关键任务型无线连接，用于电网

1 爱立信永不停歇，始终连接 始终开启 ，始终连接 关键任务型无线连接与电力网格现代化之旅 尽管电力几乎支撑了我们日常生活中的方方面面，我们很少停下来思考电力，直到停电或自然灾害发生。家里的灯光短暂熄灭可能只是不方便，但有一些服务我们绝对不能没有；对于公用事业公司来说，能够持续稳定地供应电力是一项复杂且具有挑战性的任务。 现在对公用事业公司有诸多额外的压力。电力生产正在随着化石燃料的减少和可持续能源的整合而演变。随着太阳能电池板的普及，消费者不仅消费能源，也在生产能源。 经济力量、网络安全威胁和自然灾害增加了对公用事业公司的压力。为了应对这些挑战，公用事业公司正在进行数字化转型。这需要我们了解数字电网，并观察无线网络如何帮助公用事业公司在旅程的每个阶段实现其目标。 目录 引言无线：智能电网智能网络3 无线将推动数字化4 无线电力变电站：助力电网脱碳转型6 透明化与最后一公里去中心化结合LTE无线技术9 将安全与可靠性带入无线电网11 无线技术在接下来五年内如何在公用事业领域演变13 结论15 参考文献16 术语表16 引言无线：智能电网的智能网络 始终在线，始终连接毫无疑问，客户将电力视为理所当然。许多人很少停下来思考电力，直到停电或自然灾害中断供应，但大部分时间，他们并不关注为了保持持续、稳定的电力流动而在幕后发生的事情。随着全球人口增长和电力发电方式的演变，公用事业公司必须转变传统思维，与数字化转型同步发展。本文探讨了当前电网的状态，并展示了无线网络如何使公用事业公司开始他们的数字化、脱碳化和去中心化之旅。 微妙的复杂性定义了电力基础设施。电力在发电站生成，并通过长距离输送到家庭和企业。消费者通过他们的电器持续对电力系统施加可变的负荷。在每一个瞬间，电力系统基础设施管理确保发电量与消耗量完全匹配。当这两个量不匹配时，电网频率开始变化，导致可能导致停电的电网不稳定。 电网稳定性也受到可持续资源如太阳能和风能增长的影响，因为现在电力生产和消费都有所变化。因此，管理电网的电力公司必须能够持续监控和控制如风力发电场和太阳能电池板等可持续资源，同时解决电动汽车的容量需求。数字化提高了现有电网的透明度、安全性、可靠性和弹性。无线连接对于这一演变至关重要。 是时候从遗留基础设施中迈步前行了。 与任何复杂技术一样，传感器、远程开关和监测设备都是有线关键基础设施的一部分，这些设施确保了当今电网的稳定运行。欧洲公用事业推动的一些优先事项包括 ： 数字化：现有的模拟基础设施需要连接到数字网络，以实现有效的监控、控制、快速故障定位和解决，从而提高透明度。 脱碳化：推动通过摆脱化石燃料并转向可再生能源来应对气候变化。 去中心化：容量和电网稳定性受影响，因为随着太阳能板和风力发电场等发电资产的加入，电力流动变得双向。 安全性：应对现有和新电网基础设施遭受网络攻击的可能性增加 有线基础设施为电力系统提供服务，目前正由无线网状网络进行补充，这些网络提供覆盖范围不一且互操作性、可靠性各异的补丁式覆盖。对可靠且普遍的无线连接的需求从未如此之大。无线网络设计的安全性、可靠性和独立性对于公用事业公司尤为重要。 电网现代化需要一种关键任务型、多功能的无线网络，该网络能够应对日益增长的使用案例组合，并采用由全球3GPP生态系统驱动的先进、标准化技术 。 无线将推动数字化转型 电网通常被称为世界上最为复杂的机器，随着其复杂性的增加，公用事业公司必须采用数字解决方案，以使它们能够： 更新老旧的关键任务专有模拟解决方案，以基于数字蜂窝标准的解决方案替代。 整合分散的通信网络孤岛。 利用物联网IoT和传感器数字化、自动化流程。 为实时远程资产监控提供宽带骨干网络。 临时隔离由天气或类似倒树或电线杆等条件中断的配电变电站路径。隔离开关在短时间内测试隔离线路的完整性，如果例如故障不再对线路构成危险，则恢复供电。 分布式能源管理在配电网中实施，以平衡传统和可持续资源电网的发电馈电，以避免在晴天或风天对电网过载。配电网还处理的其他方面包括电动汽车（EV）充电基础设施的管理以及支持高级计量基础设施（AMI）和建筑家庭自动化的自动化功能。 提升电力传输和分配的安全性、可靠性和抗灾能力。 这便是无线网络发挥作用的领域。对低频中频频谱的访问使得基于3GPP的无线蜂窝技术能够推动多种网状网络的整合，尤其是在欧洲，随着CDMA网络向多用途450MHz网络的发展。网络向蜂窝技术的发展，将全球传感器和设备庞大且快速发展的生态系统优势带给公用事业。对于无线网络的功能和性能，安全、可靠和独立尤其重要。 无线连接实现智能电网。 无线技术为电网透明度、扩大的控制、连接发电和分配的规模和可靠性打开了新的机遇。随着适当频谱、设备生态系统和技术的采用，无线技术还将允许关键的故障定位、隔离和恢复的集中化。无线通过其灵活性包括延迟、性能和生态系统规模经济增强变电站控制 ，对能源电网的数字化至关重要。 无线技术为电网中发电与配电的互联提供了低延迟、高性能的解决方案。 随着我们的设备数量增加，对电网的需求也随之增长。从发电地点将能源输送到我们的工业、办公室和家庭使用地点，这一过程相当复杂，同样复杂的是确保电网中的电力始终与电网消耗相平衡。 隔离器、断路器和重合器等设备被用作在输电发电电网的电力可用性和配电电网的消耗之间持续平衡行为的一部分 。 LTE和5G为今天电网互联元素所使用的通信系统提供了升级，这些系统通过一个具有弹性、可靠性和多功能性的基于分组的网络基础设施连接。电网的功率电压越高，对变电站设备直接控制的延迟要求就越关键。在变电站中运行于高压的设备需要快速操作，以最小化在受损传输线上发送高压的危险。结合创新传感器、数据分析技术和基于5G的信息通信技术，它为配电系统运营商（DSOs）提供了规划中的实时控制和决策支持。 隔离器用于在可用性超过消费时断开电源。 断路器、传感器和继电器通过断开过载的传输线路来保护基础设施，从而防止电网受损。 基于爱立信在全球的试验和部署，以及针对特定市场的配置优化，LTE的平均延迟为50毫秒或更低。这允许在基于LTE的电网现代化中实现以下无线用例： 表1：许多非关键传输应用已经通过LTE延迟得到解决。（来源：爱立信） 网状网络通常根据上述用例定制构建，它们缺乏单一多功能LTE网络在延迟一致性及灵活性方面的优势。 随着5G引入的状态机增强允许在非活动状态下挂起表1中的用例家族可以通过5G进行扩展 为了解决10毫秒或更低的延迟问题，具体取决于可用的频谱和带宽。随着公用事业向完全自动化的故障纠正发展，国际电工委员会（IEC）的性能要求（P1类要求）接近3毫秒延迟将成为目标。 表格2：5GNR将支持关键低延迟用例。（来源：爱立信） 无线电力变电站：助力电力系统脱碳的转型 变电站是电力系统的核心组成部分；它是从发电厂接入能量的入口和向消费者输送能量的出口。变电站确保了电网的可靠运行，无论是在本地还是在远程。 变电站在电网中的作用 图1：变电站从传统铜线到无线传感器的无线转型 变电站包括两个主要控制区域，这些区域定义了数字和无线转型重点（见图1）： 变电站开关站在进出电力线路接入处，以及电气操作设备和主要控制元件所在位置。这些元件包括电力变压器、断路器、重合闸和仪表变压器（提供电压和电流缩小版）。 变电站控制室在哪里实现了对主要元件支持设备，如服务器、继电器和保护控制。 变电站开闭所数字化转型 变电站如今拥有铜质专用线路连接到每个主要控制元件，一次运行一个单一用例。为了扩展变电站功能，公用事业公司需要增加电缆束并升级连接开关场和控制室电缆沟。除了不便以外，这些系统是模拟，并输入到SCADA系统中。随着IEC61850等标准演变，它们解决了从串行模拟到基于数字数据包协议演变，更倾向于广域控制和通信。 并在非3GPP技术方面，预计可以为变电站内设备提供合理价格并尽力保障连接。同时，通过主要LTE链路提供可靠对外连接。LTE仍然将是主要链路，因为许可LTE频谱上使用干扰消除技术确保了监控和远程保护所需可靠性。这种可靠性对于控制和监控主要控制元件（如断路器和重合闸）数据载体而言至关重要 。 变电站内，拥有专门授权频谱对于无线网络至关重要 ，以避免共享资源基础无线网状网络相关风险。低频段频谱提供低吞吐量可靠接入，而中频段频谱提供更高吞吐量，用于变电站视频监控、高嘈杂和高吞吐量流量。预计中频段细胞覆盖范围不会在大多数变电站有限户外面积内成为问题，尽管控制中心墙壁无线渗透可能是一个担忧。 变电站控制室无线转型 关于变电站内无线技术，有多种选择。LTE之间合作 此外，变电站室内无线LTE覆盖部署将与室外宏LTE网络无缝集成，利用共同安全和移动性功能。这还允许在控制室内对员工通信进行可控集成，通过LTE无线网络实现对电网控制。 实现变电站与受控电网之间融合 图2：变电站从铜制向无线转变 除了在变电站扩建和升级中替代电缆束和简化流程之外，变电站LTE现代化其他优势还包括： LTE提供了一种多用途IP基础设施，使得公用事业公司能够在变电站中为不同主要控制元件定义分离虚拟网络。所有这些虚拟网络都可以在变电站和控制室之间单一一组无线承载上进行定义。 建立用于监控和控制开关站设备LTE网络能够与员工智能手机进行多任务处理，提供融合使命关键和企业接入。 当LTE部署资产为双模（从第一天起即可支持5G）时，将LTE网络升级到5G相对容易。随着规模经济和5G生态系统进展，将5G集成到变电站及其周边广域网中部署 LTE将主要是一个软件更新这是无线网络演进策略 一部分。 当电网和变电站运行在共同LTE5G网络时，电网安全环境将扩展至并包含整个电网以及控制电网变电站 。随着公用事业部门持续采用电网现代化，LTE无线技术引入可靠性和安全性将从电力分配扩展到电力输送基础设施最后一公里。 在变电站和为周边电网服务广域网（WAN）之间部署一个共同LTE网络具有显著优势。这允许在变电站控制下关键任务操作和周边电网监控操作之间实现增强控制和透明度，而这些监控操作将在同一网络（变电站控制之外）上设置传感器。 透明化与最后一公里中LTE无线去中心化 电网最后一公里是电力进入消费者领域位置；它也是安全和安保成为首要任务地方。 为了实现电网透明度目标，LTE可用于实现末梢电网组件更多实时监控，当高压电线进入社区且需要快速采取行动，如重新路由电力时。为了应对电网从去中心化带来变化，可以密切监控消费者发电影响，以增加电网可靠性并应对末梢电网中电动汽车上线时产生容量需求，随着它们充电，电网面临进一步压力。末梢电网也是网络安全攻击面增加地方。LTE为电网提供安全性，使公用事业公司能够在消费者和运营领域之间共享无线接入。 新专业消费者改变格局 随着分布式能源资源如屋顶太阳能系统兴起和可持续消费电力增长，对于公用事业公司来说，持续更新关于电网中消费者需求波动信息变得越来越重要。过去传统单向供电（电网向家庭供电）现在已变为双向（太阳能和电动汽车将部分电力送回电网，同时仍从电网中消耗电力 ）。新现实中“生产型消费者”，即产消者，需要实时反馈，以确保在电网平衡总发电量和需求之间操作中取得成功。 图3：在最后一公里，专业消费者对电网安全性可靠性有着需求。 通过最后一公里实时信息，变电站可以在可再生能源发电量高时隔离化石燃料来源电力，并在多云或静止 日子，当太阳能或风能发电量低时，切换到化石燃料电力。 在最后一英里容量和可靠性方面应对策略 当无线技术被引入到最后一公里数字化过程中时，无线服务提供商必须确保在流量处理中内置电网特定优先级和抢占机制，以应对不同级别关键性。随着电网 发展 扩展至人口增长新区域，对于郊区电网中新电力设备互联网连接激活时间，无线连接最快，而使用许可LTE无线连接最可靠。 随着LTE芯片集设备价格不断下降，安装在电极和消费者之间最后一百米智能仪