5G通信低延時特性在電網(wǎng)中的應(yīng)用概述目錄TOC\o"1-3"\h\u11605G通信低延時特性在電網(wǎng)中的應(yīng)用概述 196711.1智能分布式配電自動化 1283221.1.1智能分布式配網(wǎng)保護(hù) 2195151.1.2基于5G的智能分布式配網(wǎng)保護(hù)技術(shù) 343811.1.3基于5G的智能分布式配網(wǎng)保護(hù)技術(shù)的應(yīng)用 4222421.2毫秒級精準(zhǔn)負(fù)荷控制 561.2.1毫秒級精準(zhǔn)負(fù)荷控制概述 5118301.2.2基于5G的面向泛在電力物聯(lián)網(wǎng)毫秒級分層分區(qū)精準(zhǔn)切負(fù)荷系統(tǒng) 55G通信“三高兩低”的特性還有所具備的優(yōu)勢剛好滿足于電網(wǎng)中的需求。5G通信的應(yīng)用場景有三個方面：增強(qiáng)移動寬帶(enhancedmobilebroadband，eMBB)，大規(guī)模機(jī)器類通信（massivemachinetypecommunications，mMTC），,低時延高可靠通信(ultrareliablelowlatencycommunications，URLLC)3個方面。我們下面主要介紹低延時在電網(wǎng)中的應(yīng)用場景。圖4-1為5G通信中三大場景的主要業(yè)務(wù)示意圖。圖4-15G通信中三大場景的主要業(yè)務(wù)示意圖1.1智能分布式配電自動化隨著社會的穩(wěn)定繁榮、我國國民經(jīng)濟(jì)的高速健康發(fā)展，用戶對于用電體驗(yàn)的要求顯著的提升了。配電網(wǎng)作為電網(wǎng)中面對用戶的最后一個環(huán)節(jié)，對于用戶用電質(zhì)量而言至關(guān)重要，我國對于用戶的用電質(zhì)量方面相較于發(fā)達(dá)國家還有待提高。以用電可靠性這一數(shù)據(jù)為例，2019年，中國主要的五十個城市用戶平均供電可靠性為99.931%，相當(dāng)于每個月要停電半個小時。而在十年前，南亞某發(fā)達(dá)國家這一數(shù)據(jù)都達(dá)到了99.999994%，每年累計停電半小時。我國的電網(wǎng)覆蓋范圍大，發(fā)生故障后一般停電范圍也相對與小國家來說大得多，為了提高對用戶的供電可靠性和減少平均停電時間，這就為配電網(wǎng)的保護(hù)控制和運(yùn)行管理提出了極大地考驗(yàn)。1.1.1智能分布式配網(wǎng)保護(hù)集中控制和就地控制是配電網(wǎng)常用的兩種傳統(tǒng)的控制方式。集中控制方式是主站收集整個配電網(wǎng)的信息，這樣分析整個配電網(wǎng)的情況控制性能就會達(dá)到最優(yōu)，可是由于集中控制方式太過于復(fù)雜，這就讓響應(yīng)時延變得很大。三段式過流保護(hù)是應(yīng)用最為廣泛的就地控制方式，由于結(jié)構(gòu)簡單，只需要使用裝置安裝處的信息，所以很容易實(shí)現(xiàn)且動作時延小，但是控制性能不佳。而且配電網(wǎng)中線路不長，但是級聯(lián)卻很多這更加加劇了時延的變大。對于電力網(wǎng)而言，配電保護(hù)設(shè)備往往是處于尾端，受到通信條件的約束，大規(guī)模部署光纖成本較大、而且難度也很大，這樣就使得在配電網(wǎng)中縱聯(lián)比較技術(shù)無法使用。還是由于通信條件的限制，監(jiān)控手段對于配電保護(hù)設(shè)備運(yùn)行的缺失、各種故障在裝置自身出現(xiàn)、告警時等等情況的出現(xiàn)，調(diào)度監(jiān)控人員和運(yùn)維人員都無法及時了解更不用說采取措施。但是5G通信為首的無線通信技術(shù)的出現(xiàn)，解決了以上由于地理環(huán)境、成本造成的約束，縱聯(lián)比較技術(shù)在配電網(wǎng)中的全面應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)，這也為配電網(wǎng)的保護(hù)領(lǐng)域提供延時更低的通信通道。5G通信低延時特性在智能分布式配電自動化中的應(yīng)用將會把配電網(wǎng)中故障隔離時間由“分鐘級”變成“毫秒級”，極大地提高了電網(wǎng)的可靠性。在故障發(fā)生時，能迅速得知故障位置并且通過智能分布式配電自動化的相關(guān)操作以縮小停電范圍就是分布式配網(wǎng)保護(hù)的目的。但是變電站的保護(hù)作用是由10KV開關(guān)的II端提供，此保護(hù)作用對于線路的生效時間為300ms。由于分布式保護(hù)技術(shù)接收信息后要處理、計算等等操作，對于現(xiàn)有的無線通信技術(shù)時延都大于50ms，最終完成整個操作的時間將會超過100ms。而這與變電站對于線路的保護(hù)作用的生效時間差距不大，這樣很有可能導(dǎo)致大規(guī)模停電。所以50ms是分布式配網(wǎng)保護(hù)所能接受的最大操作時間。5G通信最低能把延時降到1ms，所以5G通信的低延時特性將在這個場景中擁有著極大的發(fā)揮空間。1.1.2基于5G的智能分布式配網(wǎng)保護(hù)技術(shù)圖4-2基于5G的智能分布式配網(wǎng)保護(hù)總體架構(gòu)如圖4-2為采用5G獨(dú)立組網(wǎng)的智能分布式配網(wǎng)保護(hù)總體架構(gòu)。為了實(shí)時性業(yè)務(wù)有更低的延時，就要以多種渠道把系統(tǒng)內(nèi)的各種電網(wǎng)信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行傳送，這樣就需要用戶面功能（UPF）的網(wǎng)元設(shè)備下放到下一級。如果有些業(yè)務(wù)不需要大量的網(wǎng)絡(luò)資源，就會劃分部分資源交給電網(wǎng)。5G通信的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在核心網(wǎng)中將控制數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)分離，用戶數(shù)據(jù)就避免傳遞到UPF用戶面外，在IP承載網(wǎng)的時間得到減少的同時，還保證了數(shù)據(jù)的保密。與之前相比，基于5G的智能分布式配網(wǎng)保護(hù)技術(shù)最大的不同就是增加了無線通信終端設(shè)備。將需要保護(hù)的關(guān)鍵設(shè)備與無線終端設(shè)備直接連接，避免了各個環(huán)節(jié)所造成沒有必要的時延，這就是分布式保護(hù)的動作邏輯。1.1.3基于5G的智能分布式配網(wǎng)保護(hù)技術(shù)的應(yīng)用5G剛正式商用不久，基于5G的智能分布式配網(wǎng)保護(hù)技術(shù)首先在安徽省進(jìn)行試應(yīng)用。如圖4-3為此次試點(diǎn)區(qū)域配網(wǎng)接線示意圖。圖4-3試點(diǎn)區(qū)域配網(wǎng)接線示意圖通過現(xiàn)場的網(wǎng)絡(luò)延時工具測試，13.25ms為客戶終端設(shè)備CPE在一個基站的情況下所測試得到的單向通信時延，小于50ms達(dá)到了分布式配網(wǎng)保護(hù)對于通信時延的要求。在CPE端到端的訪問路徑中，由于環(huán)境的影響，CPE到基站之間的空口抖動以及其裝置本身自己的處理延時都是不可避免的。除此以外，其余路徑所造成的時延都趨于穩(wěn)定。F點(diǎn)為模擬發(fā)生故障的區(qū)域，傳統(tǒng)方法將會對西廣變07開關(guān)和塘金03開關(guān)進(jìn)行跳閘處理，采用基于5G的智能分布式配網(wǎng)保護(hù)技術(shù)將對F點(diǎn)兩端的開關(guān)進(jìn)行跳閘處理，將二者進(jìn)行比對，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4-1所示。使用基于5G的智能分布式配網(wǎng)保護(hù)技術(shù)把故障隔離時間從數(shù)十秒降低到毫秒級別，而且停電范圍也有所減少，供電可靠性得以有著顯著的提升。表4-15G通信下保護(hù)時間F點(diǎn)故障改造前改造后動作范圍西廣變07開關(guān)塘金03開關(guān)塘金03開關(guān)湖濱02開關(guān)保護(hù)動作時間，ms35324446故障隔離時間約10s左右95ms河北電網(wǎng)公司也同樣對基于5G的智能分布式配電保護(hù)技術(shù)進(jìn)行了落地實(shí)驗(yàn)。在多次實(shí)驗(yàn)中，端到端通信最大延時僅為11.167ms，最小延時為10.000ms，平均延時為11.900ms，但丟包率卻僅有0.060%，達(dá)到了智能分布式配電保護(hù)系統(tǒng)的要求。而故障隔離時間最大的也僅有120ms，故障恢復(fù)時間更是達(dá)到了1s，隨著基于5G的智能分布式配電保護(hù)技術(shù)采用，該地區(qū)的供電可靠性得以極大的提高1.2毫秒級精準(zhǔn)負(fù)荷控制1.2.1毫秒級精準(zhǔn)負(fù)荷控制概述近些年來，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)支持現(xiàn)代尖端技術(shù)逐漸融入智能電網(wǎng)的快速發(fā)展。山東、江蘇兩省地源網(wǎng)荷毫秒級精準(zhǔn)切負(fù)荷示范工程落地營運(yùn)，具有響應(yīng)速度快、維護(hù)電網(wǎng)穩(wěn)定、精準(zhǔn)切負(fù)荷控制的電網(wǎng)控制系統(tǒng)得到了電網(wǎng)工作人員和專家們的肯定。毫秒級切負(fù)荷總體時延要求小于650ms，大大縮短了電網(wǎng)切負(fù)荷控制的響應(yīng)時間。精準(zhǔn)切負(fù)荷系統(tǒng)對切負(fù)荷實(shí)時做出切負(fù)荷決策是依據(jù)上傳的電網(wǎng)信息，各控制站點(diǎn)將切負(fù)荷命令發(fā)送至負(fù)控終端，并執(zhí)行切負(fù)荷命令。分層分區(qū)切負(fù)荷開啟電磁環(huán)網(wǎng)，依據(jù)層次和分區(qū)域?qū)斉潆娋W(wǎng)進(jìn)行切負(fù)荷控制。搭建具有上述優(yōu)勢的切負(fù)荷系統(tǒng)，將有助于電網(wǎng)切負(fù)荷創(chuàng)新和賦能，提升電網(wǎng)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行水平。1.2.2基于5G的面向泛在電力物聯(lián)網(wǎng)毫秒級分層分區(qū)精準(zhǔn)切負(fù)荷系統(tǒng)切負(fù)荷系統(tǒng)是維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定的重要防線。如圖4-4為基于5G的面向泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的毫秒級分層分區(qū)精準(zhǔn)切負(fù)荷系統(tǒng)架構(gòu)?；?G面向泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的毫秒級分層分區(qū)精準(zhǔn)切負(fù)荷系統(tǒng)的構(gòu)建，綜合了毫秒級切負(fù)荷、精準(zhǔn)切負(fù)荷控制及分層分區(qū)切負(fù)荷的諸多優(yōu)勢和突出特點(diǎn)，包含四個層級：電網(wǎng)決策總站、控制中心站、控制子站和負(fù)荷控制終端。圖4-4系統(tǒng)架構(gòu)示意圖電網(wǎng)決策總站的主要作用有：采集控制中心站、控制子站和負(fù)荷控制終端收集來的電網(wǎng)實(shí)時運(yùn)行信息，并且根據(jù)這些信息對電網(wǎng)運(yùn)行的狀態(tài)進(jìn)行評價，如果電網(wǎng)故障，則對電網(wǎng)實(shí)時做出調(diào)整決策以及毫秒級精準(zhǔn)負(fù)荷控制。實(shí)時采集電網(wǎng)運(yùn)行的信息并發(fā)送給電網(wǎng)決策總站是控制中心站與控制子站的主要作用。也會監(jiān)控下級電網(wǎng)，并且匯報可切除負(fù)荷量。當(dāng)發(fā)生故障時，上級控制站點(diǎn)將會根據(jù)收集的信息做出切負(fù)荷控制指令，也還會對控制區(qū)域內(nèi)做出切負(fù)荷控制的決策并考慮相關(guān)的防錯準(zhǔn)則，這樣各個控制區(qū)域就得到了相應(yīng)的切負(fù)荷量。在電網(wǎng)受到重大事故時，控制中心和控制子站會做出切負(fù)荷的指令并把它下達(dá)到所有的控制區(qū)域，然后把自己的決策情況上報給電網(wǎng)決策總站，維持整個電網(wǎng)可靠安全。與控制子站進(jìn)行通信聯(lián)絡(luò)則是負(fù)荷控制終端的主要功能。負(fù)荷控制終端實(shí)時采集自己負(fù)責(zé)區(qū)域內(nèi)各種電網(wǎng)運(yùn)行期間的信息，然后把信息和該區(qū)域內(nèi)可切除負(fù)荷量實(shí)時上報給控制子站。并且在故障發(fā)生時，控制子站將會發(fā)送切負(fù)荷控制命令，負(fù)荷控制終端就負(fù)責(zé)接收這一命令。根據(jù)我國現(xiàn)有電壓等級和電網(wǎng)保護(hù)功能要求，該系統(tǒng)將電網(wǎng)系統(tǒng)分成500kv超高壓層。10-220kv高、中壓層和低壓層，以便于電網(wǎng)潮流控制和運(yùn)行穩(wěn)定控制，充分利用了高電壓等級網(wǎng)絡(luò)輸電能力。在低壓層控制范圍內(nèi)進(jìn)入城市的通信線路，受到的電磁干擾增多、配電設(shè)配環(huán)境不明朗且各聯(lián)系距離縮短，所以5G為代表的無線通信方式的使用，比光纖通信傳輸有更多的優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)切負(fù)荷控制的諸多困難利用5G通信的優(yōu)勢可以得以解決?？湛跁r延1ms，端到端時延10ms以下是以5G通信為首的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)綜合通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)勢。以5G通信“三高兩低”的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)所有事物互相連接，可提高信息傳輸效率和質(zhì)量，為切負(fù)荷提供了技術(shù)支持。在該系統(tǒng)中，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)以5G為代表的通信方式提高了各控制站點(diǎn)的