基于5G技术的电力物联网展望
文章来源：2021年第17期《电工技术学报》，原题为“电力物联网数据传输方案：现状与基于5G技术的展望”
作者为：西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室的研究人员 黄彦钦、余浩、尹钧毅、孟国栋、成永红
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电力物联网的架构
电力物联网包括感知层、网络层、平台层和应用层四层结构，如图所示。其中感知层是电力物联网的底层基础，需要由该层完成各类数据的采集以及就地处理等工作。在这个环节中，由微型化、智能化的传感器对电力设备运行状态、气象环境、用户信息等数据进行全面获取，通过传输路径输送至本地数据中心，过程中由边缘计算模块等配合进行数据的本地化处理；本地数据中心（如变电站数据中心、光伏发电站数据中心等）作为感知层内的基本单元，它们之间、以及感知层与平台层间广域范围内的业务信息传输则依靠网络层来实现；平台层作为管理环节，负责电力物联网业务数据流的统一接入管理，并对业务信息进行高效处理；应用层则向下反馈调节信息并对外输出价值信息，实现规划建设、生产运行、经营管理、客户服务等对内、对外业务的支撑。
电力物联网中的数据传输网络
电力物联网中的数据传输网络一方面承载由海量传感器、智能电器设备等采集的信息流接入上位机、云平台、智能电表等本地数据中心；另一方面，支撑了本地数据中心之间，或本地数据中心与电网数据中台间的信息互联；同时，对于由综合分析、评价产生的信息，电网系统仍需借助数据传输网络反馈这些调控信息并对其中的价值信息进行外部分享，以此完成电力信息的双向流动和对外价值创造，电力物联网中的数据传输网络如图所示。
经过多年经营建设，电力行业中数据传输方案应用场景总体上可以划分为：采集、控制和电力业务信息传递三大类。
有线传输方案：主要包括光纤、电力线载波、以太网及总线等技术。早期主要依靠总线或以太网技术满足来自采集或控制的数据传输需求。而对于业务信息的传输，则主要采用电力线载波技术和工业以太网技术。例如，在采集场景中，西安交通大学成永红教授团队基于现场总线技术开发了国内第一套电力设备综合在线监测系统，该系统通过PXI总线集成技术实现了单台变压器的多参量在线监测，起到了良好的示范性作用；湖南大学汪沨等通过以太网技术设计了GIS设备的局部放电监测系统。在控制信息传输场景中，山东大学赵建国等研究了基于总线技术的继电保护系统；杨奇逊等基于总线通信构建了应用于变压器差动保护的过程总线通信实验平台。
光纤技术衍生出了xPON光纤技术，用以满足电网中采集、控制、业务信息流动等诸多业务场合对数据传输可靠性、实时性等的苛刻需求。据统计，截至2019年，35kV及以上厂站、自有物业办公场所/营业所已经实现了光纤全覆盖。
无线传输方案：主要有230MHz无线电力专网、3/4G蜂窝技术、卫星通信技术、WiFi、ZigBee、Bluetooth、低功耗广域网（Low-Power Wide-Area Network, LPWAN）技术等多种方案。无线传输技术投入初期，主要替代本地通信网络中使用有线方式的采集类业务，选择如WiFi、ZigBee、Bluetooth等技术作为无线方案。这些无线传输方案传输距离较短，传输速率有限，仅适合传输部分基础类型的数据，无法满足图像、视频等需要高带宽数据传输的需求，它们的主要性能参数见下表。
表1短程无线传输技术性能对比
表1中，ZigBee技术的时延可以达到ms级，这使其能够满足一些对时延要求不高的短程控制类型业务对响应速度的要求，所以ZigBee技术也常常用于部分自动控制类业务。
LPWAN（Low-Power Wide-Area Network, LPWAN）技术根据使用频谱是否被授权，可以分为基于蜂窝技术、工作在运营商授权频谱下的窄带物联网（Narrow Band IoT, NB-IoT）技术和增强型机器类通信（eMTC），以及工作在非授权频谱的远距离无线电（Long Range, LoRa）技术和Sigfox技术，这些技术的主要性能指标对比见表2。
表2 LPWAN技术特点对比
NB-IoT技术与eMTC技术凭借其与运营商的绑定关系以及传输距离长、容量大、抗干扰能量强的性能特点，常常与3/4G蜂窝技术、230MHz/4G电力无线专网组合完成数据采集工作，以及密级较低的控制类或电力业务信息传递类业务。对于偏远地区及长距离输电线路等存在信号盲区的场合，常常通过卫星通信与LoRa或Sigfox技术相互配合来完成采集类业务的数据回传。
电力物联网将在数据传输方案服务的采集、控制和业务信息传递类业务将会发生革命性的改变：
1）在采集类应用场景中，将会迎来三个方面的深化。①采集范围拓宽：由电力一次设备信息采集扩展到电力二次设备及各类环境控制、多媒体场景、用户侧等的信息数据采集，以期获取更加全面的数字化感知，加强对于电力资产的管理，加深对电力物联网和能源互联网能量流动的了解。②采集内容多元化：在基础数据、图像、语音的采集基础上，增加高清视频的回传，用以应对巡检、监控、应急现场自组网综合应用等电网大视频应用的需求。③采集频次实时化：对于满足未来用电负荷需求侧管理，用户实时定价等应用的发展，采集频次由当前的天、小时为单位的采集被期望提升到min级的准实时水平。
2）在控制类应用场景中，随着分布式能源调控、负荷精确控制等应用的发展，时延的需求将达到ms级。
3）业务信息传递场景中，在保障精确实时、安全保密的信息传递前提下加强双向互动，以达到加强管理协调各类电力业务的目的。
5G引领电力物联网的新时代变革
电力物联网eMBB场景：这方面的应用主要是电网大视频，包括了变电站机器人巡检、输电线路无人机在线监测、配电房视频监控、移动式现场施工作业管控及应急现场自组网综合应用等。中国联通联合东莞市供电局在变电站内设置了基于5G的无人机110kV线路定点巡航，在回传的高清视频/图像中，能够清晰读取铭牌信息与线路状态，有效提升巡检工作效率。赵雷等基于5G模组开发了巡检机器人，解决了现有4G技术中由于带宽不足导致的视频图像丢帧卡顿、网络延时高等问题，提高了巡检效率。
电力物联网uRLLC场景：主要包括无线控制及电力系统调度信息传输等业务。电力系统生产控制区域的不同服务对延迟和可靠性有不同的要求，特定的业务包括分布式配电自动化、分布式能源调控、配电网差动电流保护和用电负荷需求侧响应等。中国南方电网公司在2018年的一份报告中对于未来上述业务的关键需求指标进行了汇总，见表4。
表4 控制类业务需求指标
为了满足ms级精确负荷控制服务的延迟目标，华为的研究人员提出了一种新颖的物联网-电网（Internet of Things-Grid，IoT-G）数据传输方案，该技术是5G技术完全成熟前的过渡，继承了5G系统的低延迟设计概念，支持频谱聚合技术。现场测试结果表明，IoT-G数据传输方案在延迟、数据速率、容量和共存性方面满足对电网服务的要求。
电力物联网mMTC场景：关键用途是连接部署的海量感知终端设备，满足海量连接的业务需求，是对采集类业务的全面完善。目前在电网中，一方面，由于数据传输技术的限制，很多感知终端仅收集和上传部分信息；另一方面，局部系统中仅配备了非常稀疏的感知终端，这种“稀疏的数字化”在对设备和系统的运行监测方面留下了诸多盲点，很多值得监测的物理、化学、气象状态及用电信息等数据产生了遗漏。英国爱丁堡大学的Mehdi Zeinali教授和John Thompson教授认为，在所有用户端配备大量基于5G数据传输模块的智能电表能够实现客户和电力公司之间的双向通信，从而优化自动计量基础设施（Automated Metering Infrastructure, AMI），是实现高效能源管理系统的重要一步，仿真结果表明，他们所提出的基于5G的智能计量通信，具有更好的覆盖范围和链路可靠性：在全区域部署情况下，可将停电用户数减少到5%以下。
5G应用挑战
5G无线传输系统的主要耗电环节是海量的通信终端设备及通信基站。对于5G终端设备，除了直接入手硬件，开发低能耗器件外，考虑如何利用射频、温差等环境参数获取能量，研究一体化低功耗无源设计将是研究者们思考的方向。
保障5G网络接入安全、5G终端安全、切片安全、边缘计算安全，支持统一的身份管理与认证，支持多元化信任关系构建，探索隐私保护策略，以及建立并分析对应的威胁模型，这些研究都将有助于建立5G无线传输技术在电力物联网中的安全性使用标准。
