隨著工業(yè)4.0時代的到來，以“信息物理系統(tǒng)（Cyber Physical System, CPS）”，“物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things, IoT）”等為基礎(chǔ)技術(shù)架構(gòu)的戰(zhàn)略部署再度引發(fā)了人們對于建設(shè)能源互聯(lián)網(wǎng)的深入思考。自能源互聯(lián)網(wǎng)這一概念提出以來，其在我國的發(fā)展便緊密圍繞電力系統(tǒng)，通過融入以大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)等為代表的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以期跨領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)與可再生能源系統(tǒng)以及其他能源系統(tǒng)深度的數(shù)據(jù)融合和高度的系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行，從而最終形成一個高效智能且雙向互動的能源服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，推動社會與經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。

當(dāng)前，電力物聯(lián)網(wǎng)作為物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)在電力行業(yè)的具體表現(xiàn)形式和應(yīng)用落地，是電力行業(yè)向能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展革新的過渡形態(tài)。在能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)愿景中，電力物聯(lián)網(wǎng)將發(fā)展成為一個數(shù)據(jù)流與能量流緊密結(jié)合的系統(tǒng)。

其中，數(shù)據(jù)流的形成依托先進的數(shù)據(jù)感知、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析及數(shù)據(jù)共享技術(shù)，數(shù)據(jù)流是實現(xiàn)合理調(diào)配和管理能量流的關(guān)鍵前提和必要保障，它對系統(tǒng)的運行性能起著決定性作用：一方面，在電網(wǎng)的各環(huán)節(jié)上盡可能全面地部署了感知終端，獲取類型豐富且多樣化的數(shù)據(jù)信息，依托實時響應(yīng)且高度可靠的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)將信息傳輸至數(shù)據(jù)平臺，進行數(shù)據(jù)挖掘、融合分析，并將分析結(jié)果進行反饋，從而滿足隨著電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模擴大和智能化進程中對規(guī)劃建設(shè)、生產(chǎn)決策、運營維護、監(jiān)測調(diào)控、資產(chǎn)管理等內(nèi)在業(yè)務(wù)的需求；另一方面，在能源互聯(lián)網(wǎng)中，通過對接入的電力網(wǎng)、熱能能源網(wǎng)、太陽能能源網(wǎng)等其他能源系統(tǒng)分享的數(shù)據(jù)進行交互分析，從而由數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)向可再生能源及其他能源系統(tǒng)反饋協(xié)調(diào)運行的對應(yīng)信息，以形成一種多能源協(xié)調(diào)互補的能源網(wǎng)絡(luò)。

由此可見，數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)是實現(xiàn)監(jiān)測、控制和管理的基本手段，是應(yīng)對電力物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中數(shù)字化變革與大數(shù)據(jù)挑戰(zhàn)的核心要素，也是建設(shè)能源互聯(lián)網(wǎng)的重要支撐，對其展開研究具有極其重要的意義。現(xiàn)階段，電力物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的選擇方案包括了各種有線和無線技術(shù)，它們在諸如傳輸速率、功耗、覆蓋范圍等方面都有自己獨特的優(yōu)勢。

但由于缺乏統(tǒng)一的標準化平臺，數(shù)據(jù)之間的共享交互能力差，一些技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)訪問和傳輸能力上不足，且存在時延無法滿足特定業(yè)務(wù)需求等問題，這些都使得電力物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)對數(shù)字化變革乏力，嚴重阻礙了電力物聯(lián)網(wǎng)的進一步發(fā)展。故引入能夠應(yīng)對數(shù)字化變革與能源革命，促進電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)完善，且支持能源互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)業(yè)務(wù)發(fā)展的數(shù)據(jù)傳輸方案顯得至關(guān)重要。

伴隨著5G技術(shù)的成熟，其憑借高速率、低延遲、高帶寬和支持大規(guī)模接入等特性將適應(yīng)絕大部分電網(wǎng)業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸需求，有望應(yīng)對目前電力物聯(lián)網(wǎng)面臨的數(shù)字化挑戰(zhàn)。且通過該項先進通信技術(shù)能夠映射出更多的電網(wǎng)業(yè)務(wù)，助力新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，這將為電力物聯(lián)網(wǎng)帶來顛覆性的變革，為電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)提供強有力的支持。

因此，本文梳理了電力物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，分析了現(xiàn)有數(shù)據(jù)傳輸方案應(yīng)用現(xiàn)狀，認為5G作為無線傳輸奇點技術(shù)，將能夠成為數(shù)字化戰(zhàn)略先導(dǎo)，引領(lǐng)電力物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)對數(shù)字化發(fā)展。最后，展望了5G應(yīng)用于電力物聯(lián)網(wǎng)中將會面臨的挑戰(zhàn)，分析了未來電力物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸方案的發(fā)展趨勢。

1 電力物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)傳輸方案

近些年，隨著大數(shù)據(jù)、人工智能、智能感知、物聯(lián)網(wǎng)及無線通信等技術(shù)的大力發(fā)展和推行，使得在電網(wǎng)內(nèi)進行更加全面的數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)分析、以及價值信息分享和利用等逐漸成為可能。面對這樣的數(shù)字化變革挑戰(zhàn)，先進的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)作為建設(shè)電力物聯(lián)網(wǎng)的核心要素之一，是電網(wǎng)系統(tǒng)運行的重要支撐。

它不僅為采集的各類電力相關(guān)數(shù)據(jù)提供了安全、高效的傳輸通道以助力計算分析，還為發(fā)布控制、檢修類信息提供了實時、可靠的承載，也為對內(nèi)對外分享整合的各類電力數(shù)據(jù)信息提供了橋梁。在美國國會的一項研究報告中也同樣指出：電網(wǎng)四大建設(shè)目標將緊密圍繞高效、安全且可靠的數(shù)據(jù)傳輸方案來最終實現(xiàn)，如圖1所示。

圖1 電網(wǎng)建設(shè)的四大目標

1.1 電力物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架

電力物聯(lián)網(wǎng)包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層和應(yīng)用層四層結(jié)構(gòu)，如圖2所示。其中感知層是電力物聯(lián)網(wǎng)的底層基礎(chǔ)，需要由該層完成各類數(shù)據(jù)的采集以及就地處理等工作。在這個環(huán)節(jié)中，由微型化、智能化的傳感器對電力設(shè)備運行狀態(tài)、氣象環(huán)境、用戶信息等數(shù)據(jù)進行全面獲取，通過傳輸路徑輸送至本地數(shù)據(jù)中心，過程中由邊緣計算模塊等配合進行數(shù)據(jù)的本地化處理；本地數(shù)據(jù)中心（如變電站數(shù)據(jù)中心、光伏發(fā)電站數(shù)據(jù)中心等）作為感知層內(nèi)的基本單元，它們之間、以及感知層與平臺層間廣域范圍內(nèi)的業(yè)務(wù)信息傳輸則依靠網(wǎng)絡(luò)層來實現(xiàn)；平臺層作為管理環(huán)節(jié)，負責(zé)電力物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的統(tǒng)一接入管理，并對業(yè)務(wù)信息進行高效處理；應(yīng)用層則向下反饋調(diào)節(jié)信息并對外輸出價值信息，實現(xiàn)規(guī)劃建設(shè)、生產(chǎn)運行、經(jīng)營管理、客戶服務(wù)等對內(nèi)、對外業(yè)務(wù)的支撐。

圖2 電力物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架

1.2 電力物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)

電力物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)一方面承載由海量傳感器、智能電器設(shè)備等采集的信息流接入上位機、云平臺、智能電表等本地數(shù)據(jù)中心；另一方面，支撐了本地數(shù)據(jù)中心之間，或本地數(shù)據(jù)中心與電網(wǎng)數(shù)據(jù)中臺間的信息互聯(lián)；同時，對于由綜合分析、評價產(chǎn)生的信息，電網(wǎng)系統(tǒng)仍需借助數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)反饋這些調(diào)控信息并對其中的價值信息進行外部分享，以此完成電力信息的雙向流動和對外價值創(chuàng)造，電力物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。由此可見，數(shù)據(jù)的傳輸需求貫通整個電力物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)架，協(xié)調(diào)電力系統(tǒng)整體的高效運行。

1.3 數(shù)據(jù)傳輸方案在電網(wǎng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

經(jīng)過多年經(jīng)營建設(shè)，電力行業(yè)中數(shù)據(jù)傳輸方案應(yīng)用場景總體上可以劃分為：采集、控制和電力業(yè)務(wù)信息傳遞三大類?，F(xiàn)階段，不同數(shù)據(jù)傳輸方案的使用滿足眼下的暫時性需求，基本能保障各類電力業(yè)務(wù)安全、可靠的運行。數(shù)據(jù)傳輸方案可劃分為有線和無線的形式，用以實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)傳輸或者本地數(shù)據(jù)傳輸。

有線傳輸方案主要包括光纖、電力線載波、以太網(wǎng)及總線等技術(shù)。早期主要依靠總線或以太網(wǎng)技術(shù)滿足來自采集或控制的數(shù)據(jù)傳輸需求。而對于業(yè)務(wù)信息的傳輸，則主要采用電力線載波技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。

例如，在采集場景中，西安交通大學(xué)成永紅教授團隊基于現(xiàn)場總線技術(shù)開發(fā)了國內(nèi)第一套電力設(shè)備綜合在線監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過PXI總線集成技術(shù)實現(xiàn)了單臺變壓器的多參量在線監(jiān)測，起到了良好的示范性作用；湖南大學(xué)汪沨等通過以太網(wǎng)技術(shù)設(shè)計了GIS設(shè)備的局部放電監(jiān)測系統(tǒng)。在控制信息傳輸場景中，山東大學(xué)趙建國等研究了基于總線技術(shù)的繼電保護系統(tǒng)；楊奇遜等基于總線通信構(gòu)建了應(yīng)用于變壓器差動保護的過程總線通信實驗平臺。

隨著光纖技術(shù)開始在電力行業(yè)中應(yīng)用，其憑借傳輸速率、帶寬、可靠性和實時性等方面的優(yōu)勢，逐漸替代了以太網(wǎng)和總線技術(shù)中以同軸線纜以及雙絞線等為主的傳輸介質(zhì)，并衍生出了xPON光纖技術(shù)，用以滿足電網(wǎng)中采集、控制、業(yè)務(wù)信息流動等諸多業(yè)務(wù)場合對數(shù)據(jù)傳輸可靠性、實時性等的苛刻需求。據(jù)統(tǒng)計，截至2019年，35kV及以上廠站、自有物業(yè)辦公場所/營業(yè)所已經(jīng)實現(xiàn)了光纖全覆蓋。

圖3 電力物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)

各類有線傳輸?shù)姆绞綉?yīng)用至今，雖然能夠基本滿足電網(wǎng)中的數(shù)據(jù)傳輸需求，但卻存在布線、改線繁瑣及通信網(wǎng)絡(luò)擴展升級受限等問題。除此之外，在傳輸過程中，線路噪聲、線路易老化受損等問題都會大大提高工業(yè)成本并降低工作效率。所以，有線方式在一定程度上制約了電網(wǎng)發(fā)展的靈活性。

另一方面，在我國電力部門發(fā)布的文件中指出：做好安全隔離措施的前提下，無線傳輸可以應(yīng)用于電力行業(yè)。無線傳輸技術(shù)憑借靈活強大的擴展性、可嵌入性和較低的成本等優(yōu)勢協(xié)同物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)逐漸在電力行業(yè)中獲得了良好的應(yīng)用，并在采集、控制和業(yè)務(wù)信息傳遞三大類場景中取代了部分有線傳輸?shù)姆桨浮?/p>

當(dāng)前應(yīng)用在電力行業(yè)的無線傳輸方案主要有230MHz無線電力專網(wǎng)、3/4G蜂窩技術(shù)、衛(wèi)星通信技術(shù)、WiFi、ZigBee、Bluetooth、低功耗廣域網(wǎng)（Low-Power Wide-Area Network, LPWAN）技術(shù)等多種方案。無線傳輸技術(shù)投入初期，主要替代本地通信網(wǎng)絡(luò)中使用有線方式的采集類業(yè)務(wù)，選擇如WiFi、ZigBee、Bluetooth等技術(shù)作為無線方案。這些無線傳輸方案傳輸距離較短，傳輸速率有限，僅適合傳輸部分基礎(chǔ)類型的數(shù)據(jù)，無法滿足圖像、視頻等需要高帶寬數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，它們的主要性能參?shù)見表1。

表1 短程無線傳輸技術(shù)性能對比

表1中，ZigBee技術(shù)的時延可以達到ms級，這使其能夠滿足一些對時延要求不高的短程控制類型業(yè)務(wù)對響應(yīng)速度的要求，所以ZigBee技術(shù)也常常用于部分自動控制類業(yè)務(wù)。

隨著蜂窩技術(shù)、衛(wèi)星技術(shù)、低功耗廣域網(wǎng)（Low-Power Wide-Area Network, LPWAN）技術(shù)的迅速發(fā)展，以及電力行業(yè)對于電力無線專網(wǎng)的大力建設(shè)，無線傳輸方案在覆蓋面積、設(shè)備功耗、可靠性等方面得到了大力提升。

其中，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展而來的LPWAN技術(shù)更是憑借其低功耗、覆蓋面廣的突出優(yōu)勢成為了關(guān)注熱點。LPWAN技術(shù)根據(jù)使用頻譜是否被授權(quán)，可以分為基于蜂窩技術(shù)、工作在運營商授權(quán)頻譜下的窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band IoT, NB-IoT）技術(shù)和增強型機器類通信（eMTC），以及工作在非授權(quán)頻譜的遠距離無線電（Long Range, LoRa）技術(shù)和Sigfox技術(shù)，這些技術(shù)的主要性能指標對比見表2。

表2 LPWAN技術(shù)特點對比

NB-IoT技術(shù)與eMTC技術(shù)憑借其與運營商的綁定關(guān)系以及傳輸距離長、容量大、抗干擾能量強的性能特點，常常與3/4G蜂窩技術(shù)、230MHz/4G電力無線專網(wǎng)組合完成數(shù)據(jù)采集工作，以及密級較低的控制類或電力業(yè)務(wù)信息傳遞類業(yè)務(wù)。對于偏遠地區(qū)及長距離輸電線路等存在信號盲區(qū)的場合，常常通過衛(wèi)星通信與LoRa或Sigfox技術(shù)相互配合來完成采集類業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)回傳。

綜上所述，無線傳輸方案能夠在采集類業(yè)務(wù)中基本取代有線方案進行更加便捷的分布式采集，有助于推動新時代數(shù)字化進程。然而，相比于有線方式，由于無線方式在傳輸途中將無法避免干擾和惡意攻擊等物理隔離和安全性問題，所以對于電力行業(yè)中密級度高的控制信息和電力業(yè)務(wù)信息的傳輸仍需依賴光纖專網(wǎng)等技術(shù)來實現(xiàn)。

電力物聯(lián)網(wǎng)的進一步建設(shè)和發(fā)展在繼續(xù)推進，隨著對于源、網(wǎng)、荷、儲中的各環(huán)節(jié)部署更多的智能感知設(shè)備，以及精準控制和雙向互動需求的加深，數(shù)據(jù)傳輸方案服務(wù)的采集、控制和業(yè)務(wù)信息傳遞類業(yè)務(wù)將會發(fā)生革命性的改變。

1）在采集類應(yīng)用場景中，將會迎來三個方面的深化。

①采集范圍拓寬：由電力一次設(shè)備信息采集擴展到電力二次設(shè)備及各類環(huán)境控制、多媒體場景、用戶側(cè)等的信息數(shù)據(jù)采集，以期獲取更加全面的數(shù)字化感知，加強對于電力資產(chǎn)的管理，加深對電力物聯(lián)網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)能量流動的了解。②采集內(nèi)容多元化：在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、圖像、語音的采集基礎(chǔ)上，增加高清視頻的回傳，用以應(yīng)對巡檢、監(jiān)控、應(yīng)急現(xiàn)場自組網(wǎng)綜合應(yīng)用等電網(wǎng)大視頻應(yīng)用的需求。③采集頻次實時化：對于滿足未來用電負荷需求側(cè)管理，用戶實時定價等應(yīng)用的發(fā)展，采集頻次由當(dāng)前的天、小時為單位的采集被期望提升到min級的準實時水平。

2）在控制類應(yīng)用場景中，隨著分布式能源調(diào)控、負荷精確控制等應(yīng)用的發(fā)展，時延的需求將達到ms級。

3）業(yè)務(wù)信息傳遞場景中，在保障精確實時、安全保密的信息傳遞前提下加強雙向互動，以達到加強管理協(xié)調(diào)各類電力業(yè)務(wù)的目的。

綜上所述，在電力物聯(lián)網(wǎng)的進一步建設(shè)中，數(shù)據(jù)傳輸需求將呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，且對于無線傳輸方案的速率、連接密度、帶寬和時延等有著更高的要求。雖然，無線傳輸技術(shù)為了滿足不斷提升的業(yè)務(wù)需求，發(fā)展了v5.2低功耗藍牙、北斗四代等新技術(shù)，但應(yīng)對電力物聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化變革還是顯得乏力，難以支撐數(shù)字時代下電力物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

作為電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中的核心技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸面臨著巨大的挑戰(zhàn)，急需引入能夠?qū)崿F(xiàn)安全可靠、靈活接入、雙向?qū)崟r互動的“泛在化、全覆蓋、高效率”無線傳輸方案予以支撐。值得慶幸的是，隨著5G技術(shù)在其他行業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的逐漸成熟，國內(nèi)外許多專家學(xué)者一致認為電力物聯(lián)網(wǎng)將會是5G應(yīng)用的最大場景之一。

在2016年的一份歐盟報告中提到，5G技術(shù)將是未來電網(wǎng)的核心，將有助于解決并應(yīng)對一些挑戰(zhàn)，例如對連接大量傳感器場景，5G技術(shù)能以高度的安全性和可靠性應(yīng)對無處不在的通信覆蓋范圍。此外，歐盟資助的幾個5G試點項目也分別對基于5G技術(shù)的電網(wǎng)使用案例進行實驗。5G作為無線通信技術(shù)奇點，將會是替代電力物聯(lián)網(wǎng)中絕大部分無線和有線傳輸方案的新選擇，成為推動電網(wǎng)邁向數(shù)字化監(jiān)控和管理的核心。

2 5G引領(lǐng)電力物聯(lián)網(wǎng)的新時代變革

5G是指蜂窩網(wǎng)絡(luò)的第五代技術(shù)標準。5G發(fā)展迅速，已經(jīng)于2020年底在全球多個國家實現(xiàn)商用化，其在帶寬、時延、傳輸速率等性能指標上都擁有遠超于現(xiàn)有4G對應(yīng)指標的優(yōu)勢。

2.1 5G在電力物聯(lián)網(wǎng)中的適用性分析

國際電信聯(lián)盟（ITU）對5G基本特征概況為：高速率、高容量、高可靠性、低時延與低功耗。這樣的特性被稱為“三高兩低”。

1）5G數(shù)據(jù)傳輸峰值速度（理論最高速度）上行可達10Gbit/s，下行20Gbit/s，約為4G技術(shù)的20倍。對于電力系統(tǒng)中的海量、多元化數(shù)據(jù)采集業(yè)務(wù)，高速率可以為其提供有力支撐。

2）5G具有百兆甚至千兆赫茲的頻譜寬度，能夠在每平方公里支持100萬個設(shè)備的高密度連接，且每平方米支持10Mbit/s的大容量數(shù)據(jù)傳輸，該性能指標是4G技術(shù)的上百倍。這將能夠為電力物聯(lián)網(wǎng)各領(lǐng)域（特別在配電通信網(wǎng)“最后一英里”無線接入挑戰(zhàn)）中需要接入海量終端設(shè)備的高級計量業(yè)務(wù)、電網(wǎng)大視頻應(yīng)用等業(yè)務(wù)提供更優(yōu)的解決方案。

3）5G通過多連接技術(shù)支撐其高可靠性。其理論指標為0.001%丟包率，可與光纖通信相媲美，有望為電力系統(tǒng)提供高可靠性的無線數(shù)據(jù)連接。

4）在低時延方面，根據(jù)歐洲電信標準協(xié)會、華為公司和IEEE的標準，表3列舉了當(dāng)前電網(wǎng)中幾個典型業(yè)務(wù)對于傳輸延遲的要求。

表3 電網(wǎng)中不同典型業(yè)務(wù)的的延遲要求

4G時延往往超過50ms，這樣的性能對于上述場景并不適用。但5G端到端延遲的預(yù)期性能指標為1ms，能針對許多協(xié)同控制場景提供靈活和及時的響應(yīng)。

5）5G具有低功耗特征。通過優(yōu)化休眠/活動比、設(shè)置無數(shù)據(jù)傳輸時的休眠以及網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，可讓設(shè)備以低功耗方式運行，保持電力物聯(lián)網(wǎng)中智能終端設(shè)備的較低能耗，從而保持較低的維護成本和設(shè)備成本，確保了設(shè)備壽命（對于工業(yè)應(yīng)用，通常至少10年）。

我國尤其重視5G技術(shù)在電網(wǎng)建設(shè)中的應(yīng)用。全球能源互聯(lián)研究院的白韋等認為首先明確5G技術(shù)是否適用于電力無線傳輸業(yè)務(wù)是未來電力系統(tǒng)規(guī)劃和建設(shè)的關(guān)鍵，他們通過分析典型的電子無線傳輸業(yè)務(wù)與5G技術(shù)的兼容性，提出了一種基于灰色系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)與無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)適應(yīng)度評價模型，對典型的電子無線通信業(yè)務(wù)和5G技術(shù)解決方案之間的適應(yīng)度進行了評估，結(jié)果表明，5G解決方案適用于電網(wǎng)中典型的配電自動化、負載控制業(yè)務(wù)和分布式發(fā)電機和電能數(shù)據(jù)采集業(yè)務(wù)，5G技術(shù)在電力無線傳輸領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

此外，在我國2018年發(fā)布的《5G助力智能電力應(yīng)用白皮書》及2020年發(fā)布的《5G行業(yè)虛擬專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)》中都表示5G能更好地在安全可靠數(shù)據(jù)傳輸、可管可控等方面助力電力物聯(lián)網(wǎng)的典型業(yè)務(wù)應(yīng)用，推動電力能源管理由粗放型向精細化轉(zhuǎn)變。未來，我國將在政策方面全面支持建設(shè)5G業(yè)務(wù)并合理地運用到電力行業(yè)中開發(fā)其最大價值，這無疑將推動電力物聯(lián)網(wǎng)在我國的進一步發(fā)展。

2.2 5G技術(shù)在電力物聯(lián)網(wǎng)中的研究現(xiàn)狀

ITU定義了5G三大場景：增強移動帶寬（Enhanced Mobile Broadband, eMBB）、超高可靠低時延通信（Ultra-Reliable and Low Latency Communications, uRLLC）和大規(guī)模機器類通信（Massive Machine Type Communications, mMTC），如圖4所示。

圖4 5G 三大應(yīng)用場景

定義eMBB典型的應(yīng)用包括超高清視頻、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實等。uRLLC典型的應(yīng)用包括自動駕駛、工業(yè)控制、遠程醫(yī)療手術(shù)、智能電網(wǎng)、智能運輸、公共保護和救災(zāi)等的無線控制，這類場景聚焦對時延和可靠性極其敏感的業(yè)務(wù)。mMTC典型的應(yīng)用包括智能電網(wǎng)、智能家居和智慧城市等，這類場景對連接密度要求較高，呈現(xiàn)行業(yè)多樣異構(gòu)性和差異化。

不難看出，5G的三大應(yīng)用場景是對電力物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)傳輸方案三大應(yīng)用場景的進一步深化。國內(nèi)外相關(guān)專家學(xué)者也按照5G的三大應(yīng)用場景對電力物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)進行劃分，并開展了相關(guān)的研究工作。

2.2.1 電力物聯(lián)網(wǎng)eMBB場景

eMBB場景主要滿足一些高帶寬業(yè)務(wù)需求，是對數(shù)據(jù)采集類應(yīng)用場景和業(yè)務(wù)信息傳輸場景的加強。目前，電力物聯(lián)網(wǎng)在這方面的應(yīng)用主要是電網(wǎng)大視頻，包括了變電站機器人巡檢、輸電線路無人機在線監(jiān)測、配電房視頻監(jiān)控、移動式現(xiàn)場施工作業(yè)管控及應(yīng)急現(xiàn)場自組網(wǎng)綜合應(yīng)用等。已經(jīng)有不少研究人員嘗試應(yīng)用5G技術(shù)在某些場景中做了實驗，并取得了一定成果。

中國聯(lián)通聯(lián)合東莞市供電局在變電站內(nèi)設(shè)置了基于5G的無人機110kV線路定點巡航，在回傳的高清視頻/圖像中，能夠清晰讀取銘牌信息與線路狀態(tài)，有效提升巡檢工作效率。趙雷等基于5G模組開發(fā)了巡檢機器人，解決了現(xiàn)有4G技術(shù)中由于帶寬不足導(dǎo)致的視頻圖像丟幀卡頓、網(wǎng)絡(luò)延時高等問題，提高了巡檢效率。

隨著電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的不斷推進，未來基于多維度感知電網(wǎng)的運行狀態(tài)是十分必要的，對于大視頻的采集必不可少。通常，對于復(fù)雜多樣性環(huán)境的清晰拍攝和錄像需要至少200Mbit/s帶寬的支持并具備較大范圍通信距離，現(xiàn)有的無線傳輸方式很難同時滿足這些要求，而5G將為這項服務(wù)的發(fā)展提供強有力的支持。

2.2.2 電力物聯(lián)網(wǎng)uRLLC場景

uRLLC場景是對控制類應(yīng)用場景和業(yè)務(wù)信息傳輸場景的加強，主要包括電力物聯(lián)網(wǎng)中的無線控制及電力系統(tǒng)調(diào)度信息傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)。電力系統(tǒng)生產(chǎn)控制區(qū)域的不同服務(wù)對延遲和可靠性有不同的要求，特定的業(yè)務(wù)包括分布式配電自動化、分布式能源調(diào)控、配電網(wǎng)差動電流保護和用電負荷需求側(cè)響應(yīng)等。中國南方電網(wǎng)公司在2018年的一份報告中對于未來上述業(yè)務(wù)的關(guān)鍵需求指標進行了匯總，見表4。

表4 控制類業(yè)務(wù)需求指標

現(xiàn)有數(shù)據(jù)傳輸方案如電力光纖、無線專網(wǎng)等存在成本高、穩(wěn)定性差、時延較高等多種問題。而5G技術(shù)有望為這些需要低延遲和高可靠性的服務(wù)提供支持。有關(guān)文獻都基于5G數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)和差動電流保護系統(tǒng)的結(jié)合做了嘗試，工程示范中差動保護動作延時大約在67~71ms，且穩(wěn)定性良好。

為了滿足ms級精確負荷控制服務(wù)的延遲目標，華為的研究人員提出了一種新穎的物聯(lián)網(wǎng)-電網(wǎng)（Internet of Things-Grid，IoT-G）數(shù)據(jù)傳輸方案，該技術(shù)是5G技術(shù)完全成熟前的過渡，繼承了5G系統(tǒng)的低延遲設(shè)計概念，支持頻譜聚合技術(shù)?，F(xiàn)場測試結(jié)果表明，IoT-G數(shù)據(jù)傳輸方案在延遲、數(shù)據(jù)速率、容量和共存性方面滿足對電網(wǎng)服務(wù)的要求。

2.2.3 電力物聯(lián)網(wǎng)mMTC場景

mMTC場景的關(guān)鍵用途是連接部署的海量感知終端設(shè)備，滿足海量連接的業(yè)務(wù)需求，是對采集類業(yè)務(wù)的全面完善。目前在電網(wǎng)中，一方面，由于數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的限制，很多感知終端僅收集和上傳部分信息；另一方面，局部系統(tǒng)中僅配備了非常稀疏的感知終端，這種“稀疏的數(shù)字化”在對設(shè)備和系統(tǒng)的運行監(jiān)測方面留下了諸多盲點，很多值得監(jiān)測的物理、化學(xué)、氣象狀態(tài)及用電信息等數(shù)據(jù)產(chǎn)生了遺漏。

在電力物聯(lián)網(wǎng)中通過使用更多的感知設(shè)備，可以對電力設(shè)備運行狀態(tài)、電網(wǎng)中的能量流動等進行更加深入的了解，并有助于實現(xiàn)用電環(huán)節(jié)（分布式電源、充電樁、居民用戶等）的信息采集、能效管理、智能電器等雙向交互服務(wù)。

有學(xué)者介紹了智能電網(wǎng)如何受益于5G環(huán)境中的先進分布式狀態(tài)估計方法，概述了新興的分布式狀態(tài)估計解決方案，該學(xué)者認為，5G的出現(xiàn)將極大地促進廣域測量系統(tǒng)所需的分布式信息獲取和處理服務(wù)的提供，從而為未來分布式智能電網(wǎng)服務(wù)的發(fā)展提供理想的舞臺。

英國愛丁堡大學(xué)的Mehdi Zeinali教授和John Thompson教授認為，在所有用戶端配備大量基于5G數(shù)據(jù)傳輸模塊的智能電表能夠?qū)崿F(xiàn)客戶和電力公司之間的雙向通信，從而優(yōu)化自動計量基礎(chǔ)設(shè)施（Automated Metering Infrastructure, AMI），是實現(xiàn)高效能源管理系統(tǒng)的重要一步，仿真結(jié)果表明，他們所提出的基于5G的智能計量通信，具有更好的覆蓋范圍和鏈路可靠性：在全區(qū)域部署情況下，可將停電用戶數(shù)減少到5%以下。

此外，有學(xué)者比較了兩種不同的配電網(wǎng)運行監(jiān)控和控制策略：基于4G的集中式管理方法和基于5G的分布式管理方法，認為電網(wǎng)應(yīng)用中將需要更大規(guī)模、更加普遍的實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集（Supervisory Control And Data Acquisition, SCADA）及控制業(yè)務(wù)以加強電網(wǎng)中分布式管理能力，這將迫切地需要5G無線傳輸技術(shù)來介入。

?3 電力物聯(lián)網(wǎng)-5G應(yīng)用挑戰(zhàn)和數(shù)據(jù)傳輸方案發(fā)展趨勢

3.1 5G應(yīng)用挑戰(zhàn)

當(dāng)前，各類數(shù)據(jù)傳輸方案正在不斷地發(fā)生著演進，v5.2低功耗藍牙、NB-IoT、xPON光纖、北斗四代衛(wèi)星等都為電網(wǎng)提供了更高效率的數(shù)據(jù)信息傳輸方案，但要滿足電力物聯(lián)網(wǎng)在數(shù)字化變革與能源革命下的建設(shè)要求，打造具備統(tǒng)一標準、高度響應(yīng)能力、高魯棒性和強可擴展性的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，還有許多問題亟待解決。

新興的5G數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)憑借其突出的性能優(yōu)勢、能夠利用現(xiàn)有通信基礎(chǔ)設(shè)施的便利性以及支持網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)等優(yōu)勢逐步取代現(xiàn)有的部分無線和有線傳輸方案，在響應(yīng)當(dāng)前需求的同時，還能夠變被動為主動地引導(dǎo)全面性的業(yè)務(wù)發(fā)展，在電力物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用勢在必行。但在應(yīng)用初期，也可預(yù)見性地存在一些挑戰(zhàn)，主要包括：

1）5G與現(xiàn)有數(shù)據(jù)傳輸方案的融合，共存問題

對于電力物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸方案的選擇，需要綜合考慮傳輸數(shù)據(jù)密級、業(yè)務(wù)特征及通信物理環(huán)境等問題。5G無法完全取代當(dāng)前的數(shù)據(jù)傳輸方案。例如，對于需要嚴格保障安全性與可靠性的控制信號、調(diào)度語音等數(shù)據(jù)的傳輸方面，目前5G技術(shù)由于無法排除受干擾及被攻擊的可能性，無法替代電力光纖專線在其中的作用。5G與現(xiàn)有多樣化數(shù)據(jù)傳輸方案的異構(gòu)化融合將是一項挑戰(zhàn)，它們的共存與相互協(xié)作將是常態(tài)。

2）5G在電力物聯(lián)網(wǎng)中的時間同步問題

作為通信承載網(wǎng)絡(luò)中必不可少的支撐部分，時間同步技術(shù)在其中起著非常關(guān)鍵的作用。通過解決如何聯(lián)合衛(wèi)星技術(shù)建設(shè)高精度天地一體化時間同步網(wǎng)絡(luò)；如何優(yōu)化現(xiàn)有同步傳輸技術(shù)（如1588v2），提高單個終端節(jié)點的時間處理精度等問題，從而提供統(tǒng)一時間基準，保證傳輸數(shù)據(jù)的有效性，滿足同步相量測量、數(shù)字差動保護、故障測距等的業(yè)務(wù)需求顯得十分重要。

3）5G終端設(shè)備以及通信基站的能耗管理

5G無線傳輸系統(tǒng)的主要耗電環(huán)節(jié)是海量的通信終端設(shè)備及通信基站。隨著電力物聯(lián)網(wǎng)時代的到來，部署超級密集的通信終端設(shè)備及基站，巨大的能耗將是可預(yù)見性的，故提升5G數(shù)據(jù)傳輸能效對于電力物聯(lián)網(wǎng)來說十分重要。對于5G終端設(shè)備，除了直接入手硬件，開發(fā)低能耗器件外，考慮如何利用射頻、溫差等環(huán)境參數(shù)獲取能量，研究一體化低功耗無源設(shè)計將是研究者們思考的方向。對于通信基站，優(yōu)化基站設(shè)置以能效最大化為運營思路、與配電網(wǎng)供需互動[58]并利用可再生能源將是可行的方案。

4）5G無線傳輸?shù)陌踩詥栴}

5G作為新一代無線蜂窩技術(shù)，其在電力物聯(lián)網(wǎng)中使用的通信網(wǎng)絡(luò)可以是私有的也可以是公有的。在加強電力5G專網(wǎng)建設(shè)的同時，共享經(jīng)濟時代下，通過已有通信基礎(chǔ)設(shè)備組建的公共網(wǎng)絡(luò)完成電力物聯(lián)網(wǎng)部分業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸將是一個趨勢。無線傳輸方式和公共網(wǎng)絡(luò)的使用都會給電網(wǎng)帶來新類型的安全風(fēng)險。保障5G網(wǎng)絡(luò)接入安全、5G終端安全、切片安全、邊緣計算安全，支持統(tǒng)一的身份管理與認證，支持多元化信任關(guān)系構(gòu)建，探索隱私保護策略，以及建立并分析對應(yīng)的威脅模型，這些研究都將有助于建立5G無線傳輸技術(shù)在電力物聯(lián)網(wǎng)中的安全性使用標準。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸方案發(fā)展趨勢

對于電力物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)傳輸方案，其發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下兩個方面：

1）順應(yīng)數(shù)字化發(fā)展變革，面向多元化的海量信息

現(xiàn)階段電網(wǎng)中的數(shù)據(jù)傳輸需求主要來自各類電力設(shè)備的運行監(jiān)測與控制，用電信息的采集和電力系統(tǒng)的調(diào)度等。但隨著電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)目標中對于分布式采集類業(yè)務(wù)更加全面深化、控制類業(yè)務(wù)與主網(wǎng)精準聯(lián)動等要求的提升，以及對于配合人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)實現(xiàn)全面感知分析、加強用戶側(cè)的雙向互動、互聯(lián)協(xié)調(diào)多種能源等多層次、多方面新要求的提出，使得電力物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)流動信息具有更加鮮明的多樣性、復(fù)雜性、海量化等特點。

在通信內(nèi)容更加豐富的趨勢下，要有針對性地考慮業(yè)務(wù)通信需求的差異化，實現(xiàn)相互安全隔離、功能可定制的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，并在對應(yīng)帶寬、速率、時延等方面做出適應(yīng)與提升，從而支持電力物聯(lián)網(wǎng)中多元融合的大數(shù)據(jù)分析。

2）構(gòu)建一體化通信架構(gòu)

面對未來多樣化的業(yè)務(wù)形式和海量的信息交互，需要建立“綜合接入、一體承載、業(yè)務(wù)貫通”的通信架構(gòu)建設(shè)理念。構(gòu)建一體化的通信網(wǎng)絡(luò)是必然的趨勢，由統(tǒng)一的平臺提供安全可靠、承載能力強勁的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，進行感知層內(nèi)基本單元的信息交互、統(tǒng)一向上至平臺層的數(shù)據(jù)接入，或以應(yīng)用層信息進行對內(nèi)、對外的反饋、交互，實現(xiàn)業(yè)務(wù)貫通。一體化的通信網(wǎng)絡(luò)憑借覆蓋面廣、資源調(diào)配靈活，必將促使電力物聯(lián)網(wǎng)的信息化、專業(yè)化、科學(xué)化水平進一步深入。這將為電網(wǎng)的數(shù)據(jù)共享和能源互動奠定基礎(chǔ)，協(xié)助未來能源互聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)發(fā)展。

?4 結(jié)論

本文以電力物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)傳輸方案為研究對象，首先結(jié)合當(dāng)下的數(shù)字化變革和能源革命討論了在建設(shè)電力物聯(lián)網(wǎng)過程中研究數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的重要性。通過梳理電力物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架，分析了其中的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)傳輸方案根據(jù)應(yīng)用場景劃分為采集、控制和業(yè)務(wù)信息傳遞三大類，然后梳理、討論了現(xiàn)有數(shù)據(jù)傳輸方案在三大場景中的應(yīng)用現(xiàn)狀，并分析了數(shù)字化變革下三大場景的業(yè)務(wù)深化與變革，提出了數(shù)字化變革下電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)對于數(shù)據(jù)傳輸方案的新要求。

當(dāng)前數(shù)據(jù)傳輸方案應(yīng)對數(shù)字化變革乏力，作者認為5G作為無線傳輸奇點技術(shù)將能夠應(yīng)對挑戰(zhàn)，于是從5G技術(shù)特征出發(fā)，分析了5G技術(shù)在電力物聯(lián)網(wǎng)中的適用性，然后對國內(nèi)外學(xué)者在電力物聯(lián)網(wǎng)場景中的5G應(yīng)用實驗進行了列舉和討論，得出5G技術(shù)必將在電力物聯(lián)網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)中占有重要席位這一結(jié)論。

最后，本文預(yù)見了5G應(yīng)用于電力物聯(lián)網(wǎng)中將會面臨的方案融合、高精度時間同步、能耗管理以及安全性問題，展望了未來電力物聯(lián)網(wǎng)在朝著能源互聯(lián)網(wǎng)演進過程中，其數(shù)據(jù)傳輸方案將承載多元化的海量信息，并將以一體化通信架構(gòu)發(fā)展。

以上研究成果發(fā)表在2021年第17期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標題為“電力物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸方案：現(xiàn)狀與基于5G技術(shù)的展望”，作者為黃彥欽、余浩 等。