5G 通信與泛在電力物聯網的融合：應用分析與研究展望

　　摘要：泛在電力物聯網是物聯網在電力行業的一種具體表現形式，是互聯互通的電力網與通信網深度融合的產物，是實現能源互聯網的重要舉措。第五代移動通信(5G 通信)因具有高帶寬、低時延、低功耗等優勢，受到各行各業青睞，也將于泛在電力物聯網深度融合。基于此，探討了 5G 通信技術與泛在電力物聯網的深度融合，深入分析了 5G 通信在泛在電力物聯網中的應用場景，總結了 5G 通信支撐泛在電力物聯網關鍵技術;鑒于未來 5G 通信網基站密集，能耗可觀，進一步還研究了泛在電力物聯網下5G通信網的能量管理機制，以及兩者產能用能的協調互動;最后，對未來 5G 通信與泛在電力物聯網的融合研究進行了展望。

　　《南方電網技術》(雙月刊)創刊于2007年，是由中國南方電網有限責任公司主管，南方電網技術研究中心主辦的國內外公開發行的技術類科技期刊，主要刊登電力系統的科研、規劃、基建、生產運行和維護等方面的成果、經驗和動態，發行數量8000份以上。其主要發行對象是南方電網所屬五省(區)電力系統內各發電廠、供電局、設計院和建設施工、監理單位，國內外電力設備制造廠家，以及相關的高等院校和科研單位。自創刊以來得到了國內外設計單位、科研院所和高校專家、教授的大力支持。以其高水平、高質量贏得了業內人士的廣泛好評，在電力行業尤其在南網五省(區)范圍內具有極大的影響。

　　關鍵詞：能源互聯網;泛在電力物聯網;5G 通信;大數據;物聯網;信息物理系統

　　0 引言

　　2016 年初，國家發改委、能源局和工信部聯合發布了《關于推進“互聯網+”智慧能源發展的指導意見》，正式掀開了我國能源互聯網建設的大幕。能源互聯網的內涵在于通過冷–熱–電–氣等多種形式能源系統的深度耦合、信息與物理系統的深度融合、以及創新的商業模式與市場機制等手段，提升整體能源利用效率、促進高比例可再生能源消納[1]。隨后，能源互聯網示范項目建設在全國各地也正如火如荼開展。在通往能源互聯網的道路上，2019 年國家電網有限公司“兩會”提出了加快建設“泛在電力物聯網”的目標，并將泛在電力物聯網定位為能源互聯網的重要組成部分。

　　泛在電力物聯網本質上是一種物聯網，是泛在物聯在電力行業的一種具體表現形式和應用落地[2]。傳統互聯網利用先進的通信手段將計算機連接起來，而物聯網則是將所有能行使獨立功能的普通實物連接起來。對于電力系統而言，將所有和電相關的實物或設備進行互聯互通，在某種程度上來說就是泛在電力物聯網的重要實現。傳統物聯網主要強調信息的互聯互通，而泛在電力物聯網既有電力的互聯互通，又有信息的互聯互通。

　　在整個電力系統中，為了保證系統的安全穩定，在高壓輸電線路等設備上已經安裝了包括數據采集和監視控制系統(supervisory control and data acquisition，SCADA)、同步相量測量裝置(phasor measurement unit，PMU)等在內的各種系統與設備運行狀態量測系統，并配有光纖通信，實現了可靠的電力互聯互通和信息互聯互通。但對于電壓等級較低的配電網，考慮到成本等因素，并沒有同步實現光纖覆蓋。此外，較輸電網絡而言，配電網絡連接的設備更多，深入到每一個用戶、甚至到每個家庭的每一個用電設備，海量設備僅通過不同電壓等級的電力線路連接。然而目前配用電側海量設備還沒有完全實現信息的互聯互通，電力系統的“最后一公里”挑戰仍然存在，并且亟待解決。創造全新的商業模式、實現廣泛的用戶互動、充分挖掘用戶靈活性是能源互聯網發展的重要方向，而信息互聯互通是基礎[3]。所以未來泛在電力物聯網的重點將集中在配用電側，這也是本文論述的重點。

　　與此同時，在電力之外的通信領域，第五代移動通信(5G 通信)技術快速發展，包括標準制定、基站建設等在內的各項技術與建設得到了長足的發展，我國預計在 2020 年將實現規模商用[4]。5G 通信與 4G/3G/2G 通信相比，在帶寬、時延等各方面都有較大的飛躍[5]。5G 通信嘗試利用通信網絡實現萬物互聯，有望成為實現和構建物聯網核心技術[6]。從萬物互聯的角度來看，電力網和 5G 通信網有其共通之處，前者提供電力供應，后者滿足通信需求。于是便產生了一系列直觀的問題：5G 網絡和電力網絡的深度融合會產生什么樣的應用，孕育出什么樣的商業模式，創造什么規模的價值?

　　通過有線網絡連接萬物，對于物聯網而言成本較高、適用性較差，所以物聯網一般都是通過無線網絡進行連接，例如 4G 移動網絡、無線熱點網絡 (Wi-Fi)、紫蜂無線網絡(Zigbee)等[7]。而 5G 通信的成熟必將使其在未來泛在電力物聯網中占有重要席位。本文將重點分析 5G 通信時代下泛在電力物聯網的研究框架。具體而言，將深入分析泛在電力物聯網的內涵，介紹 5G 通信的發展與特點;在此基礎上剖析 5G 通信與泛在電力物聯網之間的關系，探討 5G 通信在泛在電力物聯網中的潛在應用，分析 5G 通信的若干關鍵技術，這些關鍵技術將在電力服務中扮演重要角色;此外還研究了泛在電力物聯網中的 5G 通信網能效管理問題;最后，對 5G 通信時代的泛在電力物聯網的關鍵研究進行了展望。

　　1 泛在電力物聯網的概念與特征

　　本節將首先介紹物聯網的基本概念，然后延伸到泛在電力物聯網，最后分析泛在電力物聯網的基本特征。

　　1.1 物聯網

　　國際標準化組織/國際電工委員會(ISO/IEC)將物聯網的定義為“一種物、人、系統和信息資源互聯的基礎設施，結合智能服務，使其能夠處理物理和虛擬世界的信息并做出響應[8]”。最初期的物聯網就是為需要連接的實物安裝傳感裝置，實現數據采集，然后將這些數據通過通信網絡傳送到某一數據采集中心(例如數據管理分析平臺)，實現對該實物的監測和分析，最終輔助做出理性決策。這種傳統的物聯網信息流動往往是單向的，即從被連接的實物到數據采集中心。近年來，物聯網的概念在不同行業得到廣泛普及和應用，培育了多樣化的物聯網。智能家居就是一種最為常見的物聯網，與初期信息單向流動的物聯網不同，智能家居既采集用電設備運行狀態數據，又能夠給相應的設備下達操作指令，實現電器設備的實時控制。這種以智能家居為代表的物聯網實現了信息的雙向流動，融合了人或者人工智能的分析與控制，提升了連接實物的監測和管理水平[9]。

　　一般來說，物聯網主要包括感知層、接入層、網絡層、管理層和應用層等不同的層級[10]，如圖 1 所示。感知層是利用傳感器元件或裝置對被連接實物的位置、運行狀態等信息;接入層將傳感器與互聯網連接，通常通過無線射頻識別(radio frequency identification，RFID)通信、藍牙、Zigbee、WiFi 等方式實現;網絡層則是實現廣泛信息整合、交換與共享互聯網平臺，有時接入層和網絡層可以進行合并;管理層實現對互聯網中信息的管理，例如數據的存儲、加密等;應用層則是通過對信息的整合、分析，最終提供相應的服務、做出相應的決策。仍然以智能家居為例，智能開關、智能傳感等裝置為感知層，房屋中的 WiFi 則為接入層面，有線/ 無線互聯網對應網絡層，智能家居對應的手機應用程序(application，APP)可能存儲各電器設備的用電數據，對應管理層;手機 APP 通過分析或者人通過 APP 控制電器設備的開停，這一部分則為應用層。

　　1.2 泛在電力物聯網的概念

　　推進泛在電力物聯網建設是由國家電網有限公司在 2019 年“兩會”上正式提出，建設泛在電力物聯網是實現能源互聯網的重要舉措。“泛在電力物聯網”包含泛在、電力、物聯網 3 個關鍵詞，于是可以從“泛在網”、“電力網”和“物聯網” 3 個方面對泛在電力物聯網進行解讀。其中，物聯網是泛在電力物聯網的具體表現形式，即泛在電力物聯網是一種特殊的物聯網;電力網是物聯網技術具體的應用對象，包括的電力乃至能源網絡的發輸配變用各個環節，被連接實體大到電力裝備、小至家用電器;泛在就是無處不在的意思，從某種程度上來說，泛在網與物聯網的概念相近、甚至更廣，泛在一詞描述了未來電力物聯網的基本特征，即無時不在、無處不在，能夠實現在任何時間、任何地點、任何人、任何物的順暢通信。

　　傳統的物聯網所連接的實物除了信息連接之外往往沒有其他的連接關系，例如交通物聯網中的車輛僅通過傳感器和通信網絡連接，除此之外沒有其他的連接方式。但泛在電力物聯網不同，其所連接的實物往往是電力設備、家用電器等，這些實物本身就通過不同電壓等級的電力網絡實現了互聯互通，所以泛在電力物聯網同時包含了互聯互通的電力網和通信網。此外，由于電力網絡覆蓋了海量用戶，為了滿足電力系統中不同參與主體的需求，泛在電力物聯網應該還可能衍生出社會網、業務網、交易網、資金網等其他關聯網絡。

　　與物聯網相同，泛在電力物聯網也包括感知層、網絡層、平臺層(管理層)和應用層。感知層利用各式各樣的傳感器實現對與電力甚至其他能源相關的實物的狀態進行采集。在配用電系統中，智能電表就是最為典型的傳感器，能夠實時感知用戶的基本用電情況，一般情況下，每個家庭配備一臺智能電表，有條件情況下還可以設置多個子智能電表用于監測特定的用電設備;除智能電表外，還有系統運行狀態(如電壓、功率等)傳感單元，電力設備(如變壓器等)傳感單元，隨時采集特定區域環境信息 (如溫度、濕度等)傳感單元等。網絡層為了滿足不同類型傳感器的接入，可能包括移動通信、有線互聯網、局域網等不同類型的網絡構成，他們有特定的通信協議與規范，具有較強的可延拓性。平臺層則將網絡層傳輸的數據通過統一的數據中心進行存儲和管理，對于部分數據也可以實現跨部門、跨主體甚至跨行業共享。應用層是泛在電力物聯網的核心目標，通過電力與信息的互聯互通，為用戶、售電商、電網操作員等提供控制與決策支持，孕育全新的商業模式和新興業務，致力于營造新的業態。

　　1.3 泛在電力物聯網的特征

　　“泛在”是泛在電力物聯網的基本特征，泛在所體現的無時不在與無處不在，以及任何人與任何物的“萬物互聯”。泛在電力物聯網具有復雜性、包容性、開放性和創新性。

　　具體地，復雜性是指泛在電力物聯網連接海量電力相關實體，電力網、通信網、業務網、資金網等深度融合，采集數據海量，需要先進的通信、人工智能、大數據等技術作為支撐，泛在電力物聯網的分析與運營涉及到多個維度的分析。

　　包容性是指泛在電力物聯網連接萬物，它不僅包含了與電力系統直接相關的實物，如變壓器、配電線路等，它還可以一直延伸到每個家庭中的電器設備，甚至用戶的穿戴設備;乃至拓展到環境氣象數據的采集等，實現多環節的數據共享。

　　開放性是指泛在電力物聯網更多的是扮演一個開放平臺的角色，服務的對象不僅僅只有電網運營者本身，包括電力用戶在內的各種參與主體都可以主動融入泛在電力物聯網，為自身創造價值，甚至其他行業的企業可以參與進來創造新的業態。

　　創新性是指泛在電力物聯網實現了數據采集、及時通信與控制等多方面的功能，基于這樣一個平臺，可以激發參與者創造全新的商業模式，打造全新的生態化運營系統。

　　綜上所述，泛在電力物聯網的復雜性、包容性、開放性和創新性，與建設全息感知、泛在連接、開放共享、業務創新的泛在電力物聯網目標也是一致的[2]。

　　2 支撐泛在電力物聯網的 5G 通信

　　通信技術是泛在電力物聯網的核心技術之一，是實現萬物互聯的基本組成部分。泛在電力物聯網可以通過不同類型的通信網絡進行互聯，而最新發展的 5G 通信又具有獨特的優勢。本節將介紹移動通信的發展歷程，剖析 5G 通信的基本工作原理，分析 5G 通信的基本特征以及與泛在電力物聯網的契合點。

　　2.1 移動通信技術發展歷程

　　移動通信技術在近幾十年來得到了長足發展，也發生了革命性的變化。第一代(1G)通信技術主要使用 FM 調頻技術，傳輸模擬信號，開始應用于實現遠程無限通話;隨著集成電路等的發展，第二代 (2G)通信技術應運而生，該技術不再傳輸模擬信號，而是數字信號，提升了通信的抗干擾性能，各種信息服務開始出現，這是通信技術一次質的變化。第三代(3G)通信技術和第四代(4G)通信技術在 2G 通信基礎上進一步提升了網絡傳輸速度：3G 通信從真正意義上帶來了整個移動互聯網;而目前使用的 4G 通信，網絡速度得到極大提升，進一步推動移動互聯網發展，手機不再局限于通話短信，數據傳輸顯得更為重要，為物聯網的發展創造了想象空間。移動通信技術的每一代革新都在移動通信性能、通信速度等有較大的提升，都會給這個社會帶來全新的變化和機遇。5G 通信時代已經到來，2016 年已經開始了 5G 通信標準的制定工作，并于 2018 年結束，2019 年被成為 5G 通信的元年，我國預計在 2020 年將實現 5G 通信的規模商用。

　　2.2 5G 通信基本原理

　　從 2G 通信開始，移動通信技術都是以數字信號作為基礎，5G 通信也不例外。移動通信就是利用電磁波在空氣中自由傳播進行通信，一般包括信號發生器和信號接收器，包括了調制、解調等基本步驟。與有線通信不同，無限通信的電磁波信號在空中傳播過程中存在反射、衍射、散射等各種情況，通過多個路徑抵達目的地[11]。

　　通信領域著名的香農公式給出了單條通信鏈路下信號傳輸最大速率與頻譜寬度/信號功率和噪聲功率之間的關聯關系[12]，即

　　式中：C 為信號最大傳輸速率;B 為頻譜寬度; S 為信號功率;N 為噪聲功率;S/N 即信噪比。需要指出的是，雖然由式(1)說明了速率受到頻譜寬度的限制，但可以在不同的相隔較遠的地區反復使用同一頻譜資源，形成一個個小區，利用這種頻率的不斷復用實現在有限的資源下提供盡可能多的服務，這即是現代移動蜂窩通信技術的基礎。

　　IMT-2020(5G 通信的法定名稱)推進組從峰值速率、邊緣速率、能效、可靠性、通信時延等各個方面給出了未來 5G 通信的技術指標[3]。例如 5G 通信峰值速率至少 20Gbps，較 4G 通信而言是一個較大的飛躍。為了實現如此高速率的信號傳輸，可以開展 3 方面的工作：1)拓展資源。基于香農定理，選擇更寬的頻譜，每一次通信技術換代都伴隨著電磁波信號頻率的增加，未來 5G 通信對應的頻段達到 30GHz 到 300GHz(對應波長 10mm 到 1mm)即毫米波頻段。2)延拓定理。延拓香農定理的適用范圍到多條并行通信鏈路中，提升頻率的利用效率，此基礎上還可以開展大規模多天線 (Massive MIMO)技術。3)開發技術。進一步減少每個小區的面積，布置更加密集的微型基站，使得頻率資源可以被更多次復用，和其他無線技術一起形成更高密度的異質網絡連接。

　　2.3 5G 通信基本特征

　　根據 IMT-2020 推進組對 5G 通信的基本要求，未來 5G 通信應該至少包含以下 5 個方面的基本特征，即高速率、高容量、高可靠性、低時延與低能耗，可簡單概括為“三高兩低”。

　　1)高速率。5G 通信速率包含峰值速率、區域速率和邊緣速率三方面指標，峰值速率是指最好條件下的最大速率，要求不低于 20Gbps;區域速率是指通信系統同時支持的總速率，一般用單位面積速率描述，較 4G 通信將提升 1000 倍以上;邊緣速率 (5%速率)是指最差的 5%分位數用戶獲取的通信速率，一般要求在 100Mbps 和 1Gbps 之間。電力服務面廣，需要采集包括系統實時量測數據、視頻監控數據等在內的海量數據，高速率為海量數據傳輸提供強有力支撐。

　　2)高容量。傳統 4G 通信所連的終端數量有限，一般以手機為主，而 5G 通信能夠連接海量設備，每平方公里可以支撐 100 萬個移動終端，包括家用電器、各種穿戴設備等，為真正實現電力系統中的萬物信息互聯提供了巨大的想象空間。

　　3)高可靠性。5G 發送一個 32 字節的第 2 層協議數據單元的成功概率需要高達 99.999%，電力通信可靠性也將有效提升電力系統本身可靠性。

　　4)低時延。通信時延是指信息從一端傳輸到另一端需要的時間，傳統 4G 通信的時延在 50ms 左右，對于人與人之間的通話影響不大，而對于某些工業應用場景并不適用。電力系統存在許多協同控制的場景，電力以光速傳播，5G 通信空口時延達到 lms，端到端時延小于 10ms，為電力系統及時靈活響應各種變化提供支撐。

　　5)低能耗。如果傳感器與通信設備需要經常更換電池或者充電，則會給萬物互聯的物聯網帶來極大阻礙。5G 通信通過優化通信硬件協議等而具備的低能耗特點將有效解決該問題。

　　5G 通信“三高兩低”的特點與電力系統基本需求也是對應的，如表 1 所示。

　　3 5G 通信使能泛在電力物聯網

　　5G 通信的“三高兩低”特點與優勢與電力系統的特點與需求具有較大的互補性。一般 5G 通信的應用場景主要包括增強移動寬帶 (enhanced mobile broadband，eMBB)，低時延高可靠通信(ultra reliable low latency communications，URLLC)，低功耗大連接(massive machine type communications， mMTC)3 個方面。特別地，對于泛在電力物聯網， 5G 通信將在萬物互聯、精準控制、海量量測、寬帶通信、高效計算等 5 個方面將具有廣泛的應用，如圖 2 所示。

　　3.1 萬物互聯

　　我國幾乎實現了電力網絡的全覆蓋，電力網絡末端連接成千上萬個用電設備，讓所有或者絕大多數電力相關實物實現信息互聯將給電力系統帶來無限想象空間。

　　將所有的家用電器互聯，不僅能否實現每個家庭的智能家居，還能夠協調不同的家庭，實現樓宇、小區甚至某個區域的集群智能用電;所有的電動汽車互聯能夠隨時不僅為未來的充電樁的運營提供支撐，還能夠打造智慧城市和智能交通;所有配變電裝置互聯能夠實時監測、評估甚至預測電力系統未來的運行健康狀態，保障整個配電系統的安全可靠運行。

　　需要指出得是，輸電網層面主要由輸變電設備構成，并且已經通過同步光纖實現了信息互聯;但是配電網層面，在沒有 5G 通信的時代，這最后一公里的信息互聯互通走得尤其艱難，目前僅僅是電氣物理接連，沒有信息互聯遠遠不夠，而 5G 通信能夠真正經濟而高效地使能配電網絡，實現萬物互聯。

　　3.2 精準控制

　　5G 通信在未來一個重要的應用領域就是無人汽車：一方面通信速率高，為智能車載系統提供穩定可靠的數據支撐;另一方面通信時延低，對于高速行駛的汽車，做出及時的剎車、轉彎等決策關乎人身安全。與高速行駛的無人汽車相比，電力系統中的電力以光速傳播，需要及時響應電力系統的中各種變化，實現精準控制。

　　在需求響應方面，傳統需求響應主要是為了減小需求側峰谷差，但隨著高比例可再生能源并網，面向調頻等更短時間尺度的動態需求響應顯得尤為重要。海量用電設備之間的協調控制對通信低時延提出了要求，而 10ms 的通信時延能夠很好滿足秒級的調頻需求。

　　在儲能控制方面，不管在網端還是用戶側的儲能安裝量不斷增加，儲能等并網需要考慮不同儲能系統之間的協調控制。此外，在像“云儲能”“共享儲能”這樣全新的商業模式下[13]，儲能的運營還需要考慮海量用戶的差異化需求與互動，海量的控制信號交換需要在較短時間內完成。

　　在配電自動化方面，配電網可能會出現短路、斷路等各種故障，這種情況下需要實現快速故障切除;此外，繼電保護裝置需要對信號進行綜合分析，判斷故障類型以做出正確動作。以差動保護為例，需要實時計算比較線路兩端保護裝置的量測值，如果兩端量測存在較大時差，就有可能“差之毫厘謬以千里”。

　　在電力電子設備控制方面，未來配電網將接入越來越多的電力電子裝置，以實現可再生能源接入、儲能接入、無功補償、電能質量改善等。電力電子裝置對控制精度要求較高，特別是有時候需要 2 個甚至多個電力電子裝置的分布式協調控制。

　　3.3 海量量測

　　在大數據時代，采集海量多元化數據是開展大數據分析的基礎。傳統電力系統中，雖然已經安裝大量的傳感器，但限于通信壓力，很多數據只能舍棄僅保留最基本的信息，細粒度信息的缺失極大制約了大數據分析在電力系統中的實際應用。此外， 5G 通信使得萬物互聯，可以促進電力系統安裝更多傳感器，實現更多元化的數據采集。

　　在海量用電數據采集方面，我國雖然具有較高的智能電表普及率，但很多智能電表并不上傳半小時的用電數據，僅保留每天的用電量，為用戶用電行為分析帶來了挑戰。5G 通信速率高，能夠實現海量用電數據的及時采集，甚至包括某些更細粒度的家庭設備用電數據。非侵入式辨識技術在 20 世紀七十年代就開始研究，但至今沒有大范圍的實用，重要原因之一就是非侵入式辨識需要至少秒級的用電功率數據，對于傳統載波通信而言難以實施;而 5G 通信時代使秒級甚至更細粒度的數據采集成為可能，也為用電大數據分析、構建電力用戶行為模型、促進廣泛的用戶互動提供了堅實的數據基礎。

　　在電網運行狀態監測方面，目前對電網運行狀態的監控主要是輸電網絡，例如 PMU、SCADA 系統的安裝，但是對于配電網絡的監測較少。5G 通信較光纖通信成本較低，也能保證通信的可靠性和實時性，可以在配電網不同節點安裝傳感單元，實時感知配電網絡的運行狀態(電壓幅值相角、注入有功無功等)，為配網拓撲辨識、潮流分析、參數估計等提供支撐。目前已有相關實踐，在配電網某些關鍵區域安裝微型同步相角量測單元(micro-PMU)，為配電系統中的各種故障監測提供支撐，這種情況下，海量的 PMU 數據傳輸也需要 5G 通信的支撐。此外，低時延的 5G 通信數據傳輸也為微型 PMU 的同步對時提供了新的機遇。

　　在電力設備狀態監測方面，變壓器、配電線路等電氣設備的健康運行是整個配電系統運行的重要保障。傳統電力系統主要對高壓設備運行狀態進行檢測，而 5G 通信時代的泛在電力物聯網中，配電網中海量電力設備也將實現信息互聯互通，實時監測電力設備各項參數，也感知外界環境(如溫度等)的變化，能夠幫助調度決策者進行綜合分析，評估電力設備運行狀態，為電力設備檢修安排等提供參考。

　　在電動汽車管理方面，隨著電動汽車普及率不斷提高，交通網和電力網的耦合程度不斷提升，如果海量電動汽車的出行規律、電池使用狀態以及充電樁充放電等數據能夠實時獲取并交換，對于車主和配電網運營商的最優決策也能提供幫助。

　　3.4 寬帶通信

　　海量量測數據采集主要面向結構化的電氣量等數據，而在泛在電力物聯網中，還需要采集語音、視頻等海量的非結構化數據，以實現全方位的配電網感知和更優質的個性化服務。

　　在視頻遠程監控方面，無人機巡檢是一種高效的電力網絡監測方式，通過無人機拍攝電力線路或者設備的視頻，工作人員以此判斷線路或者設備的健康狀態。5G 通信能夠高速率傳輸相應的視頻通信，優化決策者體驗。除傳統變壓器、線路等需要巡視機器人或者無人機之外，分布式光伏板、儲能等裝置的有時也需要進行視頻監測，獲取對光伏板沾灰量、儲能外部裝置安全程度等信息，便于開展清洗、加固等工作。5G 通信在未來物聯網中一個典型應用就是遠程醫療，通過對病人身體指標各方面的量測以及視頻監測，醫生能夠開展遠程診斷，極大方便患者就醫治療。配電系統也是如此，需要通過各方面海量量測以及視頻監測，配電網運營商等實現配電系統的“健康診斷和治療”。

　　在電力虛擬現實方面，一般來說，虛擬現實就是通過視覺、通信、仿真等技術，給使用者提供全新的視覺體驗，模擬真實環境，實現更好的服務。虛擬現實對網絡環境要求較高，應為需要實時更新高清畫質。而在 5G 通信時代，泛在電力物聯網也可以打造電力虛擬現實。例如為配電網運營商打造虛擬現實，對量測到的海量數據以及視頻進行處理，展現配電網絡全景圖，還能夠根據運營商選擇不同區域了解其細節，助力打造透明配電網。又如通過虛擬現實，設計不同的仿真培訓系統，有針對性地對員工進行巡檢、管理等進行各方面的培訓，減少實地考察環節，節約成本。

　　3.5 高效計算

　　為了保證系統的安全可靠運行，系統需要進行大量運算，例如最優潮流計算、最優控制計算、穩定性計算等;除此之外，還有隨著海量數據采集帶來的大數據計算，例如海量曲線聚類分析等。這些計算可能存在較高的時空復雜度，需要高效的計算方法，泛在電力物聯網時代，云計算和邊緣計算將有廣泛的“用武之地”。

　　在云計算方面，小型售電商或者用戶不擁有大量的計算資源，此時可以通過云計算開展運營決策、智能家庭能源管理等，把計算任務搬到云端，通過 5G 通信保障計算便捷條件與計算結果的高效傳遞，從而實現各種控制。不同配電網參與主體還能夠對自己的數據進行云存儲，打造相應的數據云平臺。

　　在邊緣計算方面，由于數據本身就分布在不同節點，此時將所有數據集成到一個云端一方面必要性不大，另一方面也存在信息安全隱患。分布式的數據在邊緣側直接進行計算，通過不同邊緣計算的協調獲取全局結果。例如在多主體配電網中開展最優潮流分析或者電壓控制時，可以設計相應的分布式優化算法，開展邊緣計算，既提升效率，又保護隱私;又如海量用電數據存儲在不同的數據中心，可以設計分布式聚類算法，通過邊緣之間的通信迭代，獲取全局聚類結果，實現海量用戶用電模式的提取。

　　4 支撐泛在電力物聯網的5G通信關鍵技術

　　5G 通信技術促進了泛在電力物聯網的縱深發展，如圖 3 所示。面向電網業務需求，5G 的性能增強技術使得泛在電力物聯網的萬物互聯藍圖成為現實;面向電網管理，5G 的軟化開放技術是協助管理泛在電力物聯網最得力的助手，電網由被動變主動，自由“掌控”通信;面向電網用戶服務， 5G 的自治優化技術給泛在電力物聯網裝上智能大腦，實現以用戶為中心的新業態。本節將就 5G 通信時代泛在電力物聯網關鍵的性能增強技術、軟化開放技術、自治優化技術分別進行探討。

　　4.1 性能增強技術

　　5G 通信助力泛在電力物聯網的首要任務是達成其他無線通信方式所不能達到的高性能指標，使 5G 通信“三高兩低”的特點成為現實并為泛在電力物聯網所用。提升“三高兩低”相關性能的無線通信技術和無線網絡技術被統稱為性能增強技術。

　　在性能增強技術中，某些技術有的被廣泛研究討論并且已經比較成熟，成為了 5G 必備的標準技術，可以被稱為 5G 的原理性技術，如 2.1 節提到的毫米波通信技術、大規模 MIMO 技術和超密集異構網絡技術;有的有著十分廣闊的前景但還有技術瓶頸尚未有統一定論，例如全雙工技術中有消除自干擾的問題、D2D(device to device)通信如何降低信號干擾的問題等。

　　性能增強技術的范圍非常廣泛，其原理也非常多樣化。對泛在電力物聯網來說，這些技術是網絡通信層面的相對底層的技術，電網運營商僅僅是這些技術的使用者而很少參與細節的設計，并且電網運營商更希望的是成為通信網絡的掌控者，對如何實現 5G 特點的技術關注較少。故不在此對這些技術進行贅述，具體技術細節可以參考 5G 技術的相關文獻，例如文獻[3,4,14]。

　　4.2 軟化開放技術

　　軟化開放技術是指實現 5G 通信網絡軟件化并向網絡用戶開放接口的相關技術。泛在電力物聯網并不是通信網絡和電力網絡的簡單疊加，而是兩者的有機融合，對兩網能進行同時、方便、快捷地管理調度對于泛在電力物聯網來說至關重要。傳統的電力通信網控制復雜，需要具備專業人員操作運行，電網必須依托電信運營商，是網絡功能的被動使用者，被封閉在通信網絡之外。電網各項服務需要什么網絡功能，網絡隨時間與空間有什么變化，都必須向通信運營商反映申請，這與泛在電力物聯網的包容性相悖甚遠。

　　無線通信網和計算機一樣是一個擁有多層級的物理系統，較理想的情況是能像計算機那樣擁有一個操作系統，不用考慮底層實現就能夠達成控制的目的。參考計算機操作系統的原理，抽象出一個 “網絡操作系統”，這個抽象的操作系統抽象了底層網絡設備的具體細節，還為上層應用提供了統一的管理視圖和編程接口，使得用戶可以定義邏輯上的通信網絡拓撲而無需關心底層網絡的物理拓撲結構。實現這些想法的技術被稱為軟件定義網絡 (software-defined networking，SDN)[15]。在這基礎上更進一步，利用通用的信息設備替代網絡中的交換機、路由器等網元，使得這些設備也可以隨部署改變的技術叫做網絡功能虛擬化(network function virtualization，NFV)[16]。泛在電力物聯網利用 SDN 和 NFV，完成了從面對通信網絡“晶體管”(網元等硬件設備)和“01 代碼”(復雜的控制邏輯)到只用面對通信操作系統的跨越。

　　給泛在電力物聯網配上網絡操作系統后，還需要提供相應的“應用程序”。電網的各種任務對性能有著差異化的需求，例如用電信息采集對連接數要求更高，配電保護對通信時延要求更高，5G 之前的通信為每一種不同業務使用相同的資源，這使得其很難滿足一些比較嚴苛的需求(例如時延要求在 1ms 之內)，然而為每一種差異需求都提供獨立的資源成本巨大且操作復雜，那么使用同樣的資源提供不同差異需求的服務變成了首選。切片技術使得這一想法成為現實，正如它的名字一樣，其在相同通信物理設備和頻譜資源下這塊“蛋糕”上，通過虛擬化技術建立起完全切割的不同專有網絡來形成切片[17-18]。有了切片，電網運營商可以在不同時間，不同空間面對不同的多樣化業務使用不同的切割方法，實現按需定制、動態編排;電網在切片 “應用程序”開放的管理操作功能上能進行交互管理界面的操作，可以實現真正的自助服務。

　　4.3 自治優化技術

　　實現以用戶為中心的廣泛互動，深入每一個用戶是能源互聯的目標。在擁有了軟化開放技術后，雖然泛在電力物聯網可以實現對通信網及電力網的系統控制，但對于用戶來說通信網仍然是透明的、無感知的——網絡資源的調度分配均依據電網核心網側的業務需求。面對龐大的電網用戶群，靠電網運營商來對每一個用戶實時獲取他們多樣化的需求并對通信網作出調整的模式工作量太過巨大，但如果能夠直接在通信網絡和用戶之間搭起一座橋梁，使得通信網絡能夠根據用戶和業務自動調整而不再通過電網運營商這個中間擺渡人，問題就可以得到解決。

　　實現這個愿景的第一步是完成通信網絡的自治。讓我們構想這樣一幅圖景：智能家居或者其他新終端進入網絡時，可以即插即用，所有的網絡配置都能夠自動安裝到新接入設備上，實現“自配置”;當通信網絡負載發生變化，根據已測無線電條件參數，通信網自動調整，實現“自優化”;當通信網絡出現故障，它可以自己識別、消除，實現 “自愈合”。將自配置、自優化、自愈合付諸現實的技術被稱為自組織網絡技術 (self-organizingnetwork，SON)[19]。SON 技術早在 3G 時代就已經被提出，然而至今仍存在許多技術挑戰，例如 SON 各個功能之間比較獨立，可能會產生沖突，降低了 SON 的整體效果收益;此外，現有的 SON 是被動的“問題出現–問題發現–問題解決”的運作模式，等待問題并發現的時間增加了網絡的固有延遲，無法滿足 5G 的低延遲感知要求。5G 時代的 SON 將更會強調自治功能的協調性以及主動性，協調各個功能間的沖突，使得網絡能夠主動預測而不是被動等待。

　　在自治的基礎上，5G 網絡還可以實現對用戶個性化的智能感知和適配。網絡可以“自學習”，根據用戶終端使用的歷史數據(如使用狀態、功耗、 CPU 負載、業務類型、所處的位置)，充分分析發掘用戶的需求、習慣甚至心理狀態，例如用戶習慣在什么時間使用什么樣的設備會產生怎樣的數據流量等，再來根據學習到的知識對網絡參數配置等進行優化。這項技術被稱為情景感知技術[20-21]。

　　5 泛在電力物聯網下 5G 通信的能效管理

　　5G 通信需要電網供能，由此泛在電力物聯網也可以為 5G 通信提供能效管理的支持。本節先介紹 5G 通信能耗及能效管理的基本情況，然后在討論 5G 通信網絡與主動配電網的供需互動。

　　5.1 5G 通信能耗及其能效管理

　　無線通信系統耗電設備包括通信終端、通信基站以及核心網側設備(例如數據中心、交換設備等)。一般來說，5G 的低功耗特性主要面對通信終端而言，通過降低發送和接收數據的頻率、使用高效率電池等方式提高終端電池的待機能力，來達到延長電池壽命及降低更換頻率的目的。

　　但實現終端設備的低功耗是遠遠不夠的。隨著 5G 時代超密集網絡的部署，網絡功能的“扁平化” 和“下沉”是大勢所趨。“扁平化”是減少網絡的層級結構，合并一些網絡元件為一個元件來簡化信息傳輸的復雜度;“下沉”是指無線核心網側的控制功能分發到各個邊緣基站以期實現低時延。“扁平化”要求合并設備，而“下沉”要求功能分布化，那么 5G 時代核心網的功能勢必大量分散到了基站，基站承擔了較大部分的網絡任務。實際上，據統計，現有通信系統中耗電量最大的就是通信基站，大約占整個網絡耗電量的 70%~80%[22]。在 2012 年，世界上的無線通信網絡擁有 110 萬個基站，年消耗電量 140 億 kW·h[23]。而在 5G 時代，預計基站部署密度將到現有部署密度的十倍以上，在 2025 年達到 1310 萬個基站，移動基站的能耗將達到2000億kW·h[24]可以想象如果不提升基站通信的能效，泛在電力物聯網運用 5G 時必須給基站供給較多的電力，使得電力網絡的效率也會降低，故提升 5G 能效對于提升整個泛在電力物聯網的效率來說非常重要。

　　5G 通信網絡基站能耗管理如圖 4 所示。

　　通信能效在一般被定義為消耗每一焦耳能量可以可靠傳輸的比特數[25]。5G 通信為了在與現有網絡相同甚至比現有網絡更低功耗的情況下實現 1000 倍的容量增長，那么基站能效也需要提高 1000 倍[26]，這么高倍數的能效提高要求促使了一系列的革新。

　　從 5G 基站硬件設備入手，直接讓泛在電力物聯網的硬件設備能耗得到優化是實現高能效的一大思路，由此，新的功率放大器、發射機–接收機模型、波束結構被相繼提出[27-29]。

　　從 5G 基站功率分配入手，將泛在電力物聯網中的 5G 基站的資源功率分配變為以能效最大化為主。在滿足不同的性能約束條件如數據吞吐量，系統容量，時延等，調整最優設置，以期達到網絡效率的最優[30-32]。

　　從 5G 基站能量來源入手，使得泛在電力物聯網中的 5G 基站設備能夠直接從環境中獲取能源或者重復利用多余的能源，避免從電力網獲取大量能源對其功率傳輸造成影響。對應以上的兩種思路，一是收集設備周圍環境中的可再生能源，如風能和太陽能;二是收集設備周圍的干擾無線電信號的能量。在能夠有效收集能源的基礎上，結合無線充電技術，有計劃地定向地使得能量可以在各個通信基站之間重新分配，能夠極大地提升能源分配的靈活性[33-36]。

　　5.2 5G 通信網絡與主動配電網供需互動

　　泛在電力物聯網的通信網絡與電力配電網存在著能量與信息的耦合：配電網為通信網絡提供能源支撐，而通信網為配電網提供信息支撐，通信網絡與主動配電網可以進行供需互動。

　　基站是通信網絡與配電網互動的主要中介— —對于通信網來說，它是無線信號發送和接收空中接口的主要設備，是無線信息傳輸的重要中轉點;對于電力網來說，它是通信設備中消耗電力的絕對主力，且為了保證通信的實時性和可靠性配有不間斷電源(uninterruptible power supply，UPS)并由此具有蓄電池，成為了用電設備和儲能設備的雙重集群。此外為了提高可靠性，基站密度和基站 UPS 使用冗余配置方法，基站個數和基站 UPS 電池的個數可能多于通信一般需求的個數。

　　在此種情況下，電網運營商可以和通信運營商進行一定程度的供需互動。例如，在夜晚時段，如果此時通信負載較少，有許多可以減小功率運行甚至可以關閉的基站，這時在保證整個系統可靠性和運行要求的前提下，充分利用眾多這些基站的儲能裝置和冗余配置的儲能裝置，電網運營商給予電信運營商較低電價，而電信運營商響應低電價調整 UPS 電池的充放電負荷;在日間，保證可靠性的前提下，在電網電價較高的時段，電信運行商可以選擇消耗掉冗余配置的電力。當然，由于通信對實時性、可靠性等有更高的要求，對 5G 通信的需求互動以及不間斷電源的調度需要充分考慮 5G 通信的基本要求。

　　6 研究展望

　　泛在電力物聯網的建設剛拉開序幕，5G 通信時代也即將到來，5G 通信時代下的泛在電力物聯網將煥發更多生機，更好地促進電力和信息的互聯互通。本節旨在給出給出幾點未來可期的研究方向。

　　6.1 “5G 通信網–電力網”聯合仿真

　　電力仿真是電力系統分析的重要手段，能夠幫助判斷未來電力系統運行狀態，判斷提出的方案是否存在不安全、不可靠等潛在的風險。目前針對電力系統仿真，國內外廠家面向不同應用開發了多元化的電力系統仿真軟件，例如 PSCAD 等;在通信領域，為了保證通信系統的安全可靠運行，在系統規劃或運行之前可需要進行仿真分析，例如 OPNET 等。未來的泛在電力物聯網是電力網絡與通信網絡進一步深度耦合的系統，對整個泛在電力物聯網的分析需要開展 5G 通信網與電力網的聯合仿真，需要研究新的聯合仿真方法與軟件系統，或者打通不同仿真軟件接口，深入分析 5G 通信網與電力網之間的相互影響，分析某一個網絡擾動對自身網絡以及另一網絡的影響與互動機理。

　　6.2 “5G 通信網–電力網”聯合優化

　　5G 通信系統雖然單位功耗低，但是由于未來通信量急劇增加，所以 5G 通信系統功耗可觀。泛在電力物聯網需要為分散的不同型號的 5G 通信基站提供可靠的電力保障，也意味著通信網絡與電力網絡能夠開展能量上的交換，實現供需互動，存在 5G 通信網與電力網的聯合電力流優化控制與規劃的可能性。此外，5G 通信雖然能實現萬物互聯，但是電力系統可能存在薄弱的部分，或者對通信需求較大較高的地方，此處的通信系統可能需要進一步加強，所以也需要結合實際開展 5G 通信網與電力網的聯合信息流優化控制與規劃的研究。

　　6.3 “5G 通信網–電力網”安全與隱私

　　5G 通信雖然具有“三高兩低”的優勢與特點，但萬物互聯也給通信安全與隱私帶來了挑戰。5G 通信的建設與實施也將充分考慮未來信息安全挑戰。而對于泛在電力物聯網而言，信息安全與隱私顯得尤為重要。例如電力系統中有些數據關乎電網安全穩定，具有較高的安全級別，需要設置較高的保密級別;又如用戶用電數據關乎用戶隱私，在數據傳輸和交換過程中，需要對不同的對象設置不同的數據獲取權限，在保護不同參與主體隱私的情況下實現數據共享。總之，未來泛在電力物聯網將采集傳輸海量數據，需要界定好數據密級，明確好數據歸屬，賦予好數據權限，實現 5G 通信網與電力網的安全與隱私。

　　6.4 復雜多級多對象控制與優化

　　泛在電力物聯網的萬物互聯不是為了簡單地將電力相關實物通過電力網和通信網將連接起來，而是在此基礎上采集海量數據、分析設備運行狀態，進而優化控制海量對象。未來泛在電力物聯網所連萬物是復雜多級多對象，傳統的小規模控制與優化算法不能夠實現如此廣域控制，需要研究先進的分層、分布式等優化算法，實現海量對象的即時最優控制，使所連萬物相互協調。

　　6.5 透明配電網與態勢感知

　　安裝海量傳感器并通過 5G 通信網絡連接萬物就是為了對泛在電力物聯網的運行狀態進行實時感知，特別是目前對配電網監測不足，使得其可觀性不強。例如分布式光伏出力不能直接量測得到，只能獲取智能電表的“凈負荷”數據;又如配電網閉環設計開環運行，存在拓撲變化的情況以適應不同的配電網運行狀態，由于某些管理原因，配電網運營者不能夠實時獲取其拓撲信息。5G 通信時代下的泛在電力物聯網有望基于海量數據的采集，進行大數據分析和可視化，實現配電網的透明化與實時態勢感知。

　　6.6 多元化的商業模式

　　5G 通信新技術的助力，將在泛在電力物聯網中孕育出全新的商業模式，也讓之前難以落地的商業模式成為可能。例如可交易能源(transactive energy)環境下實現個人對個人(peer to peer， P2P) 交易，5G 通信的端對端通信技術就能使 P2P 交易成為可能，交易通信成本極大降低;又如虛擬電廠技術，5G 通信助力海量對象的協調，保障虛擬電廠的可行性。

　　7 結論

　　2019 年是泛在電力物聯網的元年，為未來能源互聯網建設提出了更加明確的目標;2019 年也是 5G 通信規模化商用揭開序幕的一年，5G 通信將重塑未來生活方式，也將重塑“物理–信息–社會”深度耦合的電力與能源系統。本文在深入分析泛在電力物聯網內涵與 5G 通信特點基礎上，對 5G 通信時代的泛在電力物聯網關鍵技術進行了分析，總結了 5G 使能泛在電力物聯網的典型場景，探討了泛在電力物聯網如何支撐 5G 通信系統，展望了未來 5G 通信普及的泛在電力物聯網可能的研究方向。希望本文能夠為泛在電力物聯網研究者對 5G 通信技術及其應用的研究提供參考