中国电力科学研究院5G电力行业虚拟专网关键技术研究2022

国家电网 STATEGRID 中国电力科学研究院有限公司 题砖 5G电力行业虚拟专网关键技术研究 马开志 2022年12月 研讨 01数字技术赋能新型电力系统 025G规模应用面临挑战 目录 03电力5G主要创新做法 数字技术赋能新型电力系统 国家忠 中国电力科学研究院有限公司 新型电力系统提出的背景 口源：高比例新能源广泛接入，随着能源革命进程加快推进，新能源爆发式增长，电源呈现风光等新能源为主体多种清洁能源协调发展态势。 口网：电网结构层次日趋复杂：交直流远距离输电、区域电网互联、主网与微网互动，高比例电力电子装备大规模应用影响电力系统运行。口荷：用能类型高度电气化：工业、建筑、交通等重要领域终端用能电气化水平持续提升、多能互补综合利用 口储：储能系统规模化应用：通过储能调峰填谷、调频调相、储能备用提升电力系统调节能力支撑新能源柔性并网和分布式新能源开放接入 新型电力系统特征新型电力系统特征内涵 新型电力系统是现有电力系统的全面转型升级源随荷动”转变为“源网荷储互动”广泛分布海量元素聚合效应 具有清洁低碳、安全可控、灵活高效、智能友好、开放互动特征。数字化赋能智慧能源系统融合模式创新、技术政策驱动 带来的挑战 -电力保障的挑战：能源主体类型变化，调控体系变化，需要统筹规划、统筹平衡、统筹协调。 口电网安全的挑战：新能源波动性和随机性、负荷侧高峰谷波动、微网与储能接入带来技术层面和安全理念层面的挑战口电价政策的挑战：需要研究如何通过价机制和盈利模式改变消费观念，促进新能源消纳。 数字化转型需求 能源结构优化多元用能需求赋能电网生产运营服务政府和行业治理 数字技术赋能新型电力系统 国家电盟 中国电力科学研究院有限公司 面对新能源大规模高比例并网、分布式电源接入等多重挑战，函待通过数字化转型为新型电力系统注入动力。5G作为国家数字经济承载底座，能源数字化转型的关键基石能够提升大电网源网荷储互 动能力、用户供需互动能力、传感信息采集能力，推动“双碳“目标实现 电力系统数字化发电输电变电 清洁低碳提升新能源功率预测精度，延展预测 周期，促进新能源消纳能源功率预测与状态感知输电线路状态监测无人机诞检变电环综合监 测与故障定位 安全可控提高电力系统调节能力、运行效率和调度 整体安全水平(go) 新能源 解群控 灵活高效 增强风光水火荷联合运行能力，提升 资源优化配置能力和效率边降计算中心 开放互动提升客户侧全景感知和互动调节能力用电配电 促进多元用户供需互动 智能友好提升电网智能化水平，友好满足各类 电源和用能设施接入需要综合能效服务智能家居用电信息采集智能配电自动化配电环境绘合整测机器人越检 数字技术赋能新型电力系统 国家电网 中国电力科学研究陇有限公司 5G与电力业务应用场景高度契合。增强移动宽带（eMBB）方面，5G网络技术的峰值速率、边缘速 率都较4G大幅提高，可满足电网高清视频、输配变智能巡检等大量数据传输需求。超高可靠与低时延通 信（uRLLC）方面，5G的通信时延比4G低一个数量级，提供99.999%的超高可靠性，为配网差动保护、 精准负荷控制等调控业务应用创造了条件。大规模机器类型通信，（mMTC）方面，5G网络容量更大，每 平方公里支持连接100万个终端，能够满足电力物联网海量智能终端接入需求。 公 高带宽低延时大连接5G无线网络方便灵活高效 水电、火电、核电等常规电源换流站线路监控开闭所居民用户商业楼宇工业用户电池储能压缩空气抽水器能 目 H2 光伏、风电等分布式电源变电站配电变压器精准可中断负荷电动汽车电容储能电解水储能 电源电网负荷储能 5G在电力业务应用场景-电源 国家忠网 中国电力科学研究院有限公司 截至2021年底，国家电网经营区域新能源装机规模5.4亿千瓦，新能源利用率97.4%。但是10kV及 以上分布式新能源仅60%左右通过光纤接入调度系统，380/220V分布式新能源尚未接入调度系统，无 法对分布式新能源进行实时调控。分布式新能源点多面广，光纤通信方式建设周期长、难度大、成本高 4G网络性能无法满足调频调压控制时延需求（50ms），网络安全性也无法满足电力安全防护要求，5G网络将得到广泛应用。 口目前，分布式调频调压控制时延要求小于 50ms；单个采集终端带宽约4Mbps；未来安全入区 风机、光伏逆变器、充电桩等嵌入5G模块， 每平方公里连接终端数量将达到500-1000。 口通过5G智能边缘终端汇聚场站内出力、运行、气象等数据，场站运行数据上传至生产控制大区一区分布式新能源群调群控系统，控制 指令实时下发至场站，场内监视数据、气象数据至管理信息大区三区 5G在电力业务应用场景-分布式光伏 国家电网 STATEGRID 中国电力科学研究院有限公司 生产控制大区营理信息大区互联网大区互联网 调自动 配电自动 配电云主站 物联管理平台 化系统 （设备） (数化部) 外部伏平台 台区融合终端 集中器 集中器 集中器 （设备部） （营销部） （营编部） （管铺部） 断路 开关 采器/ 南路器 10kV分布智能断路器并网电装 12电能表 欢光状(设备部)产用电表1 电能表 4GIE4GRC控 负荷逆变器逆变器 4GIE (业主力) (业全力) (业主力) 余电上网全额上网型全锁上网型 中压配电网低压配网台区低压配网台区低压配网台区 电气品/联态品/件体照 注2：产用电tut三用m电品 注：户用电本2时三电产热的大手光伏电二用产m电二 电气择电能票 光快款通学数/件(业主) 5G在电力业务应用场景-负荷控制 国家电网 STATEGRIE 中国电力科学研究院有限公司 现有5G任动耗大连接技术在电力业务中的造配分析开究生产控制大区建信息大区 新型电力负荐管理系统（省组）用采2.0 电力共型高密度连接业务需求现有5G低功耗大连接备特征换取与室模选通信技术滨进分析 Redcap 电力典型高器发连接业务需求与5C满房自动化系统新型电力负带蓄理系统（地市级） 大连联备通信技术适配性分析 安全美人区安全建入区 业务数据采集与分析 电力业 分布式电源NB-1OT数据采集感知数据分析提取 务需求用电信忠采果 分析胶本、功耗、可靠性适配分析模型 控制类网络能力指标适配指标业务网络ERSG 验发性、周测电力场景两求清足度乐 性、案发性、 时证分布式 连接数、电池、lot 业务需隐机性数摄液速率、负荷控 求建模提取业务特证安全等制等 型和监源单元 负控线款 多效并进行等 eTC业务-网络动态酒配模型 Anbient01 多属性适配算法2 规范化矩萍评价指标权重 新至活#能源单元 eLoRaRSSLORSRSABSHPCUNRSAIS 多属性评估优化指标输出用户开关涉控用户负荐监测关用户负荐用户电表 5G在电力业务应用场景-电网 国家忠园 中国电力科学研究陇有限公司 截至2020年底，国网公司特高压输电线路长度达到4.1万公里；110-（66）千伏及以上输电线路 长度114.2万公里；35kV及以上变电站5万余座，大部分变电站属于无入值守站。输电线路普遍电压 等级高、线路走径地形复杂、杆塔高、人工巡视难度大、效率低下巡检周期较长。通过5G+电力北斗+A的融合创新，实现巡检无人机全过程自动飞行，巡检高清视频安全实时回传。 基于5G的输电线路无人机巡检，单终端 通信速率需求不低于4MbpS，控制信息 时延要求≤100ms; 口基于5G的输电线路可视化，结合AI智能 化分析，可线路本体、基础设施、通道 环境存在隐惠，通信速率需求不低于 4Mbps。 口基于5G的变电站AR/MR巡检，巡检人 员通过智能穿裁设备在变电站进行现场设备和环境图像信息收集，通过人工智能分析识别同时建立音视频连接，由后端专家进行语音指导 5G在电力业务应用场景-电网 国家电网 STATEGRTE 中国电力科学研究院有限公司 截至2020年底，国网公司6-20千伏配电线路427.3万公里（其中架空线路345.2万公里，电缆线 路82.1万公里），配电变压器524.2多万台，配电开关586.8万台。配电网规模快速增长，复杂度日益 增强，光纤网络拓扑复杂、投资大、成本高，难以在配电网大面积推广应用，5G无线通信方式将发挥 更大的作用。 口配电自动化三遥实现配网线路快速精准故障定位和 快速隔离，供电可靠性提高至99.996%，极大地 缩小停电范围，实现故障自主就地隔离和不间断供ESG 电。端到端通信时延宜小于200ms，单通信终端 湖北电力 口 带宽应大于19.2kbps。的业障能力，55GEERPREE 随着分布式电源接入配电网比例不断提升一单端量 保护难以兼顾灵敏性和选择性要求，借助于5G的在胃品金家特示范区开微基于5G的分布式FA用，配网环网柜智能热能闻通 D2D通信、低时延、高精度授时特性，保证对等 国网信平约时延<13m5，实现配网线路做障就地照需和快速恢复供电，停电范图 山东电力达到最小化，停电时间缩短到秒吸。经测算，每年每条配网线路可减少停电带 终端之间稳定、快速通信，实现配网保护的灵活可来的直接经济损失68万元 靠。差动保护端到端通信速率大于2Mbps，时延小 于12ms；区域保护端到端通信速率大于0.8Mbps 时延小于100ms。 山东青配电自物化和分车人A时诚组用器与现场 5G在电力业务应用场景-负荷 国家忠网 中国电力科学研究陇有限公司 截至2020年底，公司经营区域智能电表超5亿只，采集设备逾3300万台：公共充电数80余万台， 用电设备连接数量将成倍增加，电力负荷峰谷变化、新能源供给的波动性等用户负荷变化会导致突出的电网供需平衡问题，迫切需要通过精准负荷控制、用户侧需求响应等手段对用电负荷进行精准监测控制和趋势管理。未来三到五年，负荷侧将实现3500万于瓦调节潜能，负荷侧感知、调控能力和数据传输能力驱待提升。 口用电信息采集、电网状态监测等信息采集类终端要求 信息采集量更多、频次更高。电力市话 口精准负荷控制分为实现快速负荷控制的毫秒级控制系统和更加友好互动的秒级及分钟级控制系统，业务端到端单向通信时延要求小于50mS，通信终端带宽大 于48.1kbps。 口虚拟电厂利用先进的5G通信、调控技术把分布式发 电、分布式储能设施、可控负荷等不同类型分布式资 源进行整合，协同开展优化运行控制和市场交易，实 现电源侧的多能互补和负荷侧的灵活互动，对电网提 供电能或调峰、调频、备用等辅助服务。 10 01数字技术赋能新型电力系统 025G规模应用面临挑战 目录 03电力5G主要创新做法 5G规模应用主要问题分析 国家电网 中国电力科学研究陇有限公司 5G在电力行业规模化应用依然存在问题。5G的政策驱动、需求驱动相对明确，但由于缺乏与垂直行业的业务层面深度融合，导致技术供给与电力业务需求不匹配 场景融合5G三大场景性能分离，缺乏综合应用场景适配方案：5G公网规划面向消费用户，缺乏垂直行业考量； 5G网络切片颗粒度较大，缺乏能源行业精细化定制能力 业务融合网络能力开放不足无法满足业务实时管控的需求：5G终端性能单一无法满足差异化承载需求： 基站能力限制大规模终端并发通信需求、无线干扰、网络不可控导致控制类业务不敢规模化应用 两融 三化 标准化自前依据国际标准建设的5G无线网络缺乏针对能源行业的设计，从根本上限制了5G在能源行业的深度 规模化应用，需要从能源行业的应用场景和业务模型出发，提出需求，形成标准和技术解决方案， 产品化5G终端功耗过高导致大量直采类业务终端无法直接应用，需要软硬件升级 5G通信产品相对单一，多为CPE形态，缺乏与业务终端的深度融合和一体化设计。 生态化芯片困境和市场的不确定性导致愿意投入的设备商较少； 电信行业与能源行业依据自身需求各自建设与发展，缺乏深度融合。 12 5G规模应用主要问题分析 国家电网 STATEGRI 中国电力科学研究院有限公司 5G网络虽可通过eMBB、uRLLC、mMTC技术分支使能电力大带宽、低时延高可靠和大连接不同 应