1.5 电力物联网与5G的融合

1.5.1 5G业务场景

1. 5G三大业务场景

5G三大业务场景分别是URLLC （高可靠低时延通信）、eMBB （增强型移动宽带）以及mMTC （大规模机器类通信）。这三大场景极大扩展了传统电信业的生态图谱，使得5G可以渗透到更多行业中。5G三大业务场景的典型应用、显著特征和性能指标见表1-2。

（1）URLLC场景

URLLC具有低时延和高可靠的特性，其关键的性能指标包括时延小于1 ms、可靠性达到99. 999%。URLLC主要服务于工业控制、无人机控制、智能驾驶控制等特殊应用需求场景，这些场景对网络的时延和可靠性有很高的要求。例如，无人驾驶、工业自动化等要求时延在毫秒级，业务可靠性接近100%。对于高速移动场景，如无人机控制，需要保证在飞行速度为300 km/h时能提供上行20 Mbit/s的传输速率。

URLLC场景下的电力物联网业务主要包括智能分布式配电自动化、用电负荷需求侧响应等控制类业务。通过5G网络URLLC精准控制，可以有效保障配电自动化业务的信息传递，实现线路故障毫秒级的精准预判，大幅度提升配电网的可靠性；实现用户内部可中断负荷的毫秒级业务响应，提升电源侧与末端负载侧的协调适配能力。

（2）eMBB场景

eMBB是移动宽带 （移动上网）的升级版，其典型应用包括超高清视频、虚拟现实、增强现实等。其关键的性能指标包括100 Mbit/s用户体验速率 （热点场景可达1 Gbit/s）、数十Gbit/s峰值速率、每平方公里数十Tbit/s的流量密度、500 km/h以上的移动性等。

eMBB场景下的电网应用主要包括配电房视频综合监控、变电站巡检机器人、输电线路巡检无人机等大视频应用，这类业务对视频清晰度和传输带宽有很高的要求。5G网络的eMBB可以使巡检机器人和无人机能够更加快捷地接受任务指令，传输高清视频流，满足电网中不同视频监控业务对上下行带宽、时延的差异化需求，保障电网的安全稳定运行。

（3）mMTC场景

mMTC具有数据包小、功耗低、海量连接的特点。其典型应用包括智慧城市、智能家居等。这类应用终端分布广、数量众多且对连接密度要求较高。智慧城市中的抄表要求终端网络支持海量连接的小数据包；视频监控不仅部署密度高，还要求终端网络支持高速率传输；智能家居业务对时延要求相对不敏感，但不同家具电器终端可能需要适应高温、低温、震动和高速旋转等工作环境的变化。

mMTC场景下的电力物联网业务主要包括高级计量和分布式能源调控两大业务。这类业务要求网络能够支持大量终端接入以及高密度连接，5G网络的mMTC能够保障的连接密度数为每平方千米100万个，利用海量连接可实现可靠、安全和开放的高级计量业务和分布式能源调控业务，为智能电网与用户间的双向互动提供坚实保障。

2. 5G的性能指标和效率指标

5G的关键能力由性能和效率需求共同定义，如图1-15所示的5G之花中，叶子代表三个效率指标，它们是实现5G可持续发展的基本保障；花瓣代表了5G的六大性能指标，它们体现了5G满足未来多样化业务与场景需求的能力；花瓣顶点代表了相应指标的最大值。

（1）移动性

移动性是指通信双方在满足一定性能时的最大相对移动速度。5G移动通信系统需要支持超高速移动场景，包括飞机、高速公路和城市地铁等。同时，还需要支持低速或非移动场景，包括数据收集、工业控制等。利用5G通信技术，移动用户通信能力进一步增强，移动速率大幅提升，可达到500+km/h。

（2）端到端时延

端到端时延是指数据包从源节点开始传输到被目的节点正确接收的时间。5G的部分业务场景对时延有更严格的要求，最低空口时延需求达到1 ms。5G兼顾整体，从跨层考虑和设计角度出发，使得空口、网络架构、核心网等不同层次的技术相互配合，让网络能够灵活应对不同垂直业务的时延要求。

（3）用户体验速率

用户体验速率定义为单位时间内用户获得的MAC层用户面数据传输量，5G首次将其作为网络性能指标。在实际网络应用中，用户体验速率受到网络覆盖环境、网络负荷、用户规模和用户位置、分布范围、业务应用等众多因素的影响。5G时代，用户体验速率可达到0. 1～1 Gbit/s。

（4）峰值速率

峰值速率定义为单用户在系统中被分配最大的带宽、最高的调制编码方式、处于理想的无线环境时所能达到的最高速率。与4G相比，5G峰值速率可达到20 Gbit/s，系统性能得到进一步提升。

（5）连接数密度

连接数密度是指单位面积内可以支持的在线设备总和，是衡量5G移动网络对海量规模终端设备的支持能力的重要指标，5G时代的连接数是4G的100倍，网络最高可连接数密度一般不低于每平方公里10万个，能够满足当前大量的物联网应用需求。

（6）流量密度

流量密度定义为单位面积区域内的总流量，主要用来衡量移动网络在一定区域范围内的数据传输能力。5G能够支持每平方公里数十Tbit/s的流量密度，可实现局部区域的超高数据传输。

1.5.2 新基建

新基建是包括5G、工业互联网、特高压、城际高速铁路和城际轨道交通、新能源汽车及充电桩、大数据中心、人工智能等领域的新型基础设施建设。新基建对数字经济起到强大的支撑作用，电力行业也迎来了数字化变革的新蓝海，电网将更灵活、实用、绿色、高效和具有竞争力。

1. 5G新基建

以5G为核心的新一代信息基础设施是新基建的重要支柱。5G网络将提升频谱效率、扩展工作频段、增加网络密度，实现超高带宽、超低时延和超大规模连接。在电网中，5G将助力智能分布式配电自动化、分布式能源接入、低压集抄等业务取得更大的技术突破。

5G新基建包括四部分内容：建设5G基础网络、升级改造网络架构、对接业务应用和优化新型治理架构。第一，建设5G基础网络，完成5G系统 （如基站、核心网、传输）的设备研发、运营维护和网络部署。第二，升级改造网络架构，促使传统通信机房转变为数据中心，传统通用网络转变为弹性、云化、虚拟化、切片化、智能化的无线专网，传统被动网络控制转变为多级分布式自适应控制。第三，网络建设进入成熟期后，5G基础设施将下沉到垂直行业，对接业务应用，联通所有行业各种类型的数据以及生产全过程。第四，推动更高层的治理架构优化，建立信息基础设施及网络空间管理和治理模式的基础框架。

5G新基建的重点有五个方面：第一，建设基础配套设施，提前改造供电和铁塔、升级机房并储备管线。第二，研发与部署5G基站、核心网、传输网等基础设备，协同5G独立组网模式和业务创新。第三，部署5G新型云化业务应用平台，协同新业务和各种垂直行业应用。第四，围绕5G建设工业互联网新型先进制造网络环境，例如物联网云、网、端的新型基础设施等。第五，保证5G安全，包括对数据的认证、加密设备的部署和安全体系的构建，以及与网络架构和业务运营安全的协同。

2. 工业互联网

建立在工业大数据基础上的数字化、网络化与智能化新体系即为工业互联网新基建，它可以通过人、机、物的全面互联，采集、传输、分析各类数据并形成智能反馈，优化资源配置，提高企业生产效率。

借助工业互联网新基建，通过实时采集海量分布式电源点的运行和环境信息，控制海量分布式电源的总体运行，实现可再生能源大规模并网。同时，工业互联网新基建可以在其他方面极大便捷电网业务，如智能巡检可极大提高巡检质量与效率；分布式馈线继电保护能够在发生故障时马上精准隔离，保障系统安全；虚拟电厂可实现大范围运营并支撑分布式储能；数据增值服务提供给客户个性化套餐和定制化服务。

3. 特高压

交流电压大于或等于1000 kV和直流电压± 800 kV及以上的输电技术被称为特高压，特高压成套输电设备的研发与部署即为特高压新基建。坚强智能电网以特高压为核心，特高压具有输送距离远、容量大、损耗低、效率高等优势，能大幅度提高电网输电能力与电力资源供给能力，调整能源结构并发展绿色能源，降低发电成本。

借助特高压新基建，装备制造企业攻克了高电压等级变压器、换流阀、大电网保护控制等重要技术和关键装备的研发难题，从本质上转变了我国电网建设在核心技术、高端装备方面长期受制于人的尴尬局面。

4. 新能源汽车及充电桩

和传统燃油汽车不同，新能源汽车使用新型车载动力装置或电能等非常规车用燃料，并在充电桩处实现按时、按电度、按金额购电，极大促进了绿色能源消纳。同时，新能源汽车可与太阳能等分布式电源协调运行，并通过储能技术增加电池使用时长，缓解废旧电池的潜在环境污染，构建安全、经济的能源供应体系。

作为电力物联网的重要组成部分，V2G （Vehicle-to-Grid，车辆到电网）技术在新能源汽车停止运行阶段，利用连接到电网的电机将能量输送给电网；在汽车电能不足时，电流又从电网流入电池。对于用户，通过V2G技术，新能源汽车可起到应急电源作用，对于电网公司，V2G技术可以减少新能源汽车迅猛发展带来的用电压力，通过负荷调控，实现削峰填谷。

5. 大数据中心

数据中心是数据存储、处理和交互的中心，与传统数据中心相比，大数据中心具有体量大、数量大和实现形态多样化等特点，契合大型云数据中心和大量分布式边缘数据中心的发展趋势，为电力行业提供强有力的基础设施保障。

电力行业大数据来源于电力系统的发、输、变、配、用各个环节，包含了资产数据、电网运行和设备监测数据、电力营销数据、电力企业管理数据等。借助大数据中心，电力行业进一步解决了网点部署分散、信息处理速度缓慢等问题，提升了数据运行管理效率、能效和基础设施利用率，节省了运维及管理的人工成本，保障电力业务的可靠、高效运行。同时，大数据中心也为电力行业和互联网企业整合计算资源提供了服务平台，共同构建产业生态体系。

6. 人工智能

人工智能是一种全新的科学技术，对模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统进行研究和开发。在信息基础设施领域，人工智能与云计算、区块链一起成为一种新技术基础设施；在融合基础设施中，人工智能被视为支撑传统基础设施转型升级的重要工具。人工智能与电网融合，能更加及时、透明地反映电网状况，使电网更高效、更绿色。

随着人工智能新基建的开展，电网中图像智能识别、无人机自动巡检、电缆隧道机器人巡检、光纤振动在线监测等技术将大范围推广，北斗高精度定位、无人机集群作业、两栖机器人巡检作业等新技术应用也将推进探索。借助人工智能，电网可以实现精准预测。例如，中国南方电网根据每天各省区用电具体情况，利用“南方电网调度驾驶舱AI负荷预测模板”，可成功预测全网第二天的负荷和用电。

1.5.3 5G打通电力物联网“最后一公里”

在电力物联网中，“最后一公里” 通信是指借助覆盖面积广、成本低的无线网进行配电和用电端的通信。网络终端设备的快速增长，使得“最后一公里” 的通信异常拥塞，无法满足电力物联网低时延、广覆盖、高安全性和超高可靠性等刚需。

5G可以全面感知电力设备的运行状态，将企业、供应商和电力客户的数据相关联，进而通过平台实现数据共享，促进“三型” 企业建设，服务上下游企业及电力客户。采用网络切片技术，将物理网划分为多个虚拟网络，根据时延、带宽、安全性及可靠性等服务需求，灵活适应不同网络应用场景；在电力杆塔上安装5G基站，合理利用电力杆塔资源，实现电力杆塔与通信基础设施资源的合作共享，提高电网资源利用率；用5G替代光纤，大幅减少光纤部署，降低部署难度，实现降本增效；利用5G大连接特性，一方面实现大电源并网，打破孤岛运行局面，改善区域信息采集现状，另一方面，连接海量智能电表，实现高级计量，为用户提供智能用电等个性化需求；将5G模组用于配电自动化、智能电表、无人机、巡检机器人和高清摄像头等终端，建设5G电力专网，大幅提升电力数据的交互能力。

2019年，国家电网联合产业链生态合作伙伴在青岛建成了全国最大规模的5G智能电网实验网。2020年，国网信息通信产业集团有限公司面向能源互联网信息通信需求，开展产品开发和应用，率先推出了面向电力行业的系列化5G通信终端，提供多种通信模式、组网方式及本地通信接口，保证多种电力业务场景的通信质量。国家电网拟于2022年在北京冬奥会建设张北柔性直流电网试验示范工程、110 kV及以上冬奥会配套电网工程和场馆10 kV配套电网工程，通过在变电站内安装5G基站、在现有输电线路杆塔上架设5G天线，实现变电站工作区域5G信号全覆盖，满足冬奥各赛区场馆内智能巡检、高清视频传输、网络负荷监测、分布式能源监测和设备状态监测等通信需求。中国南方电网则联合中国移动、华为等单位共同打造“5G+” 智能电网生态圈，完成5G空口高精度授时关键技术、5G承载低时延电网控制类业务测试、端到端5G公网切片安全隔离性等研究和试验。最终，5G将助力电力物联网实现“最后一公里” 的高质量通信。