浅谈5G通信技术对配电网状态估计的影响

刘顺 雷淋 李俊 吴本发 李洪龙

摘 要：在电力网络中，新一代的5G通信技术无疑可以给电力系统带来更好的性能保障和技术改革。5G技术在电力系统中有着广阔的应用。电气量反馈的传输速度可以直接提高继电保护系统的速动灵敏性。量测数据的快速传输和可靠识别可以更好的估算动态系统的内部状态。本文结合大量的文献资料着重分析5G通信的技术特征和配电网所面临的问题，并且总结展望了5G技术在配电网状态估计的发展趋势和研究方向。

关键词：5G通信;关键技术;配电网状态估计;技术应用

0引言

配电网状态估计的应用发展离不开通信技术的支持。5G技术特征对配电网状态估计带来一个更加广阔的前景。

1. 5G通信

1.1  5G通信技术

随着移动用户增加、互联网的发展，对移动数据需求日益增长。据估计，将来的移动通信网络的容量需要在当前的网络容量上增长一千倍[1]。之前的4G已经不能较好支撑暴涨后的流量。加上各智能领域对网络实时性和交互通信有更高需求。为满足以上需求，亟需发展新一代通信网络。第五代移动通信技术（简称5G）是最新一代的数字蜂窝网络，是继4G的延伸。5G其核心是提高性能满足多样化要求，特点是高数据速率、减少延迟、节省能源、提高系统容量和大规模设备连接。

1.2  5G通信的关键技术

1.超密集异构网络。随着各种智能设备的普及，流量将大幅增加。超密集网络能够改善网络覆盖，大幅提升系统容量，对业务进行分流，具有灵活的网络部署和高效的频率复用。

2.毫米波通信

毫米波是指波长在毫米数量级的电磁波，其频率大约在30GHz～300GHz之间。如果使用毫米波频段，频谱带宽可比之前扩大十几倍，传输速率也可得到巨大提升。但在空气中衰减较大，且绕射能力较弱。在5G实际运行中，可以通过大规模MIMO来解决传播能力弱的缺点[2]。

3.大规模MIMO技术。可以通过增加基站中天线的数量直接扩充系统容量，并且有效降低实现的复杂度。运用价格低廉、功率为毫瓦的放大元件对系统进行构建，可有效提升经济效益，降低发射功率的消耗。

4.D2D通信技术。D2D即Device-to-Device，也称之为终端直通。用户通过D2D 进行通信连接，有效的节省了网络资源，提高了频带利用率[3]。而且，D2D 所连接的用户设备可以共享蜂窝网络的资源可减小传输功率，节约能耗，提高频谱资源利用率[4]。

5. 自组织网络

传统的无线蜂窝通信网络，需要固定的网络设备如基地站的支持，进行数据的转发和用户服务控制。而无线自组织网络不需要固定设备支持，用户自行组网，通信时，由其他用户节点进行数据的转发。这种形式突破了传统网络的局限性，能够更加快速、高效部署，在保证质量和用户体验的同时也有即插即用、成本低等优点。

6. 同频全双工技术

双工技术是指终端与网络间上下行链路协同工作的模式，且每个网络只能用一种双工模式。传统双工模式主要是频分双工（FDD）和时分双工（TDD），用以避免发射机信号对接收机信号在频域或时域上的干扰[5]，而新兴的同频同时全双工技术采用干扰消除的方法，减少传统双工模式中频率或时隙资源的开销，从而达到提高频谱效率的目的。与现有的FDD或TDD双工方式相比，5G同频全双工技术可以根据不同的需求，能灵活智能的使用FDD/TDD双工方式，发挥各自优势，全面提升网络性能同时，也能够将无线资源的使用效率提升近一倍，从而显著提高系统吞吐量和容量。

1.3  5G通信技术的特点

1.高速度。第五代移动通信网络，其峰值理论传输速度可达每秒10GB，5G网络比4G网络的传输速度快一百倍。高速网络不仅可以满足高清视频，虚拟现实等大数据量传输，还会支持远程医疗、远程教育等从概念转向实际应用。

2.低时延高可靠。5G技术的空中接口时延水平大约在1ms，是4G的几十分之一。5G低时延的特点，必将使自动驾驶和智能交通等领域带来全新的变革[6]。无人驾驶汽车的安全性将会大大提高，在遇到特殊情况时，可以使汽车在最短时间内紧急制动。在工业自动化领域，数控机床在5G的帮助下可以做到高度精细化，制造出更高质量的技术产品。

3.大容量高能效。5G网络的容量将是目前4G网络的100倍甚至更高，可以提供千亿设备的连接能力，满足物联网通信，提高能源利用效率，实现万物互聯[7]。能效，指的是为用户提供服务与所消耗的能源之比。5G技术相比4G来说，同等能量下可以传递更多的信息，提高数据传输效率。

4.稳定强。5G技术广泛采用微基站，明显增强了网络稳定性[8]，可以使覆盖范围内的用户更好的体验到流畅的网络服务，避免了由于处于宏基站周边而造成的网速卡顿、无信号的缺点。

2.配电网

2.1 5G通信技术在电力系统在的应用

随着社会经济的高速发展和用电负效益以及负荷的迅猛增长，为了保证配电系统的安全性和可靠性，人们需要对配电系统的供电质量做到迅速、准确而全面地掌握系统实际运行状态。

5G移动通信技术与3G、4G移动技术相比，区别较为明显，在多元化、综合性方面的优势十分突出。通过将其应用到电力通信系统中，不仅实现了数据流量增长需求的满足，还可以全面提升数据传输速度[9]。5G允许大规模通信终端接入，使得电力系统更好地适应快速增长的分布式电源和用户侧储能等灵活的资源，保证系统稳定。5G还有潜力提高电力系统的供电质量。5G超低时延和高可靠性的信息传输将助力智能电网的自动采集和控制类业务，从而降低了电力系统潜在停电影响的范围和时长。而且，5G在电力物联网提供了eMBB （增强型移动宽带）、mMTC （海量物联网通信）与uRLLC （超高可靠与低时延通信技术）一共三大应用范围，不仅能够解决配电网典型电流差动保护业务应用难题，而且也可以支撑多类型泛在电力物联网的业务[10]。

2.1配电网状态估计面临的问题

状态估计就是利用实时量测系统冗余度来提高精度，自动排除错误信息，估计预报系统的运行状态，为电网运行分析提供精确数据信息。这对电网的安全稳定运行起重要作用。电网可分为输电网和配电网。配电网较输电网而言，结构复杂设备多。对于需要终端量测数据的状态估计在配电网中更加难以实现。配电网中点多面广，所以其量测设备也随之多而且分布广泛。电力电子设备在配电网中的高比例应用使得电压等级低、容量较小的配电网中谐波和噪声相对基波的比值增大，会对量测值产生比较大的影响。再加上现在新能源大量开发利用，其发电量和负载呈现出常态化的随机波动和时空不确定性，使配电网局部区域电压和电流波形变化更为显著[1]。而且为了实现配电网更高精度的测量目标， PMU和AMI被越來越多地运用在了配电网中。这些种种因素会给配电网的状态估计带来如下问题：

1）配电网数据多来源多，时间尺度化，需对多源数据进行融合处理，提高信息的一致性。

2）大量的量测数据对有限的通信网络造成严重的负担，通信故障的频率变高，数据碰撞、数据丢失现象更加严重。

3）开放的通信环境，使得向数据采集系统注入虚假数据和删改原数据的网络攻击有了机会。

2.3  5G技术对配电网状态估计的应用

随着电力行业的迅猛发展，人们对供电质量稳定提高要求。而配电网作为与用户直接相连的一环，运行状态直接关系到供电的可靠性因此提高配电网数据的实时性与精确性至关重要。配电网状态估计是实现配电网高级配电应用的必要基础。而实时、高速、双向的通信系统是实现配电状态估计的重要基础。参数量测技术也是状态估计的重要组成之一。

5G的速度可达到4G的10倍;配电网内的大数据可得到快速处理，信息传输也可达到实时效果，能够为状态估计提供更准确的量测数据，5G带来的处理能力，能缓解状态估计的算法不足的缺陷，减少计算难度和时间，为配电网状态进行有效预测。

区别于之前技术利用了全频段技术方法。如果我们将3G比作是单车道，那么4G可能是三车道，而5G就是十车道或者以上，因此它完全可以解决受制于频段范围的问题，进行多频段覆盖。所以即使拥有海量的量测数据，也不担心数据碰撞丢失的现象。

安全问题一直是我们电力系统中着重关注的一个问题，在电力系统中不仅存在实质性的危险，而且还存在着隐藏的网络安全问题。而5G网络切片、能力开放两大创新功能的应用，能够为电力行业打造定制化的“行业专网”服务，这就相当于是只有电力行业才能使用的“专用车道”，可以满足电网安全生产、智能化、互动化的通信需求，能够有效解决网络攻击问题，更好的保证电能质量和用户体验。

3.  5G在配网中状态估计的应用展望

配网传统的状态估计方法分为静态和动态。而静态状态估计又分为加权最小二乘法与抗差状态估计两个类别。加权最小二乘法是一种经典的非典型统计学估计方法。它在配电网状态估计中有着极为广泛的应用与研究。但是加权最小二乘法作为状态估计中的经典方法，虽有着收敛性好估计质量精准且对正态分布的误差无偏估计等优点。但在实际的系统中，误差分布却很难达到正态分布，处理粗差的能力不强。不具有抗干扰性，因此为了弥补加权最小二乘法的缺点，抗差估计出现了。所谓的抗差估计[3]就是一种能抵御少量粗差对估值造成的影响且在估计过程中可以自动降低甚至去除不良数据对估计结果造成的不良影响的估计算法。

我国对配电网状态估计的研究还处于发展阶段。随着智能配电网的建设和5G的进步。未来配电网状态估计也将面临一些新的挑战和任务。首先，近年来风电等分布式发电接入配电网，将使配电网从单一的电力系统向多电源系统发展。因此，电网的运行将变得更加复杂，变化更加迅速。因此，要求配电网状态估计朝着耗时短、精度高的方向发展。随着5G的迅速发展和应用。未来的配电网必将走向5G时代。在状态估计中，如何快速处理海量数据，提高数据的有效利用率也将是一个非常值得研究的方向。随着配电网大数据的到来，海量数据中也出现了不良数据的识别和纠正。如何准确识别海量数据中的不良数据，减少其对状态估计的影响，将成为一个研究热点。

参考文献：

[1]刘志云.5G移动通信技术发展与应用趋势研究[J].无线互联科技，2018，15（15）：8-9.

[2]李海宁.探析毫米波技术在5G物联网中的应用[J].中国新通信，2020，22（04）：81.

[3]邵逸杰.5G通信技术应用场景及关键技术分析[J].科学技术创新，2020（14）：69-70.

[4]谭剑.5G通信技术应用场景及关键技术探讨[J].通信电源技术，2020，37（11）：233-235.

[5]孙秀蓉.基于5G通信的关键技术及应用[J].卫星电视与宽带多媒体，2020（10）：4-6.

[6]付伟.浅谈5G通信技术应用场景及关键技术[J].中国新通信，2020，22（08）：115.

[7]郭敏杰.基于5G通信技术应用及未来发展趋势[J].卫星电视与宽带多媒体，2020（10）：1-3.

[8]高许雷.关于物联网形势下的5G通信技术应用[J].电子测试，2020（15）：137-138+16.

[9]朱渊婧，阳书拥.5G移动通信技术在电力通信系统的应用研究[J].数字通信世界，2020（08）：235-236.

[10]李珣. 5G时代配电网自动化的建设与运行管理 广东电网有限责任公司珠海供电局

作者简介：

刘顺，1998.09，男，汉，河南商丘人，本科，电力系统

*基金项目：贵州大学创新基金资助

（贵州大学电气工程学院  贵州  550025）