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5G技术与未来电力系统如何相互作用?

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2019年6月6日,工信部向中国电信、中国移动、中国联通和中国广电发放了5G商用牌照,拉开了5G商用的序幕。随着5G技术的逐渐普及,它将促进包括自动驾驶、全息投影通话等诸多前沿技术的推广和成熟。电力行业与信息通信行业关系密切:中国2018年互联网和软件等相关服务业电力消费同比增速超过60%。在长期全社会用电量增速放缓的背景下,5G技术会给用电量带来哪些影响呢?电力系统的安全运转离不开可靠稳定的通信传输。那么5G技术会如何帮助电力系统提高供电质量和灵活性?电力系统对5G应用场景的需求大吗?我们先从5G的设计目标说起。

5G的设计目标 – 强带宽,低时延,大规模

5G的全称是第五代移动通信技术,是最新一代的蜂窝移动通信技术。与4G技术相比,完整5G系统的设计目标是增强移动带宽(enhanced Mobile Broadband, eMBB),超高可靠和超低时延传输(ultra Reliable Low Latency Communications, uRLLC)和大规模机器类通信(massive Machine Type Communications, mMTC)。在中长期,5G将对包括电力行业在内的众多行业产生深刻的影响。

5G技术对用电量的影响 – 促进通信行业电力消费,也帮助其他行业节电

5G网络的应用推动通信业电力消费快速增长,其碳排放也将迅速攀升。华为研究员Andrae和Edler的研究表明,仅在预期情景中,通信行业占全球电力消费总量的比重将从2019年的11%增加到2030年的21%。他们统计的通信行业的用电量包括设备生产、网络通信、终端设备和数据中心的电力消耗。

在他们的模型中,5G的推广最明显的贡献是使数据中心耗电量激增。这是因为数据中心和用户之间的信息通信仅占数据中心全部信息通信量的不到一半,更多的流量来自于数据中心内部的存储、处理与计算功能,还有不同数据中心之间的传输。所以5G用户通信量快速增长,对数据中心数据量的增长有一个乘数效应。而数据中心用电效率提升速度慢于通信数据量增长速度,所以用电量会迅速提升。

根据他们的结论进一步思索,数据中心如果直接从电网购电,不仅要承担高额电费,还要购买碳排放的配额。高成本会推动数据中心去采购可再生能源电力。目前,苹果和谷歌都声称其数据中心100%使用可再生能源。多元化的可再生能源的采购方式可以帮助数据中心减排,而这个进程不仅靠企业自愿,还有赖于政策制定者的设计和环保组织的支持。

另一方面,5G技术可以应用到工业和服务业的节电。目前,4G已经通过物联网为工业提供节能解决方案。西门子在2018年与蓝格赛澳大利亚签订了一个协议,为后者的物流中心安装基于物联网的云端用能监测系统。这个系统通过安装传感器来监测不同设备的电力消耗,从而优化系统运行,节约多达15%的电力。与4G技术相比,5G大规模终端间通信可以让物联网节电系统接入更多监测器,对更多指标进行监测,让系统的优化更实时。

然而,5G技术带来的节电量多大程度上可以抵减该技术推动的通信行业用电增长量,仍然要打一个问号。不同企业对物联网用于节能的通信需求情景不同,而2G、3G和4G技术已经可以满足相当一部分工商业用户的需求。5G在推广初期很可能比传统通信技术设备和运行成本高,所以主要由高新技术产业投资和使用,因而对全社会的节电贡献量有限。

5G技术提高供电质量和电力系统的灵活性

除了影响用电量外,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。中国电信、国家电网和华为去年发布的一篇报告设想了几种应用情景。一个是特高压直流输电线发生双极闭锁等紧急事故时,5G技术协助在毫秒级的时延内精准切断制冷等可中断负荷。与传统集中切断负荷相比,该方式降低了事故对重要负荷的影响。另一种情景则针对配电网的差动保护:在配网局部发生故障时,5G通信系统使得毫秒级自动定位并隔离故障成为可能,从而保障非故障区域的不间断供电。

另外,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。2019年6月17日,国网华北分部首次实现24小时对电动汽车和分布式储能联合优化调度。报道称智能调度的自动发电控制(AGC)指令的通信是通过4G物联专网与能源路由器通信实现的。未来电动汽车和用户侧储能终端达到千万级别时,调度机构和负荷集成商(Load Aggregator)可以使用5G技术与用户终端实时通信。这将促成用户侧参与提供调频等辅助服务,从而优化电力系统运行。

但是,与电力系统中的光纤通信和无线专网通信相比,5G有更多潜在的通信安全风险敞口,也面临着经济性上的挑战。通信安全上,5G网络内终端节点众多,从而安全暴露面更广。电力系统对于网络安全要求极高,如何防止攻击者找到最薄弱的节点切入进行攻击是一个重要的研究课题。另一个问题是5G基站等基础设施谁来投资和建设,成本如何疏导,投资回收期多长。为解决这个问题,未来有可能会出现通信公司、电网公司、配网运营商、大用户和分布式资源提供者共担成本并共享收益的商业模式。

电力系统对5G技术的需求将分层级、分阶段地逐渐丰富

5G技术有潜力适应未来电力系统的发展趋势,上文介绍的负荷精准控制、配电网差动保护和分布式电源的灵活调度等场景都体现了5G技术的优势。中国电力行业通信技术的发展史也是技术更迭演进的历史,每一次更迭都伴随着应用场景需求的变化和技术性能的提升。从上世纪六七十年代的电力载波通信起步,到八九十年代微波通信快速发展,再到九十年代中后期光纤通信普及,直到近些年无线专网和4G的应用,电力行业通信的可靠性提高了,覆盖范围扩大了,抗干扰能力强了。虽然光纤、无线专网和4G已经满足了当前电力系统相当一部分的通信需求,但电力系统对通信网络大规模终端接入和低时延的要求不断提高,给5G技术提供了越来越多的商业机会。5G推广普及的过程可能需要十多年,其间规模效应和学习效应可以帮助5G技术不断降低设备和系统的成本,更好地满足和创造电力行业新的应用情景。

未来5G与电力交叉领域的研究课题

5G技术可以从电力消费、供电质量和电力系统灵活性等多方面影响电力行业,而灵活的电力系统对5G技术的需求场景也在不断增加。那么未来如何提高5G设备和数据中心的能效,控制相关的碳排放?如何应对与5G技术相随的电力系统通信安全问题?5G技术下电力市场中会出现哪些新兴市场主体和商业模式?引入5G技术所需投资可以通过什么方式收回?我们共同求索。