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基于5G和物联网技术的智慧电力平台设计与研究

时间：2024-01-18   访问量：1248

0引言

作为现代化社会不可或缺的基础设施，电力系统早已发展成为一项系统化、高度复杂的系统，对其运行、监测、预警、信息化等方面提出了极高的要求。在智能电网技术的推动下，智慧电力系统正快速发展，成为现代化电力系统的核心部分[1]。智慧电力平台作为智慧电力系统的重要组成部分之一，被广泛应用于电力领域，正在成为电力系统中不可或缺的重要部分。

智慧电力平台实现了智能化监测、自动化分析、预测及智能控制等智慧电力系统的多种功能，从而提高电力系统的可靠性、稳定性、安全性和经济性，部分解决了以往能源采集分布式控制不可达的问题。相较于传统的电力系统，智慧电力系统可通过网络将电力设备实时信息转发至智慧电力平台，从而实现监测、预测及故障诊断等多种智能化服务，为消费者和电力生产商提供全新的学术核心技术支撑和解决方案。

智慧电力平台是智慧电力系统不可或缺的技术支撑体系，在电力系统的稳定运行，实现全面协调发展，推进电力系统向智能、绿色、可持续化的方向发展发挥着重要的学术核心技术支撑作用。未来随着技术的不断发展和智慧电力系统的不断完善，智慧电力平台必将发挥越来越重要的作用。

1物联网、5G技术与电力系统

1.1物联网技术

电力物联网技术是指通过物联网技术对电力系统进行智能化、网络化和信息化改造，以实现电力系统的智能化和高效化运营。其优点主要包括以下几点[2]：可靠性高：电力物联网技术可以实时监测电力设备、线路和变电站等的运行状态，及时发现故障和异常情况，并且通过自动化控制和预测维护等功能，实现快速响应，提高电力系统的可靠性和稳定性。能源效率高：电力物联网技术可以实时监控电力负荷，根据实时负荷状况进行合理分配和调整，避免能源浪费和限电现象，提高能源效率。经济性提升：电力物联网技术可以降低电力系统运营和维护成本，通过预测性维护和智能化能源管理，实现电力系统的高效运行和节能降耗，从而提高经济性。环保节能：电力物联网技术可以实现绿色能源和清洁能源的智能调度和管理，从而实现对环境的保护和节能降耗的目标。

1.2 5G技术

5G技术是一种新一代的移动通信标准，相比之前的3、4G技术，其具有以下优点，使得它在电力系统中应用具有广泛的优越性[3]：低延迟：5G网络的延迟只有毫秒级别，这意味着数据传输速度非常快，并且延迟非常低，这对电力系统中需要即时反应和实时控制的应用非常重要。大连接：5G技术可以实现数百万台设备的连接，这样电力系统中不同种类的设备和系统都可以实现全面的互联。高可靠性：5G网络具有高可靠性，这意味着5G技术在电力系统中能够提供强有力的数据通信保证。高带宽：5G技术提供了更高的带宽，这意味着更多的数据可以通过网络进行传输，使得智能化电力设备拥有更高效的响应时间。分层结构：5G技术采用了分层结构的设计，不同的网络服务也可以在不同的网络层中实现，可以更好的适应电力系统中不同种类的服务需求。

1.3电力系统

电力系统是指由发电、输电、变电、配电和用电器等组成的电能传输系统。我国电力市场的主要供应公司是国家电网和南方电网。电力应用涉及各行各业，一般包括很多地区、企业，也包括大量的个人用户。电力辅助企业的主体是电力设计、建设、设备制造等企业。电力系统具有强烈的非线性、时变、多元性，其长距离输电还涉及电力损耗、电磁干扰等问题[4]。因此，电力系统的建设和运行需要多学科的综合应用，对于保障国家经济、环保、安全和可持续发展具有重要作用。

2基于新技术的时代电力行业的需求与痛点

2.1多层次网络控制需要

电力网络控制系统是一个多层次的网络系统，其中重要的网络层次包括国家层面、中央层面和地方层面。为了兼顾国家和业务需要，电力网络控制系统在不同网络层次下需要做出不同的体现，具体如下：国家层面：国家层面是指对整个电力系统进行统一的协调和规划。在这个层面，需要兼顾国家层面的需求。例如，根据国家政策，需要对电力系统在能源、环保、安全和可持续发展方面进行统一规划和管理，实现节能减排和优化调度等。中间层面：中间层面是指各电力企业之间的网络层次。在这个层面，需要兼顾各电力企业的业务需求。例如，对于不同电力企业之间需要进行数据共享，需要建立一套安全可靠的数据传输机制，实现数据共享和信息交换。业务层面：业务层面是指各电力企业下属各级网络系统。在这个层面，需要兼顾各级网络系统的业务需求。例如，需要对各级网络系统内的设备、传感器等进行实时监测和控制，实现对电力系统的快速响应和资源调度。

综上所述，电力网络控制系统重网络层次需要兼顾国家和业务的需要，需要建立一套安全可靠的电力网络控制体系，强化各网络层次之间的沟通和协作，以实现电力系统的高效运行和长期稳定性。

2.2传统物联网网卡不能满足电力系统业务升级的需要

随着电力系统的数字化、智能化和网络化，网络通信在电力系统中扮演着越来越重要的角色。然而，传统的电力物联网网卡存在一些不足，不能完全满足电力系统业务升级的需求。主要表现在以下几个方面[5]：1）性能瓶颈，网卡的带宽和速率有限，已经无法满足高速、大容量数据的传输；2）安全性薄弱，传统网卡容易受到黑客攻击和病毒感染，导致电力系统的安全风险增加；3）可靠性差，传统网卡容易出现故障，导致通信中断和数据丢失。因此，需要开发出新一代的电力物联网网卡，具备高速、安全、可靠等特性，以满足电力系统业务升级的需求。同时，还需要加强电力系统网络架构的设计和优化，建立安全可靠的电力网络体系，以保障电力系统的稳定运行和可持续发展。

2.3高效处理和分析数据

传统电力业务中心无法对电力系统的业务数据进行实时统计与分析处理。限于信息传输速率和连接，无法实现大容量数据的快速传输，物联网技术的应用程度也比较低，无法实现电力与信息的深度融合，这成为导致中控无法进行数据实时统计与处理的主要因素。此外，由于电力系统的数据种类繁多、格式不一，需要实时进行分析处理以满足业务需求，必须采用高效的数据处理技术，如大数据和人工智能。因此，为了解决传统电力控制中心无法对业务数据进行实时统计与分析处理的问题，需要加快推进电力系统网络基础设施的升级和改造，采用先进的通信技术和物联网技术，以提高系统的带宽和速率，同时引入大数据和人工智能的技术应用，建立智能化的电力数据处理和分析系统，推动电力系统的数字化和智能化升级[6]。

3.  智慧电力平台的具体应用场景

智慧电力平台有三大实现电力系统数字化的方式。首先是用泛在感知、高速通信和平台存储技术实现对电力设备资产全方位、高精度、及时的监测，并通过多维数据对其全生命周期进行动态监控和诊断，以实现对各类电力场景的广泛感知。其次是智能分析，通过分析预测和模拟反馈，支持基于现有系统的运营优化和系统控制的决策，实现各类电力场景的智能化识别和分析。最后是数智化自治，建立在跨系统、跨模块数据交互基础上的高度智能化的运行模式，实现智能治理。智慧电力平台主要应用于以下四个典型场景。

3.1智慧发电典型场景

在发电领域，智慧电力平台的应用范围十分广泛，包括基础设施、安全、运营、燃料、设备、材料、运营、办公等多个方面。在此基础上，本文提出了两种典型的应用场景。首先是建立信息支持平台。该系统应包括数据集成、数据挖掘、数据管理、数据服务、4A标准化管理和流程管理等七大模块[7]。整合的手机平台应满足手机与手机之间的兼容要求，并将其整合在一起，以提供更加便捷的服务。同时，采用虚拟电厂、数字孪生技术，建设三维可视化平台，对全电站进行高精度高仿真三维建模，为智能安全管理等智能化应用提供可视化、数字化的支持平台。其次是实现智能管理，涉及基础设施、安全、运营、燃料、设备、材料、运营、办公等方面。新能源如风力、太阳能等是新的电力系统，与电力系统结合后将使电力系统由单一供电向多供电转变。智能发电通过5G网络、巡检机器人等设备实现对风电、太阳能等新能源的智能监控，对风电机组进行智能监控和调速。有利于提高风电、太阳能的发电能力，提高运行效果，减少运行费用。在充分考虑行业要求的基础上，采用先进的技术手段和方案，能不断提高智慧电力平台的应用价值，为电力行业的发展注入新的活力。

3.2智慧输电典型场景

智慧输电场景能够分为两个主要部分：智慧监控和状态监控。智慧巡检则需要对输电设备和线路进行实地检测，并根据情况分析、掌握和排除潜在的安全隐患。为了提高巡检效率，我们需要实现一键释放、多模式组合、自动持续的立体巡逻模式，并利用物联网、5GeMBB、大数据、云计算和AR等技术进行大规模的自动巡逻。此外，智慧输电技术还需要实时监测、预警、分析、诊断和预测各种设备和线路状态，以确保电力系统的安全运行。由于我国地域广阔，输电线路分布广泛，因此传统4G网络难以有效覆盖和监控人口较少、地势较差的地区。为了解决这些挑战，我们需要利用5G网络、巡检机器人等技术在高风险环境下进行实时监测，以提高巡检效率和安全可靠度，减少停电故障率和维护费用，同时减少员工的人身安全风险。智慧输电技术在智能监控方面的应用领域将会得到极大的拓展。

3.3智慧变配电场景

智慧变配电的应用场景主要包括对负荷的精确控制、实时显示变电站信息以及监控配电力系统运行状况等。为了实现这些目标，采用各种先进的现代科技来进行智慧监控。例如，在智慧监控系统中，使用监控机器人来有效监控电力系统，采集并分析监测到的图像，并自动生成故障报告，从而提高了监测工作的效率，减少了设备和人员的费用和风险，保障了电力系统安全、稳定地运行。

此外，配电系统状态监测也是非常重要的。通过传感器监测配电设备运行状况、运行环境监测和防盗报警等，可以保证配电系统的安全、稳定运行和分布电力供应。为了建立高品质的监测及预警系统，必须使用关键技术与装备，如网络技术、相关信息化平台和传感器等。只有掌握这些技术与装备，才能有效地保证配电系统的正常运行。

毫秒级精确负载控制可以迅速切断持续运行的负载，因此在个体用户场景中可以得到广泛的应用。随着生活负载的不断增加，其网络节点也会相应增加。智慧配电网是一种通过使用5G网络、摄像机、无人机等设备，对配电主站、配电站、配电网的故障定位、故障恢复、分布式配电自动化、微秒级精确负载控制等方面进行应用的系统。此外，5G配电自动化也是智能配电的重要应用领域。借助5G网络的切片，可以实现终端对终端之间的毫秒级延迟沟通，满足电网自动化、物理、逻辑隔离的需求，为配网自动化、视频监控和公共服务提供有力支持。

3.4智慧用电场景

随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，智慧用电的应用范围越来越广泛。目前，主要的智慧用电场景包括在线业务处理、电力设备的智能检测和管理、电力数据采集、故障分析和预警以及信息的公布和互动。由于电力信息采集量大，数据上行流量大而下行流量小，因此涉及到更多的终端数量、更长的时间和更高的精确度，以保证智慧用电方案的有效性和可靠性。在线业务处理通常利用在线平台和软件来实现，需要对业务服务进行全面访问，并具备信息和核心用户识别等能力。为了提高维修工作的效率和质量，智能故障分析和预警系统需要实现抢修作业的自动化。智慧监控系统则是指在智能化社区等区域内，利用网络技术覆盖对涉及的电力设施进行智能监测和管理，实现对电力系统的管理和服务的双向交互。

5G技术与智慧用电系统紧密结合，通过5G网络的互联功能和用电数据采集装置(DCU)，实现自动采集用电信息、监测计量异常、控制大用户负载、管理线路损耗、电能质量监测、用户用电分析、计费和计费管理等功能[8]。智慧用电基于5G技术的广泛应用，可以为供电公司提供业务优化，降低线路损耗，提供优质用电服务、指导错峰用电，同时降低用电管理和运行成本，并提高营业收入。

4结束语

智慧电力平台的建设目标是利用互联网、物联网技术，为电力企业提供跨三大运营商的连接管理和5G网络切片运营管理，从而整合终端厂商推动电网协议标准和通信设备管控。该平台旨在提高电网与运营商的交互能力，帮助用户实时掌控通信网络质量，提升精细化运维水平，降低网络运营费用，并提高企业竞争力。未来，智慧电力平台还将提供更丰富、多元化、灵活的网络切片服务管理能力，并以更开放的架构为电力内部业务提供支撑服务。