基于5G+MEC的泛在電力物聯網建設策略

徐延輝 馬翔 宋強

(中國聯通山東省分公司,山東濟南 250101)

0 引言

隨著5G技術和MEC技術的應用與發展,基于這兩項技術組合形式的泛在電力物聯網的建設與應用也開始備受關注。在對這種形式的泛在電力物聯網進行構建的過程中,首先應該對5G技術以及MEC技術做到全面了解,然后以此兩項技術為基礎,根據實際情況和實際需求來進行泛在電力物聯網的試點方案設計。通過這樣的形式,才可以讓以5G+MEC技術為基礎的泛在電力物聯網得以科學建設,以此來促進當今電力行業的良好發展。

1 5G技術和MEC技術概述

1.1 5G技術概述

5G技術是第五代移動通信技術的簡稱,該技術屬于一種數字化的蜂窩網絡技術。5G技術的主要優勢在于數據傳輸效率高、延遲低、能源節約效果好、系統容量大且成本低。其最高網速可達10GBit/s,網絡延遲時間在1毫秒以內。該技術不僅在手機無線網絡傳輸中發揮著關鍵性的優勢,也在其他各個領域的網絡信息傳輸中發揮著顯著作用。

1.2 MEC技術概述

MEC技術是多接入邊緣計算技術的簡稱,這一技術可以為應用程序的開發者以及相關內容的提供商建立起一種云計算功能,同時也可以在網絡邊緣建立起一個IT服務環境。這種網絡邊緣IT服務環境的主要特征是帶寬高、延遲超低,同時,應用程序可借助于無線網絡的形式來進行實時訪問。這一技術可以為電信運營商繪制出一個完整的線路圖,借助于IaaS/PaaS模型來實現邊緣云計算功能的提供[1]。

2 以5G+MEC技術為基礎的泛在電力物聯網試點方案設計分析

2.1 主要設計目標

在以5G+MEC技術為基礎的泛在電力物聯網建設過程中,其主要的目標有三個,第一是對變電站進行移動巡檢和集中監控,有效解決傳統變電站監控中高清視頻傳輸中的帶寬問題,讓各個變電站區域得到實時的高清監控,并實現無人機巡線和巡站等的各項業務,以此來提高變電站的檢修效率,降低運維難度和成本。第二是對配電站的實際配電狀態做到實時感知,實現海量高精度錄波數據的實時上傳,為電網業務的靈活性、可靠性和安全性等的需求滿足提供有效保障。第三是對開關站線路實現縱差保護,為線路縱差保護提供有效的承載作用,全面滿足其保護信號傳輸過程中的時延需求,并對新的縱差保護傳輸方式進行探索,促進電網的安全穩定運行。

2.2 變電站試點方案設計

在業務需求的設計中,借助于5G技術,可以讓變電站實現移動巡檢以及集中監控,其中主要有220KV形式變電站端的輔助監控系統、狀態監測數據、高清視頻以及通過機器人巡檢方式實時進行的遠程監控。同時也讓220KV變電站中的AR巡檢以及移動變電作業得以實現。另外,借助于5G網絡,也可以將現場的巡檢數據以及遠程會商等的數據實時傳遞給系統。根據實際的應用需求,其總帶寬應該達到50M,時延應該達到100ms以內。

在覆蓋區域的設計中,應該保障5G信號在220KV變電站實現全面覆蓋,包括110KV和220KV生產綜合樓、站內院區以及實驗室內外等的這些區域。

圖1 分系統連接圖Fig.1 Sub-system connection diagram

圖2 分設備連接圖Fig.2 Connection diagram of sub-equipment

表1 本次試點過程中的業務需求設計情況Tab.1 The design of business requirements during the pilot process

在MEC的建設過程中,需要將MEC建設在下沉園區中的機房內,包括防火墻2套、交換機3套、服務器3套,可以為15G流量的數據并發提供支持,且不限制用戶數量。其中,GW-U核心網功能需要下沉到邊緣機房內,以此來達到本地分流效果,讓泛在電力物聯網中的低延時、大寬帶業務需求得以充分滿足,并通過防火墻的設置來確保業務安全[2]。GW-U核心網絡應設置在核心機房內,并鏈接到控制面上,以此來實現用戶計費、鑒權以及策略等的控制。

在基站的建設過程中,首先是室外基站設計,本次試點設計中,基站南北長度為74m,東西長度為70m,將一座NSA 5G形式的基站建設在建筑室外的樓頂,以此來實現整個變電站室外區域的全面覆蓋。其次是室內基站設計,具體設計中,主要借助于3G/4G/5G的共模形式來實現新型室分,其中,共設置BBU1臺,RHUB2臺,PRRU5臺。其分系統連接,如圖1所示。

在基站回傳方案的設計過程中,主要通過DRAN的方式進行部署,通過光纖實現5GRRU到BBU之間的連接,BBU在綜合連通業務的接入點機房內集中設置,借助于該機房,可以將基站信息直接回傳給MEC系統中的邊緣計算中心,再借助于IPRAN連通設備實現上聯。5GBBU和IPRAN設備之間的連接主要借助于10GE光口來實現,并借助于IPRAN網絡進行5G基站數據以及信令的傳輸。

2.3 配電站試點方案設計

在業務需求的設計過程中,主要借助于5G來實現配電狀態感知。在配電終端,共設置了2部TTU設備、1套視頻監控系統和2臺室內形式的互聯網顯示器。借助于5G網絡,可以將配電終端的視頻監控以及TTUI業務向主監控平臺實時傳遞。根據其實際的網絡應用需求,共設計了幾十個信息采集設備,總帶寬應該達到50M,時延應該控制在50ms以內[3]。

在對覆蓋區域進行設計的過程中,應保障5G信號對整個配電室內部的全面覆蓋。

在對基站建設方案的設計過程中,主要借助于3G/4G/5G的共模形式來實現新型室分,其中,共設置BBU1臺,RHUB1臺,PRRU1臺。其分設備連接,如圖2所示。

2.4 開關站試點方案設計

在對業務需求進行設計的過程中,借助于5G對開關線路進行縱差保護,也就是實現自動化的配電服務。為有效滿足開關站線路的實際需求,需要將其帶寬設計為1M,延時設計為50ms以內。本次試點過程中的業務需求設計情況,如表1所示。

在對覆蓋區域進行設計的過程中,將一座開關站設置在戶外的地上,六座開關站設置在地下,以此來實現5G信號的全面覆蓋。

在對UI基站建設方案進行設計的過程中,首先借助于既有的角鋼塔在戶外地上開關站中加設一套NSA5G形式的宏站。然后通過3G/4G/5G的共模形式來實現其他6個開關站的新型室分,并分別設置BBU1臺,RHUB1臺,PRRU1臺。

表2 具體的時延情況Tab.2 Specific time delay

在對基站回傳方案進行設計的過程中,通過DRAN的方式來部署新增設的5G基站,借助于光纖直聯法來實現5G RHUB和BBU之間的連接,借助于IPRAN傳輸設備對環網內部各個開關站之間的保護信息從上聯基站回傳到MEC設備中,再借助于IPRAN設備將其傳送到各個目標開關站點,這樣就可以讓保護信息在環網內部實現獨立成網的目標[4]。在配網的自動化區域中,借助于IPRAN設備將相應的業務從5G上聯基站傳輸給配網中的自動化主站。

3 應用實例分析

在某電力公司的變電站、配電站以及開關站5G試點及其業務驗證過程中,主要采用上述方法進行試點,并獲得了以下的驗證結論:

(1)通過無人機的形式攜帶4K攝像頭,讓變電站以及各個線路中的實施巡檢目標得以有效實現,圖像回傳效果十分清晰流暢,僅僅CPE上行寬帶便可超過80M,且十分穩定。相比較以往的先儲存后調取形式的圖像而言,本次改進顯著提升了故障的發現及其處理效率,讓人工智能形式的圖像自動巡檢與圖像識別成為可能。

(2)線路的保護時延可有效滿足配電網運行中的實際電路保護需求,室內外端與端之間的平均時延波動很小,可有效滿足配電網實際需求。具體的時延情況,如表2所示:

在對10kV開關進行三遙測試過程中發現,其線率以及成功率均可以達到100%,與實際的應用需求相符。

由此可見,將5G+MEC技術為基礎進行泛在電力物聯網的建設,可充分發揮出其超低時延、超高帶寬、超大規模和超高可靠性等的這些優勢,與電力行業中的實際變電站、配電站以及開關站智能化、多樣化的運行需求十分相符,從而有效提升電網運行的便捷性、安全性和可靠性,并進一步節約智能化電網的運行成本。另外,通過這樣的泛在電力物聯網建設形式,也可以進一步實現電力企業業務的自主性與可控能力,使其服務質量得以進一步提升,在有效滿足社會實際用電需求的基礎上促進電力企業的良好發展。

4 結語

綜上所述,在當今的電力行業發展中,自動化以及智能化的電網運行形式越來越受到電力企業和社會各界的關注。在這一電網運行形式的發展中,良好的通信傳輸效果是保障電網自動化與智能化運行管理的關鍵。以5G+MEC技術為基礎的泛在電力物聯網建設可以有效滿足電網運行過程中的數據實時傳輸需求,為電網的自動化與智能化運行提供良好的技術支撐。因此,要想實現電力系統的自動化與智能化運行管理,電力企業就應該加大力度對此技術進行研究與應用。通過這樣的方式,才可以有效促進電網的智能化發展,并為電力企業乃至于整個電力行業的發展提供足夠動力。