基于物联网和5G 技术的智慧电力平台研究

包 震

（国网江苏省电力有限公司淮安供电分公司，江苏 南京 223001）

0 引 言

电力系统是现代化社会不可或缺的基础设施，已发展为一项系统化且高度复杂的系统。电力企业对电力系统运行、监测、预警以及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，智慧电力系统得到了快速发展，成为现代化电力系统的核心部分，被广泛应用于电力领域[1]。智慧电力平台实现了智能化监测、自动化分析、预测以及智能控制等多种功能，提高了电力系统的可靠性、稳定性、安全性以及经济性，解决了以往能源采集分布式控制存在的部分问题。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、预测以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，能够为电力系统的稳定运行、实现全面协调发展以及推进电力系统朝着智能、绿色、可持续化的方向发展发挥重要的作用。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

电力物联网技术指通过物联网技术智能化、网络化和信息化改造电力系统，以实现电力系统的智能化和高效化运营。其优点主要如下：一是可靠性和稳定性强，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，从而增强电力系统的可靠性和稳定性；二是能源效率高，电力物联网技术可以实时监控电力负荷，根据实时负荷状况合理分配和调整电力资源，避免出现能源浪费和限电现象，提高能源效率；三是经济性提升，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；四是环保节能，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，从而实现保护环境和节能降耗的目标[2]。

1.2 5G 技术

5G 技术是一种符合新一代移动通信标准的技术，与之前的3G 和4G 技术相比，其在电力系统中应用具有广泛的优越性。5G 技术具体优点如下：一是低时延，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；二是大连接，5G 技术可以实现数百万台设备的连接，因此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；三是高可靠性，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；四是高带宽，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，使智能化电力设备拥有更高效的响应时间；五是分层结构，5G 技术采用了分层结构的设计，在不同的网络层可以实现不同的网络服务，更好地适应电力系统中不同种类的服务需求[3]。

1.3 电力系统

电力系统是由发电、输电、变电、配电以及用电等环节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有限公司和中国南方电网有限责任公司。电力应用涉及各行各业，一般包括企业和大量的个人用户。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和电磁干扰等问题[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、安全以及可持续发展具有重要作用。

2 新时代下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，重要的网络层次包括国家层面、中间层面以及业务层面。对于不同的网络层次，为兼顾国家和业务需要，电力网络控制系统需要做出不同的调整，具体如下。一是国家层面，对整个电力系统进行统一的协调和规划。例如，根据国家政策，需要对电力系统在能源、环保、安全以及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目标。二是中间层面，包括各电力企业之间的网络层次。在该层面，需要兼顾各电力企业的业务需求。例如，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。三是业务层面，包括各电力企业下属各级网络系统。在该层面，需要兼顾各级网络系统的业务需求。例如，需要实时监测和控制各级网络系统内的设备和传感器等，实现电力系统的快速响应和资源调度。

电力网络控制系统的多重网络层次需要兼顾国家和业务的需要，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。

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、智能化和网络化发展，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：一是性能瓶颈，网卡的带宽和速率有限，已经无法满足高速和大容量数据的传输需求；二是安全性低，传统网卡容易遭受黑客攻击和病毒感染，导致电力系统的安全风险增加；三是可靠性差，传统网卡容易出现故障，导致通信中断和数据丢失[5]。因此，需要开发新一代的电力物联网网卡，该网卡需要具备高速、安全、可靠等特性，以满足电力系统业务升级的需求。同时，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实时统计、分析和处理电力系统的业务数据。受限于信息传输速率和连接数量，控制中心无法实现大容量数据的快速传输，物联网技术的应用也相对较少，无法实现电力与信息的深度融合，这成为控制中心无法实时统计、分析和处理数据的主要因素。此外，由于电力系统的数据种类繁多且格式不一，为了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技术。为解决该问题，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，提高系统的带宽和速率，同时引入大数据和人工智能技术，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。

3 智慧电力平台的具体应用场景

智慧电力平台有3大实现电力系统数字化的方式。一是使用泛在感知、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，并通过多维数据动态监控和诊断电力设备的全生命周期，广泛感知各类电力场景。二是智能分析，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识别和分析。三是数字化自治，通过建立在跨系统和跨模块数据交互基础上的高度智能化运行模式，实现智能治理。智慧电力平台主要应用于以下4 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、运营以及办公等多个方面。该背景下，文章提出2 种典型的应用场景，具体如下。

（1）建立信息支持平台。该平台应包括数据集成、数据挖掘、数据管理、数据服务、4A 标准化管理以及流程管理等7 大模块[6]。该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，采用虚拟电厂和数字孪生技术，建设三维可视化平台，高精度和高仿真三维建模变电站，为智能安全管理等智能化应用提供可视化和数字化的支持平台。

（2）实现智能管理。智能管理涉及基础设施、安全、运营、燃料、设备、材料、运营以及办公等方面。新能源如风力和太阳能等，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 网络和巡检机器人等设备实现对风电和太阳能等新能源的智能监控，并对风电机组进行智能监控和调速，有利于提高风电和太阳能的发电能力，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，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

智慧输电场景可以分为2 个主要部分，即智慧监控和状态监控。智慧监控需要实地检测输电设备和线路，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，需要设计一键释放、多模式组合及自动持续的立体巡逻模式，并利用物联网、5G 增强移动宽带（enhance Mobile Broad Band，eMBB）、大数据、云计算以及增强现实（Augmented Reality，AR）等技术进行大规模的自动巡逻。此外，智慧输电技术需要实时监测、预警、分析、诊断以及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，传统4G 网络难以有效覆盖和监控人口较少和地势较差的地区。为解决该问题，需要利用5G 网络和巡检机器人等技术在高风险环境下实时监测电力系统，以提高巡检效率和安全可靠性，降低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将会得到极大拓展。

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系统运行状况等。为实现这些目标，采用各种先进的现代科技智能监控变配电场景。例如，智慧监控系统中，使用监控机器人有效监控电力系统，采集并分析监测图像，自动生成故障报告，从而提高监测工作的效率，降低维护费用，减少设备和人员的安全风险，保障电力系统安全、稳定运行。

此外，配电系统状态监测非常重要。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。为建立高品质的监测和预警系统，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得到了广泛应用。随着生活负载的不断增加，智慧配电网中的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、分布式配电自动化以及微秒级精确负载等方面进行实时监测和控制的系统。此外，5G 配电自动化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、物理隔离、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们生活水平的提高，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、数据上行流量大且下行流量小，涉及更多的终端数量、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实现，需要全面访问业务服务，并具备信息和核心用户识别等能力。为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。智慧监控系统是在智能化社区等区域，利用网络技术智能监测和管理覆盖的电力设施，实现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（Data Collection Unit，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、用户用电分析以及计费管理等功能[7]。基于5G 技术的广泛应用，智慧用电可以为供电公司提供业务优化服务和优质用电服务，降低线路损耗，指导错峰用电，同时降低用电管理和运行成本，提高营业收入。

4 结 论

文章研究的智慧电力平台的建设目标是利用互联网和物联网技术，为电力企业提供跨中国移动通信集团有限公司、中国联合网络通信集团有限公司、中国电信集团有限公司3 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，提高企业竞争力。未来，智慧电力平台将提供更丰富、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。