5G智能电网应用的机遇与趋势

什么是智能电网?

智能电网是由现代输电线路组成的电网，它利用通信技术检测和收集消费者用电状况的数字或模拟信息，并利用这些信息协调系统内的电力供应。这些信息可用于调整电力的生产、传输和分配，或调整家用电器和企业用户的用电量，从而节省能源，减少损耗，提高电网的可靠性。

智能电网的最新发展:

推进“智能电表基础设施”、“规划智能电网”和“智能电力服务”是智能电网发展的重点。近年来，台湾开展了智能电表测试和示范项目，并积极协助台湾电力公司推广智能电网。将使用的通信技术包括3G/4G, RF Mesh，(射频网格)，PLC(电力线通信)，Wi-SUN，(无线智能泛在网络)，Wi-Fi，有线光纤等。近年来，低功耗广域网(LPWAN)技术逐渐成熟。智能电网对数据量的低要求使其非常适合使用LPWAN通信系统，如LoRa、NB-IoT等技术。5G凭借其高速传输、大容量、低时延、网络切片、边缘计算等通信潜力，将为智能电网带来更多元化的应用。

5G智能电网应用场景及通信需求:

5G系统使用三种主要类型的切片技术;eMBB (Enhanced Mobile Broadband)、URLLC (Ultra-reliable and Low Latency Communications)、mMTC (massive Machine Type Communications)等应用，分别满足智能电网中各种电力业务的应用需求。5G网络切片技术可以为电网的各种需求提供多样化的服务。

电网可以从传统的输配电变电系统转变为智能电网。通过对电力消费模式的分析，确定安全高效的输变电和灵活的电力分配的最有效方法，对小型分散的能源系统进行有效管理。每个通信网络都有自己的特点，必须与整个电力系统协调。5G的网络切片技术可以适应不同的传输级别。无论是需要大带宽的图像监控应用，还是需要小带宽、低时延的配电管理，5G都能支持每个应用的不同需求。

分布式能源(DER):

能源生产的国际趋势是可再生能源的比例越来越高，从集中式发电厂转向小型、分散、多样化的能源系统。家用太阳能发电、电动滑板车和家庭能源管理系统正在成为主流。分散式能源的数量持续增加，全球DER容量预计将从2017年的132.4吉瓦增长到2026年的528.4吉瓦。要实现2025年国内能源占比达到30%煤、50%气、20%可再生能源的目标，保持电力系统的供需平衡是电力企业需要面对和解决的问题。由于可再生能源发电尤其具有不确定性、难以准确预测、难以控制等特点，这些挑战将为5G技术的突破带来机遇。

为了协调多样化和小规模的分布式能源，台电将需要引入虚拟电厂技术。通过5G高效低延迟网络，智能实时管理，其整体电力可用性和可靠性可与传统发电厂相当。

过去，电视台通过自建光纤网络来满足低时延要求。然而，随着能源的分散，自分布式光纤解决方案的成本太高。因此，可以使用5G网络切片和边缘计算技术来建立通信。在边缘云上建立VPP (Virtual Power Plant)智能控制，保证传输稳定、低时延。通过网络切片，台电与参与方在现有通信网络上建立专用网络，确保电网安全，避免恶意攻击。

分布式自动化(DA)/馈线自动化(FA):

早期配电网只有简单的过流、过压保护电路设计。没有建立通信网络和后端计算机管理系统，难以实现分段隔离。配电自动化(DA)是一种功能强大的信息管理系统，能够对配电网进行准确的监控，定位故障，并从相邻的配电终端设备中获取信息，从而快速隔离和排除故障。

馈线自动化(FA)是指变电站变压器设备的自动化，能够自动检测、隔离或纠正馈线故障。它是配电自动化的重要组成部分。电力系统可靠性高，事故隔离时间缩短至毫秒级，保证了电力的不间断供应。为了满足对配/馈线自动化的极高要求，以及基站与配/馈线终端设备之间传输时延低的要求，需要采用5G URLLC技术。5G技术可以取代现有的光纤基础设施，提供毫秒级的网络传输延迟。5G为配电/馈线自动化电网的无线通信提供了更好的解决方案，实现了更快、更准确的电网控制。

变电站内外检查:

超高速5G技术在智能电网中的可能应用包括对电网设备和结构进行高质量视频检测。变电站内外的高质量图像和语音巡检主要采用视听巡检机器人。巡检机器人可集成多通道高清摄像头和各种物联网环境传感器，即时将高清图像和物联网相关巡检数据返回变电站控制中心。

通过在配电室安装相应的设备，可以实现变电站内配电室的音视频巡检，以及多路高清音视频监控。可以将运行状态、图像、设备状态等相关信息传回控制中心，提高变电站巡检的自动化程度。变电站外的应用主要包括无人机(UAV)对输电线路的巡检等。无人机对输电线路的巡检主要针对高压输电网的线路巡检。

高级计量基础设施(AMI):

随着需求的增加，各国都在积极推进智能电网的建设，希望通过实时控制和需求侧管理，促进电力资源的优化配置和运行，实现节能减排的目标，提高智能电表的安装和运行水平。电表大多安装在地下室等接收差的地方，城市地区电表密度高。此外，公众会对安装明显的通信设备产生强烈反对。目前，世界上大多数制造商采用的技术是将RF Mesh与PLC一起部署。RF Mesh必须安装大量的集中器，这需要很大的空间，但空间不易获得。电力系统稳定性高。为了满足安全保密性的要求，可以通过切片技术对无线专网进行虚拟化，实现更高强度的安全隔离，提高智能抄表所需的安全性、稳定性和灵活性。

5G的技术特点将加速智能电网的实现:

5G网络和智能电网都是未来IT产业发展的重要趋势。除光纤网络外，5G网络低时延特性在控制应用中的应用，可以为智能电网带来新的通信解决方案。广泛的切片技术可以同时提供eMBB、URLLC、mMTC等不同的应用场景。网络功能虚拟化(network function Virtualization, NFV)可以像智能电网的专网一样，构成一个安全的隔离网络，为电网数据的传输带来更好的安全性。针对智能电网多样化的应用场景，5G网络还提供了不同层次的网络接入，为用户提供了更灵活的配置，使智能电网的实施速度加快。

未来展望:

智能电网及其所有智能技术、工具和设备，将在效率、减少排放、提高其耐久性和安全性方面对国家电网产生积极影响。任何新技术，尤其是颠覆性技术，都有必须克服的困难，智能电网也是如此。一个可靠、安全、经济的电网是人们日常生活中需要的，而智能电网正在逐渐满足这一需求。