浅析第五代通信技术和能源互联网融合发展趋势

2021-11-28王君岑梓华刘劲彬宋泽生何新宇梁薇薇黄映武

科技与创新 2021年8期

王君岑梓华刘劲彬宋泽生何新宇梁薇薇黄映武

王君1，4，岑梓华1，刘劲彬1，宋泽生2，何新宇1，梁薇薇3，黄映武1

（1.中山大学南方学院，广东广州 510970；2.南昌大学，江西南昌 510970；3.重庆邮电大学，重庆 400065；4.广州恒通智联科技有限公司，广东广州 510630）

第五代通信技术的出现使得人工智能、大数据、能源等领域发展迅速，其中第五代通信技术网络在能源领域引发了深层次的变革，对能源行业的设施规划等具有广泛而深远的影响力，而以第五代通信技术为代表的先进信息通信技术和能源互联网融合发展具有广阔的应用前景。介绍了能源互联网的概念特征、发展现状以及主要使用的技术，并且浅析了第五代通信技术和能源互联网融合发展及关键技术，寻找两者之间的契合点，并探讨了两者相互促进的未来发展之路。

能源互联网；第五代通信技术；融合发展；关键技术

能源是现代社会赖以生存和发展的基础。自20世纪末以来，化石能源等不可再生能源的日渐枯竭使得人类迫切需要寻找新的能源。为了应对能源危机，各国开始研究新能源技术，力求寻得清洁、环保、不会枯竭的可再生能源。然而可再生能源难以集中采集和统一管理，不适宜大规模利用。因此，结合互联网的交互性、不受时间空间的限制等特点，能源互联网的提出很好地突破了可再生能源的限制[1]。正在大力发展的第五代通信技术有着高速率、低时延等独有的特点，将第五代通信技术应用于能源互联网中，有望解决其中的一些难点。

1 能源互联网

能源互联网这一概念是由美国学者杰里米·里夫金（JEREMY R）提出的。他认为：“基于可再生能源的、分布式、开放共享的网络，即能源互联网。”能源互联网可以理解为：通过综合运用先进的电力电子技术、通信技术，在现有电网的基础上，使用分布式能量采集装置、分布式能量储存装置，将新型电力网络、石油网络、天然气网络等能源节点互联起来，以实现双向流动的能源交换与信息共享。通俗来说，能源互联网是把互联网技术与可再生能源相结合，在能源开采、配送和利用上从传统的集中式转变为智能化的分散式，从而将全球的电网变为一个能源共享网络。

1.1 能源互联网的发展现状

目前，能源互联网在发展过程中主要有以下几个难点。

长距离传输。能源互联网的发展趋势是走向能源全球化，而发展能源全球化的第一步是建设起国家级能源互联网，然后再扩大到建设洲级能源互联网，最终建成世界级能源互联网，实现能源全球化。在这三个阶段的建设过程中，克服全球各地的长距离且错综复杂的地形，以达到安全传输能源这一问题仍需解决。

能源消耗。由于远距离传输，运输路途中将出现能源消耗，因此能源利用率偏低。针对这一难点，发展特高压柔性直流输电技术、超导技术和管道储能技术等克服能源消耗这一难点的技术是当务之急，这些技术能使能源在不同地方长距离传输时的适应性更好、可控性更高、传输时间更短，提高能源的利用率[2]。

储能容量。目前全球储能设备装机容量远远小于其所需能量，并且储能设备的分布不够均匀，现实中储能抽水模式占据储能方式的绝大部分，而能源互联网追求低成本高分布的储能方式。因此需要发展低成本高容量、分布均匀的储能系统。

信息数据安全。对于能源互联网来说，信息数据的安全极为重要，由于能源互联网的体系十分庞大，需要处理分析决策的数据量相当巨大，因此对数据安全尤为重视。然而现在的大数据技术还不足以支撑起处理海量数据的同时还具有足够强大的抗干扰以及识别错误信息的能力[3]。

1.2 能源互联网的关键技术

新能源发电技术。新能源指的是以清洁、低碳为主，新技术开发的可再生能源，包括太阳能、生物质能、风能、地热能、波浪能、洋流能和潮汐能等。能源互联网将通过新能源发电技术构建出可持续发展的能源体系[4]。

电力电子技术。能源互联网各级节点的实现都离不开电力电子技术的支撑。固态变压器是目前能源互联网的研究重点之一[5]，它通过电力电子技术，实现电能的控制与传输，且体积较小，质量较轻；电气隔离功能保证了接口的安全性，能量控制单元利用自动控制技术能够感知能量供需的变化，保障能量实时供给和稳定高效[6]。

储能技术。相比于普通电网系统的用户侧，分布式的能源互联网的用户侧同时也具备产能功能，因此需要相应的储能设备。同时，由于可再生能源的渗透率较高，因此需要在产能侧集中配备较大规模的储能系统[7-8]。

信息技术。建立能源互联网的目的是要实现较大范围内的能量生产、交换和传输，因此信息的采集分析输出是必不可少的。通过传感技术、大数据云计算技术、通信技术等先进信息技术，能源互联网将能够实现信息在各设备之间高效准确的双向传递[9]。

2 第五代通信技术与能源互联网的融合发展

能源互联网通过通信网络进行数据信息的传递、信息技术连接的纽带，目前第五代通信技术的发展正在如火如荼地进行中。第五代通信技术作为目前的前沿技术，带有自身的优势，将作为能源互联网的信息技术支撑。由于近年来信息数据以爆炸式增长，现有通信系统难以满足，因此第五代通信技术应运而生。同时移动互联网的蓬勃发展驱动着第五代通信技术的进步，相比于以往的通信系统，第五代通信技术的无线覆盖性能、传输时延、系统安全等优点更符合时代的需求，用户体验也将得到显著的提高。

高速率、覆盖广、低时延、低能耗是第五代通信技术和能源互联网融合发展的趋势。

高速率。第五代通信技术具有高速率传输的特点。相比于4G，第五代通信技术的传输速率更高，传输速率可达 10 GB/s。在能源互联网中，各类传感器是采集数据的主要工具。有了高速率的第五代通信技术作为支撑，传感器采集到的数据能更快地进行传输，实时采集数据变为可能[10]。对数据进行更精准的分析，为大数据分析提供坚实的基础和为海量数据的传输提供强有力支撑。

覆盖广。在大部分地区日常生活中的大多数场景第五代通信技术网络都已覆盖，同时地形复杂的地区也正在积极部署第五代通信技术网络，这很好地解决了能源互联网在一些偏僻地区无法进行信息传输的问题。

低时延。在能源互联网中，存在许多设备协同控制的场景，且由于能源互联网的设备海量的特性，对通信低时延有着较高的要求。第五代通信技术空口时延达到1 ms，端到端时延小于10 ms，为设备的及时灵活响应提供支撑。

低能耗。低能耗对于有海量设备连接的能源互联网来说较为重要。若传感器或其他设备时常需要更换电池或充电，则对该区域的能源流动有一定的阻碍，第五代通信技术功耗低这一特点则能解决这一问题[3]。

3 第五代通信技术与能源互联网融合关键技术

为应对未来持续增长的数据业务需求，第五代通信技术的发展尤为重要。第五代通信技术的关键技术如超密集异构网络技术、大规模MIMO技术等能够改善第五代通信技术的性能，得以应用于能源互联网中[11]。

3.1 超密集异构网络技术

超密集异构网络是第五代通信技术网络的一项关键技术，它能有效提高传输速率、频谱效率。密集的网络部署将缩小站点与站点间的距离，由于一定区域内的站点数增加了，甚至也可能出现站点对活跃用户数一对一服务的现象[12]。

3.2 大规模MIMO技术

MIMO技术在4G时代就已经在应用，即在发送端和接收端放置多个天线，形成多条路径进行数据传输。这能使通信系统的容量和频谱利用率在不增加带宽的情况下，成倍地提高。大规模MIMO技术则是在MIMO技术的基础上的扩展。在天线数量上，大规模MIMO基站侧放置有从几十到几千规模的天线阵列，拓宽了信号覆盖的维度。同时，大规模MIMO技术的抗干扰能力也得到了提升[13]。

4 结束语

能源互联网是未来能源产业的发展方向，而第五代通信技术将是能源互联网在信息技术上的支撑。能源互联网内各种设备的协调与交互需要强大信息网络的支撑。信息技术中的第五代通信技术则能很好地为能源互联网中的信息传输、需求响应、能源控制等问题提供服务。在第五代通信技术的辅助下，能源互联网将有更好的发展。

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