从“马斯克上房揭瓦”到“三层马斯洛模型”,5G如何给电网增智?

极客网·极客观察(朱飞)7月1日 除了SpaceX的“仰望星空”,伊隆·马斯克(Elon Musk)“脚踏实地”的新能源网络布局,或许更值得注意。消息显示,基于太阳能发电马斯克已在美国的家庭、工厂和公用场所推出了Powerwall、Powerpack、Megapack三级电池储能系统,“汇涓成河”构建新型电网,为各个场景提供精准计量、极具性价比的电力服务。

例如在家庭场景,马斯克“上房揭瓦”用太阳能屋顶Solar Roof替代传统屋顶,搭配Powerwall储能系统,正以价格低廉的设备租赁模式快速推进家庭能源清洁化。这一行动虽然还只是迈出了几小步,但其带来的影响非常之大,恰如美国太平洋煤气电力公司电网创新主管Vivek Narayanan评论称:“我们正在努力摆脱传统的单向电力网络,朝着未来电网进发。”

国内这方面的趋势也在涌现。不断增多的太阳能、风能发电带来的分布式能源接入及储能需求,快速渗透的电动汽车对新能源充电桩“新基建”的巨大需求,家庭和工商业用户对用电量、电价等信息知情和管理的诉求……都在呼唤一个“双向互动”的更加智能的电网诞生。

试想这么一个场景——当某一天纯电动车的保有量大幅增长后,大量纯电动车同时充电会对公共电网带来压力,使其在一些区域因用电需求陡增而不堪负重——这时便需要发挥“双向互动”电网的智慧能力,自动感知用户侧响应,实现从故障监测定位到精准负荷控制全流程的自动化、智能化配电,确保新能源汽车有电可充“不罢工”。

如何给电力网络增“智”?国内电网企业将目光投向了5G。围绕电力系统发电、输电、变电、配电、用电的全流程,先行者们探索了一套智能电网对5G通信网络需求的“三层马斯洛模型”,从0到1打造出5G智能电网最佳实践,并持续用5G技术全场景、端到端使能电力网络打造能源互联网,给后者插上了一双飞向未来的智慧“翅膀”!

5G全面使能智能电网,演绎“三层马斯洛模型”

ITU给5G定义了三大场景,包括增强移动带宽(eMBB)、超高可靠低时延通信(uRLLC)和大规模机器类通信(mMTC),这使得它具备大带宽、广连接、低时延、高可靠等特性,再结合网络切片、边缘计算等创新技术,可全流程适配电力网络发、输、变、配、用五个环节,带来全面的智能提升。

从电流流向看,发电、输电到变电的过程称为骨干网架,与之对应的通信网络是电力骨干通信网;配电和用电对应的是电力终端接入网。

前者的5G应用主要场景有新能源功率预测与状态感知、分散式风电组网管理与控制、发电厂/电站/输电线路/变电站状态监测、视频监控和无人机巡检等;后者5G应用的主要场景包括配电自动化、精准负荷控制、配网机器人巡检、分布式电源接入、用电信息采集、源网荷互动控制、电动汽车充电桩、分布式能源接入等。

而根据以上诸多业务场景对带宽、时延、可靠性、连接数、同步精度等指标的不同要求,又可分为低时延高可靠、广覆盖大连接、大容量高带宽三大类场景。

具体而言,低时延高可靠场景需要发挥5G网络低至15ms时延、us级时间同步精度、5个9高可靠性等优势,适配电力系统差动保护、配网自动化、精准负荷控制等业务场景的需求;广覆盖大连接场景需要发挥5G网络可提供每平方公里上千个连接数量的优势,适配用电信息采集、配网状态监测、实物ID等业务场景;大容量高带宽场景则有发挥5G网络百兆级上行大带宽能力,适配AR/VR智能巡检、机器人巡检、无人机巡检、变电站视频回传等业务场景。

基于电力网络具体的业务场景,结合5G的三大场景能力及技术优势,先行者们探索总结出一套智能电网对5G通信网络需求的“三层马斯洛模型”——第一层是差异化+确定性的QoS/SLA保障需求,第二层是业务安全隔离需求,第三层是自运维自管理需求——从可用、可信到可靠,证明5G可以全场景、端到端为电网增智。

而实现“三层马斯洛模型”的关键便在于打造5G确定性网络。因为以原生云为基础架构、网络切片和MEC边缘计算为核心抓手、综合5G LAN和5G TSN等差异化功能的5G确定性网络,可以完美地契合能源互联网对于业务可用、安全可信、可管可控的三层关键需求,对电力行业再合适不过。

如此一来,不仅开篇提到的电动车充电爆发对公共电网的重压可以得到智慧释放,电力发、输、变、配、用全环节的其他业务场景也如插上智慧的翅膀,收获数字化、网络化、智能化带来的降本增效、双向互动、个性定制等诸多好处。

从实验到商用,青岛打造5G智能电网最佳实践

春江水暖鸭先知,基于5G的全场景能力,国家电网积极开启智能电网转型,提出了建设具有中国特色国际领先的能源互联网企业战略目标,并自2017年9月起便与中国电信及华为公司达成合作,联合创新、先行先试。

在这一大目标之下,国网青岛供电公司积极与中国电信青岛分公司、华为公司签署5G战略合作框架协议,携手成立了5G应用创新联合实验室,在5G电力切片建设模式、网络安全、典型应用、共建共享以及商业模式创新等方面先广泛合作,全面推进5G智能电网建设,打造未来电网。

自那以后,三方在崂山金家岭、市南奥帆中心、国网大厦、西海岸古镇口四大示范区建设并开通29个5G站点、部署2套电力专用MEC网络,建成了国内规模最大的5G智能电网实验网。整个系统基于5G SA独立组网架构,采用3GPP R15标准的端到端切片解决方案,通过5G接入网、承载网和核心网的不同灵活软硬隔离技术,实现了电力业务场景的用户面数据在电力切片内部流转,确保数据安全可控。

这里值得注意的是,三方打造的是5G SA网络,即接入网与核心网均是5G化的,而非混搭的NSA网络。这是因为,如果没有5G核心网,就不能实现端到端的网络切片,5G低时延、端到端SLA保障、业务隔离性、运营独立性等优点就无法实现,5G虚拟化架构带来的灵活运维等优势也就没法发挥。而智能电网的关键突破,正需要上述5G SA的独特能力。

在5G SA网络的强力支持下,三方及产业链上下游合作伙伴在上述四个示范区成功验证了基于5G网络的配网态势感知、配网线路差动保护、输电线5G视频监拍等场景应用,充分展现了5G SA网络与电力网络“交汇碰撞”激发的巨大潜能。

2019年10月,国网青岛供电公司基于5G切片的配网态势感知系统正式上线,在2019青岛跨国企业领导人峰会期间为峰会核心场馆奥帆国际会议中心主场馆供电的6座环网柜实现监控信息高频采集和实时录波,实现了变电站高频业务信息实时与国网调动中心主站信息交互,切实保障了现场的机器设备运转,让跨国交流分秒“不断电”,以超高的电力保障水平确保跨国企业领导人峰会顺利召开。

12月,基于前期的实验室调试,国网青岛供电公司在古镇口区域进行了5G配网线路差动保护的外场实验,实现单基站下通信延时平均值不大于8.5毫秒,电流相量数据发、收快速可靠,差动保护判定全部正确。这一成果有多厉害呢?须知道,如果要提升配电网保护级别到差动保护,通信的时延必须控制在15ms甚至10ms以内,而公网状态下的通信时延超过20ms,必须利用网络切片开辟“专用通道”。当然光纤专网也能够达成目的,但其建设成本要高出数倍!

11-12月,国网青岛供电公司先是在金家岭示范区开展基于5G的输电线路通道可视化试点,实现了高清视频实时回传,完成了SA独立组网模式下5G切片的实际应用;继而在黄岛区顾家输电线上线5G视频4K监拍应用,实现该输电线路的5G安全可视化监控巡检。这一应用的好处同样明显——一方面可以降低人工成本和安全风险并大幅提升巡检效率,另一方面还能把高清视频图像及时回传到指挥中心做分析处理,提升运维效率。

硕果累累之下,荣誉也满满。去年11月,青岛5G智能电网项目获得山东省移动互联网5G应用创新技能大赛一等奖;今年3月,该项目作为唯一工业能源领域案例入选了GSMA 5G SA独立组网驱动应用案例集;4月,该项目又在Layer 123举办的第三届网络自动化峰会上联合荣获了“5G自动化最佳创新商业项目奖”。这些“认证”表明,5G智能电网不仅理论上可行,现实里也诞生了最佳实践。

2020年新年伊始,中国电信青岛分公司与国网青岛供电公司正式签订了全球5G智能电网领域的首个商用合同,实现5G智能电网从0到1的商用突破,下一步将进入从1到N的规模“复制”阶段。

打造能源互联网,从电厂向综合能源服务商升级

据了解,在完成首阶段的商用实践后,产业各方接下来还将持续推进5G全场景适配智能电网升级需求,继续验证各类典型应用的5G承载能力,包括智能变电站作业监护、削峰填谷等重点场景应用,全面使能智能分布式配电自动化、精准负荷控制、高级计量等不同智能电网应用场景,推动电力行业的能源互联网建设。

 提起能源互联网,作为产业互联网浪潮下的重要分支,其建设意义非凡。数据显示,2019年我国电力工程建设投资完成7995亿元,其中电源建设工程投资完成3139亿元,占电力投资总额39.2%;电网工程建设投资完成4856亿元,占电力投资总额的60.7%。近8000亿的成本支出,如果能够通过引入5G、AI等先进技术节省一两个点,那将多出上百亿的利润。

同时不止于降本增效,随着5G智能电网向能源互联网方向发展演进,基于5G这么一个泛在、灵活、经济、可靠的无线联接网络,电力行业将极有可能打造出“以信息流控制分布式能量流,实现电能高效传输与交换共享”的能源互联网,实现从电厂到综合能源服务商的角色转变与价值跃升。

数据显示,2019年中国老百姓直接用电量约为10250亿千瓦时,人均年度用电量约为732千瓦时,人均每月用电约61度电,相比之下美国居民同期人均每月用电量高达359度。在工业领域,2019年中国第二产业(广义工业)用电量占比高达68.32%,而美国第二产业用电量占比仅约为29.2%。显而易见,无论是家庭还是工业场合,对能源利用的提质增效都大有可为。

上述提及的削峰填谷,理论上可以根据不同用户的用电规律,合理地、有计划地安排和组织各类用户的用电时间,以降低负荷高峰,填补负荷低谷,进而减小电网负荷峰谷差,使发电、用电趋于平衡,而实现的关键就在于利用5G泛在网打造能源互联网,对各用电场所和终端的信息数据“明察秋毫”,让电网运营商与消费者建立双向互动关系,以新商业模式创造新价值。

比如,在今天智能家居浪潮下,用户对家中日益增多的智能设备的用电需求存在知情、可视和控制的需求,以便从居民阶梯电价中受益,这就对高级计量提出了要求。5G泛在网可以连接海量的智能电表设备,并提升采集频次,丰富采集内容,实现双向互动,最终满足客户智能用电和个性化服务的需求。同样的诉求,在工业场景只会更大,产生的价值也更大!

可预见,随着马斯克规划的太阳能发电+三级电池储能系统发展壮大,这位技术狂人亦将思考如何利用先进的信息网络将庞大的电网连接起来提供服务,可选的技术毫无疑问也将是5G(或者说他正在推动的星链,如果来得及的话)。不管怎样,在清洁和绿色能源的大背景下,能源互联网支撑下的电网运营商将可以提供更加敏捷、高效、智能、弹性的服务,构建更加灵活创新的商业模式,发掘更多新价值。

这样的智能电网,谁会不来电?!


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