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左手卫星,右手5G,国网能源互联网战略深度解析

作者:大飞 来源:能见Eknower 发布时间:2020-05-27 浏览:
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华为再次成为舆论焦点。据英国卫报报道,英国政府近日拟决定到2023年将华为的电信设备从英国的5G网络中移除。

在英国之前,美国政府一直竭尽所能封杀华为。继去年5月16日将华为列入实体清单后,今年5月15日,美国商务部宣布,限制华为使用美国技术和软件在美国以外设计和制造半导体。这意味着美国将进一步封杀华为的芯片供应链。

今年2月,美国司法部长威廉·巴尔在一次公开演讲时解释了美国打击华为的根源——中国的技术攻势,特别是华为在5G领域的领先地位对美国构成了前所未有的挑战。

英美封杀华为5G应用仅是国际技术争端日趋激烈的一个缩影。在当今国际局势中,科技创新能力某种程度上已成为综合国力强弱的决定性因素。缺乏尖端科技实力很容易受制于人。

除了5G,在卫星导航系统领域,中国曾长期受制于美国。但从1994年,中国开始痛下决心研发自己的卫星导航系统——北斗系统。

今年4月4日,第55颗北斗卫星,即北斗三号系统最后一颗组网卫星运抵西昌卫星发射中心,并开展测试、总装、加注等工作,这标志着北斗全球星座组网进入最后冲刺阶段。

目前,北斗系统已经广泛应用于电力、交通、农林渔业、水文监测、气象测报、通信授时、救灾减灾、公共安全等各个领域。

鲜为外界所知的是,在电力领域,国家电网公司在北斗系统和5G落地应用方面走在前列,构成国网能源互联网战略的两块基石。

谈及北斗卫星导航系统,不得不提及27年前的“银河号”事件。

1993年,在从中国开往伊朗的途中,一艘名为“银河号”的普通中国货船突然失去了方向,只好停泊在公海。原因是,美国突然单方面切断了船上民用的GPS信号。后来,银河号还被用莫须有的罪名扣留了33天。

当时,美国的GPS导航是全球唯一的导航系统。“银河号“事件后,中国开始建设研发自主导航系统——北斗卫星导航系统。

北斗卫星导航系统是中国自主建设、独立运行的卫星导航系统,也是世界上第三个独立运行的卫星导航定位系统,为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要空间基础设施。

1994年,中国启动北斗一号系统工程建设。2000年10月31日,我国第一颗“北斗一号”导航卫星发射升空,实现向全国提供服务,解决了中国导航系统"从无到有"的问题。后来北斗一号系统四颗卫星完成任务后,光荣退役。

2012年年底,中国又建成北斗二号系统,可以向亚太地区提供服务。

今年3月9日,中国西昌卫星发射中心成功发射第54颗北斗导航卫星,而中国北斗卫星系统,覆盖全球需要55颗卫星。

这就意味着,中国离全面赶超美国的GPS定位系统,只剩一颗卫星的差距。

制图/婷婷

4月4日,第55颗北斗卫星,即北斗三号系统最后一颗组网卫星运抵西昌卫星发射中心,并开展测试、总装、加注等工作,这标志着北斗全球星座组网进入最后冲刺阶段。

最后一颗卫星成功发射后,北斗全球系统将全面完成星座部署,届时会真正实现“中国的北斗,世界的北斗”。

目前,中国北斗卫星导航系统(BDS)、美国的全球定位系统(GPS)、俄罗斯的格洛纳斯(GLONASS)、欧洲的伽利略(GALILEO)是联合国卫星导航委员会认定的四大供应商,相当于全球卫星导航领域的“四大天王”。

一旦所有卫星全部就位,中国“北斗”在亚太地区的精准度将超越美国,达到惊人的10厘米。而美国GPS目前的精准度,只能达到30厘米。

截至2019年年底,北斗地基增强系统已在中国范围内建设155个框架网基准站和2200余个区域网基准站。

国产北斗导航型芯片模块出货量已超1亿片,季度出货量突破1000万片。北斗导航型芯片、模块、高精度板卡和天线已输出到100余个国家和地区。

目前,北斗系统已经广泛应用于电力、交通、农林渔业、水文监测、气象测报、通信授时、救灾减灾、公共安全等各个领域。

以电力领域为例,北斗系统与电力系统首次结缘发生在2008年。

那一年,汶川大地震给国网公司的电网线路造成巨大破坏,电力无法正常供应,所有电力通信设备都已瘫痪。最终,救援人员通过北斗卫星发送短报文实施救援,为救援工作提供了极大帮助。

国网公司作为关系国家能源安全和国民经济命脉的国有重要骨干企业,经营区域覆盖全国26个省(自治区、直辖市),覆盖国土面积的88%,供电人口超过11亿人。

随着电网规模的不断扩大,对电力系统高精度授时及全网时间同步、故障测距、远程抄表、电力巡检抢修等环节提出了更高要求。

北斗系统在汶川大地震中的出色表现给国网留下了深刻的印象。国网随后建立机动应急通信指挥系统,并在所有的应急通信车上安装了北斗车载终端。

2013年,国网又建立了统一的车辆管理平台,覆盖了公司10余万辆的生产和公务用车。截至2017年,已完成了3万余台的北斗车载监控终端的安装,覆盖率达到18%。

随着近两年国网与北斗应用合作的加深,国网现有GIS平台已和北斗卫星导航系统融为一体,可实现全天候、无盲区的对应急车辆提供导航定位、位置上报、监控管理、指挥调度、安全保密、路径优化、应急救援等服务,能有力保障应急抢修车辆在各种突发情况下对电力设施的检修和抢险。

此外,北斗系统的高精度定位功能还在电力工程测绘、电力智能巡检、充电桩管理、地质灾害监测等领域也有示范性应用,并可提高应急状态下的处理突发事件能力,提高输变电运行管理水平,提升电力设备精细化管理程度。

从2010年开始,国网大力推进北斗在电力行业的应用和探索。

除了高精度定位外,还涵盖了电网控制领域的调度自动化系统时间同步、电力通信网的频率同步,以及利用北斗短报文在偏远无人地区的数据采集回传等各个方面,形成了多种北斗+电力的应用解决方案,在电网生产和管理中也得到了广泛的应用。

随着电力系统自动化的发展,调度自动化、变电站雷电定位、功角测量单元、行波测距等装置对时间精度提出更加严格的要求。

在授时方面,国网分别在2009年、2013年发布了两项时间同步规范。从2012年开始每年以2000多台的速度,对仅有GPS授时的装置进行改造。

截至2016年,共有11类800多套调度自动化主站系统接收了北斗时间信号。

目前,在管理信息领域,北京、上海、西安三个灾备中心均以北斗信号作为主时间源,对各个省、地市公司提供精准的时间信息,覆盖率已经达到了100%。

国网开展电力通信网的建设也比较早。

在授频方面,初期只能接收GPS,从2015年开始,国网启动了骨干频率同步网优化改造,新增的接收机均采用北斗/GPS双模。

目前,国网各省公司的基准时钟源全部接入了北斗信号,而且在各个地市公司接入工作也在稳步进行中。

北斗短报文功能是北斗系统区别于其他卫星导航系统的一个独特功能,借助北斗系统的覆盖范围广,不受地理位置限制的优势,可以作为现有的光纤网络和无线公网的有力补充或应急通信手段,解决无信号地区的数据采集和回传问题。

这个功能在电量信息采集、应急通信保证、配电终端监测等领域的应用,扩大了通信覆盖范围,提升了各省市公司对电网设备精细化管理水平。

北斗系统在国网的广泛应用,给国网的生产和管理提供了巨大的帮助。特别是十三五”期间,国网对配电网在提升装备标准化、完善配网网架结构、配电网精益化管理、配电通信网四个方面提出了更严格的要求,目标是加快向现代化主动配电网的转型升级,这都离不开北斗和配电网的探索性融合。

2016年,国网信息通信产业集团与中国卫星导航定位协会签署战略合作协议,旨在推动国家北斗精准服务网在电力行业的落地应用。

根据合作协议,国网负责引领北斗精准位置展开规模化应用,推进北斗卫星导航系统的落地应用,而北斗卫星导航系统提供电力管网的精细化管理和服务。

国网信息通信产业集团董事长、党委书记王政涛表示,国网探索北斗系统在电网生产和企业管理中的创新应用取得了一系列突破性成果,北斗在技术上可满足国网建设、应用对卫星导航系统的需求,大力推广北斗卫星导航系统的电力应用时机已经成熟。

2018年5月,国网下属中国电科院申请成立了电力行业信息标准化技术委员会电力北斗标准工作组,从电力行业角度对电力北斗标准事业进行顶层设计。

随后国网内部自行梳理了电力北斗的标准体系,并于2019年1月-5月,联合地方电力公司以及武汉大学、武汉导航院、北京师范大学、北京卫星导航中心、北斗星通、千寻位置、思极位置等对电力北斗的标准体系集中展开修订。

2019年,国网信息通信产业集团牵头建立北斗开放实验室首个电力行业分实验室。该实验室是北斗开放实验室序列唯一一家电力行业分实验室,将北斗系统的位置服务网与能源专业地图、能源物联网深度结合,建设北斗电力高精度位置服务生态链。

今年4月底,中国电科院发布《电力北斗标准体系白皮书》,引导北斗系统在电力行业应用的总体发展、规划、实施、部署和推进,加大了北斗系统与电力行业应用的深度融合。

华为所引领的5G时代的加速到来,更令二者密不可分。

随着电网智能化发展以及新一代通信体系的确立,去年底,国网就与5G牌照方中国广电一拍即合,将成立合资通信公司,在5G领域展开合作。

网传《国家电网5G网络建设方案》显示,国网将与广电合作建11.31万座基站。建设内容分为六个部分:核心网建设、承载网建设、基站建设、网管及支撑系统建设、安全体系建设和服务公司生产经营的自用业务终端建设。

特别是今年3月,中央政治局常务委员会提出“加快推进国家规划已明确的重大工程和基础设施建设,加快5G网络、数据中心等新型基础设施建设进度”之后,国网在5G网络建设方面开始加速。

目前,以5G网络等为代表的新型数字基础设施,已成为国网继特高压、新能源汽车充电桩之后的第三大主攻方向。

国网公司董事长、党委书记毛伟明表示,要加快现代信息通信技术推广应用,立足公司自身优势,深化与电信运营商等方面的合作,积极推进5G示范应用。建设运营好大数据中心,对内助力企业生产经营,对外提供数据增值服务。积极拓展人工智能在设备运维、电网调度、智能客服等方面的应用。

国网发展5G的心情是迫切的。

早在2018年,国网提出了“建设具有卓越竞争力的世界一流能源互联网企业”的战略目标,此后,能源互联网一直是国网的主攻方向。

在中国电网系统中,为了保证系统的安全稳定,在高压输电线路等设备上已经安装了包括数据采集和监视控制系统(SCADA)、同步相量测量装置(PMU)等在内的各种系统与设备运行状态量测系统,并配有光纤通信,实现了可靠的电力互联互通和信息互联互通。

尽管电网主干网架这个“主动脉”已实现信息互联,但对于电压等级较低的配电网这个“毛细血管”,考虑到成本以及光纤通信的铺设与施工问题等各方面因素,无法实现低压配网全覆盖。

而4G无线网络时延特性又无法满足电网控制类业务毫秒级时延要求,无法实现关键业务有效隔离、无法适用电网多样化及小颗粒业务需求。

较主网架而言,配电网络连接的设备更多,深入到每一个用户、甚至到每个家庭的每一个用电设备,海量设备通过不同电压等级的电力线路连接。

配用电侧海量设备无法完全实现信息的互联互通,电力系统的“最后1公里”一直是成为电力互联的绊脚石,而5G的出现则有望帮助电网实现“最后一公里”互联互通和信息互联。

事实上,国网发展5G优势明显。例如,国网的输电杆塔遍布全国,只需在这些输电杆塔上加装通信设备,即可实现“共享铁塔”,成为现成的5G基站。

此外,国网还拥有广泛分布的变电站、配电所,这些可以为未来海量的边缘数据中心,提供优质的站址资源。

而北斗与5G的结合,意义更加重大。

交流、行走、圈地定居是动物和人类的生存本能,这是由人类原始基因决定的。这表明,在人类的初期,通信、定位、导航和决策就是融合在一起。把5G和定位导航系统融合,就是通信、导航、授时和决策智能最新、最现代版的融合。

随着信息网络拓展,物联网可以实现物与物、物与人之间信息的互联互通,但目前的水平也只能实现信息的互联互通,还不能实现对外界的控制。要实现人对虚拟空间和物理空间的感知、协同、融合与控制,需要广域及全球性的高精度时间和空间位置。

5G是智能化时代的基础设施,高带宽、高速度、大容量、低功耗、低延时、万物互联、信息可感知、可调控,为满足未来虚拟现实、智能制造、自动驾驶等用户和行业的应用需求,提供基础支撑。但它是虚拟的,虚拟地点、虚拟位置,无法实现直接控制。

解决这个问题所需要新的基础设施就是北斗系统。

基于“5G+北斗”的泛在测绘能力就是人类定位、导航、感知时间的智能基于现代技术的延伸,既是智能时代实现区域和广域乃至全球精确感知时空事件和目标信息的关键基础设施,也是实现支持广域和全球智能协同控制的赋能技术。

北斗的全球性、高精度时空基准,能实现全球时间的精确同步,可以在广域甚至全球把感知时间和位置的能力赋给5G,赋给道路、环境等其它系统。

高精度导航增强技术对移动通信网、互联网赋能,给移动信息在网上瞬时位置定位,定其去向和瞬时流速,还能使移动互联网具有室内外定位无缝化一体化功能,实现城市全时域/全空域定位的智慧城市建设需求。

北斗与5G相互赋能,彼此增强,从而产生感知、学习、认知、决策、调控,可以实现人类感知和调控物理时间能力。因为调控需要在位置和时间上的精准协同,协同可能要达到微秒级、1000 倍甚至是 100 万倍。

我们现在虽然能够调控物理时间,但是不够精准、可靠,不能在关键时候实现调控,也不能在广域上实现调控,如可以在一个小工厂、小车间内能够实现精准调控,但不能在全球层面实现。

有了“5G+北斗”,就能实现工业互联网的目标,广泛应用于车联网、智能能源、无线机器人云端控制等行业。让广域或全球性分布的物理设备在感知的基础上具有计算、通信、远程协同、精准控制和自治等五大功能,以实现人类感知和调控物理世界能力在时间、空间尺度方面的延拓。

那么,坐拥5G和北斗的国网,未来又会有怎样的改变?

国网布局“5G+北斗”的背后逻辑更多的是服务于自身业务,基于自身应用需求。如果仅借助通讯、导航服务商,每年需交几千万甚至更多的数据服务费,反不如自建一套体系。

北斗基站体量不大,可随地搭建。国网本身各类电力基站已非常多,此前已确实要推广5G,基于已有的5G基站顺便搭建北斗基站成本更低。这种投入对于国网来说非常划算。

5G和北斗结合,将降低延迟、精准定位等功能在时空统一。对于电网在电力调度、电动汽车服务、综合能源服务等场景的应用是超乎想象的,将对整个电力领域产生重大改变。

以时间精度为例。当前,智能电网、智慧能源的时间标准太低,因每一个电厂的交流电送到电网上去,相位要同步,目前相位同步精度是18度,允许相差18度,这在时间上相当于1毫秒,这是造成大电网自身耗能的重要因素之一。

这种巨大的能源浪费,从爱迪生时代到现在,从未改变过。但如今,在手握“5G+北斗”双王炸的国网面前,历史或将被改变。

中国工程院院士刘经南表示,将来“5G+北斗”能为全国电网提供 5 纳秒级和米级时空协同,实现电网全网设备输入输出电压的纳秒级或100纳秒级相位同步。那时,将从根本上解决电网高耗能问题。

届时,国家电网将真正实现能源互联网,实现能源流、业务流、数据流“三流合一”。

参考文献:

上海证券报:华为回应美国限制升级,有信心尽快找到解决方案

中国经济网:美国司法部长巴尔在智库发言,美国为什么必须绞杀华为?

52赫兹实验室:国产北斗离我们的生活还很遥远?不,它离我们很近了!

卡娃微卡:英国向中国索赔3510亿,醒醒!中国早已不是100年前的中国了

致庸学财:北斗全球组网在即!万字长文深度解析

北京日报:北斗三号系统今年完成全球组网

北斗网:慎终如,北斗开启全球组网收官之战

刘经南:“5G+ 北斗”的意义、路径和愿景,网信军民融合

泰伯网:深度解析《电力北斗白皮书》,国网强势进军卫星互联网!

关键字:能源互联网

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