行了测试验证。

在网络切片管理场景中,以往4G公网无法在电力领域进行专网应用是因为无法真正实现资源隔离,而5G网络的切片管理可根据不同业务对网络带宽、时延、安全性、可靠性、地理覆盖范围等SLA(服务等级协议)需求,通过网络切片技术从一张基础网络上“切”出多个相互隔离的、安全的、SLA可保障的虚拟专网,为不同的业务提供差异化服务。目前,5G网络切片技术不仅可以满足电网不同应用场景对于大带宽、低时延、大连接、安全性、可靠性、隔离性、SLA保障的不同需求,还能通过网络切片管理平台和网络能力开放让电网行业客户自运维、自管理自己的切片网络。国网青岛供电公司和国网南京供电公司与运营商合作测试和验证了网络切片在电力行业的应用。

5G落地的挑战

上述提到5G在电力行业的应用过程中取得了一定的成效,但是这些试点应用都是基于R15软件版本的5G通信网络和设备,目前测试的主要是eMBB类业务,网络切片功能得到验证。在配电网保护等低时延类业务测试中发现,时延不能连续稳定保持10毫秒以内,存在时延抖动和重传现象。海量连接场景没有规模测试,并发接入处理能力受网络配置的控制信道资源、业务信道资源、内存硬件资源和系统算力影响,目前还不能全面实现每平方千米百万级别的并发连接。当然,如果并发的界定不是绝对精准的同一时间点,允许毫秒级的时间差,系统的实现就会容易许多。

应该看到,5G在电力行业落地的挑战还有很多,因为传统电力系统是典型的工业系统,各方生产要素是约束性的,安全冗余度较高,而信息通信系统建立的模型是共享高效的,具备海量连接能力的物联网实时性容忍度较高,允许延时重传(NB-IOT已纳入5G标准体系),但是公共资源收敛共享导致其实时并发接入能力不是很强。因此,当前利用现有5G公网开展电网5G试点应用项目均为eMBB数据传送类业务,而基于uRLLC的配电网保护业务,因目前5G现网R15版本并没有特殊机制保障而性能不稳;基于mMTC的海量连接类业务基本没有开展,后两类业务的开展需要R16以后的技术标准支持,相应的5G网络架构也会有针对电力行业应用专网的特殊设计才能保证应用。

5G公网在行业上的应用不是4G网络时代的“尽力而为”,而应该是因需而建。在后续的标准产品研发和网络部署应用中,公、专网两种模型的冲突处理机制研究是需要予以重点考虑的。

目前,5G的频谱利用率较4G提升了3倍,5G网络的能效较4G提升了10倍,但是由于数据需求的增长是数百倍的,因而社会上产生了对于5G网络基站占用频带资源过宽,单基站能耗偏大的一些认识。随着相关基带调制技术和射频技术的发展,相信这些问题会得到解决。

虽然社会上对于5G网络能耗偏大还有一部分偏差认识,甚至会有发展5G与“双碳”目标是否背离的猜测。但实际上,因为5G网络承载的数据量将会达到4G网络的数百倍以上,因此5G网络将会在千行百业“双碳”达标过程中起到强力数字化支撑保障作用。自5G开始建设以来,网络建设成本已经趋近4G网络,但是因为行业应用尚少,终端模组受规模限制成本还有很大下降空间,需要产业链各环节企业共同努力,降低成本。

电力供应与信息通信是现代人类生产生活必不可少的两大基础设施,5G技术是构建新型电力系统的重要技术手段,进入5G新基建时代,5G与电网这两大超级基础设施的融合促进,将引领新的变革。


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