5G技术与虚拟电厂

5G技术与虚拟电厂探索第五代移动通信技术如何赋能虚拟电厂,推动能源互联网的智能化发展5G技术概述5G即第五代移动通信技术(5th-Generation),是最新一代蜂窝移动通信技术。2015年6月,国际电信联盟(ITU)正式命名第五代为IMT-2020。5G的性能目标包括:高数据速率减少延迟节省能源降低成本提高系统容量大规模设备连接移动通信技术的演进11G实现移动通话22G(GSM)短信、数字语音和手机上网33G(UMTS/LTE)基于图片的移动互联网44G(LTE-A/WiMAX)推动移动视频发展55G万物互联,人与物、物与物的互联5G的三大应用场景2015年9月,ITU正式确认了5G的三大应用场景,体现出5G的物联网属性更强。eMBB增强型移动宽带主要为人联网服务,强调网络带宽(速率),速率达到10Gbit/s以上,是现在移动宽带的升级版uRLLC高可靠低时延连接主要服务于车联网、无人机、工业互联网等物联网场景,时延要求达到1ms,相比4G的10ms降低了近10倍mMTC海量物联网通信典型物联网场景如智能电表,连接设备密度较4G增加了10~100倍,支持大量终端同时接入5G关键技术非正交多址接入(NOMA)在保证用户公平性的条件下,获得更大的系统吞吐量毫米波通信频带资源充分,大量带宽可用,是提高数据传输速率最有效的方法大规模MIMO技术为基站配备大量天线,为同一时频资源内的用户提供服务,显著改善系统容量认知无线电技术通过感知空闲频谱并分配给次用户,提高频谱利用率,不对主用户产生影响超密集网络(UDN)在热点区域大量部署小功率小区,提高频谱复用率和网络容量,改善链路质量中国5G技术发展历程2009年华为公司开始进行5G研究2016-2018年5G通信标准制定阶段,工信部启动5G研发试验,分三个阶段推进实施2018年华为发布5G第一个商用版本,三大运营商5G频谱资源格局基本形成2019年5G商用元年,国家发改委等部门提出"加快推出5G商用牌照"2020年实现5G规模商用,三大运营商联合发布《5G消息白皮书》全球5G发展态势美国2018年9月推出"5G加速发展计划"。Verizon是首个5G运营商,AT&T在19个城市进行网络覆盖。高通向全球多家制造商提供技术授权。韩国2018年12月1日成为全球首个5G网络商用国。三大运营商SKtelecom、KT、LGU+共同宣布5G网络正式商用。日本计划2020年实现5G商用,配合东京奥运会启动商业利用。预计2023年扩大至全国,总投资额或达5万亿日元。欧洲联盟:2012年成立由爱立信领衔的5G研发机构METIS,展示2020年以后的高速互联网络社会,用可持续和低成本方式管理全球500亿连接。物联网通信技术对比技术优点缺点蓝牙低功率、便宜、低延时传输距离短、速率一般、协议不兼容ZigBee短距离、低功耗穿墙能力弱、自组网能力差GPRS接入时间短、传输速率高耗电量高、易丢包WiFi速度快、可靠性高、覆盖范围广耗电量高NB-IoT海量连接、深度覆盖、低功耗成本高LoRa远距离、低功耗、多节点、低成本速率低5G高速率、低延迟、低能耗、低成本、高容量、大规模连接解决各种技术瓶颈虚拟电厂的通信需求协调控制技术虚拟电厂的三项关键技术都与信息通信技术息息相关,需要满足从自动抄表、分布式能源控制到电子集成等各种应用需求快速故障定位与自愈快速故障定位和网络自愈是基本要求。保护功能需以极短延迟相互通信,判断故障点并迅速断开,避免故障电流馈入分布式能源集成需要对可再生能源馈入进行控制,避免系统过载。实时动态电流路由需要实时传输和处理分布式数据智能电表与聚合网关测量间隔不断缩短,要求通信网络能够携带足够数据量,支持上万规模用户的短数据包电动汽车充电整合需要实现充电站和电动汽车的近实时通信,这是虚拟电厂基础设施优化的新选择虚拟电厂通信技术现状基于互联网的技术基于互联网协议的服务虚拟专用网络电力线路载波技术无线技术全球移动通信系统/通用分组无线服务技术3G技术WiFi、蓝牙、ZigBee等室内通信网络不同场景的应用大型机组:基于IEC60870-5-101或IEC60870-5-104协议的遥测系统小型分散机组:基于TCP/IP适配器或电力线路载波技术欧盟VFCPP项目:互联网虚拟专用网络技术荷兰功率匹配器:UTMS无线网通信技术欧盟FENIX项目:GPRS技术和IEC104协议虚拟电厂的三个发展阶段第一阶段:邀约型邀约频率不高,对响应要求不高。我国大多数省份试点处于此阶段第二阶段:市场型各类可调资源实时参与市场交易,需要大并发量、低时延的信息快速双向安全传输。我国冀北试点处于此阶段第三阶段:跨空间自主调度型实现跨空间、全自动,借助大量机器人、自动化巡检设备和电动汽车联网。德国、日本已有实现案例不同阶段的跨越离不开技术支撑。预期5G的高性能和灵活架构将使通信基础设施能够支持2020年及以后新兴的能源应用场景。5G技术是推动虚拟电厂阶段性发展的关键虚拟电厂通信技术面临的挑战数据流量巨大终端接入数量及种类大量增加,包括车联网、智能监控摄像、智能电网等大量无线终端设备与传感器计算能力与响应速度传统虚拟电厂通常由集中控制,控制策略通过云计算获得,对云计算能力和信息上传下载速度提出挑战服务可靠性对于低于5ms的网格主干通信,每年可接受停机时间不得超过5min,数据速率需达Mbit/s甚至Gbit/s应用日趋丰富涉及控制、保护和计量各个方面,不同应用对通信系统的可靠性和有效性要求各不相同成本与环保在保证服务质量前提下,运营商部署及维护网络设备成本达到最低,同时考虑二氧化碳排放量5G技术的核心竞争力5G技术不可简单理解为一种性能更好、速度更快、数据更多的4G技术。5G技术的核心竞争力是其在移动高频需求下的不可替代性。第一代邀约型邀约频率不高,对响应要求不高第二代市场型需要大并发量、低时延的信息快速双向安全传输第三代跨空间自主调度型借助大量机器人、自动化巡检设备和电动汽车联网,移动高频需求5G为虚拟电厂赋能的优势1经济可行的无线解决方案相对于纯粹基于光纤的通信系统,5G提供经济上更为可行的无线解决方案2更高的分散性与4G相比,5G能源网络的分散性更高,为虚拟电厂提供更多保护、控制和监视功能3改善电能质量减少停电面积,简化电网部署,减少对城市地区的环境影响5G的uRLLC场景契合虚拟电厂需求1ms网络时延5G的uRLLC场景能够满足网络时延低至1ms99.999%可靠性满足较高的可靠性需求网络能够在极短时间内对数据进行响应,对故障进行快速定位,使保护功能以非常短的延迟相互通信。实际应用案例:国网冀北泛在电力物联网虚拟电厂示范工程已经利用5G技术成功实现了秒级响应。国网冀北虚拟电厂示范工程2019年12月11日,国内首个虚拟电厂——国网冀北泛在电力物联网虚拟电厂示范工程投入运行。核心功能通过先进的信息通信技术和软件系统,实现分布式发电、储能系统、可控负荷、电动汽车等的协调优化,参与电力市场和电网运行。5G技术应用率先在张家口试点采用5G技术,实现蓄热式电锅炉资源与虚拟电厂平台之间大并发量、低时延的信息快速双向安全传输。背后有优质高速的5G网络做支撑,实现了秒级感传算用和亿级用户能力的飞跃,实现电网内外部信息深度交互,打造了开放共享的新业态。5G支持海量终端接入车联网智能监控摄像智能电网无线传感器无线终端设备虚拟电厂通信的数据流量巨大,终端接入数量及种类众多。5G技术可以有效支持统一基础架构中的所有服务和扇区,同时提供足够灵活性,以部署特定的虚拟网络功能,确保专用技术的性能满足应用要求。山东青岛5G智能电网项目2020年7月11日,山东青岛供电公司与中国电信青岛分公司、华为技术有限公司联合打造的5G智能电网项目建设完工。智能巡检通过超高清摄像头监控输电线路和配电设施,及时发现故障隐患,节省80%的现场巡检人力物力快速故障定位停电时间从分钟级缩短到秒级甚至毫秒级,电网线路故障能够快速定位、隔离和恢复5G智能电网多项应用成果5G智能分布式配电自动化输变电智能巡检配电态势感知5G基站削峰填谷供电山东青岛已经成功应用5G技术实现了多项智能电网应用,展示了5G技术在虚拟电厂领域的巨大潜力。5G技术优势对比传统通信4G5G5G技术在网络时延、连接密度和峰值速率等关键指标上相比4G有了质的飞跃,为虚拟电厂的发展提供了坚实的技术基础。中国在5G技术方面的发展优势2009华为开始5G研究领先全球的研发起点2018首个商用版本华为发布5G商用版本2020规模商用实现5G规模商用中国在5G技术方面的发展优势,有助于引领虚拟电厂发展阶段的跨越,从邀约型向市场型和跨空间自主调度型演进。5G赋能虚拟电厂的未来展望更高效的能源管理5G的高速率和低延迟特性将使虚拟电厂能够更精准地协调分布式能源资源,实现实时优化调度更广泛的设备接入海量物联网通信能力支持更多类型的分布式能源设备接入,包括电动汽车、储能系统、可再生能源发电等更智能的电网运行通过5G网络实现电网的自动化巡检、故障快速定位和自愈,提升电网运行的可靠性和安全性更开放的能源生态5G技术促进电网内外部信息深度交互,打造开放共享的能源互联网新业态关键成果总结5G技术是虚拟