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新聞資訊

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基于5G技術的電力物聯網展望

2022/2/22 18:00:55 點擊: 91

文章來源:2021年第17期《電工技術學報》,原題為電力物聯網數據傳輸方案:現狀與基于5G技術的展望

作者為:西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室的研究人員 黃彥欽、余浩、尹鈞毅、孟國棟、成永紅

權利聲明:本文中文字(有刪減)及配圖(有剪輯)均來自網絡,若有侵權,請聯絡公司予以刪除。



電力物聯網的架構

電力物聯網包括感知層、網絡層、平臺層和應用層四層結構,如圖所示。其中感知層是電力物聯網的底層基礎,需要由該層完成各類數據的采集以及就地處理等工作。在這個環節中,由微型化、智能化的傳感器對電力設備運行狀態、氣象環境、用戶信息等數據進行全面獲取,通過傳輸路徑輸送至本地數據中心,過程中由邊緣計算模塊等配合進行數據的本地化處理;本地數據中心(如變電站數據中心、光伏發電站數據中心等)作為感知層內的基本單元,它們之間、以及感知層與平臺層間廣域范圍內的業務信息傳輸則依靠網絡層來實現;平臺層作為管理環節,負責電力物聯網業務數據流的統一接入管理,并對業務信息進行高效處理;應用層則向下反饋調節信息并對外輸出價值信息,實現規劃建設、生產運行、經營管理、客戶服務等對內、對外業務的支撐。







電力物聯網中的數據傳輸網絡

電力物聯網中的數據傳輸網絡一方面承載由海量傳感器、智能電器設備等采集的信息流接入上位機、云平臺、智能電表等本地數據中心;另一方面,支撐了本地數據中心之間,或本地數據中心與電網數據中臺間的信息互聯;同時,對于由綜合分析、評價產生的信息,電網系統仍需借助數據傳輸網絡反饋這些調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造,電力物聯網中的數據傳輸網絡如圖所示。





經過多年經營建設,電力行業中數據傳輸方案應用場景總體上可以劃分為:采集、控制和電力業務信息傳遞三大類。

有線傳輸方案:主要包括光纖、電力線載波、以太網及總線等技術。早期主要依靠總線或以太網技術滿足來自采集或控制的數據傳輸需求。而對于業務信息的傳輸,則主要采用電力線載波技術和工業以太網技術。例如,在采集場景中,西安交通大學成永紅教授團隊基于現場總線技術開發了國內第一套電力設備綜合在線監測系統,該系統通過PXI總線集成技術實現了單臺變壓器的多參量在線監測,起到了良好的示范性作用;湖南大學汪沨等通過以太網技術設計了GIS設備的局部放電監測系統。在控制信息傳輸場景中,山東大學趙建國等研究了基于總線技術的繼電保護系統;楊奇遜等基于總線通信構建了應用于變壓器差動保護的過程總線通信實驗平臺。





光纖技術衍生出了xPON光纖技術,用以滿足電網中采集、控制、業務信息流動等諸多業務場合對數據傳輸可靠性、實時性等的苛刻需求。據統計,截至2019年,35kV及以上廠站、自有物業辦公場所/營業所已經實現了光纖全覆蓋。

無線傳輸方案:主要有230MHz無線電力專網、3/4G蜂窩技術、衛星通信技術、WiFi、ZigBee、Bluetooth、低功耗廣域網(Low-Power Wide-Area Network, LPWAN)技術等多種方案。無線傳輸技術投入初期,主要替代本地通信網絡中使用有線方式的采集類業務,選擇如WiFi、ZigBee、Bluetooth等技術作為無線方案。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類型的數據,無法滿足圖像、視頻等需要高帶寬數據傳輸的需求,它們的主要性能參數見下表。


1短程無線傳輸技術性能對比




1中,ZigBee技術的時延可以達到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務對響應速度的要求,所以ZigBee技術也常常用于部分自動控制類業務。

LPWANLow-Power Wide-Area Network, LPWAN)技術根據使用頻譜是否被授權,可以分為基于蜂窩技術、工作在運營商授權頻譜下的窄帶物聯網(Narrow Band IoT, NB-IoT)技術和增強型機器類通信(eMTC),以及工作在非授權頻譜的遠距離無線電(Long Range, LoRa)技術和Sigfox技術,這些技術的主要性能指標對比見表2。


2 LPWAN技術特點對比





NB-IoT技術與eMTC技術憑借其與運營商的綁定關系以及傳輸距離長、容量大、抗干擾能量強的性能特點,常常與3/4G蜂窩技術、230MHz/4G電力無線專網組合完成數據采集工作,以及密級較低的控制類或電力業務信息傳遞類業務。對于偏遠地區及長距離輸電線路等存在信號盲區的場合,常常通過衛星通信與LoRaSigfox技術相互配合來完成采集類業務的數據回傳。

 

電力物聯網將在數據傳輸方案服務的采集、控制和業務信息傳遞類業務將會發生革命性的改變

1)在采集類應用場景中,將會迎來三個方面的深化。①采集范圍拓寬:由電力一次設備信息采集擴展到電力二次設備及各類環境控制、多媒體場景、用戶側等的信息數據采集,以期獲取更加全面的數字化感知,加強對于電力資產的管理,加深對電力物聯網和能源互聯網能量流動的了解。②采集內容多元化:在基礎數據、圖像、語音的采集基礎上,增加高清視頻的回傳,用以應對巡檢、監控、應急現場自組網綜合應用等電網大視頻應用的需求。③采集頻次實時化:對于滿足未來用電負荷需求側管理,用戶實時定價等應用的發展,采集頻次由當前的天、小時為單位的采集被期望提升到min級的準實時水平。

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

   3)業務信息傳遞場景中,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,以達到加強管理協調各類電力業務的目的。






5G引領電力物聯網的新時代變革

 

  電力物聯網eMBB場景:這方面的應用主要是電網大視頻,包括了變電站機器人巡檢、輸電線路無人機在線監測、配電房視頻監控、移動式現場施工作業管控及應急現場自組網綜合應用等。中國聯通聯合東莞市供電局在變電站內設置了基于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,有效提升巡檢工作效率。趙雷等基于5G模組開發了巡檢機器人,解決了現有4G技術中由于帶寬不足導致的視頻圖像丟幀卡頓、網絡延時高等問題,提高了巡檢效率。





電力物聯網uRLLC場景:主要包括無線控制及電力系統調度信息傳輸等業務。電力系統生產控制區域的不同服務對延遲和可靠性有不同的要求,特定的業務包括分布式配電自動化、分布式能源調控、配電網差動電流保護和用電負荷需求側響應等。中國南方電網公司在2018年的一份報告中對于未來上述業務的關鍵需求指標進行了匯總,見表4。


4 控制類業務需求指標




為了滿足ms級精確負荷控制服務的延遲目標,華為的研究人員提出了一種新穎的物聯網-電網(Internet of Things-Grid,IoT-G)數據傳輸方案,該技術是5G技術完全成熟前的過渡,繼承了5G系統的低延遲設計概念,支持頻譜聚合技術?,F場測試結果表明,IoT-G數據傳輸方案在延遲、數據速率、容量和共存性方面滿足對電網服務的要求。




   電力物聯網mMTC場景:關鍵用途是連接部署的海量感知終端設備,滿足海量連接的業務需求,是對采集類業務的全面完善。目前在電網中,一方面,由于數據傳輸技術的限制,很多感知終端僅收集和上傳部分信息;另一方面,局部系統中僅配備了非常稀疏的感知終端,這種稀疏的數字化在對設備和系統的運行監測方面留下了諸多盲點,很多值得監測的物理、化學、氣象狀態及用電信息等數據產生了遺漏。英國愛丁堡大學的Mehdi Zeinali教授和John Thompson教授認為,在所有用戶端配備大量基于5G數據傳輸模塊的智能電表能夠實現客戶和電力公司之間的雙向通信,從而優化自動計量基礎設施(Automated Metering Infrastructure, AMI),是實現高效能源管理系統的重要一步,仿真結果表明,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:在全區域部署情況下,可將停電用戶數減少到5%以下。






5G應用挑戰

5G無線傳輸系統的主要耗電環節是海量的通信終端設備及通信基站。對于5G終端設備,除了直接入手硬件,開發低能耗器件外,考慮如何利用射頻、溫差等環境參數獲取能量,研究一體化低功耗無源設計將是研究者們思考的方向。

保障5G網絡接入安全、5G終端安全、切片安全、邊緣計算安全,支持統一的身份管理與認證,支持多元化信任關系構建,探索隱私保護策略,以及建立并分析對應的威脅模型,這些研究都將有助于建立5G無線傳輸技術在電力物聯網中的安全性使用標準。





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