從“馬斯克上房揭瓦”到“三層馬斯洛模型”，5G如何給電網(wǎng)增智？

時(shí)間：2020-07-20 16:53:26

關(guān)鍵字：模型電網(wǎng) 馬斯克

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[導(dǎo)讀]除了SpaceX的“仰望星空”，伊隆·馬斯克(Elon Musk)“腳踏實(shí)地”的新能源網(wǎng)絡(luò)布局，或許更值得注意。消息顯示，基于太陽能發(fā)電馬斯克已在美國的家庭、工廠和公用場所推出了Powerwall、Powerpack、Megapack三級(jí)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，“匯涓成河”構(gòu)建新型電網(wǎng)，為各

除了SpaceX的“仰望星空”，伊隆·馬斯克(Elon Musk)“腳踏實(shí)地”的新能源網(wǎng)絡(luò)布局，或許更值得注意。消息顯示，基于太陽能發(fā)電馬斯克已在美國的家庭、工廠和公用場所推出了Powerwall、Powerpack、Megapack三級(jí)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，“匯涓成河”構(gòu)建新型電網(wǎng)，為各個(gè)場景提供精準(zhǔn)計(jì)量、極具性價(jià)比的電力服務(wù)。

例如在家庭場景，馬斯克“上房揭瓦”用太陽能屋頂Solar Roof替代傳統(tǒng)屋頂，搭配Powerwall儲(chǔ)能系統(tǒng)，正以價(jià)格低廉的設(shè)備租賃模式快速推進(jìn)家庭能源清潔化。這一行動(dòng)雖然還只是邁出了幾小步，但其帶來的影響非常之大，恰如美國太平洋煤氣電力公司電網(wǎng)創(chuàng)新主管Vivek Narayanan評(píng)論稱：“我們正在努力擺脫傳統(tǒng)的單向電力網(wǎng)絡(luò)，朝著未來電網(wǎng)進(jìn)發(fā)?！?/strong>

國內(nèi)這方面的趨勢(shì)也在涌現(xiàn)。不斷增多的太陽能、風(fēng)能發(fā)電帶來的分布式能源接入及儲(chǔ)能需求，快速滲透的電動(dòng)汽車對(duì)新能源充電樁“新基建”的巨大需求，家庭和工商業(yè)用戶對(duì)用電量、電價(jià)等信息知情和管理的訴求……都在呼喚一個(gè)“雙向互動(dòng)”的更加智能的電網(wǎng)誕生。

試想這么一個(gè)場景——當(dāng)某一天純電動(dòng)車的保有量大幅增長后，大量純電動(dòng)車同時(shí)充電會(huì)對(duì)公共電網(wǎng)帶來壓力，使其在一些區(qū)域因用電需求陡增而不堪負(fù)重——這時(shí)便需要發(fā)揮“雙向互動(dòng)”電網(wǎng)的智慧能力，自動(dòng)感知用戶側(cè)響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)從故障監(jiān)測(cè)定位到精準(zhǔn)負(fù)荷控制全流程的自動(dòng)化、智能化配電，確保新能源汽車有電可充“不罷工”。

如何給電力網(wǎng)絡(luò)增“智”？國內(nèi)電網(wǎng)企業(yè)將目光投向了5G。圍繞電力系統(tǒng)發(fā)電、輸電、變電、配電、用電的全流程，先行者們探索了一套智能電網(wǎng)對(duì)5G通信網(wǎng)絡(luò)需求的“三層馬斯洛模型”，從0到1打造出5G智能電網(wǎng)最佳實(shí)踐，并持續(xù)用5G技術(shù)全場景、端到端使能電力網(wǎng)絡(luò)打造能源互聯(lián)網(wǎng)，給后者插上了一雙飛向未來的智慧“翅膀”！

5G全面使能智能電網(wǎng)，演繹“三層馬斯洛模型”

ITU給5G定義了三大場景，包括增強(qiáng)移動(dòng)帶寬（eMBB）、超高可靠低時(shí)延通信（uRLLC）和大規(guī)模機(jī)器類通信（mMTC），這使得它具備大帶寬、廣連接、低時(shí)延、高可靠等特性，再結(jié)合網(wǎng)絡(luò)切片、邊緣計(jì)算等創(chuàng)新技術(shù)，可全流程適配電力網(wǎng)絡(luò)發(fā)、輸、變、配、用五個(gè)環(huán)節(jié)，帶來全面的智能提升。

從電流流向看，發(fā)電、輸電到變電的過程稱為骨干網(wǎng)架，與之對(duì)應(yīng)的通信網(wǎng)絡(luò)是電力骨干通信網(wǎng)；配電和用電對(duì)應(yīng)的是電力終端接入網(wǎng)。

前者的5G應(yīng)用主要場景有新能源功率預(yù)測(cè)與狀態(tài)感知、分散式風(fēng)電組網(wǎng)管理與控制、發(fā)電廠/電站/輸電線路/變電站狀態(tài)監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)控和無人機(jī)巡檢等；后者5G應(yīng)用的主要場景包括配電自動(dòng)化、精準(zhǔn)負(fù)荷控制、配網(wǎng)機(jī)器人巡檢、分布式電源接入、用電信息采集、源網(wǎng)荷互動(dòng)控制、電動(dòng)汽車充電樁、分布式能源接入等。

而根據(jù)以上諸多業(yè)務(wù)場景對(duì)帶寬、時(shí)延、可靠性、連接數(shù)、同步精度等指標(biāo)的不同要求，又可分為低時(shí)延高可靠、廣覆蓋大連接、大容量高帶寬三大類場景。

具體而言，低時(shí)延高可靠場景需要發(fā)揮5G網(wǎng)絡(luò)低至15ms時(shí)延、us級(jí)時(shí)間同步精度、5個(gè)9高可靠性等優(yōu)勢(shì)，適配電力系統(tǒng)差動(dòng)保護(hù)、配網(wǎng)自動(dòng)化、精準(zhǔn)負(fù)荷控制等業(yè)務(wù)場景的需求；廣覆蓋大連接場景需要發(fā)揮5G網(wǎng)絡(luò)可提供每平方公里上千個(gè)連接數(shù)量的優(yōu)勢(shì)，適配用電信息采集、配網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、實(shí)物ID等業(yè)務(wù)場景；大容量高帶寬場景則有發(fā)揮5G網(wǎng)絡(luò)百兆級(jí)上行大帶寬能力，適配AR/VR智能巡檢、機(jī)器人巡檢、無人機(jī)巡檢、變電站視頻回傳等業(yè)務(wù)場景。

基于電力網(wǎng)絡(luò)具體的業(yè)務(wù)場景，結(jié)合5G的三大場景能力及技術(shù)優(yōu)勢(shì)，先行者們探索總結(jié)出一套智能電網(wǎng)對(duì)5G通信網(wǎng)絡(luò)需求的“三層馬斯洛模型”——第一層是差異化+確定性的QoS/SLA保障需求，第二層是業(yè)務(wù)安全隔離需求，第三層是自運(yùn)維自管理需求——從可用、可信到可靠，證明5G可以全場景、端到端為電網(wǎng)增智。

而實(shí)現(xiàn)“三層馬斯洛模型”的關(guān)鍵便在于打造5G確定性網(wǎng)絡(luò)。因?yàn)橐栽茷榛A(chǔ)架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)切片和MEC邊緣計(jì)算為核心抓手、綜合5G LAN和5G TSN等差異化功能的5G確定性網(wǎng)絡(luò)，可以完美地契合能源互聯(lián)網(wǎng)對(duì)于業(yè)務(wù)可用、安全可信、可管可控的三層關(guān)鍵需求，對(duì)電力行業(yè)再合適不過。

如此一來，不僅開篇提到的電動(dòng)車充電爆發(fā)對(duì)公共電網(wǎng)的重壓可以得到智慧釋放，電力發(fā)、輸、變、配、用全環(huán)節(jié)的其他業(yè)務(wù)場景也如插上智慧的翅膀，收獲數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化帶來的降本增效、雙向互動(dòng)、個(gè)性定制等諸多好處。

從實(shí)驗(yàn)到商用，青島打造5G智能電網(wǎng)最佳實(shí)踐

春江水暖鴨先知，基于5G的全場景能力，國家電網(wǎng)積極開啟智能電網(wǎng)轉(zhuǎn)型，提出了建設(shè)具有中國特色國際領(lǐng)先的能源互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)戰(zhàn)略目標(biāo)，并自2017年9月起便與中國電信及華為公司達(dá)成合作，聯(lián)合創(chuàng)新、先行先試。

在這一大目標(biāo)之下，國網(wǎng)青島供電公司積極與中國電信青島分公司、華為公司簽署5G戰(zhàn)略合作框架協(xié)議，攜手成立了5G應(yīng)用創(chuàng)新聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，在5G電力切片建設(shè)模式、網(wǎng)絡(luò)安全、典型應(yīng)用、共建共享以及商業(yè)模式創(chuàng)新等方面先廣泛合作，全面推進(jìn)5G智能電網(wǎng)建設(shè)，打造未來電網(wǎng)。

自那以后，三方在嶗山金家?guī)X、市南奧帆中心、國網(wǎng)大廈、西海岸古鎮(zhèn)口四大示范區(qū)建設(shè)并開通29個(gè)5G站點(diǎn)、部署2套電力專用MEC網(wǎng)絡(luò)，建成了國內(nèi)規(guī)模最大的5G智能電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)。整個(gè)系統(tǒng)基于5G SA獨(dú)立組網(wǎng)架構(gòu)，采用3GPP R15標(biāo)準(zhǔn)的端到端切片解決方案，通過5G接入網(wǎng)、承載網(wǎng)和核心網(wǎng)的不同靈活軟硬隔離技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了電力業(yè)務(wù)場景的用戶面數(shù)據(jù)在電力切片內(nèi)部流轉(zhuǎn)，確保數(shù)據(jù)安全可控。

這里值得注意的是，三方打造的是5G SA網(wǎng)絡(luò)，即接入網(wǎng)與核心網(wǎng)均是5G化的，而非混搭的NSA網(wǎng)絡(luò)。這是因?yàn)?，如果沒有5G核心網(wǎng)，就不能實(shí)現(xiàn)端到端的網(wǎng)絡(luò)切片，5G低時(shí)延、端到端SLA保障、業(yè)務(wù)隔離性、運(yùn)營獨(dú)立性等優(yōu)點(diǎn)就無法實(shí)現(xiàn)，5G虛擬化架構(gòu)帶來的靈活運(yùn)維等優(yōu)勢(shì)也就沒法發(fā)揮。而智能電網(wǎng)的關(guān)鍵突破，正需要上述5GSA的獨(dú)特能力。

在5G SA網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)力支持下，三方及產(chǎn)業(yè)鏈上下游合作伙伴在上述四個(gè)示范區(qū)成功驗(yàn)證了基于5G網(wǎng)絡(luò)的配網(wǎng)態(tài)勢(shì)感知、配網(wǎng)線路差動(dòng)保護(hù)、輸電線5G視頻監(jiān)拍等場景應(yīng)用，充分展現(xiàn)了5G SA網(wǎng)絡(luò)與電力網(wǎng)絡(luò)“交匯碰撞”激發(fā)的巨大潛能。

2019年10月，國網(wǎng)青島供電公司基于5G切片的配網(wǎng)態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)正式上線，在2019青島跨國企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)人峰會(huì)期間為峰會(huì)核心場館奧帆國際會(huì)議中心主場館供電的6座環(huán)網(wǎng)柜實(shí)現(xiàn)監(jiān)控信息高頻采集和實(shí)時(shí)錄波，實(shí)現(xiàn)了變電站高頻業(yè)務(wù)信息實(shí)時(shí)與國網(wǎng)調(diào)動(dòng)中心主站信息交互，切實(shí)保障了現(xiàn)場的機(jī)器設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)，讓跨國交流分秒“不斷電”，以超高的電力保障水平確保跨國企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)人峰會(huì)順利召開。

12月，基于前期的實(shí)驗(yàn)室調(diào)試，國網(wǎng)青島供電公司在古鎮(zhèn)口區(qū)域進(jìn)行了5G配網(wǎng)線路差動(dòng)保護(hù)的外場實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)單基站下通信延時(shí)平均值不大于8.5毫秒，電流相量數(shù)據(jù)發(fā)、收快速可靠，差動(dòng)保護(hù)判定全部正確。這一成果有多厲害呢？須知道，如果要提升配電網(wǎng)保護(hù)級(jí)別到差動(dòng)保護(hù)，通信的時(shí)延必須控制在15ms甚至10ms以內(nèi)，而公網(wǎng)狀態(tài)下的通信時(shí)延超過20ms，必須利用網(wǎng)絡(luò)切片開辟“專用通道”。當(dāng)然光纖專網(wǎng)也能夠達(dá)成目的，但其建設(shè)成本要高出數(shù)倍！

11-12月，國網(wǎng)青島供電公司先是在金家?guī)X示范區(qū)開展基于5G的輸電線路通道可視化試點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了高清視頻實(shí)時(shí)回傳，完成了SA獨(dú)立組網(wǎng)模式下5G切片的實(shí)際應(yīng)用；繼而在黃島區(qū)顧家輸電線上線5G視頻4K監(jiān)拍應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)該輸電線路的5G安全可視化監(jiān)控巡檢。這一應(yīng)用的好處同樣明顯——一方面可以降低人工成本和安全風(fēng)險(xiǎn)并大幅提升巡檢效率，另一方面還能把高清視頻圖像及時(shí)回傳到指揮中心做分析處理，提升運(yùn)維效率。

碩果累累之下，榮譽(yù)也滿滿。去年11月，青島5G智能電網(wǎng)項(xiàng)目獲得山東省移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)5G應(yīng)用創(chuàng)新技能大賽一等獎(jiǎng)；今年3月，該項(xiàng)目作為唯一工業(yè)能源領(lǐng)域案例入選了GSMA 5G SA獨(dú)立組網(wǎng)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用案例集；4月，該項(xiàng)目又在Layer 123舉辦的第三屆網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化峰會(huì)上聯(lián)合榮獲了“5G自動(dòng)化最佳創(chuàng)新商業(yè)項(xiàng)目獎(jiǎng)”。這些“認(rèn)證”表明，5G智能電網(wǎng)不僅理論上可行，現(xiàn)實(shí)里也誕生了最佳實(shí)踐。

2020年新年伊始，中國電信青島分公司與國網(wǎng)青島供電公司正式簽訂了全球5G智能電網(wǎng)領(lǐng)域的首個(gè)商用合同，實(shí)現(xiàn)5G智能電網(wǎng)從0到1的商用突破，下一步將進(jìn)入從1到N的規(guī)?！皬?fù)制”階段。

打造能源互聯(lián)網(wǎng),從電廠向綜合能源服務(wù)商升級(jí)

據(jù)了解，在完成首階段的商用實(shí)踐后，產(chǎn)業(yè)各方接下來還將持續(xù)推進(jìn)5G全場景適配智能電網(wǎng)升級(jí)需求，繼續(xù)驗(yàn)證各類典型應(yīng)用的5G承載能力，包括智能變電站作業(yè)監(jiān)護(hù)、削峰填谷等重點(diǎn)場景應(yīng)用，全面使能智能分布式配電自動(dòng)化、精準(zhǔn)負(fù)荷控制、高級(jí)計(jì)量等不同智能電網(wǎng)應(yīng)用場景，推動(dòng)電力行業(yè)的能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)。

提起能源互聯(lián)網(wǎng)，作為產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)浪潮下的重要分支，其建設(shè)意義非凡。數(shù)據(jù)顯示，2019年我國電力工程建設(shè)投資完成7995億元，其中電源建設(shè)工程投資完成3139億元，占電力投資總額39.2%；電網(wǎng)工程建設(shè)投資完成4856億元，占電力投資總額的60.7%。近8000億的成本支出，如果能夠通過引入5G、AI等先進(jìn)技術(shù)節(jié)省一兩個(gè)點(diǎn)，那將多出上百億的利潤。

同時(shí)不止于降本增效，隨著5G智能電網(wǎng)向能源互聯(lián)網(wǎng)方向發(fā)展演進(jìn)，基于5G這么一個(gè)泛在、靈活、經(jīng)濟(jì)、可靠的無線聯(lián)接網(wǎng)絡(luò)，電力行業(yè)將極有可能打造出“以信息流控制分布式能量流，實(shí)現(xiàn)電能高效傳輸與交換共享”的能源互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)從電廠到綜合能源服務(wù)商的角色轉(zhuǎn)變與價(jià)值躍升。

數(shù)據(jù)顯示，2019年中國老百姓直接用電量約為10250億千瓦時(shí)，人均年度用電量約為732千瓦時(shí)，人均每月用電約61度電，相比之下美國居民同期人均每月用電量高達(dá)359度。在工業(yè)領(lǐng)域，2019年中國第二產(chǎn)業(yè)（廣義工業(yè)）用電量占比高達(dá)68.32%，而美國第二產(chǎn)業(yè)用電量占比僅約為29.2%。顯而易見，無論是家庭還是工業(yè)場合，對(duì)能源利用的提質(zhì)增效都大有可為。

上述提及的削峰填谷，理論上可以根據(jù)不同用戶的用電規(guī)律，合理地、有計(jì)劃地安排和組織各類用戶的用電時(shí)間，以降低負(fù)荷高峰，填補(bǔ)負(fù)荷低谷，進(jìn)而減小電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差，使發(fā)電、用電趨于平衡，而實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵就在于利用5G泛在網(wǎng)打造能源互聯(lián)網(wǎng)，對(duì)各用電場所和終端的信息數(shù)據(jù)“明察秋毫”，讓電網(wǎng)運(yùn)營商與消費(fèi)者建立雙向互動(dòng)關(guān)系，以新商業(yè)模式創(chuàng)造新價(jià)值。

比如，在今天智能家居浪潮下，用戶對(duì)家中日益增多的智能設(shè)備的用電需求存在知情、可視和控制的需求，以便從居民階梯電價(jià)中受益，這就對(duì)高級(jí)計(jì)量提出了要求。5G泛在網(wǎng)可以連接海量的智能電表設(shè)備，并提升采集頻次，豐富采集內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)雙向互動(dòng)，最終滿足客戶智能用電和個(gè)性化服務(wù)的需求。同樣的訴求，在工業(yè)場景只會(huì)更大，產(chǎn)生的價(jià)值也更大！

可預(yù)見，隨著馬斯克規(guī)劃的太陽能發(fā)電+三級(jí)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)展壯大，這位技術(shù)狂人亦將思考如何利用先進(jìn)的信息網(wǎng)絡(luò)將龐大的電網(wǎng)連接起來提供服務(wù)，可選的技術(shù)毫無疑問也將是5G（或者說他正在推動(dòng)的星鏈，如果來得及的話）。不管怎樣，在清潔和綠色能源的大背景下，能源互聯(lián)網(wǎng)支撐下的電網(wǎng)運(yùn)營商將可以提供更加敏捷、高效、智能、彈性的服務(wù)，構(gòu)建更加靈活創(chuàng)新的商業(yè)模式，發(fā)掘更多新價(jià)值。

這樣的智能電網(wǎng)，誰會(huì)不來電？！