第五代通信技術(shù)與能源互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展

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摘要：第五代通信技術(shù)的出現(xiàn)使得人工智能、大數(shù)據(jù)、能源等領(lǐng)域發(fā)展迅速，其中第五代通信技術(shù)網(wǎng)絡(luò)在能源領(lǐng)域引發(fā)了深層次的變革，對(duì)能源行業(yè)的設(shè)施規(guī)劃等具有廣泛而深遠(yuǎn)的影響力，而以第五代通信技術(shù)為代表的先進(jìn)信息通信技術(shù)和能源互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展具有廣闊的應(yīng)用前景。介紹了能源互聯(lián)網(wǎng)的概念特征、發(fā)展現(xiàn)狀以及主要使用的技術(shù)，并且淺析了第五代通信技術(shù)和能源互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)，尋找兩者之間的契合點(diǎn)，并探討了兩者相互促進(jìn)的未來(lái)發(fā)展之路。

關(guān)鍵詞：能源互聯(lián)網(wǎng)；第五代通信技術(shù)；融合發(fā)展；關(guān)鍵技術(shù)

能源是現(xiàn)代社會(huì)賴(lài)以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)。自20世紀(jì)末以來(lái)，化石能源等不可再生能源的日漸枯竭使得人類(lèi)迫切需要尋找新的能源。為了應(yīng)對(duì)能源危機(jī)，各國(guó)開(kāi)始研究新能源技術(shù)，力求尋得清潔、環(huán)保、不會(huì)枯竭的可再生能源。然而可再生能源難以集中采集和統(tǒng)一管理，不適宜大規(guī)模利用。因此，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)的交互性、不受時(shí)間空間的限制等特點(diǎn)，能源互聯(lián)網(wǎng)的提出很好地突破了可再生能源的限制[1]。正在大力發(fā)展的第五代通信技術(shù)有著高速率、低時(shí)延等獨(dú)有的特點(diǎn)，將第五代通信技術(shù)應(yīng)用于能源互聯(lián)網(wǎng)中，有望解決其中的一些難點(diǎn)。

1能源互聯(lián)網(wǎng)

能源互聯(lián)網(wǎng)這一概念是由美國(guó)學(xué)者杰里米·里夫金（JEREMYR）提出的。他認(rèn)為：“基于可再生能源的、分布式、開(kāi)放共享的網(wǎng)絡(luò)，即能源互聯(lián)網(wǎng)?！蹦茉椿ヂ?lián)網(wǎng)可以理解為：通過(guò)綜合運(yùn)用先進(jìn)的電力電子技術(shù)、通信技術(shù)，在現(xiàn)有電網(wǎng)的基礎(chǔ)上，使用分布式能量采集裝置、分布式能量?jī)?chǔ)存裝置，將新型電力網(wǎng)絡(luò)、石油網(wǎng)絡(luò)、天然氣網(wǎng)絡(luò)等能源節(jié)點(diǎn)互聯(lián)起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)雙向流動(dòng)的能源交換與信息共享。通俗來(lái)說(shuō)，能源互聯(lián)網(wǎng)是把互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與可再生能源相結(jié)合，在能源開(kāi)采、配送和利用上從傳統(tǒng)的集中式轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芑姆稚⑹?，從而將全球的電網(wǎng)變?yōu)橐粋€(gè)能源共享網(wǎng)絡(luò)。

1.1能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀

目前，能源互聯(lián)網(wǎng)在發(fā)展過(guò)程中主要有以下幾個(gè)難點(diǎn)。長(zhǎng)距離傳輸。能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)是走向能源全球化，而發(fā)展能源全球化的第一步是建設(shè)起國(guó)家級(jí)能源互聯(lián)網(wǎng)，然后再擴(kuò)大到建設(shè)洲級(jí)能源互聯(lián)網(wǎng)，最終建成世界級(jí)能源互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)能源全球化。在這三個(gè)階段的建設(shè)過(guò)程中，克服全球各地的長(zhǎng)距離且錯(cuò)綜復(fù)雜的地形，以達(dá)到安全傳輸能源這一問(wèn)題仍需解決。能源消耗。由于遠(yuǎn)距離傳輸，運(yùn)輸路途中將出現(xiàn)能源消耗，因此能源利用率偏低。針對(duì)這一難點(diǎn)，發(fā)展特高壓柔性直流輸電技術(shù)、超導(dǎo)技術(shù)和管道儲(chǔ)能技術(shù)等克服能源消耗這一難點(diǎn)的技術(shù)是當(dāng)務(wù)之急，這些技術(shù)能使能源在不同地方長(zhǎng)距離傳輸時(shí)的適應(yīng)性更好、可控性更高、傳輸時(shí)間更短，提高能源的利用率[2]。儲(chǔ)能容量。目前全球儲(chǔ)能設(shè)備裝機(jī)容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其所需能量，并且儲(chǔ)能設(shè)備的分布不夠均勻，現(xiàn)實(shí)中儲(chǔ)能抽水模式占據(jù)儲(chǔ)能方式的絕大部分，而能源互聯(lián)網(wǎng)追求低成本高分布的儲(chǔ)能方式。因此需要發(fā)展低成本高容量、分布均勻的儲(chǔ)能系統(tǒng)。信息數(shù)據(jù)安全。對(duì)于能源互聯(lián)網(wǎng)來(lái)說(shuō)，信息數(shù)據(jù)的安全極為重要，由于能源互聯(lián)網(wǎng)的體系十分龐大，需要處理分析決策的數(shù)據(jù)量相當(dāng)巨大，因此對(duì)數(shù)據(jù)安全尤為重視。然而現(xiàn)在的大數(shù)據(jù)技術(shù)還不足以支撐起處理海量數(shù)據(jù)的同時(shí)還具有足夠強(qiáng)大的抗干擾以及識(shí)別錯(cuò)誤信息的能力[3]。

1.2能源互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

新能源發(fā)電技術(shù)。新能源指的是以清潔、低碳為主，新技術(shù)開(kāi)發(fā)的可再生能源，包括太陽(yáng)能、生物質(zhì)能、風(fēng)能、地?zé)崮?、波浪能、洋流能和潮汐能等。能源互?lián)網(wǎng)將通過(guò)新能源發(fā)電技術(shù)構(gòu)建出可持續(xù)發(fā)展的能源體系[4]。電力電子技術(shù)。能源互聯(lián)網(wǎng)各級(jí)節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)都離不開(kāi)電力電子技術(shù)的支撐。固態(tài)變壓器是目前能源互聯(lián)網(wǎng)的研究重點(diǎn)之一[5]，它通過(guò)電力電子技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電能的控制與傳輸，且體積較小，質(zhì)量較輕；電氣隔離功能保證了接口的安全性，能量控制單元利用自動(dòng)控制技術(shù)能夠感知能量供需的變化，保障能量實(shí)時(shí)供給和穩(wěn)定高效[6]。儲(chǔ)能技術(shù)。相比于普通電網(wǎng)系統(tǒng)的用戶(hù)側(cè)，分布式的能源互聯(lián)網(wǎng)的用戶(hù)側(cè)同時(shí)也具備產(chǎn)能功能，因此需要相應(yīng)的儲(chǔ)能設(shè)備。同時(shí)，由于可再生能源的滲透率較高，因此需要在產(chǎn)能側(cè)集中配備較大規(guī)模的儲(chǔ)能系統(tǒng)[7-8]。信息技術(shù)。建立能源互聯(lián)網(wǎng)的目的是要實(shí)現(xiàn)較大范圍內(nèi)的能量生產(chǎn)、交換和傳輸，因此信息的采集分析輸出是必不可少的。通過(guò)傳感技術(shù)、大數(shù)據(jù)云計(jì)算技術(shù)、通信技術(shù)等先進(jìn)信息技術(shù)，能源互聯(lián)網(wǎng)將能夠?qū)崿F(xiàn)信息在各設(shè)備之間高效準(zhǔn)確的雙向傳遞[9]。

2第五代通信技術(shù)與能源互聯(lián)網(wǎng)的融合發(fā)展

能源互聯(lián)網(wǎng)通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的傳遞、信息技術(shù)連接的紐帶，目前第五代通信技術(shù)的發(fā)展正在如火如荼地進(jìn)行中。第五代通信技術(shù)作為目前的前沿技術(shù)，帶有自身的優(yōu)勢(shì)，將作為能源互聯(lián)網(wǎng)的信息技術(shù)支撐。由于近年來(lái)信息數(shù)據(jù)以爆炸式增長(zhǎng)，現(xiàn)有通信系統(tǒng)難以滿(mǎn)足，因此第五代通信技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。同時(shí)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展驅(qū)動(dòng)著第五代通信技術(shù)的進(jìn)步，相比于以往的通信系統(tǒng)，第五代通信技術(shù)的無(wú)線(xiàn)覆蓋性能、傳輸時(shí)延、系統(tǒng)安全等優(yōu)點(diǎn)更符合時(shí)代的需求，用戶(hù)體驗(yàn)也將得到顯著的提高。高速率、覆蓋廣、低時(shí)延、低能耗是第五代通信技術(shù)和能源互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展的趨勢(shì)。高速率。第五代通信技術(shù)具有高速率傳輸?shù)奶攸c(diǎn)。相比于4G，第五代通信技術(shù)的傳輸速率更高，傳輸速率可達(dá)10GB/s。在能源互聯(lián)網(wǎng)中，各類(lèi)傳感器是采集數(shù)據(jù)的主要工具。有了高速率的第五代通信技術(shù)作為支撐，傳感器采集到的數(shù)據(jù)能更快地進(jìn)行傳輸，實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)變?yōu)榭赡躘10]。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行更精準(zhǔn)的分析，為大數(shù)據(jù)分析提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)和為海量數(shù)據(jù)的傳輸提供強(qiáng)有力支撐。覆蓋廣。在大部分地區(qū)日常生活中的大多數(shù)場(chǎng)景第五代通信技術(shù)網(wǎng)絡(luò)都已覆蓋，同時(shí)地形復(fù)雜的地區(qū)也正在積極部署第五代通信技術(shù)網(wǎng)絡(luò)，這很好地解決了能源互聯(lián)網(wǎng)在一些偏僻地區(qū)無(wú)法進(jìn)行信息傳輸?shù)膯?wèn)題。低時(shí)延。在能源互聯(lián)網(wǎng)中，存在許多設(shè)備協(xié)同控制的場(chǎng)景，且由于能源互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備海量的特性，對(duì)通信低時(shí)延有著較高的要求。第五代通信技術(shù)空口時(shí)延達(dá)到1ms，端到端時(shí)延小于10ms，為設(shè)備的及時(shí)靈活響應(yīng)提供支撐。低能耗。低能耗對(duì)于有海量設(shè)備連接的能源互聯(lián)網(wǎng)來(lái)說(shuō)較為重要。若傳感器或其他設(shè)備時(shí)常需要更換電池或充電，則對(duì)該區(qū)域的能源流動(dòng)有一定的阻礙，第五代通信技術(shù)功耗低這一特點(diǎn)則能解決這一問(wèn)題[3]。

3第五代通信技術(shù)與能源互聯(lián)網(wǎng)融合關(guān)鍵技術(shù)

為應(yīng)對(duì)未來(lái)持續(xù)增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求，第五代通信技術(shù)的發(fā)展尤為重要。第五代通信技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)如超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、大規(guī)模MIMO技術(shù)等能夠改善第五代通信技術(shù)的性能，得以應(yīng)用于能源互聯(lián)網(wǎng)中[11]。

3.1超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)是第五代通信技術(shù)網(wǎng)絡(luò)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，它能有效提高傳輸速率、頻譜效率。密集的網(wǎng)絡(luò)部署將縮小站點(diǎn)與站點(diǎn)間的距離，由于一定區(qū)域內(nèi)的站點(diǎn)數(shù)增加了，甚至也可能出現(xiàn)站點(diǎn)對(duì)活躍用戶(hù)數(shù)一對(duì)一服務(wù)的現(xiàn)象[12]。

3.2大規(guī)模MIMO技術(shù)

MIMO技術(shù)在4G時(shí)代就已經(jīng)在應(yīng)用，即在發(fā)送端和接收端放置多個(gè)天線(xiàn)，形成多條路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。這能使通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率在不增加帶寬的情況下，成倍地提高。大規(guī)模MIMO技術(shù)則是在MIMO技術(shù)的基礎(chǔ)上的擴(kuò)展。在天線(xiàn)數(shù)量上，大規(guī)模MIMO基站側(cè)放置有從幾十到幾千規(guī)模的天線(xiàn)陣列，拓寬了信號(hào)覆蓋的維度。同時(shí)，大規(guī)模MIMO技術(shù)的抗干擾能力也得到了提升[13]。

4結(jié)束語(yǔ)

能源互聯(lián)網(wǎng)是未來(lái)能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向，而第五代通信技術(shù)將是能源互聯(lián)網(wǎng)在信息技術(shù)上的支撐。能源互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)各種設(shè)備的協(xié)調(diào)與交互需要強(qiáng)大信息網(wǎng)絡(luò)的支撐。信息技術(shù)中的第五代通信技術(shù)則能很好地為能源互聯(lián)網(wǎng)中的信息傳輸、需求響應(yīng)、能源控制等問(wèn)題提供服務(wù)。在第五代通信技術(shù)的輔助下，能源互聯(lián)網(wǎng)將有更好的發(fā)展。

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作者：王君 岑梓華 劉勁彬 宋澤生 何新宇 梁薇薇 黃映武 單位：中山大學(xué)南方學(xué)院