淺析面向電網業(yè)務的應用場景

5G已成為全球新一輪科技革命和產業(yè)變革的核心技術之一，是實現國家數字化、智能化、“萬物互聯”的戰(zhàn)略性通信基礎設施。為滿足5G垂直行業(yè)的三大需求，國際電聯（ITU）提出了IMT-2020（即5G，也稱為NR）愿景，確立了三大場景增強移動帶寬（eMBB）、超高可靠低時延通信（uRLLC）、大規(guī)模機器類通信（mMTC），在實現移動通信技術新跨越的同時，將移動通信能力從消費級向工業(yè)級延伸，推動產業(yè)轉型升級。2020年3月4日中央政治局常務委員會會議指出，加快5G網絡、數據中心等新型基礎設施建設進度，將信息技術、智能技術、新能源技術等各類新興技術廣泛滲透到各個領域，推動經濟社會高質量發(fā)展，人類社會正在進入一個全面感知、高速傳輸、智能處理的萬物智聯的新時代。

智能電網將向海量連接、安全高效、末梢延伸發(fā)展，將面臨更加復雜的嚴峻挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)配網采用過流保護，停電影響范圍大，無法精準排查，急需提升供電可靠性，實現配網故障精準定位。目前主網已實現光纖覆蓋，但是電網末梢神經的配網處于“盲調”狀態(tài)，因為數量大，光纖很難全覆蓋，成本高時間長維護難。智能分布式配網差動保護、配電網同步相量測量 PMU，對無線移動通信要求非常高，時延平均15 ms以內，授時小于 1 μs，可靠性99.999%，迫切需要構建經濟靈活、雙向實時、安全可靠、全方位覆蓋的“泛在化、全覆蓋”終端通信接入網。5G 通信技術的eMBB、mMTC、uRLLC三大特征及其“網絡切片”技術有望適配數字電網建設的需求，成為電力通信專網的補充，有效解決智能配電網及智能巡檢等無線通信業(yè)務“卡脖子”問題。

01 面向電網業(yè)務應用場景

電力行業(yè)無線通信應用場景總體上可分為控制、采集兩大類。其中，控制類包含智能分布式配電自動化、用電負荷需求側響應、分布式能源調控等;采集類主要包括高級計量、視頻監(jiān)控、配網狀態(tài)監(jiān)測等。對于控制類業(yè)務場景，當前整體通信特點為采用子站/主站的連接模式，星形連接拓撲，主站相對集中，一般控制的時延要求為秒級。未來隨著智能分布式配網終端的廣泛應用，連接模式將出現更多的分布式點到點連接，隨著用電負荷需求側響應、分布式能源調控等應用，主站系統(tǒng)將逐步下沉，出現更多的本地就近控制，且與主網控制聯動的需求，時延需求將達到毫秒級。

對于采集類業(yè)務場景，當前基本按照月、天、小時為單位采集，未來為滿足負荷精確控制，用戶實時定價等應用的發(fā)展，采集頻次將趨于分鐘級，達到準實時能力。另外，當前主要以基礎數據、圖像為主，碼率為 100kbps 級。隨著智能電網、物聯網的迅速發(fā)展，采集對象將擴展至電力二次設備及各類環(huán)境、溫濕度、物聯網、多媒體場景，連接數量預計至少翻1倍;中遠期若在產業(yè)驅動下，集抄方式下沉至用戶，采集內容將深入到戶內用電設備的信息，連接數預計翻 50~100 倍;另外，采集內容亦從原有的簡單數據化趨于視頻化、高清化，尤其在無人巡檢、視頻監(jiān)控、應急現場自組網綜合應用等場景將出現大量高清視頻的回傳需求，局部帶寬需求在 4~100Mbps 級。隨著家庭能源管理應用的推廣，通過智能電表實現家電用電信息采集;通過智能交互終端，以 APP 的方式，給用戶提供實時電價和用電信息，實現對用戶室內用電裝置的負荷控制等各類互動服務與電力增值服務功能，達到需求側管理的目的，表1給出了5G技術三大特性在電網業(yè)務的典型應用場景。

2.1 電網5G切片架構設計

5G網絡切片面向電力等特定行業(yè)業(yè)務需求，具備“端到端網絡保障SLA、業(yè)務隔離、網絡功能按需定制、自動化”的典型特征，動態(tài)分配網絡資源，滿足差異化SLA（Service Level Agreement）、自動化按需構建相互隔離的網絡要求，實現多域之間的協同。采用基于服務化的架構設計，重構軟件架構，形成5G網絡端到端可編排的能力，為不同的電力業(yè)務應用構建不同的網絡實體、邏輯上相互隔離的專用網絡，確保不同的切片之間電力業(yè)務互不干擾。5G網絡切片可向電網用戶按需提供定制化的網絡服務，可對網絡進行一定的可視化操作管理。每類切片可按需構建多個網絡切片實例，電網企業(yè)可根據切片運行的狀態(tài)及業(yè)務需求，為所屬各單位提供差異化的電力業(yè)務網絡切片服務。基于電力行業(yè)的需求和網絡切片技術，面向電力的端到端5G切片賦能電網架構。

2.2 電網5G切片能力開放

電力業(yè)務網絡切片由公網運營商向電網企業(yè)提供切片訂制的可選菜單，運營商針對電力的業(yè)務訂購，轉換成網絡語言進行切片部署，切片部署的過程對電網企業(yè)是透明的，且公網運營商可把切片的實時運行狀態(tài)（如基礎資源運行狀態(tài)、業(yè)務關鍵指標、異常告警信息等）開放給電網企業(yè)，電網企業(yè)可根據切片運行狀態(tài)及不同分區(qū)的業(yè)務需求，進行高強度的安全隔離，定制化分配資源，提供差異化切片服務，從而形成電力行業(yè)切片運行閉環(huán)管理。運營商可向電力行業(yè)用戶開放的切片管理能力包括切片按需定制、切片規(guī)劃部署和切片運行監(jiān)控3個方面，電網企業(yè)可按需擴展自定義切片類型，以區(qū)分不同分區(qū)業(yè)務或有特殊管理需求的業(yè)務，通過切片5QI軟隔離和硬隔離保證不同電力業(yè)務的高安全性。

2.3 5G切片電力業(yè)務安全分區(qū)

電網行業(yè)有兩大類典型的5G切片業(yè)務需求，以配電自動化三遙、精準負荷控制為典型代表的工業(yè)控制類業(yè)務，對應超高可靠低時延通信（uRLLC）典型切片，屬于生產控制大區(qū)切片。以用電信息采集、分布式電源、無人機遠程巡檢為典型代表的信息采集類業(yè)務，對應增強移動帶寬（eMBB）、大規(guī)模機器類通信（mMTC）典型切片，屬于管理信息大區(qū)切片。5G網絡切片電力業(yè)務安全分區(qū)運行，可實現基于5G切片端到端物理隔離專用網絡，高電磁復雜環(huán)境“生產級”網絡安全可靠連接，有效支持大規(guī)模配電網自動化、低壓集抄、分布式接入等場景靈活部署要求，達到端到端網絡時延<=15 ms，網絡授時精度<10 us的效果。

03 5G電網試點及應用驗證

5G為電網行業(yè)提供按需定制、安全隔離、高可靠性的專用網絡，5G網絡切片將一張物理網絡通過軟/硬件分離成多張?zhí)摂M邏輯網絡，以滿足5G電網不同業(yè)務的需求，實現電網用戶網絡切片的設計、部署和運維?；谕娋W用戶簽訂的SLA （Service level Agreement）業(yè)務服務協議，為電網行業(yè)不同業(yè)務提供相互隔離、功能可定制的網絡服務。5G網絡切片是由網絡功能和所需的物理/虛擬資源的集合，需穿透接入網、承載網、核心網3層網絡，5G網絡切片端到端配置方案。

3.1 5G基站無線側切片配置

在PDP激活時核心網把QCI信息發(fā)送給eNB，eNB通過配置將QCI與DSCP/VLAN優(yōu)先級映射，eNB根據nexthop打VLAN tag。

a） eNB上根據Nexthop配置兩個不同優(yōu)先級的VLAN，分別到2個不同的DGW。

b） 配置QCI到DSCP的映射。

c） 配置DSCP到VLAN優(yōu)先級的映射。

d） 打開基于QCI的QoS控制算法。

3.2 5G承載網傳輸側切片配置

a） 傳送網側不同的切片業(yè)務占用不同的L3VPN通道：在ATN980B側創(chuàng)建VLAN子接口用于基站接入;CX600-X8A側創(chuàng)建VLAN子接口與數據中心網關互聯，并創(chuàng)建到云核網元的靜態(tài)路由。

b） 基站側不同的切片業(yè)務根據Nexthop配置2個不同優(yōu)先級的VLAN ，在接入側進入到不同的L3VPN。

c） 云核心網側，2個UPF分屬不同的VPC，分別在VPC-GW配置到基站的靜態(tài)路由。

d） 傳送網通過QOS優(yōu)先級調度保障高優(yōu)先級業(yè)務的帶寬;承載網絡受限于現網軟硬件版本，只能采用上述軟切片方案;升級現網設備后，可以支持FlexEth等硬切片方案。

3.3 5G SA核心網切片配置

a） 在AMF和SMF上分別配置I/II區(qū)業(yè)務和III/IV區(qū)業(yè)務QoS信息（或者使用簽約數據）。

b） SMF1上配置I/II區(qū)業(yè)務DNN，用于SMF基于DNN選UPF、地址池綁定等。

c） SMF1上配置III/IV區(qū)業(yè)務DNN，用于SMF基于DNN選UPF、地址池綁定等。

d） UDM上配置CPE1和CPE2的DNN簽約數據（含QoS信息）。

e） 配置UPF和eNB的N3接口的IP鏈路信息（傳輸基礎配置）。

f） UPF1配置連接I/II區(qū)業(yè)務服務器的傳輸配置。

g） UPF2配置連接III/IV區(qū)業(yè)務服務器的傳輸配置。

根據5G網絡R15標準進展，采取eMBB標準協議作為5G三大場景切片設計基礎，選取低時延高可靠、廣覆蓋大連接、大容量高帶寬的3類應用場景典型業(yè)務，從帶寬、時延、安全可靠性、接口等維度分析其通信需求，驗證電力業(yè)務場景下5G網絡帶寬、時延、容量等網絡性能指標，基于電力業(yè)務切片方案，驗證5G網絡業(yè)務適配性和業(yè)務承載性能，實現各類終端設備的泛在接入、智能化應用。

3.4 應用驗證

3.4.1 負荷控制等低時延高可靠場景應用

配電自動化業(yè)務主要實現配電網檢測、控制和快速故障隔離，縮短斷電恢復時間，提高電網可靠性。精準負荷控制業(yè)務主要用于在電網故障時，為保證電網系統(tǒng)中負荷平衡，優(yōu)先切除可中斷的用電負荷（例如暖通、室內照明），以保障不可中斷負荷（如醫(yī)院、工廠用電）的正常工作。針對5G低時延超高可靠（uRLLC）類應用場景，分別選取配網自動化、精準負荷控制2個典型業(yè)務，從上下行峰值速率、容忍最大時延和可靠性等維度分析業(yè)務需求，提出5G端到端uRLLC網絡切片方案和試驗驗證方案，開展面向5G uRLLC場景下的業(yè)務驗證研究。結果表明，5G技術可以很好地滿足負荷控制等低時延超高可靠場景的指標要求。

3.4.2 視頻監(jiān)控等大帶寬場景應用

巡檢機器人主要用于對變電站、配電房等關鍵電力設備的巡視工作，實現無人值守。 視頻監(jiān)控主要針對配電網重要節(jié)點（開閉站）的運行狀態(tài)、資源情況進行監(jiān)視，減少人工巡檢的任務量。針對5G大容量高帶寬（eMBB）類應用場景，分別選取智能巡檢、視頻監(jiān)控2個典型業(yè)務，從網絡帶寬、時延、視頻流暢度、畫面清晰度等維度分析需求，提出5G端到端網絡切片方案和試驗驗證方案，開展面向5G eMBB場景下的業(yè)務驗證工作。eMBB場景下5G切片端到端測試結果如表3所示。結果表明，5G技術可以很好地滿足視頻監(jiān)控等大帶寬傳輸場景的指標要求。

3.4.3 智能表計等海量連接場景應用

用電信息采集是對居民、專變、臺區(qū)等用電信息的采集、處理和管理，分布式電源主要包括風電、光伏、電動汽車充電站、儲能設備等。針對5G廣覆蓋大連接（mMTC）類應用場景，分別選取用電信息采集、分布式電源接入2個典型業(yè)務，從上下行峰值速率、容忍最大時延和可靠性等維度分析業(yè)務需求，提出5G端到端mMTC網絡切片方案和試驗驗證方案，開展面向5G mMTC場景下的業(yè)務驗證研究。結果表明，5G技術可以很好地滿足智能電表等海量終端連接的指標要求。

04 發(fā)展展望

5G切片在智能電網的應用探索，從技術到業(yè)務等方面取得了很多應用成果。5G為電網提供了一張靈活調度的專用網絡，提供高強度安全隔離和定制化資源保障。相比于以往移動通信技術，5G有望解決電網末端海量終端接入的通信“卡脖子”問題，能更好地滿足電網業(yè)務的安全性、可靠性和靈活性需求，為電力行業(yè)提供了新的無線接入方式，同時為運營商開啟了2B業(yè)務探索。5G時代有助于電網數據收集更快，異步處理更加便捷，為電網 AI技術大規(guī)模應用提供海量數據分析和小樣本處理成為了可能。目前5G智能電網應用仍處于起步階段，后續(xù)將開展5G內嵌式模塊和外置式終端與電力業(yè)務終端的適配工作，繼續(xù)研究5G基站直接向電力設備終端授時技術和配網差動保護低時延無抖動的網絡技術，打造電力物聯網業(yè)務管理支撐平臺，實現電網差異化的網絡切片服務，提升對通信業(yè)務的可管可控能力，加快推進電網數字化建設和轉型。
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