陈皓勇1，李志豪1，陈永波2，陈锦彬1，王晓娟1

(1.华南理工大学电力学院，广东 广州 510641；2.中兴通讯股份有限公司，江苏 南京 210012)

摘要：在大规模分布式发电和储能的接入下，能源行业结构不断调整。能源互联网和泛在电力物联网的概念相继被提出，要实现电力系统数据的泛在连接，电网建设进入新阶段。5G技术飞速发展，有着带宽更大、传输速率更高、时延更低的特点，与泛在电力物联网网络层的建设紧密结合。介绍了泛在电力物联网的概念，结合5G技术的关键技术和特点，探讨5G在泛在电力物联网中的应用场景。最后指出了基于5G的泛在电力物联网面临的安全性挑战和未来发展方向。

关键词：能源互联网; 泛在电力物联网; 5G; 数据科学

0 引言

在大电网的发展阶段，电力行业高度依赖化石能源，发展不可持续。而现在，在大规模分布式发电和储能的接入下[1]，能源结构行业结构不断调整，可再生能源逐渐获得大众青睐[2]。Jeremy Rifkin 提出“能源互联网(Energy Internet)”的概念[3]，其目标是以可再生能源为主要一次能源，实现如冷、电、热、气等多种能源形式的互补互联和综合利用[4]，基于互联网实现能源信息的共享，在何时何地，何人何物都能顺畅通信，从而提升整体的能源利用率。

2016年，国家发改委发布《关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见》，加快了能源互联网的建设。2019年3月，国家电网有限公司对泛在电力物联网(Ubiquitous Power Internet of Things, UPIoT)做出了全面部署安排。同年，南方电网将数字化作为发展战略，提出了“4321”行动，要将发、输、变、配、用、调全面智能化，实现多源管理，进行新业务、新形态拓展。文献[5]在智能电网中，提出适应自动发电控制新变化的控制框架和关键技术。文献[6]对综合能源系统中的稳态问题进行建模，进行了总结与归纳，提出一种基于能源集线器概念和多能互补思想的综合能源系统。文献[7]在主动配电网中分析了用电采集系统和在线监控系统中的大数据，结合主动配电网，对大数据技术可能的应用场景做了展望。文献[8]对于具有高风电渗透率的大型AC/DC混合输电系统，提出了一种分布式调度方法来解决安全约束单元承诺问题，促进了区域间风力发电适应性和改善整体系统运行经济性，同时减轻了接收侧系统的峰值调节压力。

与此同时，在2019年，5G作为最新一代蜂窝移动通信技术，得到了飞速的发展。文献[9]提出了一种针对5G移动应用的具有波束控制特性的毫米波(mm-Wave)阵列天线封装的新设计，可在保持高增益波束的同时选择所需的覆盖区域。文献[10]针对5G应用，研究并实现了一种新型的宽带磁电偶极天线。与4G等无线技术相比，5G通信技术带宽更大，传输速率更高，时延更低[11-12]。文献[13]系统地评估了由实时地球静止卫星回传支持的5G核心网络上的实时4K视频流的性能。

在5G技术兴起之前，电力系统通过有线的方式进行数据通信，若是泛在物联网也采用有线的方式来连接万物，成本很高，而且效率低下。因此物联网一般采用无线来连接。而5G的兴起，刚好碰上了泛在电力物联网的建设热潮，二者有望实现紧密的结合[14]，前者所提供的高质量通信，完全可以满足泛在电力物联的建设需求。

本文主要分析研究了UPIoT的含义和现状，指出了UPIoT中的通信挑战，指出UPIoT网络层中5G建设的重要意义，重点分析了UPIoT中5G通信的关键技术和技术特点，并对5G的UPIoT应用场景进行了阐述，还对5G所面临的挑战进行了进一步的分析，最后展望了UPIoT中5G的发展方向。

1 泛在电力物联网(UPIoT)

泛在电力物联网(UPIoT)，可分为三个方面对其进行解读。首先，物联网(Internet of Things, IoT)，即“万物相连的互联网”，其核心仍是互联网，是互联网的延伸和拓展，其次则是把原来的用户终端延伸至任何物品和物品之间。这一词语最早于1995年比尔·盖茨的书籍《未来之路》中出现[15]。物联网的前身是传感网络，只代表着物与物之间的信息交互。其次是电力网，电力网是物联网中的一种具体形态。最后则是“泛在网”(Ubiquitous Network)，图1表示了传感网络、物联网、泛在网络之间的关系[16]。泛在网表示的是，无论是时间还是空间，抑或是任何对象的任何范围内，都存在相互的连接网络。而“泛在物联”即是任何时间、任何地点、任何人、任何物之间，都会存在信息的连接和交互。

图1 泛在网络、物联网、传感网之间的关系

Fig. 1 Relationship between ubiquitous network, internet of things, and sensor network

而泛在电力物联网，就是围绕电力系统各环节，充分应用移动互联、人工智能等现代信息技术、先进通信技术，实现电力系统各环节万物互联、人机交互，具有状态全面感知、信息高效处理、应用便捷灵活特征的智慧服务系统[17]。原来的电力网络，只能体现电能的“泛在”，却不能实现电力信息的“泛在”，泛在电力物联网将把电网从单纯的能量网络变为“能量+数据”网络。要想实现电力物联网的泛在，必须对电力网络中的关键数据和信息进行采集和连接，如用户的用电数据、配电系统中的状态信息、分布式电源的数据等等，因此需要基于先进的信息通信技术。

泛在电力物联网的结构如图2所示[18]，包含4个层次。

图2 泛在电力物联网结构

Fig. 2 Network architecture of ubiquitous power internet of things

1) 感知层重点是统一终端标准，推动跨专业数据同源采集，实现配电侧、用电侧采集监控深度覆盖，提升终端智能化和边缘计算水平[19]。

2) 网络层重点是推进电力无线专网和终端通信建设，增强带宽，实现深度全覆盖，满足新兴业务发展需要。

3) 平台层实现各类采集到的数据管理，是公共基础平台，重点是实现超大规模终端统一物联管理，深化全业务统一数据中心建设，推广“国网云”平台建设和应用，提升数据高效处理和云雾协同能力。

4) 应用层是应用和控制中心，重点是全面支撑核心业务智慧化运营，全面服务能源互联网生态，促进管理提升和业务转型。

只有把感知层和网络层建设好，应用层和平台层才能得到好的硬件条件支持。其中，5G技术属于泛在电力物联网中的网络层。

2 5G技术简述

2.1 电力物联网的通信挑战

现代通信技术在电力系统中获得了广泛的应用。除了光纤和微波通信，电力线载波通信作为电网特有的通信方式[20]，利用输电线路，将模拟或数字信号进行高速传输，速度快，成本低[21]，但由于配电变压器阻隔、三相损耗、线路耦合损耗、电力线本身的脉冲干扰等原因[22]，通信的可靠性降低，电力线载波通信并不能实现大规模的应用。

泛在电力物联网发展的前提是充分的连接。文献[17]介绍了基于低功率广域网络(LPWAN)技术的泛在电力物联网的基本概念、体系架构及相关前沿技术。在配电网中，大量新能源、节能服务、储能元素接入，需精细调控，配网连接必不可少。如图3所示，在配电及用户接入侧，电动汽车、分布式光伏电池、智能家居、配电终端等智能终端，会产生大量的数据。这些海量的数据属于基础小数据，有着巨大的价值。

图3 电力网终端接入图

Fig. 3 Diagram of power grid communication terminal access

在现在及未来的电力业务通信中，有着三大需求，分别是：

1) 实时、可靠，电力业务需要大于99.999%的可靠性和可用性，并且数据的传输时延不能大于20 ms，时延抖动要小于3 ms，甚至要到μs级。

2) 安全、可控，电力业务通信过程必须有着独特的通信资源，不能被随意截取，而且要全面监控，专门管理。

3) 灵活、方便、经济，在点多面广的海量智能终端的设备连接上，如何降低其连接的复杂程度和成本，也是电力业务通信的需求之一。

然而，面对点多、面广的智慧终端和用户终端，以以往的通信技术，在通信信息获取的终端一公里内，有着连接困难、连接匮乏、无线通信质量低等问题。比如，4G等无线方式，时延大多在50 ms到100 ms以上，带宽不足，难以完成高清视频的传输，安全性和投资的使用成本也难以保障。光纤等有线方式则有着投资大、施工和维护困难的缺点，而且覆盖的范围仅仅只包含了高价值用户，灵活性差，需要物理连接到每一台设备。

为了实现充分连接和提高通信质量，5G技术成为泛在电力物联网通信技术中的一大发展热点。5G是面向2020年后新一代的移动通信技术，与2G/3G/4G相比，5G的无线覆盖性能、传输时延、系统安全性和用户体验都得到了显著的提高，是电力行业中多种业务泛在连接的重要选项。电力网和5G技术相结合，对建设泛在电力物联网有着极大的帮助。

2.2 5G关键技术

5G通信技术的关键技术主要体现在无线技术和网络技术两个方面。

大规模多天线技术是一种多入多出(Multiple-In Multipleout, MIMO)的通信技术，在无线技术领域有着重要地位[23]。由通信理论可知，在传输过程中增加越多的天线，会极大地增强频谱效率和可靠性。但由于多天线所需的空间大、实现技术复杂等原因， MIMO系统的最佳天线位置，也需要研究人员去探寻[24]。在5G系统里，有着多种无线接入技术，如5G，4G，LTE等，一个超密集组网通过增加基站密度可极大提升频率复用的效率。在无线通信中，减少通信小区半径，可提高频谱资源的空间利用率，从而提高频谱效率，因此，在一个小区内设置多个通信节点，形成超密集组网，将是5G未来的发展方向之一。在多场景多业务模式下，发送信号时将信号在空/时/频/码域进行叠加，可提高系统频谱效率和接入能力，称之为多址接入技术，是现在移动通信系统的关键特征之一[25]。除了传统的OFDMA技术，5G还将支持SCMA技术、MUSA技术， PDMA技术[26]以及NOMA技术等多种新型多址技术。全双工技术，是在同时双向通信的技术，在无线网络中，由于收发天线距离较近且功率差异大，因此不管是网络侧还是终端，在发射信号时，都会对接收的信号产生自干扰，因此不能实现同时同频地传输信号，不仅在时间上，还是在频率上，都浪费了很多的无线资源。理论上，全双工技术可以直接提高一倍的频谱利用率，因此也是5G的一个重要发展方向。除此之外，信道建模与编码、滤波器组多载波、自组织组网技术、内容分发网络技术、新型多址和全频谱接入技术也是5G无线技术中很重要的一部分[27]。

如图4所示，5G网络架构可分为三个部分，分别为接入云、转发云和控制云。接入云适应各种无线链路接入，可实现高效的数据感知，网络拓扑丰富，有着集中式接入和分布式接入两种接入架构。转发云在控制云的控制下，实现数据的低时延高效传输。控制云控制全局的信息管理并保证5G通信服务质量，根据业务不同提供不同的差异化服务，保证每个业务对象的需求。

图4 5G网络架构

Fig. 4 Network architecture of 5G

2.3 5G技术特点

相比同类型的无线网络4G技术，如表1所示，5G技术KPI全方位超越4G技术。

表1 5G与4G指标对比

由表可见，5G网络技术的优势主要在于，包括峰值速率、区域速率、边缘速率，都比4G有了极大提高，峰值速率最高可达20 Gbps，满足高清视频、虚拟现实等数据的大量传输。通信时延指信息从一端传送到另一端的时间，5G时延比传统的4G整整少了一个数量级，5G的空中接口的时延在1 ms左右，在自动驾驶和远程医疗等实时应用创造了条件。传统的4G网络连接的终端有限，多为用户的手机，而5G网络需有着超大的网络容量，每平方公里能够连接100万个终端，包括智能家电和各种智能终端，能够满足泛在电力物联网的海量智能终端的接入需求。5G技术通过通信原理的优化，会降级传感器或节点的能耗[28]，不需要对通信设备进行更换电池或者充电，给万物互联提供了很好的技术条件。除此之外，在频谱效率、流量密度、连接密度等方面都大幅度提高，满足了用户的需求，使用户的体验更上一层楼。

因此可以总结，5G技术需具有三大应用场景特征，分别是大带宽高速率(eMBB)、海量连接(mMTC)、低时延高可靠性(uRLLC)。

为了实现三大场景业务，在5G通信网络中，波束赋形由2D升级为3D，频谱效率提升了6到8倍，改善了边缘覆盖的性能，因此具有超高的接入速率，吞吐量大于19G，接近了5G技术的理论极限。在接入方式方面，5G通信网络采用新型多址接入(MUSA)，MUSA技术是属于NOMA技术的一种，通过SIC算法，能够同时实现高过载和免调度，接入终端的数量可提升3到6倍，连接数量远超标准要求，最高可达9 300万。再者，为了得到极低的传输时延，5G采用了新型的帧结构技术，通过基于统一空口架构的设计，可以适应不同场景的时延与带宽需求，可灵活分配无线资源，时延可达0.416 ms，远超5G标准的1 ms。

在上述的新空口技术上，5G网络还采用了全新的网络架构。利用海量的大数据进行，通过自动化运维系统，设计、分析、管理、编排、控制，在云平台上部署全局，重新切分无线网络，实现CU/DU分离，在核心网上实现2/3/4/5G/FIX重新融合，并实现DC间的低时延直接连接，可以实现DC的灵活调度。

除此之外，5G还带来了其独有的网络切片能力和新运营模式[29-31]。5G网络切片如图5所示，将一个物理的5G网络按照不同的场景需求切割成数个虚拟的端到端的逻辑网络，不同的网络切片支持不同的场景、业务需求。切片之间，相互不影响，相互绝缘，当某一张切片产生问题时，并不会影响其他切片的正常工作。

图5 5G网络切片

Fig. 5 Network slicing of 5G

基于一张5G基础网络，划分不同特性的切片子网络，即可独享网络资源，提供定制化的准专网服务，也可根据实际需求，部分或全部共享切片网络。切片为不同应用场景提供服务等级协议(SLA)保障的连接服务，满足多样化的场景需求。由于基础设施是统一的，并没有额外建设通信网络，实现了资源共享，因此5G切片网络降低了整体的建设运营成本。5G的切片网络中，设置了多级隔离，安全性高，独享部分的网络资源的准专网实施强隔离，每一块切片网络都有独立的生命周期管理，因此安全性、独立性极高。每一块切片网络都是面向服务、按需定制的，实施实时监控，动态调度，SLA得到了保障。

3 基于5G的泛在电力物联网

5G通信的特点与优势和电力系统的特点十分互补，对于不同的用户类型，都有着不同的服务方式。对于电力运营来说，如智能电表的高计量，配电自动化，配电智能运检等，需要基于权益法则的5G差异化通信连接服务。对于需要智能家居的用电管理和用户系统的监控维保服务的消费类电力用户来说，可通过联合电力公司共同服务电力用户。而对于需要新能源监控、充电桩监控、综合能源服务等企业类电力用户来说，可通过MEC等为企业提供差异化通信服务，比如虚拟专网、专业子网和IoT云平台增值服务等。

3.1 5G应用场景

在泛在电力物联网中，5G技术广泛地应用在各个方面。

1) 5G+配电网差动保护(分布式自动化)。当前配电网保护多采用简单地过流、过压逻辑[32]，不依赖通信，但是不能实现分段隔离，停电影响范围会扩大，故障后供电恢复时间长(几天或小时级别)。而且，配电网终端通信点多面广，且布局分散，光纤铺设难度大，成本高。未来5G无线通信具有快速部署、成本低、易升级和扩容等特点，基于高精度时钟同步，5G通信技术为终端提供一种更优的解决方案，其理论上可以满足配电网的差动保护需求。其差动保护时延可小于12 ms，可完全隔离电网I区。

2) 5G+配网PMU。PMU测量点多，通信频次高，而且通信要求实时控制[33]，到达毫秒等级，而且报文有大有小、实时性有高有低。5G通信技术由于其大带宽、实时性可靠性高，可在配电网大范围部署，感知配电网状态，多方协同通信，可作为判断配电网故障的新手段。

3) 5G+精准控制系统。将终端用户接入层由原来的全光纤方案，用5G专网代替，可控资源大幅增加，利用5G连接相关可中断负荷、调控分布式能源。

4) 5G+虚拟电厂。由于大量的分布式电源、可控负荷、储能设备和电动汽车相连接，系统所要求的控制实时性和调控响应都要达到毫秒级，然而光纤通信连接点数量少成本高，而其他无线通信方式时延高，5G通信技术由于其低时延、高可靠性的优点，成为毫秒级实时响应与调控、调频调压的新手段。

5) 5G+智能巡检。在电力系统的巡检业务中，经常使用网联机器人巡检[34]，需要做到实时数据实时分析，高清视频监控，智能在线分析识别。当前基于短距离无线、WIFI或有限的智能巡检设备受到很多局限，如移动或飞行距离短，可靠性低，需要有人近距离操控、数据不能实时处理。利用基于5G的网联无人机和机器人巡检，带宽更大，单位时间内可传输的视频和图像更多，更高效，实现数据实时回传、直播互动、远程作业、远程VR/AR专家指导。

6) 5G+网络精确授时。5G基站时钟精度高于100 ns，24小时漂移小于1.5 μs，可以作为授时时钟源。基站发出统一授时的物理信号到5G UE(CPE)，CPE对授时信号经过处理，输出到IRIG-B，电力终端通过IRIG-B码接口实现对时同步，时延小于10 ms。

7) 5G+数据增值服务。电力系统用户侧数据涉及全社会各行各业，包含大量社会经济信息，从数据科学的角度，其价值远比电网内部数据的价值要高。当下的电力系统数据大多把着眼点放在电力系统本身，仍缺乏对用户侧数据的充分关注。但是，由于用户侧数据杂乱无章，缺乏科学的处理方法，目前的数据处理时间尚不能满足时延要求，原来的网络承载能力也有限，所以目前用户侧数据的隐藏价值并没有被发掘出来。5G技术的出现，其低时延大带宽的优势，给电力系统数据增值带来新的契机。通过5G边缘计算，在采集到用户侧数据时，实时进行用电行为分析、定制个性化用电方案等，把数据增值计算下沉至数据源头，将使整体网络服务响应更快、效率更高。

5G可为电力物联网提供更有价值的泛在接入方案，如：为业务无线接入提供更优的解决方案，为电力不同业务提供差异化的网络服务能力，为电网不同分区业务提供可靠的安全隔离能力，为海量的接入终端提供高效灵活的运营管理能力。5G网络通信技术，是泛在电力物联网业务创新的重要机遇[35]。

3.2 5G泛在电力物联网面临的挑战

首先，电力通信安全是5G在泛在电力物联网应用的关键挑战。如图6所示，电网安全分区原则制定于20年前，2014年修订，适用于主网。由于主网容量大，事故的破坏影响大，后果严重，严格要求无可厚非，而且非常必要。当时，配网末端、电力用户的通信连接需求极少，未充分考虑末端及用户的连接需求。由于泛在电力物联网使用的是5G公网，如何进行物理隔离，是一个始终绕不过去的问题。现在大量的智能终端接入配电网末端，是否应该重新考虑，在配用领域，采用分层、分区、分类设置安全方案的新原则，适度放开对5G公网的使用，达到效率、利益与安全的平衡。

图6 电网信息安全分区

Fig. 6 Security division of power grid information systems

再者，现在5G技术仍然在发展当中，在5G的发展初期，即2020年以前，业务场景大多集中在5G大视频类，重点在于满足eMBB大带宽需求，提升用户体验，提升大视频类业务如监控、VR、AR的体验。2020年后，增加uRLLC，mMTC切片需求，在2020到2025年之间，5G业务可逐步拓展至垂直行业，5G结合车联网、能源、工业等试点，帮助客户通过5G推进数字化转型，保证业务隔离和差异化体验。至于到了2025年之后，5G业务可大规模推广至各个垂直行业，基于5G端到端的切片服务，把目标客户群体聚焦在企业客户。

4 结论

泛在电力物联网的建设正在如火如荼地进行中，5G作为新兴通信技术，是建设网络层的关键通信技术之一。5G技术有着高速率、高容量、高可靠性、低时延、低能耗特点，因此十分适合进行泛在电力物联网的建设。本文详细阐述了5G技术的关键和特点，并给出了5G在泛在电力物联网中的应用场景，为以后的研究奠定基础和提供方向。

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