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5G+电力行业应用概况

电力是关系国计民生的重要产业,近年来,在国家双碳战略背景下,电力行业发生深刻变革,面临多重挑战。5G与智能电网性能高度匹配,可在发电、输电、变电、配电、用电各个环节发挥重要作用。具体应用方面,包括控制类业务、采集类业务、移动应用类业务、以及以多站融合为代表的电网型业务。

政策推动下,电网公司作为5G智能电网技术攻关及工程实践的引领者和主导者,已开展了广泛的研究和实践。未来,5G在电力行业的应用虽仍面临诸多挑战,但应用前景十分广阔。本文梳理5G赋能电力行业的背景、主要场景及应用实践。

01、背景与痛点

电力是关系国计民生的重要产业,是支撑经济社会发展的重要基础设施。近年来,在国家双碳战略背景下,供需形势的逆转、负荷特性的变化和电源结构的优化让电网调节压力倍增,面临诸多痛点。具体表现在发电、输电、变电、配电、用电各环节中:

1. 发电环节中,随着我国新能源发电的快速发展,可再生能源发电的大量并网给电网运行、管理带来新的挑战。一是可再生能源具有间歇性、随机性的特点,二是分布式的深度渗透使配电网由功率单向流动的无源网络变为功率双向流动的有源网络。

2. 输电网覆盖面积大,既有城市的地下电缆,又有高压线路,传统以人工巡检为主,工作效率低下,存在网络故障监测困难的问题。

3. 变电环节中传统的电力生产控制业务已基于光纤实现稳定运行,但随着电力物联网及智能变电站的业务发展,业务呈现出大带宽、高可靠、移动性等特点,需要考虑引入可靠的无线通信方式解决业务接入。

4. 配电网主网已经实现光纤覆盖,但是电网末梢神经的配网仍属于盲调状态,由于数量巨大,造成光纤全覆盖成本高、时间长、维护难的问题。

5. 用电环节中,随着大规模配电网自动化、低压集抄、分布式能源接入、用户双向互动等业务快速发展,各类电网设备、电力终端、用电客户的通信需求爆发式增长,传统光纤专网的建设成本高、业务开通时间长,无法满足快速灵活的广域接入需求。

025G赋能电力行业

5G可在电力系统各环节发挥重要作用

5G特点与智能电网性能高度匹配,对电力行业而言,5G可促进电力系统负荷特性的优化和调整,大幅提升系统运行效率。比如,5G+智能电网不仅能够大幅降低用户平均停电时间、有效提升供电可靠性和管理效率。同时,可极大的丰富和扩展电网应用场景,降本增效,助力电网向综合能源服务商转型。

具体来讲,5G可以为新型电力系统带来更灵活经济、更安全可靠和低时延确定性的网络通信服务,在电力系统的发电、输电、变电、配电、用电、调度,以及应急通信各个环节发挥重要作用。

1. 在发电环节,5G网络低时延、大连接特性可实现发电厂分布式储能调节能力评估、发电预测以及场站运行分析等模块数据实时交互。此外,发电厂设备传感器和高清摄像头视频数据可通过5G大带宽能力传输到云平台或本地边缘计算平台,实现厂区无人化巡检、机器视觉视频安防等应用。

2. 在输电环节,利用5G网络大带宽、高可靠特性可实现无人机在架空输电线路的精细化、大范围巡检。利用5G网络低时延特性,可对地下输电线路走廊隧道机器人进行实时精准控制,实现接地环流等监测。

3. 在变电环节,通过将视频监控摄像头、环境传感器等设备接入5G网络,可实现站内变压器、开关柜等设备实时监测,及时发现排除设备故障。

4. 在配电环节,5G网络能有效满足配电终端分布广、采集点多、安全要求高的需求,利用5G网络高可靠、低时延特性,可实现配网差动保护、自动化三遥、精准负荷控制、配电站设备及生产安全综合监控等应用,保障配电作业安全。

5. 在用电环节,利用5G网络可实现对重要客户电能质量的高频采集监测,解决电力运行监测成本难题,助力实现电能质量高频监测的规模部署;同时通过5G网络可以实现充电桩与管理平台间数据交互,促进优化用电。

03、主要应用场景

目前来看,5G在电力行业的应用包括四大类业务场景:控制类业务、采集类业务、移动应用类业务、以及多站融合类业务。

控制类业务中,5G可优化能源配置,避免大面积停电以影响企业和居民,同时满足配电网实时动态数据的在线监测;采集类业务中,5G可推动收集和提供整个系统的原始用电信息;移动类业务中,5G可预防安全事故和环境污染,减少人工巡检工作量,未来还可尝试带电操作;多站融合业务中,5G技术将推进平台型、共享型企业建设。

精准负荷控制

精准负荷控制技术是指当多直流馈入电网发生多直流连续换相失败和故障导致直流闭锁、受端电网有功大幅缺额、频率急剧下降时,根据直流损失功率的大小通过精准控制分散性海量电力用户可中断负荷,实现电网与电源、负荷友好互动,达到电力供需瞬时平衡,支撑能源大范国优化配置,避免了大面积停电的发生,将电网损失降至最小,对企业和居民用电的影响降至最低。

精准负荷控制系统整组动作时延越少,恢复电网故障就越快。因此,对通信的时延是越低越好。对通信的需求中,重点强调时延、可用性、安全性、可靠性。基于5G通信网络的精准负荷控制系统由业务终端、需求响应终端、通信网络和主站系统构建。其中,业务终端通过本地网络接入楼宇响应终端,需求响应终端通过5G通信网络接入需求响应系统主站。

配网差动保护业务

配网差动保护技术作为一种在高压输电网中成熟应用的电网技术,可以很好地解决分布电源接入对配电网带来的诸多困扰。其原理是配电差动保护终端比较两端或多端同时刻电流值(矢量),当电流差值超过整定值时判定为故障发生,断开其中的断路器或开关,执行差动保护动作,从而实现了配电网故障的精确定位和隔离。

5G+配网差动保护通过5G工业级授时CPE5G+配网差动保护终端,监测配电线路两端节点实时电流值,并进行交互比对,判断连接线路是否出现故障。一旦发现故障,快速定位并切断故障线路,完成故障隔离,避免连锁反应。同时可实时启动备用线路,通过线路切换实现故障恢复。

输电线路智能巡检及安全监测

传统的电力输电线路巡检为人工方式,需要专门配备电力人员定期到现场查勘线路、设备运行情况,然而传统巡检方式一是部分施工地点危险性高、巡检难度大,例如野外高压输电线路需要定期进行物理特性检查,一般两个杆塔之间的线路长度在200500米,巡检范围数公里长;二是人工作业存在效率低、不确定性等问题。因此,人工巡检逐渐由无人机、机器人等智能巡检方式代替。

当前智能巡检设备通过内嵌的5G模组或5G CPE等网关设备接入5G网络,将设备上摄像头、传感器采集的巡检现场数据,通过5G网络实时回传至边缘云平台,经由边缘云平台的图像识别、深度学习等智能技术和算法处理,综合判断得出巡检结果,取代人工现场巡检,实现巡检无人化与智能化。

多站融合业务

多站融合业务充分利用变电站、新能源场站、储能站、电动汽车充电站、供电营业厅所、抽水蓄能电站等场地环境,建设不同等级和应用场景的数据中心站。数据中心站提供变电站数据的本地存储与边缘计算能力,网络边缘计算作为云计算的延伸,通过把云计算平台及其能力迁移到变电站、新能源场站等网络边缘,具备对高带宽、低时延、本地化业务的更强支撑功能,向社会提供资源共享服务。

多站融合是探索利用变电站资源建设运营数据中心站、5G基站、北斗地基增强站、充电桩、储能站等,对内支撑坚强智能电网业务,对外拓展能源服务渠道,助力电力物联网发展,推进电力企业搭建共享平台,更好的为社会创造价值。

04、典型案例

20203月,工信部与国家发改委印发《关于组织实施2020年新型基础建设工程(宽带网络和5G领域)的通知》,明确提出了重点支持面向智能电网等七大领域的5G创新应用。通知指出在面向智能电网的5G新技术规模化应用方面,将基于5G新型网络架构及智能电网场景,开展5G端到端网络切片及资源调度系统研发。

在国家政策推动下,各地纷纷提出了5G智能电网建设计划。电网公司作为5G智能电网技术攻关及工程实践的引领者和主导者,开展了广泛的5G业务研究和应用实践,包括5G智能电网假设、控制类业务如配网差动保护、移动巡检类业务如视频交互等。

国家电网

国家电网积极与联通、电信等运营商开展合作,基于“5G+”思维创新开展信息采集智能巡检、智慧监控、综合管理等应用方案。

5G虚拟测量方面,国网北京市电力公司与中国联通、中国电科院合作,在北京市开展了“5G虛拟测量平合项目建设,实现了生产现场监测场景的应用。用电环节通过5G虛拟测量平合,以12.8K的采样率,对电能质量进行监测。利用5G的技术特点,将仪表的分析部分云化部署,前端只保留采集装置,解决了传统采集装置功能复杂、成本高的问题,将仪表设备成本降低90%。有效解决了电力运行监测成本行业性难题,有力推动了电能质量监测的规模部署,己在服贸会、石景山、延庆冬奥测试赛中广泛应用。

5G+北斗智能巡检方面,20212月,国家电网与中国电信合作,在山东省青岛市开展“5G+北斗智能巡检无人机项目建设,实现了无人智能巡检场景的应用。项目新建5G独立组网(SA)网络,完成了5G SA专网的图传模块研发,引入北斗服务,实现无人机巡检数据安全、实时、可靠回传,解决传统输变线路巡检耗时长、耗人多、工作环境恶劣的问题,改善一线工人的工作环境,大幅降低安全风险。同时,采用图像智能识别技术,实现无人机自主巡检、图像实时传输、缺陷智能识别、辅助决策输出等功能,解决了困扰无人机巡检操作难、回传难、分析难的问题,大尺寸缺陷识别准确率达99%、小尺寸识别准确率达40%,工作效率提升百倍以上。

5G电力虚拟专网综合管理平合方面,20215月,国网浙江省电力有限公司上线全国首个5G电力虛拟专网综合管理平合,实现了电网行业SIM卡管理、5G终端管理、5G用户面核心网设备管理和网络监控等功能的整合和综合应用。为满足电力调度、电网平衡对源网荷储海量资源的敏捷响应、精准控制需求,国网浙江电力开展5G公网电力应用示范,基于运营商5G公网,利用网络切片、边缘计算等先进技术打造安全可號的5G电力虚拟专用网络。5G电力虚拟专网综合管理乎合是电力企业实现5G电力虚拟专网资源可视、可管的重要手段,对手保障5G公网承找电力业务可靠性和安全性具有重要意义。

南方电网

20228月,南方电网5G智能电网项目成功入选2022年世界5G大会5G十大应用案例。该项目从2018年起,从电力5G虚拟专网顶层设计、关键技术研发、技术验证、行标企标、安全论证、业务落地等方面推动5G与数字电网融合发展,提出5G高精度授时、虚拟专网端到端资源保障、5G局域网透明传送、1%PRB资源预留、5G切片资源自管理等技术,全面孵化验证54个业务场景,涵盖电力发、输、变、配、用、综合各个环节,并形成规模化应用重点场景24个,已完成5G终端上线6000多个。2022年下半年,5G+数字电网示范区的应用成果将复制推广到东莞、珠海、江门、湛江、茂名、汕头、潮州、清远、云浮等9个地市,5G技术与电力场景融合的深度、广度将达到新的水平。

目前项目完成了行业首个基于R16标准的5G精确授时功能验证,首个广域电力5G切片虚拟专网上线,首个基于现有电力网络的差动保护业务投入运行,发布了行业首个支持高精度授时的CPE终端,标准方面,项目孵化了3GPP国际标准20多项提案和南方电网一系列5G应用企业标准,在业务应用方面,项目已完成现网545G业务54个场景的端到端商用验证,其中重点场景24个,5G终端投放超过6000个。

05、发展展望

虽然5G在电力行业的应用仍面临诸多问题,比如安全性与电力业务适配仍需验证、商用价值与成本的平衡尚待摸索、部分业务商业模式有待进一步清晰等,但是,未来5G在电力行业的应用前景广阔,据德勤估算,2026年,5G将为能源产业带来2500亿美元的数字化市场规模。

短期内,利用5G替换原有无线系统或有线网络,将成为5G+智慧电力主要发展的应用类型。在输、变电环节,以5G无人机/机器人巡检为代表的新型运维应用将支撑监控、作业、安防向智能化、可视化、高清化升级。用电环节的电力充电桩、电能质量监测等应用目前已逐步投入应用,这类业务可在短期内实现应用复制推广。

配电环节的配电自动化等控制类业务,由于具备较高安全性和可靠性要求,现处于探索验证阶段,长期来看,随着5G SA网络的全面覆盖以及技术标准的不断演进和完善,精准负荷控制、配网差动保护等整合变革类应用将全面赋能智能电网,电力核心的控制类业务深度融合,全面提升控制类业务的精准度。

参考资料:

1.《信通院,5G应用创新发展白皮书》

2.5G电力虚拟专网网络安全白皮书》

3.《德勤,5G赋能未来电力》

4.《信通院,基于5G的能源电力行业应用发展研究》

来自:5G行业应用

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