5G切片技術在電力物聯網方面的應用研究

袁 棟

（廣州杰賽科技股份有限公司 廣東 廣州 510000）

1 引言

近年來，物聯網在電力行業已經實現了廣泛的應用，用戶終端數量顯著增加，電力系統的各部門根據自身實際需求已經研發了一些具有特色功能的物聯網應用。雖然電力物聯網體系取得了長足的發展進步，但在電力物聯網的建設過程中也存在很多亟待解決的問題。

傳輸時延是物聯網的傳輸數據過程中的時間延遲，隨著科學技術的發展進步，各種物聯網應用對數據回傳時延的要求越來越高，這就給數據傳輸技術提出了更大的挑戰。鑒于此，科研工作者做了大量技術研究工作，以期解決時間延遲問題，5G網絡切片技術應運而生。

2 電力物聯網的應用場景及通信需求分析

電力物聯網技術廣泛應用于各種場景中，涉及到電能生產、輸送和使用的各個環節，還涵蓋電能產業經營管理，智能物聯網設備的成功研制對終端設備的接入提供了可能。該系統有三級技術架構，分別是設備、管理平臺和主網站。本節將對電能生產和電能輸送的各個環節特點進行討論，就其應用場景和通信需求進行分析。

2.1 輸電環節通信需求分析

電力物聯網系統在輸電環節的具體應用是線路監測，主要的線路監測手段采取視頻實時回傳的方式進行。除此之外，還借助各種監測設備采集輸電線路相關硬件的數據信息，這些數據信息能夠通過物聯網發送到主站，電力企業工作人員在進行線路檢查時，可以調取相關的數據信息進行分析研究。便于工作人員發現故障問題，及時排除安全隱患。

目前，各大電力企業對監控視頻都有各自的要求，通常使用光纖傳輸或電纜傳輸監控視頻信息，為保證監控視頻圖像質量，每路視頻的帶寬均不應低于4Mbps，少數企業利用無線監控視頻傳輸技術，例如通用無線分組業務或4G網絡傳輸業務等。

對齊進行狀態監測過程中，根據所監測數據所占的帶寬不同，可以分為三類。寬帶數據的流量需求較低，通常在1～3Mbps之間，這種流量需求特點使其適用于視頻采集設備。中等寬帶數據流量一般不大于150Mbps，這種數據流量特點能夠應用在圖像采集設備上。窄帶數據流量一般也不大于150Mbps，適用于一些導線的運行參數非實時測量傳輸，例如監測導線溫度。

2.2 變電環節通信需求分析

變電站是電能生產過程中一個重要的節點，對電能的順利安全生產具有重要意義。變電設備具有種類繁多、結構復雜的特點，變電站整體環境中磁場強度都比較高，有較大的安全風險。其電能通信功能主要通過有線通信實現，無線通信應用減少，僅在一些電力企業所配備的智能巡檢機器人通信技術中有所涉及。由于無線數據傳輸只能通過4G網絡和無線路由器網絡來完成，導致智能機器人的無線通信無論從速度上或是移動范圍上都有較大的局限性。因此構建穩定性高、數據傳輸時延小的網絡數據傳輸體系是電力企業智能化發展過程中無法繞過的技術障礙。

2.3 配電環節通信需求

配電環節的基礎性業務具有多樣性的特點，涉及到自動化運行、實時監控等領域，進行自動化配電工作時需要較大的信息流量，具體信息流量如下。

配電自動化業務分為“三遙”業務和分布式饋線自動化業務，三遙業務設備主要有開關站、環網柜、箱變和柱上變/柱上開關。其中開關站終端有2個，共需要30kbps的匯總流量；環網柜終端數量為8個，共需要24kbps的匯總流量；相變的終端數量為30個，共需要90kbps的匯總流量；柱上變/柱上開關的終端有65個，共需要97.5kbps的匯總流量；分布式饋線自動化終端需要400kbps的匯總流量，以上為配電自動化業務共需要的通信流量大小。

配電自動化通信流量需求還包括電能質量監測流量需求、分布式能源接入流量需求、配變視頻監控流量需求，分別為768kbps、64kbps、25600kbps。基本業務流量共1.47Mbps，含視頻業務流量27.07Mbps。

基于城市中電纜和光纖基礎建設成熟的先決條件，配電自動化業務在城市中能夠較好的開展，農村由于傳輸線纜基礎設施建設的嚴重不足導致“農村用網最后1公里”的問題無法得到實質性解決，無線網絡通信技術則能夠很好的解決農村網絡通信問題。現階段，我國電力行業進入全新的發展時期，逐漸發展的配電物聯網體系迫切需要穩定、快速的無線網絡技術支撐。

2.4 電力物聯網通信需求

根據電力業務的特點及電力業務相關設備的通信需求可以看出，傳統的2G、3G、4G通信技術能夠在一定程度上滿足設備使用需求和業務開展需求，但也暴露出幾個方面問題。

第一方面，網絡設備技術更新換代速度較快，電力物聯網對網絡速度的要求變高；第二方面，電纜和光纖作為主要數據傳輸載體仍然具有50～100ms的網絡時延，這種較大的網絡實延特點，使得實時智能巡檢等電力物聯網實時監測技術無法實質性推進。

具備超低時延、大帶寬、海量連接和多場景接入多種能力的5G通信網絡，依托其網絡切片的虛擬邏輯隔離模式，更適應新形勢下以及未來電網感知智能互聯式的發展，支撐云邊協同的電力物聯網，智能化提升。

3 電力物聯網中5G切片技術的應用

3.1 切片架構

3.1.1 感知接入側

在電力物聯網組成架構中，感知接入側屬于電力物聯網的信息采集端，應用場景中各個感知設備和物聯裝置能夠感知具體工作情況，將所獲取的信息通過5G通信模塊上傳至網絡中，該業務切片種類分別是輸電切片、變電切片、配電切片和用電切片四種類型。它們能夠依托電力物聯系統實現線路工作情況監測、無人機巡視檢查、配電側各類業務數據實時傳輸、電信息采集等用電業務數據傳輸[1]。

3.1.2 無線通道側

無線通道側5G切片技術要實現網絡數據無線傳輸的功能，無線通信遠程終端中一個核心組件是通信模塊，該組件能夠將數據信息以無線方式傳輸至主網終端中，并能滿足各種電力通信業務需求。借助于5G無線傳輸模塊帶寬高的技術特點，能夠為電力企業提供超清視頻監控實時回傳業務服務。高可靠性特點使得電力自動化監控系統的高科技智能機器人可靠巡視檢查變成可能[2-3]。

不同業務切片類型能夠滿足不同的電力業需求，通道側共享無線切片包括增強移動寬帶切片，海量機器類通信切片和超可靠低延時通信切片三個切片類型。第一種切片提供了較大帶寬的5G切片技術，這種切片技術為高清視頻實時回傳提供了技術基礎。第二種切片適用于靜態設備，例如電力生產環節中核心站點的輔助監控、線路線纜運行數據接入和用電數據獲取業務等。第三種切片技術則適用于精細化控制程度極高的電力物聯業務，其超低時延（低于5ms時延）的技術特點使自動化配電的準確實施成為可能。

3.1.3 平臺傳輸側

平臺傳輸側的平臺層分為基礎元和業務主站集群兩個組成部分。其中基礎云又分為生產控制云、公共服務云和企業管理云。傳輸層的核心網側5G核心網將數據上傳至平臺層的基礎云中，基礎云又將數據信息傳輸至。輸電線路在線監測管理系統，變電站智能輔助管理系統配電主站和用電信息采集主站等業務主站中，實現平臺傳輸側5G切片功能。

3.2 5G切片的智能化管理

現階段電網業務場景已經逐漸呈現出多樣化、復雜化的發展趨勢，電力傳輸過程也有較大的不確定性。基于這種特點，5G業務中對切片的管理應該以智能化為發展目標，智能化的切片管理對5G網絡能力開放具有重要價值。智能化5G網絡開放功能模塊主要由AI支持和5G切片兩個部分組成。切片管理模塊中首先完成創建切片過程，而后切片實現5G網絡下的電力業務應用，在應用過程中5G切片可以進行更新，最后經歷5G切片釋放、回收與再分配的過程。再分配的5G切片與AI支持模塊相互交聯，進行電力物聯流量收集、業務流量自學習和流量模型建立等流程，最后流量模型建立之后再用于5G切片創建，形成閉環。

4 結語

電力物聯網建設是現代化電力行業建設的重點，對電力物聯網技術和終端設備進行研究能夠保證電能生產的各個環節實時高效傳輸數據信息，安全可靠穩定運行。5G作為電力物聯網體系中最重要的數據傳輸技術載體，擔負著完成各種電力物聯業務的重要任務。5G切片是建立高速穩定無線傳輸通道的核心技術，從概念提出之時就受到科研學者的廣泛關注。