5G 通信與泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的融合：應(yīng)用分析與研究展望

　　摘要：泛在電力物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)在電力行業(yè)的一種具體表現(xiàn)形式，是互聯(lián)互通的電力網(wǎng)與通信網(wǎng)深度融合的產(chǎn)物，是實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)的重要舉措。第五代移動通信(5G 通信)因具有高帶寬、低時延、低功耗等優(yōu)勢，受到各行各業(yè)青睞，也將于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)深度融合。基于此，探討了 5G 通信技術(shù)與泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的深度融合，深入分析了 5G 通信在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用場景，總結(jié)了 5G 通信支撐泛在電力物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù);鑒于未來 5G 通信網(wǎng)基站密集，能耗可觀，進一步還研究了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)下5G通信網(wǎng)的能量管理機制，以及兩者產(chǎn)能用能的協(xié)調(diào)互動;最后，對未來 5G 通信與泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的融合研究進行了展望。

　　《南方電網(wǎng)技術(shù)》(雙月刊)創(chuàng)刊于2007年，是由中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司主管，南方電網(wǎng)技術(shù)研究中心主辦的國內(nèi)外公開發(fā)行的技術(shù)類科技期刊，主要刊登電力系統(tǒng)的科研、規(guī)劃、基建、生產(chǎn)運行和維護等方面的成果、經(jīng)驗和動態(tài)，發(fā)行數(shù)量8000份以上。其主要發(fā)行對象是南方電網(wǎng)所屬五省(區(qū))電力系統(tǒng)內(nèi)各發(fā)電廠、供電局、設(shè)計院和建設(shè)施工、監(jiān)理單位，國內(nèi)外電力設(shè)備制造廠家，以及相關(guān)的高等院校和科研單位。自創(chuàng)刊以來得到了國內(nèi)外設(shè)計單位、科研院所和高校專家、教授的大力支持。以其高水平、高質(zhì)量贏得了業(yè)內(nèi)人士的廣泛好評，在電力行業(yè)尤其在南網(wǎng)五省(區(qū))范圍內(nèi)具有極大的影響。

　　關(guān)鍵詞：能源互聯(lián)網(wǎng);泛在電力物聯(lián)網(wǎng);5G 通信;大數(shù)據(jù);物聯(lián)網(wǎng);信息物理系統(tǒng)

　　0 引言

　　2016 年初，國家發(fā)改委、能源局和工信部聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于推進“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導(dǎo)意見》，正式掀開了我國能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的大幕。能源互聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵在于通過冷–熱–電–氣等多種形式能源系統(tǒng)的深度耦合、信息與物理系統(tǒng)的深度融合、以及創(chuàng)新的商業(yè)模式與市場機制等手段，提升整體能源利用效率、促進高比例可再生能源消納[1]。隨后，能源互聯(lián)網(wǎng)示范項目建設(shè)在全國各地也正如火如荼開展。在通往能源互聯(lián)網(wǎng)的道路上，2019 年國家電網(wǎng)有限公司“兩會”提出了加快建設(shè)“泛在電力物聯(lián)網(wǎng)”的目標，并將泛在電力物聯(lián)網(wǎng)定位為能源互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。

　　泛在電力物聯(lián)網(wǎng)本質(zhì)上是一種物聯(lián)網(wǎng)，是泛在物聯(lián)在電力行業(yè)的一種具體表現(xiàn)形式和應(yīng)用落地[2]。傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)利用先進的通信手段將計算機連接起來，而物聯(lián)網(wǎng)則是將所有能行使獨立功能的普通實物連接起來。對于電力系統(tǒng)而言，將所有和電相關(guān)的實物或設(shè)備進行互聯(lián)互通，在某種程度上來說就是泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的重要實現(xiàn)。傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)主要強調(diào)信息的互聯(lián)互通，而泛在電力物聯(lián)網(wǎng)既有電力的互聯(lián)互通，又有信息的互聯(lián)互通。

　　在整個電力系統(tǒng)中，為了保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，在高壓輸電線路等設(shè)備上已經(jīng)安裝了包括數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視控制系統(tǒng)(supervisory control and data acquisition，SCADA)、同步相量測量裝置(phasor measurement unit，PMU)等在內(nèi)的各種系統(tǒng)與設(shè)備運行狀態(tài)量測系統(tǒng)，并配有光纖通信，實現(xiàn)了可靠的電力互聯(lián)互通和信息互聯(lián)互通。但對于電壓等級較低的配電網(wǎng)，考慮到成本等因素，并沒有同步實現(xiàn)光纖覆蓋。此外，較輸電網(wǎng)絡(luò)而言，配電網(wǎng)絡(luò)連接的設(shè)備更多，深入到每一個用戶、甚至到每個家庭的每一個用電設(shè)備，海量設(shè)備僅通過不同電壓等級的電力線路連接。然而目前配用電側(cè)海量設(shè)備還沒有完全實現(xiàn)信息的互聯(lián)互通，電力系統(tǒng)的“最后一公里”挑戰(zhàn)仍然存在，并且亟待解決。創(chuàng)造全新的商業(yè)模式、實現(xiàn)廣泛的用戶互動、充分挖掘用戶靈活性是能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要方向，而信息互聯(lián)互通是基礎(chǔ)[3]。所以未來泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的重點將集中在配用電側(cè)，這也是本文論述的重點。

　　與此同時，在電力之外的通信領(lǐng)域，第五代移動通信(5G 通信)技術(shù)快速發(fā)展，包括標準制定、基站建設(shè)等在內(nèi)的各項技術(shù)與建設(shè)得到了長足的發(fā)展，我國預(yù)計在 2020 年將實現(xiàn)規(guī)模商用[4]。5G 通信與 4G/3G/2G 通信相比，在帶寬、時延等各方面都有較大的飛躍[5]。5G 通信嘗試利用通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)萬物互聯(lián)，有望成為實現(xiàn)和構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)[6]。從萬物互聯(lián)的角度來看，電力網(wǎng)和 5G 通信網(wǎng)有其共通之處，前者提供電力供應(yīng)，后者滿足通信需求。于是便產(chǎn)生了一系列直觀的問題：5G 網(wǎng)絡(luò)和電力網(wǎng)絡(luò)的深度融合會產(chǎn)生什么樣的應(yīng)用，孕育出什么樣的商業(yè)模式，創(chuàng)造什么規(guī)模的價值?

　　通過有線網(wǎng)絡(luò)連接萬物，對于物聯(lián)網(wǎng)而言成本較高、適用性較差，所以物聯(lián)網(wǎng)一般都是通過無線網(wǎng)絡(luò)進行連接，例如 4G 移動網(wǎng)絡(luò)、無線熱點網(wǎng)絡(luò) (Wi-Fi)、紫蜂無線網(wǎng)絡(luò)(Zigbee)等[7]。而 5G 通信的成熟必將使其在未來泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中占有重要席位。本文將重點分析 5G 通信時代下泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的研究框架。具體而言，將深入分析泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵，介紹 5G 通信的發(fā)展與特點;在此基礎(chǔ)上剖析 5G 通信與泛在電力物聯(lián)網(wǎng)之間的關(guān)系，探討 5G 通信在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中的潛在應(yīng)用，分析 5G 通信的若干關(guān)鍵技術(shù)，這些關(guān)鍵技術(shù)將在電力服務(wù)中扮演重要角色;此外還研究了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中的 5G 通信網(wǎng)能效管理問題;最后，對 5G 通信時代的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵研究進行了展望。

　　1 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的概念與特征

　　本節(jié)將首先介紹物聯(lián)網(wǎng)的基本概念，然后延伸到泛在電力物聯(lián)網(wǎng)，最后分析泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的基本特征。

　　1.1 物聯(lián)網(wǎng)

　　國際標準化組織/國際電工委員會(ISO/IEC)將物聯(lián)網(wǎng)的定義為“一種物、人、系統(tǒng)和信息資源互聯(lián)的基礎(chǔ)設(shè)施，結(jié)合智能服務(wù)，使其能夠處理物理和虛擬世界的信息并做出響應(yīng)[8]”。最初期的物聯(lián)網(wǎng)就是為需要連接的實物安裝傳感裝置，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，然后將這些數(shù)據(jù)通過通信網(wǎng)絡(luò)傳送到某一數(shù)據(jù)采集中心(例如數(shù)據(jù)管理分析平臺)，實現(xiàn)對該實物的監(jiān)測和分析，最終輔助做出理性決策。這種傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)信息流動往往是單向的，即從被連接的實物到數(shù)據(jù)采集中心。近年來，物聯(lián)網(wǎng)的概念在不同行業(yè)得到廣泛普及和應(yīng)用，培育了多樣化的物聯(lián)網(wǎng)。智能家居就是一種最為常見的物聯(lián)網(wǎng)，與初期信息單向流動的物聯(lián)網(wǎng)不同，智能家居既采集用電設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，又能夠給相應(yīng)的設(shè)備下達操作指令，實現(xiàn)電器設(shè)備的實時控制。這種以智能家居為代表的物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)了信息的雙向流動，融合了人或者人工智能的分析與控制，提升了連接實物的監(jiān)測和管理水平[9]。

　　一般來說，物聯(lián)網(wǎng)主要包括感知層、接入層、網(wǎng)絡(luò)層、管理層和應(yīng)用層等不同的層級[10]，如圖 1 所示。感知層是利用傳感器元件或裝置對被連接實物的位置、運行狀態(tài)等信息;接入層將傳感器與互聯(lián)網(wǎng)連接，通常通過無線射頻識別(radio frequency identification，RFID)通信、藍牙、Zigbee、WiFi 等方式實現(xiàn);網(wǎng)絡(luò)層則是實現(xiàn)廣泛信息整合、交換與共享互聯(lián)網(wǎng)平臺，有時接入層和網(wǎng)絡(luò)層可以進行合并;管理層實現(xiàn)對互聯(lián)網(wǎng)中信息的管理，例如數(shù)據(jù)的存儲、加密等;應(yīng)用層則是通過對信息的整合、分析，最終提供相應(yīng)的服務(wù)、做出相應(yīng)的決策。仍然以智能家居為例，智能開關(guān)、智能傳感等裝置為感知層，房屋中的 WiFi 則為接入層面，有線/ 無線互聯(lián)網(wǎng)對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)層，智能家居對應(yīng)的手機應(yīng)用程序(application，APP)可能存儲各電器設(shè)備的用電數(shù)據(jù)，對應(yīng)管理層;手機 APP 通過分析或者人通過 APP 控制電器設(shè)備的開停，這一部分則為應(yīng)用層。

　　1.2 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的概念

　　推進泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)是由國家電網(wǎng)有限公司在 2019 年“兩會”上正式提出，建設(shè)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)是實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)的重要舉措。“泛在電力物聯(lián)網(wǎng)”包含泛在、電力、物聯(lián)網(wǎng) 3 個關(guān)鍵詞，于是可以從“泛在網(wǎng)”、“電力網(wǎng)”和“物聯(lián)網(wǎng)” 3 個方面對泛在電力物聯(lián)網(wǎng)進行解讀。其中，物聯(lián)網(wǎng)是泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的具體表現(xiàn)形式，即泛在電力物聯(lián)網(wǎng)是一種特殊的物聯(lián)網(wǎng);電力網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具體的應(yīng)用對象，包括的電力乃至能源網(wǎng)絡(luò)的發(fā)輸配變用各個環(huán)節(jié)，被連接實體大到電力裝備、小至家用電器;泛在就是無處不在的意思，從某種程度上來說，泛在網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)的概念相近、甚至更廣，泛在一詞描述了未來電力物聯(lián)網(wǎng)的基本特征，即無時不在、無處不在，能夠?qū)崿F(xiàn)在任何時間、任何地點、任何人、任何物的順暢通信。

　　傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)所連接的實物除了信息連接之外往往沒有其他的連接關(guān)系，例如交通物聯(lián)網(wǎng)中的車輛僅通過傳感器和通信網(wǎng)絡(luò)連接，除此之外沒有其他的連接方式。但泛在電力物聯(lián)網(wǎng)不同，其所連接的實物往往是電力設(shè)備、家用電器等，這些實物本身就通過不同電壓等級的電力網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了互聯(lián)互通，所以泛在電力物聯(lián)網(wǎng)同時包含了互聯(lián)互通的電力網(wǎng)和通信網(wǎng)。此外，由于電力網(wǎng)絡(luò)覆蓋了海量用戶，為了滿足電力系統(tǒng)中不同參與主體的需求，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)該還可能衍生出社會網(wǎng)、業(yè)務(wù)網(wǎng)、交易網(wǎng)、資金網(wǎng)等其他關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。

　　與物聯(lián)網(wǎng)相同，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)也包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層(管理層)和應(yīng)用層。感知層利用各式各樣的傳感器實現(xiàn)對與電力甚至其他能源相關(guān)的實物的狀態(tài)進行采集。在配用電系統(tǒng)中，智能電表就是最為典型的傳感器，能夠?qū)崟r感知用戶的基本用電情況，一般情況下，每個家庭配備一臺智能電表，有條件情況下還可以設(shè)置多個子智能電表用于監(jiān)測特定的用電設(shè)備;除智能電表外，還有系統(tǒng)運行狀態(tài)(如電壓、功率等)傳感單元，電力設(shè)備(如變壓器等)傳感單元，隨時采集特定區(qū)域環(huán)境信息 (如溫度、濕度等)傳感單元等。網(wǎng)絡(luò)層為了滿足不同類型傳感器的接入，可能包括移動通信、有線互聯(lián)網(wǎng)、局域網(wǎng)等不同類型的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，他們有特定的通信協(xié)議與規(guī)范，具有較強的可延拓性。平臺層則將網(wǎng)絡(luò)層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)中心進行存儲和管理，對于部分數(shù)據(jù)也可以實現(xiàn)跨部門、跨主體甚至跨行業(yè)共享。應(yīng)用層是泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的核心目標，通過電力與信息的互聯(lián)互通，為用戶、售電商、電網(wǎng)操作員等提供控制與決策支持，孕育全新的商業(yè)模式和新興業(yè)務(wù)，致力于營造新的業(yè)態(tài)。

　　1.3 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的特征

　　“泛在”是泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的基本特征，泛在所體現(xiàn)的無時不在與無處不在，以及任何人與任何物的“萬物互聯(lián)”。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)具有復(fù)雜性、包容性、開放性和創(chuàng)新性。

　　具體地，復(fù)雜性是指泛在電力物聯(lián)網(wǎng)連接海量電力相關(guān)實體，電力網(wǎng)、通信網(wǎng)、業(yè)務(wù)網(wǎng)、資金網(wǎng)等深度融合，采集數(shù)據(jù)海量，需要先進的通信、人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)作為支撐，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的分析與運營涉及到多個維度的分析。

　　包容性是指泛在電力物聯(lián)網(wǎng)連接萬物，它不僅包含了與電力系統(tǒng)直接相關(guān)的實物，如變壓器、配電線路等，它還可以一直延伸到每個家庭中的電器設(shè)備，甚至用戶的穿戴設(shè)備;乃至拓展到環(huán)境氣象數(shù)據(jù)的采集等，實現(xiàn)多環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)共享。

　　開放性是指泛在電力物聯(lián)網(wǎng)更多的是扮演一個開放平臺的角色，服務(wù)的對象不僅僅只有電網(wǎng)運營者本身，包括電力用戶在內(nèi)的各種參與主體都可以主動融入泛在電力物聯(lián)網(wǎng)，為自身創(chuàng)造價值，甚至其他行業(yè)的企業(yè)可以參與進來創(chuàng)造新的業(yè)態(tài)。

　　創(chuàng)新性是指泛在電力物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、及時通信與控制等多方面的功能，基于這樣一個平臺，可以激發(fā)參與者創(chuàng)造全新的商業(yè)模式，打造全新的生態(tài)化運營系統(tǒng)。

　　綜上所述，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的復(fù)雜性、包容性、開放性和創(chuàng)新性，與建設(shè)全息感知、泛在連接、開放共享、業(yè)務(wù)創(chuàng)新的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)目標也是一致的[2]。

　　2 支撐泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的 5G 通信

　　通信技術(shù)是泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)之一，是實現(xiàn)萬物互聯(lián)的基本組成部分。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)可以通過不同類型的通信網(wǎng)絡(luò)進行互聯(lián)，而最新發(fā)展的 5G 通信又具有獨特的優(yōu)勢。本節(jié)將介紹移動通信的發(fā)展歷程，剖析 5G 通信的基本工作原理，分析 5G 通信的基本特征以及與泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的契合點。

　　2.1 移動通信技術(shù)發(fā)展歷程

　　移動通信技術(shù)在近幾十年來得到了長足發(fā)展，也發(fā)生了革命性的變化。第一代(1G)通信技術(shù)主要使用 FM 調(diào)頻技術(shù)，傳輸模擬信號，開始應(yīng)用于實現(xiàn)遠程無限通話;隨著集成電路等的發(fā)展，第二代 (2G)通信技術(shù)應(yīng)運而生，該技術(shù)不再傳輸模擬信號，而是數(shù)字信號，提升了通信的抗干擾性能，各種信息服務(wù)開始出現(xiàn)，這是通信技術(shù)一次質(zhì)的變化。第三代(3G)通信技術(shù)和第四代(4G)通信技術(shù)在 2G 通信基礎(chǔ)上進一步提升了網(wǎng)絡(luò)傳輸速度：3G 通信從真正意義上帶來了整個移動互聯(lián)網(wǎng);而目前使用的 4G 通信，網(wǎng)絡(luò)速度得到極大提升，進一步推動移動互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，手機不再局限于通話短信，數(shù)據(jù)傳輸顯得更為重要，為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展創(chuàng)造了想象空間。移動通信技術(shù)的每一代革新都在移動通信性能、通信速度等有較大的提升，都會給這個社會帶來全新的變化和機遇。5G 通信時代已經(jīng)到來，2016 年已經(jīng)開始了 5G 通信標準的制定工作，并于 2018 年結(jié)束，2019 年被成為 5G 通信的元年，我國預(yù)計在 2020 年將實現(xiàn) 5G 通信的規(guī)模商用。

　　2.2 5G 通信基本原理

　　從 2G 通信開始，移動通信技術(shù)都是以數(shù)字信號作為基礎(chǔ)，5G 通信也不例外。移動通信就是利用電磁波在空氣中自由傳播進行通信，一般包括信號發(fā)生器和信號接收器，包括了調(diào)制、解調(diào)等基本步驟。與有線通信不同，無限通信的電磁波信號在空中傳播過程中存在反射、衍射、散射等各種情況，通過多個路徑抵達目的地[11]。

　　通信領(lǐng)域著名的香農(nóng)公式給出了單條通信鏈路下信號傳輸最大速率與頻譜寬度/信號功率和噪聲功率之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系[12]，即

　　式中：C 為信號最大傳輸速率;B 為頻譜寬度; S 為信號功率;N 為噪聲功率;S/N 即信噪比。需要指出的是，雖然由式(1)說明了速率受到頻譜寬度的限制，但可以在不同的相隔較遠的地區(qū)反復(fù)使用同一頻譜資源，形成一個個小區(qū)，利用這種頻率的不斷復(fù)用實現(xiàn)在有限的資源下提供盡可能多的服務(wù)，這即是現(xiàn)代移動蜂窩通信技術(shù)的基礎(chǔ)。

　　IMT-2020(5G 通信的法定名稱)推進組從峰值速率、邊緣速率、能效、可靠性、通信時延等各個方面給出了未來 5G 通信的技術(shù)指標[3]。例如 5G 通信峰值速率至少 20Gbps，較 4G 通信而言是一個較大的飛躍。為了實現(xiàn)如此高速率的信號傳輸，可以開展 3 方面的工作：1)拓展資源。基于香農(nóng)定理，選擇更寬的頻譜，每一次通信技術(shù)換代都伴隨著電磁波信號頻率的增加，未來 5G 通信對應(yīng)的頻段達到 30GHz 到 300GHz(對應(yīng)波長 10mm 到 1mm)即毫米波頻段。2)延拓定理。延拓香農(nóng)定理的適用范圍到多條并行通信鏈路中，提升頻率的利用效率，此基礎(chǔ)上還可以開展大規(guī)模多天線 (Massive MIMO)技術(shù)。3)開發(fā)技術(shù)。進一步減少每個小區(qū)的面積，布置更加密集的微型基站，使得頻率資源可以被更多次復(fù)用，和其他無線技術(shù)一起形成更高密度的異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)連接。

　　2.3 5G 通信基本特征

　　根據(jù) IMT-2020 推進組對 5G 通信的基本要求，未來 5G 通信應(yīng)該至少包含以下 5 個方面的基本特征，即高速率、高容量、高可靠性、低時延與低能耗，可簡單概括為“三高兩低”。

　　1)高速率。5G 通信速率包含峰值速率、區(qū)域速率和邊緣速率三方面指標，峰值速率是指最好條件下的最大速率，要求不低于 20Gbps;區(qū)域速率是指通信系統(tǒng)同時支持的總速率，一般用單位面積速率描述，較 4G 通信將提升 1000 倍以上;邊緣速率 (5%速率)是指最差的 5%分位數(shù)用戶獲取的通信速率，一般要求在 100Mbps 和 1Gbps 之間。電力服務(wù)面廣，需要采集包括系統(tǒng)實時量測數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)等在內(nèi)的海量數(shù)據(jù)，高速率為海量數(shù)據(jù)傳輸提供強有力支撐。

　　2)高容量。傳統(tǒng) 4G 通信所連的終端數(shù)量有限，一般以手機為主，而 5G 通信能夠連接海量設(shè)備，每平方公里可以支撐 100 萬個移動終端，包括家用電器、各種穿戴設(shè)備等，為真正實現(xiàn)電力系統(tǒng)中的萬物信息互聯(lián)提供了巨大的想象空間。

　　3)高可靠性。5G 發(fā)送一個 32 字節(jié)的第 2 層協(xié)議數(shù)據(jù)單元的成功概率需要高達 99.999%，電力通信可靠性也將有效提升電力系統(tǒng)本身可靠性。

　　4)低時延。通信時延是指信息從一端傳輸?shù)搅硪欢诵枰臅r間，傳統(tǒng) 4G 通信的時延在 50ms 左右，對于人與人之間的通話影響不大，而對于某些工業(yè)應(yīng)用場景并不適用。電力系統(tǒng)存在許多協(xié)同控制的場景，電力以光速傳播，5G 通信空口時延達到 lms，端到端時延小于 10ms，為電力系統(tǒng)及時靈活響應(yīng)各種變化提供支撐。

　　5)低能耗。如果傳感器與通信設(shè)備需要經(jīng)常更換電池或者充電，則會給萬物互聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)帶來極大阻礙。5G 通信通過優(yōu)化通信硬件協(xié)議等而具備的低能耗特點將有效解決該問題。

　　5G 通信“三高兩低”的特點與電力系統(tǒng)基本需求也是對應(yīng)的，如表 1 所示。

　　3 5G 通信使能泛在電力物聯(lián)網(wǎng)

　　5G 通信的“三高兩低”特點與優(yōu)勢與電力系統(tǒng)的特點與需求具有較大的互補性。一般 5G 通信的應(yīng)用場景主要包括增強移動寬帶 (enhanced mobile broadband，eMBB)，低時延高可靠通信(ultra reliable low latency communications，URLLC)，低功耗大連接(massive machine type communications， mMTC)3 個方面。特別地，對于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)， 5G 通信將在萬物互聯(lián)、精準控制、海量量測、寬帶通信、高效計算等 5 個方面將具有廣泛的應(yīng)用，如圖 2 所示。

　　3.1 萬物互聯(lián)

　　我國幾乎實現(xiàn)了電力網(wǎng)絡(luò)的全覆蓋，電力網(wǎng)絡(luò)末端連接成千上萬個用電設(shè)備，讓所有或者絕大多數(shù)電力相關(guān)實物實現(xiàn)信息互聯(lián)將給電力系統(tǒng)帶來無限想象空間。

　　將所有的家用電器互聯(lián)，不僅能否實現(xiàn)每個家庭的智能家居，還能夠協(xié)調(diào)不同的家庭，實現(xiàn)樓宇、小區(qū)甚至某個區(qū)域的集群智能用電;所有的電動汽車互聯(lián)能夠隨時不僅為未來的充電樁的運營提供支撐，還能夠打造智慧城市和智能交通;所有配變電裝置互聯(lián)能夠?qū)崟r監(jiān)測、評估甚至預(yù)測電力系統(tǒng)未來的運行健康狀態(tài)，保障整個配電系統(tǒng)的安全可靠運行。

　　需要指出得是，輸電網(wǎng)層面主要由輸變電設(shè)備構(gòu)成，并且已經(jīng)通過同步光纖實現(xiàn)了信息互聯(lián);但是配電網(wǎng)層面，在沒有 5G 通信的時代，這最后一公里的信息互聯(lián)互通走得尤其艱難，目前僅僅是電氣物理接連，沒有信息互聯(lián)遠遠不夠，而 5G 通信能夠真正經(jīng)濟而高效地使能配電網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)萬物互聯(lián)。

　　3.2 精準控制

　　5G 通信在未來一個重要的應(yīng)用領(lǐng)域就是無人汽車：一方面通信速率高，為智能車載系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)支撐;另一方面通信時延低，對于高速行駛的汽車，做出及時的剎車、轉(zhuǎn)彎等決策關(guān)乎人身安全。與高速行駛的無人汽車相比，電力系統(tǒng)中的電力以光速傳播，需要及時響應(yīng)電力系統(tǒng)的中各種變化，實現(xiàn)精準控制。

　　在需求響應(yīng)方面，傳統(tǒng)需求響應(yīng)主要是為了減小需求側(cè)峰谷差，但隨著高比例可再生能源并網(wǎng)，面向調(diào)頻等更短時間尺度的動態(tài)需求響應(yīng)顯得尤為重要。海量用電設(shè)備之間的協(xié)調(diào)控制對通信低時延提出了要求，而 10ms 的通信時延能夠很好滿足秒級的調(diào)頻需求。

　　在儲能控制方面，不管在網(wǎng)端還是用戶側(cè)的儲能安裝量不斷增加，儲能等并網(wǎng)需要考慮不同儲能系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)控制。此外，在像“云儲能”“共享儲能”這樣全新的商業(yè)模式下[13]，儲能的運營還需要考慮海量用戶的差異化需求與互動，海量的控制信號交換需要在較短時間內(nèi)完成。

　　在配電自動化方面，配電網(wǎng)可能會出現(xiàn)短路、斷路等各種故障，這種情況下需要實現(xiàn)快速故障切除;此外，繼電保護裝置需要對信號進行綜合分析，判斷故障類型以做出正確動作。以差動保護為例，需要實時計算比較線路兩端保護裝置的量測值，如果兩端量測存在較大時差，就有可能“差之毫厘謬以千里”。

　　在電力電子設(shè)備控制方面，未來配電網(wǎng)將接入越來越多的電力電子裝置，以實現(xiàn)可再生能源接入、儲能接入、無功補償、電能質(zhì)量改善等。電力電子裝置對控制精度要求較高，特別是有時候需要 2 個甚至多個電力電子裝置的分布式協(xié)調(diào)控制。

　　3.3 海量量測

　　在大數(shù)據(jù)時代，采集海量多元化數(shù)據(jù)是開展大數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，雖然已經(jīng)安裝大量的傳感器，但限于通信壓力，很多數(shù)據(jù)只能舍棄僅保留最基本的信息，細粒度信息的缺失極大制約了大數(shù)據(jù)分析在電力系統(tǒng)中的實際應(yīng)用。此外， 5G 通信使得萬物互聯(lián)，可以促進電力系統(tǒng)安裝更多傳感器，實現(xiàn)更多元化的數(shù)據(jù)采集。

　　在海量用電數(shù)據(jù)采集方面，我國雖然具有較高的智能電表普及率，但很多智能電表并不上傳半小時的用電數(shù)據(jù)，僅保留每天的用電量，為用戶用電行為分析帶來了挑戰(zhàn)。5G 通信速率高，能夠?qū)崿F(xiàn)海量用電數(shù)據(jù)的及時采集，甚至包括某些更細粒度的家庭設(shè)備用電數(shù)據(jù)。非侵入式辨識技術(shù)在 20 世紀七十年代就開始研究，但至今沒有大范圍的實用，重要原因之一就是非侵入式辨識需要至少秒級的用電功率數(shù)據(jù)，對于傳統(tǒng)載波通信而言難以實施;而 5G 通信時代使秒級甚至更細粒度的數(shù)據(jù)采集成為可能，也為用電大數(shù)據(jù)分析、構(gòu)建電力用戶行為模型、促進廣泛的用戶互動提供了堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

　　在電網(wǎng)運行狀態(tài)監(jiān)測方面，目前對電網(wǎng)運行狀態(tài)的監(jiān)控主要是輸電網(wǎng)絡(luò)，例如 PMU、SCADA 系統(tǒng)的安裝，但是對于配電網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測較少。5G 通信較光纖通信成本較低，也能保證通信的可靠性和實時性，可以在配電網(wǎng)不同節(jié)點安裝傳感單元，實時感知配電網(wǎng)絡(luò)的運行狀態(tài)(電壓幅值相角、注入有功無功等)，為配網(wǎng)拓撲辨識、潮流分析、參數(shù)估計等提供支撐。目前已有相關(guān)實踐，在配電網(wǎng)某些關(guān)鍵區(qū)域安裝微型同步相角量測單元(micro-PMU)，為配電系統(tǒng)中的各種故障監(jiān)測提供支撐，這種情況下，海量的 PMU 數(shù)據(jù)傳輸也需要 5G 通信的支撐。此外，低時延的 5G 通信數(shù)據(jù)傳輸也為微型 PMU 的同步對時提供了新的機遇。

　　在電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測方面，變壓器、配電線路等電氣設(shè)備的健康運行是整個配電系統(tǒng)運行的重要保障。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)主要對高壓設(shè)備運行狀態(tài)進行檢測，而 5G 通信時代的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中，配電網(wǎng)中海量電力設(shè)備也將實現(xiàn)信息互聯(lián)互通，實時監(jiān)測電力設(shè)備各項參數(shù)，也感知外界環(huán)境(如溫度等)的變化，能夠幫助調(diào)度決策者進行綜合分析，評估電力設(shè)備運行狀態(tài)，為電力設(shè)備檢修安排等提供參考。

　　在電動汽車管理方面，隨著電動汽車普及率不斷提高，交通網(wǎng)和電力網(wǎng)的耦合程度不斷提升，如果海量電動汽車的出行規(guī)律、電池使用狀態(tài)以及充電樁充放電等數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r獲取并交換，對于車主和配電網(wǎng)運營商的最優(yōu)決策也能提供幫助。

　　3.4 寬帶通信

　　海量量測數(shù)據(jù)采集主要面向結(jié)構(gòu)化的電氣量等數(shù)據(jù)，而在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中，還需要采集語音、視頻等海量的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)全方位的配電網(wǎng)感知和更優(yōu)質(zhì)的個性化服務(wù)。

　　在視頻遠程監(jiān)控方面，無人機巡檢是一種高效的電力網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測方式，通過無人機拍攝電力線路或者設(shè)備的視頻，工作人員以此判斷線路或者設(shè)備的健康狀態(tài)。5G 通信能夠高速率傳輸相應(yīng)的視頻通信，優(yōu)化決策者體驗。除傳統(tǒng)變壓器、線路等需要巡視機器人或者無人機之外，分布式光伏板、儲能等裝置的有時也需要進行視頻監(jiān)測，獲取對光伏板沾灰量、儲能外部裝置安全程度等信息，便于開展清洗、加固等工作。5G 通信在未來物聯(lián)網(wǎng)中一個典型應(yīng)用就是遠程醫(yī)療，通過對病人身體指標各方面的量測以及視頻監(jiān)測，醫(yī)生能夠開展遠程診斷，極大方便患者就醫(yī)治療。配電系統(tǒng)也是如此，需要通過各方面海量量測以及視頻監(jiān)測，配電網(wǎng)運營商等實現(xiàn)配電系統(tǒng)的“健康診斷和治療”。

　　在電力虛擬現(xiàn)實方面，一般來說，虛擬現(xiàn)實就是通過視覺、通信、仿真等技術(shù)，給使用者提供全新的視覺體驗，模擬真實環(huán)境，實現(xiàn)更好的服務(wù)。虛擬現(xiàn)實對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境要求較高，應(yīng)為需要實時更新高清畫質(zhì)。而在 5G 通信時代，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)也可以打造電力虛擬現(xiàn)實。例如為配電網(wǎng)運營商打造虛擬現(xiàn)實，對量測到的海量數(shù)據(jù)以及視頻進行處理，展現(xiàn)配電網(wǎng)絡(luò)全景圖，還能夠根據(jù)運營商選擇不同區(qū)域了解其細節(jié)，助力打造透明配電網(wǎng)。又如通過虛擬現(xiàn)實，設(shè)計不同的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，有針對性地對員工進行巡檢、管理等進行各方面的培訓(xùn)，減少實地考察環(huán)節(jié)，節(jié)約成本。

　　3.5 高效計算

　　為了保證系統(tǒng)的安全可靠運行，系統(tǒng)需要進行大量運算，例如最優(yōu)潮流計算、最優(yōu)控制計算、穩(wěn)定性計算等;除此之外，還有隨著海量數(shù)據(jù)采集帶來的大數(shù)據(jù)計算，例如海量曲線聚類分析等。這些計算可能存在較高的時空復(fù)雜度，需要高效的計算方法，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)時代，云計算和邊緣計算將有廣泛的“用武之地”。

　　在云計算方面，小型售電商或者用戶不擁有大量的計算資源，此時可以通過云計算開展運營決策、智能家庭能源管理等，把計算任務(wù)搬到云端，通過 5G 通信保障計算便捷條件與計算結(jié)果的高效傳遞，從而實現(xiàn)各種控制。不同配電網(wǎng)參與主體還能夠?qū)ψ约旱臄?shù)據(jù)進行云存儲，打造相應(yīng)的數(shù)據(jù)云平臺。

　　在邊緣計算方面，由于數(shù)據(jù)本身就分布在不同節(jié)點，此時將所有數(shù)據(jù)集成到一個云端一方面必要性不大，另一方面也存在信息安全隱患。分布式的數(shù)據(jù)在邊緣側(cè)直接進行計算，通過不同邊緣計算的協(xié)調(diào)獲取全局結(jié)果。例如在多主體配電網(wǎng)中開展最優(yōu)潮流分析或者電壓控制時，可以設(shè)計相應(yīng)的分布式優(yōu)化算法，開展邊緣計算，既提升效率，又保護隱私;又如海量用電數(shù)據(jù)存儲在不同的數(shù)據(jù)中心，可以設(shè)計分布式聚類算法，通過邊緣之間的通信迭代，獲取全局聚類結(jié)果，實現(xiàn)海量用戶用電模式的提取。

　　4 支撐泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的5G通信關(guān)鍵技術(shù)

　　5G 通信技術(shù)促進了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的縱深發(fā)展，如圖 3 所示。面向電網(wǎng)業(yè)務(wù)需求，5G 的性能增強技術(shù)使得泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的萬物互聯(lián)藍圖成為現(xiàn)實;面向電網(wǎng)管理，5G 的軟化開放技術(shù)是協(xié)助管理泛在電力物聯(lián)網(wǎng)最得力的助手，電網(wǎng)由被動變主動，自由“掌控”通信;面向電網(wǎng)用戶服務(wù)， 5G 的自治優(yōu)化技術(shù)給泛在電力物聯(lián)網(wǎng)裝上智能大腦，實現(xiàn)以用戶為中心的新業(yè)態(tài)。本節(jié)將就 5G 通信時代泛在電力物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵的性能增強技術(shù)、軟化開放技術(shù)、自治優(yōu)化技術(shù)分別進行探討。

　　4.1 性能增強技術(shù)

　　5G 通信助力泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的首要任務(wù)是達成其他無線通信方式所不能達到的高性能指標，使 5G 通信“三高兩低”的特點成為現(xiàn)實并為泛在電力物聯(lián)網(wǎng)所用。提升“三高兩低”相關(guān)性能的無線通信技術(shù)和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)被統(tǒng)稱為性能增強技術(shù)。

　　在性能增強技術(shù)中，某些技術(shù)有的被廣泛研究討論并且已經(jīng)比較成熟，成為了 5G 必備的標準技術(shù)，可以被稱為 5G 的原理性技術(shù)，如 2.1 節(jié)提到的毫米波通信技術(shù)、大規(guī)模 MIMO 技術(shù)和超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù);有的有著十分廣闊的前景但還有技術(shù)瓶頸尚未有統(tǒng)一定論，例如全雙工技術(shù)中有消除自干擾的問題、D2D(device to device)通信如何降低信號干擾的問題等。

　　性能增強技術(shù)的范圍非常廣泛，其原理也非常多樣化。對泛在電力物聯(lián)網(wǎng)來說，這些技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)通信層面的相對底層的技術(shù)，電網(wǎng)運營商僅僅是這些技術(shù)的使用者而很少參與細節(jié)的設(shè)計，并且電網(wǎng)運營商更希望的是成為通信網(wǎng)絡(luò)的掌控者，對如何實現(xiàn) 5G 特點的技術(shù)關(guān)注較少。故不在此對這些技術(shù)進行贅述，具體技術(shù)細節(jié)可以參考 5G 技術(shù)的相關(guān)文獻，例如文獻[3,4,14]。

　　4.2 軟化開放技術(shù)

　　軟化開放技術(shù)是指實現(xiàn) 5G 通信網(wǎng)絡(luò)軟件化并向網(wǎng)絡(luò)用戶開放接口的相關(guān)技術(shù)。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)并不是通信網(wǎng)絡(luò)和電力網(wǎng)絡(luò)的簡單疊加，而是兩者的有機融合，對兩網(wǎng)能進行同時、方便、快捷地管理調(diào)度對于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)來說至關(guān)重要。傳統(tǒng)的電力通信網(wǎng)控制復(fù)雜，需要具備專業(yè)人員操作運行，電網(wǎng)必須依托電信運營商，是網(wǎng)絡(luò)功能的被動使用者，被封閉在通信網(wǎng)絡(luò)之外。電網(wǎng)各項服務(wù)需要什么網(wǎng)絡(luò)功能，網(wǎng)絡(luò)隨時間與空間有什么變化，都必須向通信運營商反映申請，這與泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的包容性相悖甚遠。

　　無線通信網(wǎng)和計算機一樣是一個擁有多層級的物理系統(tǒng)，較理想的情況是能像計算機那樣擁有一個操作系統(tǒng)，不用考慮底層實現(xiàn)就能夠達成控制的目的。參考計算機操作系統(tǒng)的原理，抽象出一個 “網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)”，這個抽象的操作系統(tǒng)抽象了底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的具體細節(jié)，還為上層應(yīng)用提供了統(tǒng)一的管理視圖和編程接口，使得用戶可以定義邏輯上的通信網(wǎng)絡(luò)拓撲而無需關(guān)心底層網(wǎng)絡(luò)的物理拓撲結(jié)構(gòu)。實現(xiàn)這些想法的技術(shù)被稱為軟件定義網(wǎng)絡(luò) (software-defined networking，SDN)[15]。在這基礎(chǔ)上更進一步，利用通用的信息設(shè)備替代網(wǎng)絡(luò)中的交換機、路由器等網(wǎng)元，使得這些設(shè)備也可以隨部署改變的技術(shù)叫做網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(network function virtualization，NFV)[16]。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)利用 SDN 和 NFV，完成了從面對通信網(wǎng)絡(luò)“晶體管”(網(wǎng)元等硬件設(shè)備)和“01 代碼”(復(fù)雜的控制邏輯)到只用面對通信操作系統(tǒng)的跨越。

　　給泛在電力物聯(lián)網(wǎng)配上網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)后，還需要提供相應(yīng)的“應(yīng)用程序”。電網(wǎng)的各種任務(wù)對性能有著差異化的需求，例如用電信息采集對連接數(shù)要求更高，配電保護對通信時延要求更高，5G 之前的通信為每一種不同業(yè)務(wù)使用相同的資源，這使得其很難滿足一些比較嚴苛的需求(例如時延要求在 1ms 之內(nèi))，然而為每一種差異需求都提供獨立的資源成本巨大且操作復(fù)雜，那么使用同樣的資源提供不同差異需求的服務(wù)變成了首選。切片技術(shù)使得這一想法成為現(xiàn)實，正如它的名字一樣，其在相同通信物理設(shè)備和頻譜資源下這塊“蛋糕”上，通過虛擬化技術(shù)建立起完全切割的不同專有網(wǎng)絡(luò)來形成切片[17-18]。有了切片，電網(wǎng)運營商可以在不同時間，不同空間面對不同的多樣化業(yè)務(wù)使用不同的切割方法，實現(xiàn)按需定制、動態(tài)編排;電網(wǎng)在切片 “應(yīng)用程序”開放的管理操作功能上能進行交互管理界面的操作，可以實現(xiàn)真正的自助服務(wù)。

　　4.3 自治優(yōu)化技術(shù)

　　實現(xiàn)以用戶為中心的廣泛互動，深入每一個用戶是能源互聯(lián)的目標。在擁有了軟化開放技術(shù)后，雖然泛在電力物聯(lián)網(wǎng)可以實現(xiàn)對通信網(wǎng)及電力網(wǎng)的系統(tǒng)控制，但對于用戶來說通信網(wǎng)仍然是透明的、無感知的——網(wǎng)絡(luò)資源的調(diào)度分配均依據(jù)電網(wǎng)核心網(wǎng)側(cè)的業(yè)務(wù)需求。面對龐大的電網(wǎng)用戶群，靠電網(wǎng)運營商來對每一個用戶實時獲取他們多樣化的需求并對通信網(wǎng)作出調(diào)整的模式工作量太過巨大，但如果能夠直接在通信網(wǎng)絡(luò)和用戶之間搭起一座橋梁，使得通信網(wǎng)絡(luò)能夠根據(jù)用戶和業(yè)務(wù)自動調(diào)整而不再通過電網(wǎng)運營商這個中間擺渡人，問題就可以得到解決。

　　實現(xiàn)這個愿景的第一步是完成通信網(wǎng)絡(luò)的自治。讓我們構(gòu)想這樣一幅圖景：智能家居或者其他新終端進入網(wǎng)絡(luò)時，可以即插即用，所有的網(wǎng)絡(luò)配置都能夠自動安裝到新接入設(shè)備上，實現(xiàn)“自配置”;當(dāng)通信網(wǎng)絡(luò)負載發(fā)生變化，根據(jù)已測無線電條件參數(shù)，通信網(wǎng)自動調(diào)整，實現(xiàn)“自優(yōu)化”;當(dāng)通信網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，它可以自己識別、消除，實現(xiàn) “自愈合”。將自配置、自優(yōu)化、自愈合付諸現(xiàn)實的技術(shù)被稱為自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù) (self-organizingnetwork，SON)[19]。SON 技術(shù)早在 3G 時代就已經(jīng)被提出，然而至今仍存在許多技術(shù)挑戰(zhàn)，例如 SON 各個功能之間比較獨立，可能會產(chǎn)生沖突，降低了 SON 的整體效果收益;此外，現(xiàn)有的 SON 是被動的“問題出現(xiàn)–問題發(fā)現(xiàn)–問題解決”的運作模式，等待問題并發(fā)現(xiàn)的時間增加了網(wǎng)絡(luò)的固有延遲，無法滿足 5G 的低延遲感知要求。5G 時代的 SON 將更會強調(diào)自治功能的協(xié)調(diào)性以及主動性，協(xié)調(diào)各個功能間的沖突，使得網(wǎng)絡(luò)能夠主動預(yù)測而不是被動等待。

　　在自治的基礎(chǔ)上，5G 網(wǎng)絡(luò)還可以實現(xiàn)對用戶個性化的智能感知和適配。網(wǎng)絡(luò)可以“自學(xué)習(xí)”，根據(jù)用戶終端使用的歷史數(shù)據(jù)(如使用狀態(tài)、功耗、 CPU 負載、業(yè)務(wù)類型、所處的位置)，充分分析發(fā)掘用戶的需求、習(xí)慣甚至心理狀態(tài)，例如用戶習(xí)慣在什么時間使用什么樣的設(shè)備會產(chǎn)生怎樣的數(shù)據(jù)流量等，再來根據(jù)學(xué)習(xí)到的知識對網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置等進行優(yōu)化。這項技術(shù)被稱為情景感知技術(shù)[20-21]。

　　5 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)下 5G 通信的能效管理

　　5G 通信需要電網(wǎng)供能，由此泛在電力物聯(lián)網(wǎng)也可以為 5G 通信提供能效管理的支持。本節(jié)先介紹 5G 通信能耗及能效管理的基本情況，然后在討論 5G 通信網(wǎng)絡(luò)與主動配電網(wǎng)的供需互動。

　　5.1 5G 通信能耗及其能效管理

　　無線通信系統(tǒng)耗電設(shè)備包括通信終端、通信基站以及核心網(wǎng)側(cè)設(shè)備(例如數(shù)據(jù)中心、交換設(shè)備等)。一般來說，5G 的低功耗特性主要面對通信終端而言，通過降低發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的頻率、使用高效率電池等方式提高終端電池的待機能力，來達到延長電池壽命及降低更換頻率的目的。

　　但實現(xiàn)終端設(shè)備的低功耗是遠遠不夠的。隨著 5G 時代超密集網(wǎng)絡(luò)的部署，網(wǎng)絡(luò)功能的“扁平化” 和“下沉”是大勢所趨。“扁平化”是減少網(wǎng)絡(luò)的層級結(jié)構(gòu)，合并一些網(wǎng)絡(luò)元件為一個元件來簡化信息傳輸?shù)膹?fù)雜度;“下沉”是指無線核心網(wǎng)側(cè)的控制功能分發(fā)到各個邊緣基站以期實現(xiàn)低時延。“扁平化”要求合并設(shè)備，而“下沉”要求功能分布化，那么 5G 時代核心網(wǎng)的功能勢必大量分散到了基站，基站承擔(dān)了較大部分的網(wǎng)絡(luò)任務(wù)。實際上，據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)有通信系統(tǒng)中耗電量最大的就是通信基站，大約占整個網(wǎng)絡(luò)耗電量的 70%~80%[22]。在 2012 年，世界上的無線通信網(wǎng)絡(luò)擁有 110 萬個基站，年消耗電量 140 億 kW·h[23]。而在 5G 時代，預(yù)計基站部署密度將到現(xiàn)有部署密度的十倍以上，在 2025 年達到 1310 萬個基站，移動基站的能耗將達到2000億kW·h[24]可以想象如果不提升基站通信的能效，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)運用 5G 時必須給基站供給較多的電力，使得電力網(wǎng)絡(luò)的效率也會降低，故提升 5G 能效對于提升整個泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的效率來說非常重要。

　　5G 通信網(wǎng)絡(luò)基站能耗管理如圖 4 所示。

　　通信能效在一般被定義為消耗每一焦耳能量可以可靠傳輸?shù)谋忍財?shù)[25]。5G 通信為了在與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)相同甚至比現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)更低功耗的情況下實現(xiàn) 1000 倍的容量增長，那么基站能效也需要提高 1000 倍[26]，這么高倍數(shù)的能效提高要求促使了一系列的革新。

　　從 5G 基站硬件設(shè)備入手，直接讓泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的硬件設(shè)備能耗得到優(yōu)化是實現(xiàn)高能效的一大思路，由此，新的功率放大器、發(fā)射機–接收機模型、波束結(jié)構(gòu)被相繼提出[27-29]。

　　從 5G 基站功率分配入手，將泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中的 5G 基站的資源功率分配變?yōu)橐阅苄ё畲蠡癁橹鳌Ｔ跐M足不同的性能約束條件如數(shù)據(jù)吞吐量，系統(tǒng)容量，時延等，調(diào)整最優(yōu)設(shè)置，以期達到網(wǎng)絡(luò)效率的最優(yōu)[30-32]。

　　從 5G 基站能量來源入手，使得泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中的 5G 基站設(shè)備能夠直接從環(huán)境中獲取能源或者重復(fù)利用多余的能源，避免從電力網(wǎng)獲取大量能源對其功率傳輸造成影響。對應(yīng)以上的兩種思路，一是收集設(shè)備周圍環(huán)境中的可再生能源，如風(fēng)能和太陽能;二是收集設(shè)備周圍的干擾無線電信號的能量。在能夠有效收集能源的基礎(chǔ)上，結(jié)合無線充電技術(shù)，有計劃地定向地使得能量可以在各個通信基站之間重新分配，能夠極大地提升能源分配的靈活性[33-36]。

　　5.2 5G 通信網(wǎng)絡(luò)與主動配電網(wǎng)供需互動

　　泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)與電力配電網(wǎng)存在著能量與信息的耦合：配電網(wǎng)為通信網(wǎng)絡(luò)提供能源支撐，而通信網(wǎng)為配電網(wǎng)提供信息支撐，通信網(wǎng)絡(luò)與主動配電網(wǎng)可以進行供需互動。

　　基站是通信網(wǎng)絡(luò)與配電網(wǎng)互動的主要中介— —對于通信網(wǎng)來說，它是無線信號發(fā)送和接收空中接口的主要設(shè)備，是無線信息傳輸?shù)闹匾修D(zhuǎn)點;對于電力網(wǎng)來說，它是通信設(shè)備中消耗電力的絕對主力，且為了保證通信的實時性和可靠性配有不間斷電源(uninterruptible power supply，UPS)并由此具有蓄電池，成為了用電設(shè)備和儲能設(shè)備的雙重集群。此外為了提高可靠性，基站密度和基站 UPS 使用冗余配置方法，基站個數(shù)和基站 UPS 電池的個數(shù)可能多于通信一般需求的個數(shù)。

　　在此種情況下，電網(wǎng)運營商可以和通信運營商進行一定程度的供需互動。例如，在夜晚時段，如果此時通信負載較少，有許多可以減小功率運行甚至可以關(guān)閉的基站，這時在保證整個系統(tǒng)可靠性和運行要求的前提下，充分利用眾多這些基站的儲能裝置和冗余配置的儲能裝置，電網(wǎng)運營商給予電信運營商較低電價，而電信運營商響應(yīng)低電價調(diào)整 UPS 電池的充放電負荷;在日間，保證可靠性的前提下，在電網(wǎng)電價較高的時段，電信運行商可以選擇消耗掉冗余配置的電力。當(dāng)然，由于通信對實時性、可靠性等有更高的要求，對 5G 通信的需求互動以及不間斷電源的調(diào)度需要充分考慮 5G 通信的基本要求。

　　6 研究展望

　　泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)剛拉開序幕，5G 通信時代也即將到來，5G 通信時代下的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)將煥發(fā)更多生機，更好地促進電力和信息的互聯(lián)互通。本節(jié)旨在給出給出幾點未來可期的研究方向。

　　6.1 “5G 通信網(wǎng)–電力網(wǎng)”聯(lián)合仿真

　　電力仿真是電力系統(tǒng)分析的重要手段，能夠幫助判斷未來電力系統(tǒng)運行狀態(tài)，判斷提出的方案是否存在不安全、不可靠等潛在的風(fēng)險。目前針對電力系統(tǒng)仿真，國內(nèi)外廠家面向不同應(yīng)用開發(fā)了多元化的電力系統(tǒng)仿真軟件，例如 PSCAD 等;在通信領(lǐng)域，為了保證通信系統(tǒng)的安全可靠運行，在系統(tǒng)規(guī)劃或運行之前可需要進行仿真分析，例如 OPNET 等。未來的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)是電力網(wǎng)絡(luò)與通信網(wǎng)絡(luò)進一步深度耦合的系統(tǒng)，對整個泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的分析需要開展 5G 通信網(wǎng)與電力網(wǎng)的聯(lián)合仿真，需要研究新的聯(lián)合仿真方法與軟件系統(tǒng)，或者打通不同仿真軟件接口，深入分析 5G 通信網(wǎng)與電力網(wǎng)之間的相互影響，分析某一個網(wǎng)絡(luò)擾動對自身網(wǎng)絡(luò)以及另一網(wǎng)絡(luò)的影響與互動機理。

　　6.2 “5G 通信網(wǎng)–電力網(wǎng)”聯(lián)合優(yōu)化

　　5G 通信系統(tǒng)雖然單位功耗低，但是由于未來通信量急劇增加，所以 5G 通信系統(tǒng)功耗可觀。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)需要為分散的不同型號的 5G 通信基站提供可靠的電力保障，也意味著通信網(wǎng)絡(luò)與電力網(wǎng)絡(luò)能夠開展能量上的交換，實現(xiàn)供需互動，存在 5G 通信網(wǎng)與電力網(wǎng)的聯(lián)合電力流優(yōu)化控制與規(guī)劃的可能性。此外，5G 通信雖然能實現(xiàn)萬物互聯(lián)，但是電力系統(tǒng)可能存在薄弱的部分，或者對通信需求較大較高的地方，此處的通信系統(tǒng)可能需要進一步加強，所以也需要結(jié)合實際開展 5G 通信網(wǎng)與電力網(wǎng)的聯(lián)合信息流優(yōu)化控制與規(guī)劃的研究。

　　6.3 “5G 通信網(wǎng)–電力網(wǎng)”安全與隱私

　　5G 通信雖然具有“三高兩低”的優(yōu)勢與特點，但萬物互聯(lián)也給通信安全與隱私帶來了挑戰(zhàn)。5G 通信的建設(shè)與實施也將充分考慮未來信息安全挑戰(zhàn)。而對于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)而言，信息安全與隱私顯得尤為重要。例如電力系統(tǒng)中有些數(shù)據(jù)關(guān)乎電網(wǎng)安全穩(wěn)定，具有較高的安全級別，需要設(shè)置較高的保密級別;又如用戶用電數(shù)據(jù)關(guān)乎用戶隱私，在數(shù)據(jù)傳輸和交換過程中，需要對不同的對象設(shè)置不同的數(shù)據(jù)獲取權(quán)限，在保護不同參與主體隱私的情況下實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。總之，未來泛在電力物聯(lián)網(wǎng)將采集傳輸海量數(shù)據(jù)，需要界定好數(shù)據(jù)密級，明確好數(shù)據(jù)歸屬，賦予好數(shù)據(jù)權(quán)限，實現(xiàn) 5G 通信網(wǎng)與電力網(wǎng)的安全與隱私。

　　6.4 復(fù)雜多級多對象控制與優(yōu)化

　　泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的萬物互聯(lián)不是為了簡單地將電力相關(guān)實物通過電力網(wǎng)和通信網(wǎng)將連接起來，而是在此基礎(chǔ)上采集海量數(shù)據(jù)、分析設(shè)備運行狀態(tài)，進而優(yōu)化控制海量對象。未來泛在電力物聯(lián)網(wǎng)所連萬物是復(fù)雜多級多對象，傳統(tǒng)的小規(guī)模控制與優(yōu)化算法不能夠?qū)崿F(xiàn)如此廣域控制，需要研究先進的分層、分布式等優(yōu)化算法，實現(xiàn)海量對象的即時最優(yōu)控制，使所連萬物相互協(xié)調(diào)。

　　6.5 透明配電網(wǎng)與態(tài)勢感知

　　安裝海量傳感器并通過 5G 通信網(wǎng)絡(luò)連接萬物就是為了對泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的運行狀態(tài)進行實時感知，特別是目前對配電網(wǎng)監(jiān)測不足，使得其可觀性不強。例如分布式光伏出力不能直接量測得到，只能獲取智能電表的“凈負荷”數(shù)據(jù);又如配電網(wǎng)閉環(huán)設(shè)計開環(huán)運行，存在拓撲變化的情況以適應(yīng)不同的配電網(wǎng)運行狀態(tài)，由于某些管理原因，配電網(wǎng)運營者不能夠?qū)崟r獲取其拓撲信息。5G 通信時代下的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)有望基于海量數(shù)據(jù)的采集，進行大數(shù)據(jù)分析和可視化，實現(xiàn)配電網(wǎng)的透明化與實時態(tài)勢感知。

　　6.6 多元化的商業(yè)模式

　　5G 通信新技術(shù)的助力，將在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中孕育出全新的商業(yè)模式，也讓之前難以落地的商業(yè)模式成為可能。例如可交易能源(transactive energy)環(huán)境下實現(xiàn)個人對個人(peer to peer， P2P) 交易，5G 通信的端對端通信技術(shù)就能使 P2P 交易成為可能，交易通信成本極大降低;又如虛擬電廠技術(shù)，5G 通信助力海量對象的協(xié)調(diào)，保障虛擬電廠的可行性。

　　7 結(jié)論

　　2019 年是泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的元年，為未來能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)提出了更加明確的目標;2019 年也是 5G 通信規(guī)模化商用揭開序幕的一年，5G 通信將重塑未來生活方式，也將重塑“物理–信息–社會”深度耦合的電力與能源系統(tǒng)。本文在深入分析泛在電力物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)涵與 5G 通信特點基礎(chǔ)上，對 5G 通信時代的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)進行了分析，總結(jié)了 5G 使能泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的典型場景，探討了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)如何支撐 5G 通信系統(tǒng)，展望了未來 5G 通信普及的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)可能的研究方向。希望本文能夠為泛在電力物聯(lián)網(wǎng)研究者對 5G 通信技術(shù)及其應(yīng)用的研究提供參考