2019年6月6日，工信部向中國電信、中國移動、中國聯(lián)通和中國廣電發(fā)放了5G商用牌照，拉開了5G商用的序幕。隨著5G技術的逐漸普及，它將促進包括自動駕駛、全息投影通話等諸多前沿技術的推廣和成熟。電力行業(yè)與信息通信行業(yè)關系密切：中國2018年互聯(lián)網和軟件等相關服務業(yè)電力消費同比增速超過60%。在長期全社會用電量增速放緩的背景下，5G技術會給用電量帶來哪些影響呢？電力系統(tǒng)的安全運轉離不開可靠穩(wěn)定的通信傳輸。那么5G技術會如何幫助電力系統(tǒng)提高供電質量和靈活性？電力系統(tǒng)對5G應用場景的需求大嗎？我們先從5G的設計目標說起。

 

 

5G的全稱是第五代移動通信技術，是最新一代的蜂窩移動通信技術。與4G技術相比，完整5G系統(tǒng)的設計目標是增強移動帶寬（enhanced Mobile Broadband, eMBB），超高可靠和超低時延傳輸（ultra Reliable Low Latency Communications, uRLLC）和大規(guī)模機器類通信（massive Machine Type Communications, mMTC）。在中長期，5G將對包括電力行業(yè)在內的眾多行業(yè)產生深刻的影響。

 

 

5G網絡的應用推動通信業(yè)電力消費快速增長，其碳排放也將迅速攀升。華為研究員Andrae和Edler的研究表明，僅在預期情景中，通信行業(yè)占全球電力消費總量的比重將從2019年的11%增加到2030年的21%。他們統(tǒng)計的通信行業(yè)的用電量包括設備生產、網絡通信、終端設備和數(shù)據中心的電力消耗。

 

在他們的模型中，5G的推廣最明顯的貢獻是使數(shù)據中心耗電量激增。這是因為數(shù)據中心和用戶之間的信息通信僅占數(shù)據中心全部信息通信量的不到一半，更多的流量來自于數(shù)據中心內部的存儲、處理與計算功能，還有不同數(shù)據中心之間的傳輸。所以5G用戶通信量快速增長，對數(shù)據中心數(shù)據量的增長有一個乘數(shù)效應。而數(shù)據中心用電效率提升速度慢于通信數(shù)據量增長速度，所以用電量會迅速提升。

 

根據他們的結論進一步思索，數(shù)據中心如果直接從電網購電，不僅要承擔高額電費，還要購買碳排放的配額。高成本會推動數(shù)據中心去采購可再生能源電力。目前，蘋果和谷歌都聲稱其數(shù)據中心100%使用可再生能源。多元化的可再生能源的采購方式可以幫助數(shù)據中心減排，而這個進程不僅靠企業(yè)自愿，還有賴于政策制定者的設計和環(huán)保組織的支持。

 

另一方面，5G技術可以應用到工業(yè)和服務業(yè)的節(jié)電。目前，4G已經通過物聯(lián)網為工業(yè)提供節(jié)能解決方案。西門子在2018年與藍格賽澳大利亞簽訂了一個協(xié)議，為后者的物流中心安裝基于物聯(lián)網的云端用能監(jiān)測系統(tǒng)。這個系統(tǒng)通過安裝傳感器來監(jiān)測不同設備的電力消耗，從而優(yōu)化系統(tǒng)運行，節(jié)約多達15%的電力。與4G技術相比，5G大規(guī)模終端間通信可以讓物聯(lián)網節(jié)電系統(tǒng)接入更多監(jiān)測器，對更多指標進行監(jiān)測，讓系統(tǒng)的優(yōu)化更實時。

 

然而，5G技術帶來的節(jié)電量多大程度上可以抵減該技術推動的通信行業(yè)用電增長量，仍然要打一個問號。不同企業(yè)對物聯(lián)網用于節(jié)能的通信需求情景不同，而2G、3G和4G技術已經可以滿足相當一部分工商業(yè)用戶的需求。5G在推廣初期很可能比傳統(tǒng)通信技術設備和運行成本高，所以主要由高新技術產業(yè)投資和使用，因而對全社會的節(jié)電貢獻量有限。

 

 

除了影響用電量外，5G還有潛力提高電力系統(tǒng)的供電質量。5G超低時延和高可靠性的信息傳輸將助力智能電網的自動采集和控制類業(yè)務，從而降低了電力系統(tǒng)潛在停電影響的范圍和時長。中國電信、國家電網和華為去年發(fā)布的一篇報告設想了幾種應用情景。一個是特高壓直流輸電線發(fā)生雙極閉鎖等緊急事故時，5G技術協(xié)助在毫秒級的時延內精準切斷制冷等可中斷負荷。與傳統(tǒng)集中切斷負荷相比，該方式降低了事故對重要負荷的影響。另一種情景則針對配電網的差動保護：在配網局部發(fā)生故障時，5G通信系統(tǒng)使得毫秒級自動定位并隔離故障成為可能，從而保障非故障區(qū)域的不間斷供電。

 

另外，5G允許大規(guī)模通信終端接入，使得電力系統(tǒng)更好地適應快速增長的分布式電源和用戶側儲能等靈活的資源，保證系統(tǒng)穩(wěn)定。2019年6月17日，國網華北分部首次實現(xiàn)24小時對電動汽車和分布式儲能聯(lián)合優(yōu)化調度。報道稱智能調度的自動發(fā)電控制（AGC）指令的通信是通過4G物聯(lián)專網與能源路由器通信實現(xiàn)的。未來電動汽車和用戶側儲能終端達到千萬級別時，調度機構和負荷集成商（Load Aggregator）可以使用5G技術與用戶終端實時通信。這將促成用戶側參與提供調頻等輔助服務，從而優(yōu)化電力系統(tǒng)運行。

 

但是，與電力系統(tǒng)中的光纖通信和無線專網通信相比，5G有更多潛在的通信安全風險敞口，也面臨著經濟性上的挑戰(zhàn)。通信安全上，5G網絡內終端節(jié)點眾多，從而安全暴露面更廣。電力系統(tǒng)對于網絡安全要求極高，如何防止攻擊者找到最薄弱的節(jié)點切入進行攻擊是一個重要的研究課題。另一個問題是5G基站等基礎設施誰來投資和建設，成本如何疏導，投資回收期多長。為解決這個問題，未來有可能會出現(xiàn)通信公司、電網公司、配網運營商、大用戶和分布式資源提供者共擔成本并共享收益的商業(yè)模式。

 

 

5G技術有潛力適應未來電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，上文介紹的負荷精準控制、配電網差動保護和分布式電源的靈活調度等場景都體現(xiàn)了5G技術的優(yōu)勢。中國電力行業(yè)通信技術的發(fā)展史也是技術更迭演進的歷史，每一次更迭都伴隨著應用場景需求的變化和技術性能的提升。從上世紀六七十年代的電力載波通信起步，到八九十年代微波通信快速發(fā)展，再到九十年代中后期光纖通信普及，直到近些年無線專網和4G的應用，電力行業(yè)通信的可靠性提高了，覆蓋范圍擴大了，抗干擾能力強了。雖然光纖、無線專網和4G已經滿足了當前電力系統(tǒng)相當一部分的通信需求，但電力系統(tǒng)對通信網絡大規(guī)模終端接入和低時延的要求不斷提高，給5G技術提供了越來越多的商業(yè)機會。5G推廣普及的過程可能需要十多年，其間規(guī)模效應和學習效應可以幫助5G技術不斷降低設備和系統(tǒng)的成本，更好地滿足和創(chuàng)造電力行業(yè)新的應用情景。

 

5G技術可以從電力消費、供電質量和電力系統(tǒng)靈活性等多方面影響電力行業(yè)，而靈活的電力系統(tǒng)對5G技術的需求場景也在不斷增加。那么未來如何提高5G設備和數(shù)據中心的能效，控制相關的碳排放？如何應對與5G技術相隨的電力系統(tǒng)通信安全問題？5G技術下電力市場中會出現(xiàn)哪些新興市場主體和商業(yè)模式？引入5G技術所需投資可以通過什么方式收回？我們共同求索。