5G電力切片典型應用研究

劉永洲，黃元元，潘林杰

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

電網業務日益增多，亟需電力網絡具有為不同用戶、不同場景以及不同區域提供差異化服務的能力，同時保障網絡安全可靠。電力企業可與移動運營商合作，利用運營商的開放能力，實現電力通信網絡的通信管理、安全管理以及業務管理。

1 5G網絡切片概念及特征

5G網絡切片是面向用戶的虛擬網絡，面向特定的業務需求滿足差異化（Service Level Agreement，SLA），具有獨立的管理特性，自動化按需構建相互隔離的隔離網絡。

5G網絡切片具備以下特征。首先，端到端SLA保障。5G網絡切片的SLA由核心網、無線以及傳輸等多個子域構成，組成端到端的網絡保障。網絡切片可實現網絡需求分解、SLA分解、部署與組網協同等[1]。其次，業務隔離。通過構建不同的網絡實體，在邏輯上搭建相互隔離的專用網絡，避免不同業務互相干擾。再次，功能按需定制和動態編排。5G網絡以服務化為基礎架構，搭建可編排網絡能力。同時，5G網絡可根據業務需求分布式部署，從而滿足時延差異需求。最后，自動運維和多租戶運維，其中自動化是網絡發展的目標。網絡切片能夠向行業用戶提供網絡服務定制功能，提供用戶網絡管理權限[2]。

2 電力業務需求場景分析

電力通信網又稱為“二次設備”，分為骨干通信網（發電、輸電、變電）和終端接入網（配電、用電）。其中，骨干通信網100%采用光纖專網通信，而配電和用電環節對應的終端接入網存在多種接入制式，是未來5G網絡切片使能智能電網的重點。根據無線通信未來發展趨勢及電網演變規律，梳理出智能分布式配電自動化、毫秒級精準負荷控制、用電信息采集以及能源互聯網4大智能電網應用場景。電力場景業務分析如圖1所示。

3 組網方案

組網方案中共部署兩張eMBB切片：切片1用于承載公共業務，如視頻監控和視頻回傳等業務；切片2為電網專用控制切片。兩張切片可以實現完全隔離，切片1在負載較大的情況下，對切片2無影響。組網方案如圖2所示。

圖1 電力場景業務分析

圖2 組網方案

組網時，主站需要在650 ms內通知負控終端完成負荷切換，期間有3次通信，網絡通信總時延小于50 ms。組網方式如圖3所示。

圖3 組網方式

傳輸協議采用TCP單播，具體如圖4所示。

圖4 TCP單播

選取的組網方案中，負控終端通過低時延切片接入集中切負荷站，并基于TCP/IP報文進行通信，具體如圖5所示。

圖5 組網方案

4 5G電力切片解決內容

我國智能電網以現有通信網絡為基礎搭建能源互聯網，同時提高了電力系統的能源效率。5G網絡在山地和水域等復雜環境的無線空口連接能力和容災能力，使得5G網路相比光纖和短距離無線通信等技術在工程建設上更具高效性和快捷性[3]。通過分析智能電網的需求選擇5G切片方式，主要的切片方式有以下幾種：控制切片，依靠5G網絡毫秒級時延特性，提升控制命令傳輸的可靠性；監測切片，依靠5G網絡大連接特性實現海量電表的數據采集等功能；通信切片，通過過程切片，滿足電力專網通信需求，增強專網安全性。

4.1 電力切片實現電網對用電單元的小顆粒度和精細化管理

配電增加5G網絡切片支持，可實現多條分支配電線路精細化負荷管理，并設定優先級，優先切除非重要負荷，避免了切除整條配電線路。精細化負荷管理如圖6所示。

圖6 精細化負荷管理

當前，骨干通信網是現有通信網的一種，基本原理是現有配網缺少通信網絡支持，只能一刀切，存在切除負荷手段粗暴、只能切除整條配電線路的缺點。另外，發輸變3個網絡是電網的核心骨干網絡，只能使用光纖專網，沒有配網。網絡切片支持配電，基本原理是優先切除非重要負荷，實現精準負荷控制。它的發輸變3個網絡也使用光纖專網，具有光纖/eLTE專網和5G無線公網兩種不同的配網方式。但是，光纖/eLTE專網存在成本高和工程實施周期長的問題，而5G無線公網的網絡規劃需考慮電力組網特點。

4.2 智能分布式FA

智能分布式配電自動化如圖7所示。

4.2.1 人工配電操作

人工配電操作的業務特點是F1故障時，電源1斷路，縣區A、B停電，人工排障恢復供電。通信要求和痛點是人工配電無通信網絡。

4.2.2 集中式配電自動化

集中式配電自動化的業務特點是F1故障時，電源1斷路，縣區A、B停電，主站遠程定位、隔離以及恢復供電。通信需求及痛點是網絡時延需求＜100 ms，當前使用光纖/eLTE專網成本高，工程復雜，TTM長。

圖7 智能分布式配電自動化

4.2.3 智能分布式配電自動化

智能分布式配電自動化的業務特點是F1故障時，相關STU在電源1斷路前完成自動故障定位、隔離及恢復（需在300 ms內完成）。通信需求及痛點是網絡時延需求＜10 ms（IEC 61850標準）。eLTE專網無法滿足，光纖專網可滿足但成本高，TTM長。這種情況下，5G切片可滿足需求，且具有高安全隔離性、超低時延以及廣覆蓋需求，TCO低，TTM短。

4.3 高質量數據采集

采集頻率從小時級發展到了分鐘級。相比現有的數據采集，隨著用電準確性要求的提升，采集頻次將進一步提升，可以更有效地實現用電削峰填谷，支持更靈活的階梯定價。計量間隔將從現在的小時級提升到分鐘級，達到準實時的數據信息反饋。另外，網絡連接能力百倍增長，采集內容也將更豐富。除家庭用電以外，分布式電源、電動汽車以及儲能裝置等用戶側設備也將接入電網，網絡連接量相比現在將有50～100倍的提升。高質量數據采集如圖8所示。

圖8 高質量數據采集

4.4 大視頻應用

采集內容將由原來的簡單數據化轉變為視頻化和高清化。尤其在巡檢機器人、輸電線路無人機在線監測、應用現場自組網以及移動場景下的現場作業管控等綜合應用場景，將出現大量高清視頻的回傳需求，局部帶寬達到100 Mb/s。

4.5 時延保障

徹底扁平化的低時延云平臺架構由于IDC服務器充分下沉，使得傳輸的層級一步到位，終端和BBU之間只存在空中傳播距離，保障毫秒級時延。低時延平臺和BBU合二為一，可以大大節省維護工作量和機房空間。各種應用的服務器端可以放在標準IDC機房，各種應用的APP客戶端可放在微型IDC。低時延保障實現如圖9所示。

4.6 信息安全保障

本地鑒權充分利用低時延業務客戶端存儲在BBU機房的特點，在核心網或云端服務宕機時，能夠在本地客戶端上進行鑒權或者通過存儲在其他BBU機房的客戶端獲取用戶的鑒權信息。此外，URLLC低時延云是由運營商提供的私有云，不在傳統的IDC機房，而是附著在下層BBU網元上，不對外部公眾開放，黑客很難通過外網攻擊控制客戶端的操作[4]。

圖9 低時延保障實現

4.7 數據隔離保障

電力切片將AMF、SMS以及UPF等業務功能性網元部署在獨立的物理服務器實現Host級隔離，核心網方案如圖10所示。傳輸網基于時隙的物理隔離如圖11所示。無線接入網空口調度方案如圖12所示，左側是基于頻率的調度，右側是基于頻率+時隙的調度。通過優先接納和負載控制等技術，優先保障電力高優先級業務。

4.8 測試結論

由于條件限制，本次僅僅測試了“電力終端處理+電力server處理+網絡”端到端時延，未測試電力服務器處理時延和電力中斷處理時延，因此無法統計具體的網絡時延。基于本次通過室分、宏站近端、宏站中斷、宏站遠端以及遮擋5種場景的端到端測試統計結果可知，各種場景的端到端平均時延均控制在38 ms以下，最大時延控制在47 ms以下，時延波動較小，核心網背景切片在承載其他業務的情況下對電力切片無影響。通過5G SA電力切片承載電網毫秒級精準負荷控制業務場景，可滿足電網50 ms端到端時延的基本需求。

圖10 核心網方案

圖11 傳輸網基于時隙的物理隔離

圖12 無線接入網空口調度方案

5 效益與價值

首次和5G通信標準進行同步研究，通過垂直行業實際應用場景下的測試，可以及時識別對5G通信技術的潛在需求，從而反饋并影響5G標準的制定與優化，為未來5G真正應用于電力行業奠定堅實基礎。5G網絡切片技術在電力行業核心業務應用場景下的全球首次驗證具有標桿示范效應。第一，促進行業應用示范，即促進5G新技術在行業應用的示范，推進5G行業應用，加快產業發展。第二，提升電力保障水平，即拓展電力公司通信方式，提升電力保障水平。第三，節省投資加快上線，即切片技術節省基礎設施投資，加快業務上線。第四，踐行雙創輻射全球，即踐行國家“雙創”戰略，其創新經驗可推廣影響“一帶一路”國家。

6 結 論

電力智能網的5G切片功能將帶給電力網絡無與倫比的控制體驗，一切以實用為主。通過切片服務，可提供個性化和高安全性的專網服務，實現智能電網高效節能的建設目標。

3GPP的5G標準制定中，廣泛征求各垂直行業的應用場景及需求，同時電力行業也參與了相關的標準制定，明確了智能電網應用的相關技術指標標準。5G的網絡切片技術可為智能電網不同業務提供差異化的網絡服務能力，為電網不同分區業務提供高可靠的安全隔離。同時，電力企業可利用運營商的各種開放能力，實現電力通信終端連接管理、設備管理、業務管理、專用網絡切片管理以及認證和授權管理的創新業務，更好地支撐智能電網的運維管理。

此外，5G+智能電網的應用能夠更加細化能源管理的顆粒度，改變原來粗放式的末端管理，提高工業、居民的用電保障；提供可測可控的用戶體驗，使用戶可通過APP等方式靈活監測各個環節（設備）的功耗情況，提高用電效率；提高能源應用效率，實現能源監控精細化，全面深度感知設備運行、狀態和環境信息，有效引導用戶的調峰填谷；提高清潔能源消納，即通過對分布式儲能、產能設施的實施監控及數據收集，提高虛擬電廠和多能互補等分布式新能源的友好并網和電網可調控容量占比，促進清潔能源消納[5]。