“5G+”与智能电网
智能电网发展趋势及挑战
智能电网发展现状及趋势
智能电网是在传统电力系统基础上,通过集成新能源、新材料、新设备和先进传感技术、信息技术、控制技术、储能技术等新技术,形成的新一代电力系统,具有高度信息化、自动化、互动化等特征,可以更好地实现电网安全、可靠、经济、高效运行。 [1]智能电网包括发电、输电、变电、配电和用电五大环节。发电是将水能、石化燃料、核能、太阳能等一次能源转换为电能;输电是通过不同电压等级输电线路进行电能传输(特高压、500千伏、220千伏等);变电是通过变电站实现电能升降压,配合输电线路完成电能传输和分配;配电是利用配电室、箱变等设施实现电力系统与用户直连,并将电能分配给用户;用电是各类用电器具实现电能利用,是电力环节的最后节点。
围绕发电、输电、变电、配电、用电五大环节,未来智能电网发展趋势可以概括为:清洁友好的发电、安全高效的输变电、灵活可靠的配电、多样互动的用电、智慧能源与能源互联网。
在发电环节,以风能、太阳能为主的可再生能源逐渐替代传统化石能源,推动从集中式的能源供给向集中与分布协同、供需双向互动的能源供给转变;在输电、变电环节,为保障电网在台风、雨雪等严重自然灾情下的基本运转,需进一步提高安全防御能力,提升电网巡检、监控的智能化水平;在配电环节,随着城市电动汽车、充电桩及农村光伏扶贫、农光互补等新能源业务的发展,配电网需适配多元化负荷的“泛在接入”“即插即用”需求。同时,智能分层分布式控制体系逐步建立,配电网自动化水平将全面提升,对配电网的精准控制与安全可靠提出更高要求;在用电环节,阶梯电价、实时电价等业务逐步渗透,全方位加强电力用户对电网调控的响应与参与度,推动用电信息深度采集与信息实时交互,充分提高电能资源利用效率。
随着智慧能源与能源互联网的发展,传统单一能源网络向多能互补转变,电网与信息通信技术深度融合,电、热(冷)、气等各领域的能源需求将逐步统筹,从而实现多能协同供应和能源综合梯级利用。能源市场将逐步开放,用户既是能源使用者也是能源生产者,能源产业将进一步转型升级。
智能电网是电网与信息技术深度融合的复杂系统,未来电网在能源生产、传输、接入和控制、消费等领域将发生深刻变革,而信息通信技术正是这次变革中的催化剂。电力通信网作为支撑智能电网发展的关键基础设施,是智能电网升级发展的重要保障。
智能电网对电力通信网的挑战
电力通信网的承载形式主要有光纤通信、无线通信以及电力线通信三种。
发电、输电、变电环节的骨干通信网侧,35千伏以上的通信网已具备完善的全光骨干网络和可靠高效数据网络,光纤资源已实现35千伏及以上厂站、自有物业办公场所/营业所全覆盖。光纤通信具有大带宽、高速率、高安全性等优势,可满足多种业务的性能需求。但光纤部署成本高昂、系统复杂,且移动性受限,尤其是面向智能电网中的海量设备等场景,无法实现全光纤通信的业务承载。同时,光纤通信容量受限,无法满足视频监控、无人机巡检等业务,升级改造难度较大。
在配电通信网侧,目前光纤覆盖比例低于10%。配电环节设备“点多面广”,海量终端需要实时监测或控制,信息双向交互频繁,考虑到光纤覆盖成本高、难度大,亟须建立灵活高效、安全可靠的无线通信网络。
在用电通信网侧,主要采用电力线通信、窄带物联网、3G/4G无线公网等通信方式。目前采集深度、广度、连续性不足,无法支撑未来智能电网面向用户端的双向互动和实时响应。
智能电网的发展迫切要求对各类负荷实施安全可靠、接入灵活的自动化精准控制,各级电网重要廊道的监视、巡检等核心业务将引入可视化、实时化的新型作业方式,用户端广泛互联、双向互动、用电精细化管理,电力通信网的业务需求已向大连接、低时延、高可靠、大带宽的方向发展。5G作为新一代无线通信系统的发展方向,其连续广域覆盖、热点高容量、低时延、高可靠、低功耗、大连接等特性及网络切片、边缘计算“两大能力”将成为能源互联网全面发展的重要支撑。
“5G+”智能电网典型应用场景
智能电网无线通信应用场景总体上可分为控制、采集两大类。其中,控制类包含智能分布式配电自动化、用电负荷需求侧响应、分布式能源调控等;采集类主要包括高级计量、智能电网大视频应用。
控制类业务:配电差动保护
场景介绍
配电差动保护是指,通过比较配电终端两端或多端同时刻电流值(矢量)判断线路故障,当电流差值超过门槛值时断开故障线路,实现故障快速隔离,避免扩大故障范围。在有备用线路的情况下,快速进行线路切换,实现故障恢复(见图12–2)。
业务现状及发展趋势
早期的配电网保护多采用简单的过流、过压逻辑,不依赖通信。在骨干通信网差动保护使用光纤连接,但在配电网侧光纤覆盖程度低,考虑到光纤建设成本高、不易部署等因素,未来将通过5G低时延、高可靠特性实现配电差动保护业务信号的传输。
通信需求
配电差动保护场景通信需求见表12–1。
控制类业务:配电自动化三遥
业务场景
配电自动化三遥是指通过遥测(AI)、遥信(DI)、遥控(DO)
等手段实现配电主站远程配电设备的监控功能。通过遥测收集设备模拟量值,如电流、电压;通过遥信收集设备状态信息,如告警状态、开关分合;通过遥控远程控制设备运行状态,如控制闸刀分合。
业务现状及发展趋势
当前三遥业务在骨干通信网主要通过部署光缆满足通信需求,若在配电侧实现三遥业务,光纤部署成本巨大。5G网络切片以及边缘计算组网及定制化特性,将满足配电终端与配电主站之间三遥业务通信需求(见图12–3),部署更为便捷,同时可保障数据的安全性。
通信需求
配电自动化三遥场景通信需求见表12–2。
控制类业务:配电PMU
业务场景
配电PMU(相量测量装置)是指通过测量电力系统配电环节不同节点的电流、电压的相位数据,确保在相位不一致时及时通知运维人员进行故障处理。
业务现状及发展趋势
目前PMU业务主要运用于骨干网上,利用光纤通信,但在配网中部署光纤建设成本巨大。通过5G可将配电柜的电流、电压相位及时反馈到控制中心,将实现更为灵活高效的业务部署。
通信需求
配电PMU场景通信需求见表12–3。
采集类业务:高级计量
业务场景
高级计量是指基于现有的抄表类业务,以智能电表为基础,开展用电信息采集的下沉,支持阶梯电价等多种电价策略,计量间隔从小时级提高至分钟级,达到准实时的数据信息反馈。高级计量场景示意图见图12–4。
业务现状及发展趋势
目前多以配变台区为基本单元进行集中抄表,集中器通过运营商无线公网回传至电力计量主站系统。一般以天、小时为频次采集上报用户基本用电数据。为实现用户侧实时双向互动,未来电网将以智能电表乃至用电电器为计量单元,实现精确连续计量,网络连接数量提升50~100倍。
通过5G的广覆盖、大连接特性,我们将实现深入采集各类电器设备的用电信息,减少采集装置接入难度,提高数据采集的精确度。
通信需求
高级计量场景通信需求见表12–4。
采集类业务:智能电网大视频应用
业务场景
主要包含变电站巡检机器人、输电线路无人机在线监测、应急现场自组网综合应用等场景。通过5G实现现场可移动的高清视频回传替代人工监控、巡检,避免了人工现场作业带来的不确定性,同时降低了人工成本,大大提高了运维效率。
业务现状及发展趋势
变电站巡检机器人:该场景主要针对110千伏及以上变电站范围内的电力一次设备状态综合监控、安防巡视等需求,目前巡检机器人主要使用Wi–Fi接入,所巡视的视频信息大多保留在站内本地,并未能实时回传至远程监控中心。
未来变电站巡检机器人将通过5G搭载多路高清视频摄像头或环境监控传感器,把数据实时回传至远程监控中心。
输电线路无人机在线监测:该场景主要针对电网网架之间的输电线路物理特性检查,如弯曲形变、物理损坏等特征,一般用于高压输电的野外空旷区域。两个杆塔之间的线路长度为200~500米,巡检范围包括若干个杆塔,延绵数千米长。典型应用包括通道林木检测、覆冰监控、山火监控、外力破坏预警检测等。
目前主要通过输电线路两端检测装置,利用复杂的电缆特性监测数据计算判断,辅以人工现场确认。当前亦有通过无人机巡检,控制台与无人机之间采用2.4G公共频段的Wi–Fi或厂家私有协议通信,有效控制半径小于2千米。未来将通过5G结合边缘计算的应用,实现无人机飞控及高清图像、视频等实时回传,并利用5G高速移动切换的特性,使无人机在相邻基站快速切换时保障业务的连续性,从而扩大巡线范围到数千米范围以外,大大提升巡线效率。
应急现场自组网综合应用:该场景主要针对地震、雨雪、洪水等灾害环境下的电力抢险,通过应急通信车进行现场支援。
目前应急通信车主要采用卫星作为回传通道,通过卫星将现场信息回传至远端的指挥中心进行统一调度和指挥决策。未来5G可为应急通信现场多种大带宽多媒体装备提供自组网及大带宽回传能力,与移动边缘计算等技术相结合,支撑现场高清视频集群通信、指挥决策。
通信需求
智能电网大视频类应用场景通信需求见表12–5。
5G网络为电力业务提供定制化、安全可靠的“行业专网”服务,实现智能电网低成本、灵活高效、安全可靠的无线通信接入承载以及更加自主可控的网络管理。尤其是在配电、用电环节,5G为电力通信网“最后一公里”的无线通信接入提供了更优的解决方案。5G网络以其超高带宽、超低时延、超大规模连接的特性及优势,以及网络切片、边缘计算两大核心能力,更好地满足智能电网业务的安全性、可靠性和灵活性需求,推动电力通信网络的智能化升级发展。
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