從“馬斯克上房揭瓦”到“三層馬斯洛模型”，5G如何給電網增智？
除了SpaceX的“仰望星空”，伊隆·馬斯克“腳踏實地”的新能源網絡佈局，或許更值得注意。消息顯示，基於太陽能發電馬斯克已在美國的家庭、工廠和公用場所推出了Powerwall、Powerpack、Megapack三級電池儲能系統，“匯涓成河”構建新型電網，為各個場景提供精準計量、極具性價比的電力服務。
例如在家庭場景，馬斯克“上房揭瓦”用太陽能屋頂Solar Roof替代傳統屋頂，搭配Powerwall儲能系統，正以價格低廉的設備租賃模式快速推進家庭能源清潔化。這一行動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創新主管Vivek Narayanan評論稱：“我們正在努力擺脱傳統的單向電力網絡，朝着未來電網進發。”
國內這方面的趨勢也在湧現。不斷增多的太陽能、風能發電帶來的分佈式能源接入及儲能需求，快速滲透的電動汽車對新能源充電樁“新基建”的巨大需求，家庭和工商業用户對用電量、電價等信息知情和管理的訴求……都在呼喚一個“雙向互動”的更加智能的電網誕生。
試想這麼一個場景——當某一天純電動車的保有量大幅增長後，大量純電動車同時充電會對公共電網帶來壓力，使其在一些區域因用電需求陡增而不堪負重——這時便需要發揮“雙向互動”電網的智慧能力，自動感知用户側響應，實現從故障監測定位到精準負荷控制全流程的自動化、智能化配電，確保新能源汽車有電可充“不罷工”。
如何給電力網絡增“智”？國內電網企業將目光投向了5G。圍繞電力系統發電、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對5G通信網絡需求的“三層馬斯洛模型”，從0到1打造出5G智能電網最佳實踐，並持續用5G技術全場景、端到端使能電力網絡打造能源互聯網，給後者插上了一雙飛向未來的智慧“翅膀”！
5G全面使能智能電網，演繹“三層馬斯洛模型”
ITU給5G定義了三大場景，包括增強移動帶寬、超高可靠低時延通信和大規模機器類通信，這使得它具備大帶寬、廣連接、低時延、高可靠等特性，再結合網絡切片、邊緣計算等創新技術，可全流程適配電力網絡發、輸、變、配、用五個環節，帶來全面的智能提升。
從電流流向看，發電、輸電到變電的過程稱為骨幹網架，與之對應的通信網絡是電力骨幹通信網；配電和用電對應的是電力終端接入網。
前者的5G應用主要場景有新能源功率預測與狀態感知、分散式風電組網管理與控制、發電廠/電站/輸電線路/變電站狀態監測、視頻監控和無人機巡檢等；後者5G應用的主要場景包括配電自動化、精準負荷控制、配網機器人巡檢、分佈式電源接入、用電信息採集、源網荷互動控制、電動汽車充電樁、分佈式能源接入等。
而根據以上諸多業務場景對帶寬、時延、可靠性、連接數、同步精度等指標的不同要求，又可分為低時延高可靠、廣覆蓋大連接、大容量高帶寬三大類場景。
具體而言，低時延高可靠場景需要發揮5G網絡低至15ms時延、us級時間同步精度、5個9高可靠性等優勢，適配電力系統差動保護、配網自動化、精準負荷控制等業務場景的需求；廣覆蓋大連接場景需要發揮5G網絡可提供每平方公里上千個連接數量的優勢，適配用電信息採集、配網狀態監測、實物ID等業務場景；大容量高帶寬場景則有發揮5G網絡百兆級上行大帶寬能力，適配AR/VR智能巡檢、機器人巡檢、無人機巡檢、變電站視頻回傳等業務場景。
基於電力網絡具體的業務場景，結合5G的三大場景能力及技術優勢，先行者們探索總結出一套智能電網對5G通信網絡需求的“三層馬斯洛模型”——第一層是差異化+確定性的QoS/SLA保障需求，第二層是業務安全隔離需求，第三層是自運維自管理需求——從可用、可信到可靠，證明5G可以全場景、端到端為電網增智。
而實現“三層馬斯洛模型”的關鍵便在於打造5G確定性網絡。因為以原生云為基礎架構、網絡切片和MEC邊緣計算為核心抓手、綜合5G LAN和5G TSN等差異化功能的5G確定性網絡，可以完美地契合能源互聯網對於業務可用、安全可信、可管可控的三層關鍵需求，對電力行業再合適不過。
如此一來，不僅開篇提到的電動車充電爆發對公共電網的重壓可以得到智慧釋放，電力發、輸、變、配、用全環節的其他業務場景也如插上智慧的翅膀，收穫數字化、網絡化、智能化帶來的降本增效、雙向互動、個性定製等諸多好處。
從實驗到商用，青島打造5G智能電網最佳實踐
春江水暖鴨先知，基於5G的全場景能力，國家電網積極開啓智能電網轉型，提出了建設具有中國特色國際領先的能源互聯網企業戰略目標，並自2017年9月起便與中國電信及華為公司達成合作，聯合創新、先行先試。
在這一大目標之下，國網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戰略合作框架協議，攜手成立了5G應用創新聯合實驗室，在5G電力切片建設模式、網絡安全、典型應用、共建共享以及商業模式創新等方面先廣泛合作，全面推進5G智能電網建設，打造未來電網。
自那以後，三方在嶗山金家嶺、市南奧帆中心、國網大廈、西海岸古鎮口四大示範區建設並開通29個5G站點、部署2套電力專用MEC網絡，建成了國內規模最大的5G智能電網實驗網。整個系統基於5G SA獨立組網架構，採用3GPP R15標準的端到端切片解決方案，通過5G接入網、承載網和核心網的不同靈活軟硬隔離技術，實現了電力業務場景的用户面數據在電力切片內部流轉，確保數據安全可控。
這裏值得注意的是，三方打造的是5G SA網絡，即接入網與核心網均是5G化的，而非混搭的NSA網絡。這是因為，如果沒有5G核心網，就不能實現端到端的網絡切片，5G低時延、端到端SLA保障、業務隔離性、運營獨立性等優點就無法實現，5G虛擬化架構帶來的靈活運維等優勢也就沒法發揮。而智能電網的關鍵突破，正需要上述5G SA的獨特能力。
在5G SA網絡的強力支持下，三方及產業鏈上下游合作伙伴在上述四個示範區成功驗證了基於5G網絡的配網態勢感知、配網線路差動保護、輸電線5G視頻監拍等場景應用，充分展現了5G SA網絡與電力網絡“交匯碰撞”激發的巨大潛能。
2019年10月，國網青島供電公司基於5G切片的配網態勢感知系統正式上線，在2019青島跨國企業領導人峯會期間為峯會核心場館奧帆國際會議中心主場館供電的6座環網櫃實現監控信息高頻採集和實時錄波，實現了變電站高頻業務信息實時與國網調動中心主站信息交互，切實保障了現場的機器設備運轉，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領導人峯會順利召開。
12月，基於前期的實驗室調試，國網青島供電公司在古鎮口區域進行了5G配網線路差動保護的外場實驗，實現單基站下通信延時平均值不大於8.5毫秒，電流相量數據發、收快速可靠，差動保護判定全部正確。這一成果有多厲害呢？須知道，如果要提升配電網保護級別到差動保護，通信的時延必須控制在15ms甚至10ms以內，而公網狀態下的通信時延超過20ms，必須利用網絡切片開闢“專用通道”。當然光纖專網也能夠達成目的，但其建設成本要高出數倍！
11-12月，國網青島供電公司先是在金家嶺示範區開展基於5G的輸電線路通道可視化試點，實現了高清視頻實時回傳，完成了SA獨立組網模式下5G切片的實際應用；繼而在黃島區顧家輸電線上線5G視頻4K監拍應用，實現該輸電線路的5G安全可視化監控巡檢。這一應用的好處同樣明顯——一方面可以降低人工成本和安全風險並大幅提升巡檢效率，另一方面還能把高清視頻圖像及時回傳到指揮中心做分析處理，提升運維效率。
碩果累累之下，榮譽也滿滿。去年11月，青島5G智能電網項目獲得山東省移動互聯網5G應用創新技能大賽一等獎；今年3月，該項目作為唯一工業能源領域案例入選了GSMA 5G SA獨立組網驅動應用案例集；4月，該項目又在Layer 123舉辦的第三屆網絡自動化峯會上聯合榮獲了“5G自動化最佳創新商業項目獎”。這些“認證”表明，5G智能電網不僅理論上可行，現實裏也誕生了最佳實踐。
2020年新年伊始，中國電信青島分公司與國網青島供電公司正式簽訂了全球5G智能電網領域的首個商用合同，實現5G智能電網從0到1的商用突破，下一步將進入從1到N的規模“複製”階段。
打造能源互聯網，從電廠向綜合能源服務商升級
據瞭解，在完成首階段的商用實踐後，產業各方接下來還將持續推進5G全場景適配智能電網升級需求，繼續驗證各類典型應用的5G承載能力，包括智能變電站作業監護、削峯填谷等重點場景應用，全面使能智能分佈式配電自動化、精準負荷控制、高級計量等不同智能電網應用場景，推動電力行業的能源互聯網建設。
提起能源互聯網，作為產業互聯網浪潮下的重要分支，其建設意義非凡。數據顯示，2019年我國電力工程建設投資完成7995億元，其中電源建設工程投資完成3139億元，佔電力投資總額39.2%；電網工程建設投資完成4856億元，佔電力投資總額的60.7%。近8000億的成本支出，如果能夠通過引入5G、AI等先進技術節省一兩個點，那將多出上百億的利潤。
同時不止於降本增效，隨着5G智能電網向能源互聯網方向發展演進，基於5G這麼一個泛在、靈活、經濟、可靠的無線聯接網絡，電力行業將極有可能打造出“以信息流控制分佈式能量流，實現電能高效傳輸與交換共享”的能源互聯網，實現從電廠到綜合能源服務商的角色轉變與價值躍升。
數據顯示，2019年中國老百姓直接用電量約為10250億千瓦時，人均年度用電量約為732千瓦時，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359度。在工業領域，2019年中國第二產業用電量佔比高達68.32%，而美國第二產業用電量佔比僅約為29.2%。顯而易見，無論是家庭還是工業場合，對能源利用的提質增效都大有可為。
上述提及的削峯填谷，理論上可以根據不同用户的用電規律，合理地、有計劃地安排和組織各類用户的用電時間，以降低負荷高峯，填補負荷低谷，進而減小電網負荷峯谷差，使發電、用電趨於平衡，而實現的關鍵就在於利用5G泛在網打造能源互聯網，對各用電場所和終端的信息數據“明察秋毫”，讓電網運營商與消費者建立雙向互動關係，以新商業模式創造新價值。
比如，在今天智能家居浪潮下，用户對家中日益增多的智能設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中受益，這就對高級計量提出了要求。5G泛在網可以連接海量的智能電錶設備，並提升採集頻次，豐富採集內容，實現雙向互動，最終滿足客户智能用電和個性化服務的需求。同樣的訴求，在工業場景只會更大，產生的價值也更大！
可預見，隨着馬斯克規劃的太陽能發電+三級電池儲能系統發展壯大，這位技術狂人亦將思考如何利用先進的信息網絡將龐大的電網連接起來提供服務，可選的技術毫無疑問也將是5G。不管怎樣，在清潔和綠色能源的大背景下，能源互聯網支撐下的電網運營商將可以提供更加敏捷、高效、智能、彈性的服務，構建更加靈活創新的商業模式，發掘更多新價值。
這樣的智能電網，誰會不來電？！