5G網絡切片在智能電網領域影響研究

國網新疆電力有限公司信息通信公司 王 鑫 葉 瀟 李 辰 張 潔 左 航

1 智能電網發展面臨的機遇和挑戰

智能電網是在集成化、高速雙向通信網絡技術上通過使用新材料、新設備、新能源以及先進傳感技術、信息技術、控制技術所形成的新一代電力系統，在這個電力系統的作用下能夠更好地確保電網安全、穩定、可持續運行。

電力系統是整個電網運作的重要生產系統，生產區具體劃分為控制區、非控制區；信息管理區被劃分為生產管理區和管理信息區。智能電網在運作時依靠計算機信息技術和通信技術來管理系統，和傳統電網相比呈現以下特點：較高可靠性。會在沒有人干涉或較少人干涉情況下對電力網絡中的元器件進行隔離或自愈，從而減少用戶斷電的風險，在出現電網運行故障的時及時分析、定位、響應并恢復局部網絡異常情況[1]；較高的安全標準。安全標準比較高，不管是軟硬件系統在遭受外界攻擊情況下都會及時采取應急模式予以調節，就算是業務中斷，整個系統也能很快恢復運行；集成、交互系統。整合了監視、控制、管理、運營、資源規劃等子系統，在具體運作時能和用戶設備、電力終端信息交互，從而更好完成電網調度。

智能電網在發展過程中也會面臨一些新的機遇和挑戰[2]：新能源。為更好應對全球范圍內變暖問題，需積極發展可再生能源。但從發展實際情況看，可再生能源發電隨機性、間接性的特點為電網功率平衡、運行控制帶來困難。分布式能源的深度滲透會使配電網從功率單方向流動的無源網絡轉變為功率雙方向流動的有源網絡；新用戶。在電動車快速發展的背景下電動車容量需求增加。為更好滿足電動車管理需求需發展一種新的管理模式，即實現從電動設備接通時用電轉變為充電時間可互相選擇的互動用電；新要求。新設備和新場景的出現對用電質量提出更高要求，即一些高科技數字設備對供電零間斷的要求。不僅如此，從電網運營管理角度來看，對各個資源的使用要求也在逐漸提高，在使用用電設備時會思考如何提高設備的利用率，減少設備的線損和容載比[3]。

2 5G網絡切片實施的關鍵技術及其在智能電網領域中的應用

2.1 關鍵技術

5G網絡切片技術是5G網絡運作的關鍵技術，通過使用網絡虛擬化技術形式會將一張5G通信物理網絡在邏輯層面上劃分為多個虛擬端到端的網絡，在無線網、傳輸網的作用下各個網絡間互相獨立，每一個虛擬網絡出現故障時都不會干擾其他網絡。5G網絡切片技術會根據市場應用需求的變化來管理安排網絡資源，實現對網絡功能的剪裁處理，從而為客戶提供專屬虛擬網絡服務支持。

根據移動網絡切片管理和編排框架要求，3GPP工作組會在協議中部署更多的切片管理功能、網絡切片網管理功能。在具體操作時5G網絡切片會根據安全隔離要求和業務需求的差異化來選擇適合的切片方式，根據需要打造出個性化的切片網絡。傳輸網切片在硬件層交叉實現，軟件層可采用VLAN實現，在網絡系統的運作下既可采取單獨的硬件資源完成物理隔離，也可在共享硬件服務器的同時采取不同虛擬機完成業務分層。在系統運作時對于一些安全防護級別和隔離要求較高的多場景，也可采取端到端完全獨立切片的形式來傳輸數據信息，切片網絡會為不同業務提供差異化的寬帶網絡服務支持[4]。

2.2 應用場景

智能分布配電自動化。配電自動化是融合計算機技術、數據傳輸技術、控制技術、現代化設備和管理為一體的綜合信息管理系統，整個系統運作的目的是提供安全、可靠的電力資源支持，改善電能質量，為用戶提供精準的業務服務，減少工作人員的工作強度。智能電網采取了集中配電自動化控制方案，通信系統主要用來傳輸數據信息，包含終端上傳主站的遙感測試信息，遙信信息采集業務和主站還會下發終端常規總召，對出現故障的部位進行隔離和定位。在電力可供電需求的提升下，要求智能分布電網能實現不間斷供電，并要求在故障出現時能第一時間予以處理[5]。

精準化的負荷控制。電網負荷控制涉及到調度批量負荷控制和營銷負荷控制兩個類型，在電網出現故障時負荷控制會通過第二道防線的穩控系統來緊急切除負荷，防止電網遭受到破壞。通過第三道防線低頻低壓減載負荷裝置還能在電網運行時規避電網崩潰。為確保在直流故障影響下電網還能穩定運行，需采取多直流提升、抽蓄電站的切泵措施來平衡電網功率，但需注意的是要避免在直流出現嚴重故障下對電網頻率降落的干擾[6]。對于直流雙極閉鎖故障，如采取傳統意義上100kV負荷線路的集中切除負荷方式，一旦操作不當會引起電力事故，危害社會穩定。采用基于穩定控制技術的精準負荷控制系統不僅能滿足電網緊急狀態下的應急處置需要，且會將用戶的用電負荷降低到最低狀態。

低壓用電信息的收集整理。低電壓用電信息采集業務是對電力用戶用電信息收集整理、處理和實施監督控制的系統，能實現對用戶用電信息的自動化采集、異常監督控制、電能質量監測和分析管理。電力用戶用電信息收集整理業務一般被應用到計量領域，應用方向是數據信息的傳輸，具體涉及到終端上傳主站狀態信息和主站下發終端常規指令信息。低壓用電信息的通訊方式包含230M、無線公共網絡、光纖傳輸幾個類型，信息采集的基本方式是24計量點方式，具體分為5分鐘信息采集模式和15分鐘信息采集模式。未來用電信息采集整理將會延伸到家庭，能幫助系統獲取更多用電終端負荷信息，最終牽引合理錯峰用電。

分布式電源。風力發電、太陽能發電、電動車發送電等新型分布電源是一種建立在用戶端的能源供給方式，這些提供電源的系統可單獨運行、也可并網運行。在能源變革深入發展的背景下如何開發和利用清潔能源、實現網絡的并網處理成為電網企業需要思考和解決的問題。2020年分布式電源裝機容量達到1.87億千瓦，占據同期總體裝載機的9.1%，在電網運行中分布式電源是一個重要的關鍵，將分布式電源集中在電網中會獲得巨大的收益，不僅會節省輸電網運行資金消耗，還會增強電力系統運行的安全性、可靠性。分布式電源發電還會為系統運作提供更靈活的支持，如在暴風雪的天氣下如電力系統遭受較多破壞，這時分布式電源就會形成孤島或微網，進而向醫院、交通樞紐和廣播電視提供持續性的電力資源支持。

視頻圖像的實時性監督控制。實時性視頻圖像監督控制一般被應用在安防控制系統和監督控制系統，在視頻監督控制系統的作用下會對電力系統運作場所、配電網重要節點的運行狀態進行監督控制，視頻監督控制點一般會被安排在遠端配電房或比較隱蔽的公共場所，視頻信號傳遞為集中業務模式，需依靠更高級的配電系統，現有光纖覆蓋有線網絡無法滿足系統靈活監督控制的要求。

2.3 應用網絡指標要求

根據智慧電網的不同應用場景需要可對端到端網絡分別使用mMTC切片、uRLLC切片，且在不同切片間的相互組合作用下可實現對分域的切片管理，由此滿足對應場景的網絡指標要求。對于電網運作的各個場景受不同業務間的差異影響，在可靠性、時效性、寬帶、隔離度等方面會體現出不同的要求，不同的切片類型也會滿足不同網絡的運作要求，電網企業可根據切片的使用狀態和業務要求對各個隸屬單位提供差異化的電力業務服務。

5G網絡切片在智能電網領域應用時的不同場景的隔離度、帶寬、可靠性、時延、連接數、切片實例指標要求分別為：分布式配電自動化。高、低、高、高、中、uRLLC；精準負荷控制。高、低、高、高、中、uRLLC；低壓用電信息采集。低、低、中、中、高、mMTC；視頻圖像的實時性監督控制。低、高、低、低、低、eMBB；分布式電源控制。中、低、高、中、高、uRLLC＋mMTC；智能巡檢推行回傳。中、高、中、高、低、eMBB＋uRLLC。

綜上，智慧電網是電網技術新時期發展的一個必然，和傳統電網運行相比，智慧電網具備更高的信息化水平和自動化管理能力，在輸配電方面顯示出較強的靈活性，能有效提升電網的運作效率，增強電網運行的安全性和可靠性。在智能化網絡系統運作的過程中分布式管理是核心，在分布式管理的作用下可將5G網絡切片技術融入到智慧電網系統中，由此實現對智慧電網運作狀態和數據信息的有效收集整理，幫助用戶及時觀察、監督和控制電網運行實際情況。相信伴隨5G技術的深入發展，電力系統的芯片、終端等產業鏈將會更加完善，越來越多的5G切片技術形式會被應用到智慧電網中。