5G智能電網網絡指標分析與無線網切片方案研究

1 背景

智能電網是在傳統電力系統基礎上，通過集成新能源、新材料、新設備和先進傳感技術、信息技術、控制技術、儲能技術等新技術，形成的新一代電力系統，具有高度信息化、自動化、互動化等特征，可以更好地實現電網安全、可靠、經濟、高效運行[1]。5G網絡具有高速率、低時延、大連接的特點，能契合智能電網發、輸、變、配、用各個環節對通信安全性、可靠性和靈活性的要求。開展面向智能電網的5G專網方案研究，能推動5G智能電網應用的實現，加快智能電網的部署進程。

2017底，發改委委托中國移動開展5G智能電網應用示范，中國移動聯合南方電網和華為公司在深圳成功開展5G智能電網業務能力測試。2020年，中國移動再度聯手南方電網開展5G智能電網二期試驗，驗證在5G商用網絡下5G智能電網應用方案。

2 5G智慧電網通信需求分析

智能電網包括發電、輸電、變電、配電、用電及綜合管理等6大環節[2,3]，應用主要可分為控制、采集、移動應用3大類業務，下面將對6個環節的應用場景與通信需求進行分析。

2.1 發電環節通信需求

發電環節主要是滿足發電廠生產、管理與運維需求，實現生產管理全流程的智能化，同時支撐分布式發電的接入。主要應用場景有：微能源網（光伏、微風發電、光熱供能）綜合應用；小水電廠接入；智慧電廠生產、管理與運維系統等。應用涵蓋發電自動化三遙、生產監控、電能計量與質量檢測、精確定位與位置感知、VR/AR檢修、教學培訓等。發電場景應用目前主要使用光纖或4G通信。由于應用集中在發電廠特定區域，且保障性與隔離度要求較高，適合采用5G專網覆蓋。發電環節通信指標需求如表1所示。

表1 發電環節通信指標需求

2.2 輸電環節通信需求

輸電環節有輸電線路狀態在線監測、輸電線路視頻監控以及輸電線路無人機巡檢三大類應用。輸電線路狀態在線監控多為傳感類監測，包括對架空輸電線路設備本體、氣象環境、通道狀況等進行監測，以及在地質不穩定區、大跨越線檔、關鍵送電通道等區域對桿塔傾斜位移、基礎沉降、線路振動、導線及金具溫度等線路狀態參數的狀態監測。輸電線路視頻監控主要采用攝像設備進行圖像或視頻監測，包括導線覆冰監測、環境山火監測、外力破壞監測、絕緣子導線污穢監測等。輸電線路無人機巡檢為采用無人機對架空輸電線路本體、附屬設施、線路通道等進行檢查。輸電場景應用目前主要使用2G/4G通信。輸電環節應用集中在電力線路沿線，適合采用5G公網覆蓋。輸電環節通信指標需求如表2所示。

表2 輸電環節通信指標需求

2.3 變電環節通信需求

變電環節有變電設備狀態在線監測、變電站視頻及環境監控以及變電站移動巡檢機器人三大類應用。變電設備狀態在線監測包括變電線路狀態在線監控、變壓器設備狀態監控、GIS設備狀態監控、110 kV以上戶外敞開式變電站設備狀態監控、開關柜設備狀態監控等內容。變電站視頻及環境監控主要包括變電站視頻監控系統及機房環境狀態監控。變電場景應用目前主要使用網線/光纖等形式接入，部分應用（如機械人巡檢等）采用WiFi接入。由于應用集中在變電站內，且保障性與隔離度要求較高，適合采用5G專網覆蓋。變電環節通信指標需求如表3所示。

表3 變電環節通信指標需求

2.4 配電環節通信需求

配電環節主要有配電自動化（三遙）以及計量自動化兩大類應用。配電自動化（三遙）是通過配電自動化主站、配電自動化終端、開關設備等相關設備，經配電通信通道連接組成，實現配電網的運行監視、協調和控制的自動化系統。計量自動化通過計量裝置對發、輸、配、用各環節的電能量數據集中采集、統計、分析、發布及數據異常管理。目前主要通過光纖、2G/4G公網進行通信。由于應用分布較廣，適合采用5G公網覆蓋。配電環節通信指標需求如表4所示。

表4 配電環節通信指標需求

2.5 用電環節通信需求

用電環節主要為用電信息采集、分布式儲能以及面向不同用電客戶的智能供電服務。目前主要通過光纖、2G/4G公網等方式進行通信。由于應用分布較廣，適合采用5G公網覆蓋。用電環節通信指標需求如表5所示。

表5 用電環節通信指標需求

2.6 綜合管理環節通信需求

綜合管理環節5G應用是電力運營企業為了提高綜合管理效率并保障電力網絡管理安全而引入的應用，大體包括安監、基建、辦公、信息、物資4個方面。其具體需求如表6所示。

表6 綜合管理環節通信指標需求

3 5G智慧電網無線網切片方案

從第2節內容可以看出，智慧電網應用場景復雜多樣，既包括發電廠、變電站等局部封閉區域，也包括城區、鄉鎮及農村郊外等開闊場景。如獨立新建一張無線專網承載電網業務，其巨大的建網成本將使電力企業無法承受。電信運營商通過引入5G網絡切片技術，可以充分利用5G公網資源為電力企業打造定制化的“行業專網”服務。[4]

3.1 無線基站安全隔離建設方案

結合電力企業在不同場景下對網絡隔離度的不同需求，無線網絡可以采用以下方式開展建設。

（1）軟隔離建設：基站硬件資源與公網共享，在同一小區中進行切片的邏輯切分，無線資源采用切片化保障方案。由于資源共享，基站建設成本較低。適用于輸電、配電、用電等廣覆蓋且隔離要求相對較低場景。

（2）部分硬隔離建設：基站部分硬件資源專用（如：獨立AAU，共基帶板/BBU；共AAU/BBU，獨立基帶板）。數據實現部分硬件隔離，也可實現在不同小區中切片的邏輯切分。由于部分硬件專用，建設成本較高。適用于發電廠、變電站等局部區域覆蓋、隔離度要求較高且多個應用集中的場景。

（3）完全硬隔離建設：運營商提供專用的BBU和AAU建設電力專網。數據實現完全硬件隔離，資源配置可以靈活編排，頻率專用，但成本最高。適用于隔離度要求最高、保障度最高的電力核心場景。

3.2 無線網絡切片保障方案

結合目前設備的技術支持情況，無線網絡的切片保障方案包括如下3種模式：

模式一：切片級優先級調度

通過優化調度的方法，網絡為不同的切片用戶設置不同的調度優先級，使智能電網終端在接入時獲得比一般的用戶更高的優先等級，從而保障資源的占用。根據目前設備的支持程度，5G網絡可采用設置5QI以及預調度等方式實現切片優先調度。

（1）5QI

5QI是5G QoS配置的一個參數，用于索引一個5G QoS特性。目前3GPP已定義27個5QI值，以提供不同業務參考使用，具體如表7所示。

表7 3GPP定義5QI值對應QoS特性表[5]

從表7可以看出，3GPP已為智能電網的中壓配電與高壓配電應用設計了5QI建議值（中壓配電5QI=3，高壓配電5QI=85），在網絡建設時建議承載此業務的相應切片5QI按照3GPP標準進行配置。對于其他業務場景，相應切片的5QI值可參考服務示例進行配置。

利用行業專網試點對不同5QI設置下時延和帶寬的影響進行測試，其結果如表8所示。

表8 5QI保障性能測試結果

*注：① 以上帶寬測試中5QI=3時GBR=100 Mbit/s（上行）/600 Mbit/s（下行）② 時延測試采用小包測試，且未開啟預調度

從表8可以看出，5QI設置為3時其時延及帶寬保障性均比5QI設置為9時好。

（2）上行預調度

上行預調度是為了消除上行數據傳輸時信道資源請求與指派流程的時延而提出的技術。網絡為UE預先配置PUSCH資源，終端在發起數據傳輸前不需要向基站發送SR進行資源請求，而是在預先配置的PUSCH上進行數據傳輸，從而消除調度請求時延。上行免調度流程如圖1所示。

圖1 上行免調度流程示意圖

利用行業專網試點對上行預調度性能進行測試，其結果如表9所示。

表9 上行預調度時延保障性能測試結果

從表9可以看出，開啟上行預調度后端到端時延明顯下降，說明開啟上行預調度能大大降低空口側時延。對于差動保護、三遙、配網PMU等對時延要求高的應用場景需在覆蓋區域內打開上行預調度功能。

模式二：空口資源預留

空口資源預留是對空口PRB資源進行策略設置，可實現為某些特定網絡切片在特定區域內分配專用的無線PRB資源，以實現無線資源的隔離，同時保障在基站業務繁忙時切片用戶業務體驗。

空口資源預留分Strict模式和Float模式。Strict模式為完全獨占模式，預留的PRB資源為切片專用，其它切片不能使用。Float類型為某切片設定預留資源最大比例，在預留比例之內的PRB資源由該切片用戶優先占用，未被占用資源可與其它切片共享，但必須保證該切片用戶的隨時接入。空口資源預留原理如圖2所示。

由于電網生產1、2區的安全、隔離、時延及保障性要求較高，建議在生產1、2區切片作空口資源的預留。

模式三：劃分獨立專用頻段

部分應用由于隔離度要求極高，可在其業務發生區域規劃滿足性能的頻段或者分割一定的頻率資源進行組網，實現無線資源隔離，其原理如圖3所示。

由于電廠、變電站等場景隔離度要求較高，對于特定的電廠和變電站可以采用“基站設備硬隔離+獨立頻段”的方式進行建設，以確保高度隔離。

4 總結與展望

本文分析了智能電網發電、輸電、變電、配電、用電及綜合管理等6大環節5G典型應用的通信需求，并結合目前設備技術情況，提出了5G智能電網的無線網切片方案，為5G智能電網的下一步試點提供參考。

圖2 空口資源預留原理示意圖

圖3 劃分獨立頻段的硬切片

5G智能電網技術目前仍處于探索階段，其技術成熟度仍不能完全滿足電網的全部應用場景的需求，5G智能電網的應用場景也有待進一步的挖掘。隨著5G智能電網研究項目在3GPP R18中成功立項，5G智能電網技術將加快邁向成熟，具有高度信息化、自動化、互動化的5G智能電網將會在不久的將來得以實現。