融合設(shè)計：5G賦能泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的催化劑

成聿倫，朱晨鳴（1.南京郵電大學(xué)，江蘇南京 10003；.中通服咨詢設(shè)計研究院有限公司，江蘇南京 10019）

0 前言

電力通信網(wǎng)絡(luò)是保障電網(wǎng)安全運行的重要手段，隨著經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，迫切需要現(xiàn)有電力通信網(wǎng)絡(luò)向泛在電力物聯(lián)網(wǎng)演進，以支撐我國電網(wǎng)實現(xiàn)信息化、智能化。同時，隨著綠色發(fā)展理念在電力領(lǐng)域的不斷推進，電力生產(chǎn)對于通信網(wǎng)絡(luò)提出了新的需求。

a）海量分布式接入。

b）設(shè)備連接種類與數(shù)量爆炸式增長。

c）時延、可靠性要求提升。

1 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電力領(lǐng)域的一種具體應(yīng)用形式，通過將所有和電相關(guān)的事物和設(shè)備進行互聯(lián)互通，實現(xiàn)電力和信息的高效交互。

1.1 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層和應(yīng)用層（見圖1）。感知層通過海量且種類繁多的傳感器，實現(xiàn)對發(fā)電、輸電、配電、變電、用電等各個環(huán)節(jié)中的實物和設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的同源采集。比如現(xiàn)在的智能電表，就屬于配電環(huán)節(jié)的一種傳感器，能夠采集感知用戶的用電數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)層通過中間件、適配等技術(shù)，將各種不同類型、不同技術(shù)制式、不同協(xié)議的傳感器接入，從而實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的上傳。網(wǎng)絡(luò)層通常具有強大的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合接入和適配能力，比如4G/5G、Wi-Fi、Bluetooth、ZigBee、LoRa、NB-IoT 等傳感器接入技術(shù)。平臺層主要利用大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等技術(shù)，通過標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)中心服務(wù)模式和虛擬網(wǎng)絡(luò)切片對網(wǎng)絡(luò)層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行存儲、處理以及資源分配。應(yīng)用層通過電力和信息的互聯(lián)互通，為電網(wǎng)運行、資源匹配、用戶交互等提供各種智慧服務(wù)接口。

圖1 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1.2 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的特性

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的特性主要有以下4點。

a）泛在性。泛在性體現(xiàn)在2 方面，一是指泛在電力物聯(lián)網(wǎng)連接著海量電力相關(guān)設(shè)備和實體，使得連接無處不在。二是指現(xiàn)有的電力網(wǎng)、通信網(wǎng)、業(yè)務(wù)支撐網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)均屬于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的一部分，同時也是其服務(wù)對象。

b）異構(gòu)性。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)連接了電力萬物，這其中不僅包含發(fā)電、輸電、配電等生產(chǎn)設(shè)備，還包括家庭電器設(shè)備、環(huán)境感知設(shè)備，這些設(shè)備遍及了專用與通用、強電與弱電、有線與無線、可靠性高與低等等，差異極大。

c）開放性。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的平臺層基于數(shù)據(jù)中心服務(wù)模式和軟件定義架構(gòu)，向外提供服務(wù)接口，因此服務(wù)對象不僅包含電網(wǎng)企業(yè)，還能面向政府、用戶、用電主體等提供定制服務(wù)，從而創(chuàng)造新的價值。

d）創(chuàng)新性。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)首次實現(xiàn)了全流程、大規(guī)模、細顆粒度的數(shù)據(jù)采集，可以提供精確全面的網(wǎng)絡(luò)與用戶狀態(tài)信息，能夠支撐所有參與者進行全新的業(yè)務(wù)、運營模式以及商業(yè)生態(tài)創(chuàng)新。

2 與泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)需求高度契合

5G 的通信特點是高速率、廣連接、高可靠性、低延時以及低功耗，這些特點不僅僅取決于物理層技術(shù)的飛躍，比如大規(guī)模MIMO、NOMA 的應(yīng)用，而是以可軟件定義、以網(wǎng)絡(luò)切片的形式結(jié)合應(yīng)用場景來展現(xiàn)。5G通信特點與泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)需求高度契合。

a）電力網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷擴大，產(chǎn)生海量實時測量和監(jiān)測數(shù)據(jù)，而5G的高速率可以為其提供傳輸能力。

b）現(xiàn)網(wǎng)擁有超大規(guī)模的電力智能終端和設(shè)備，5G的廣連接可以有效滿足上述大連接、窄帶的互聯(lián)需求。

c）電力系統(tǒng)的可靠性要求較高，而5G 的高可靠性對提高電網(wǎng)可靠性具有重要意義。

d）電力系統(tǒng)中的控制和調(diào)度對時延極其敏感，而5G 的時延可控制到毫秒級，能夠滿足電網(wǎng)的技術(shù)指標(biāo)。

e）泛在電力物聯(lián)網(wǎng)需要大量無源傳感器收集數(shù)據(jù)，而5G的低功耗可以有效解決設(shè)備能源供應(yīng)。

電力網(wǎng)絡(luò)不同于通信網(wǎng)絡(luò)，具有業(yè)務(wù)多、雜，顆粒小，隔離性差異大等特點，不同的業(yè)務(wù)對通信時延、可靠性、帶寬、業(yè)務(wù)隔離的要求差異非常大，傳統(tǒng)單一的通信網(wǎng)絡(luò)無法滿足。而5G 的一大特點是核心網(wǎng)的軟件可編程、可定義，根據(jù)應(yīng)用場景，將資源整合成具有不同通信能力組合的虛擬網(wǎng)絡(luò)切片，每個切片可按需定制獨立的生命周期，面向不同業(yè)務(wù)特點按需構(gòu)建相互隔離的網(wǎng)絡(luò)實例。5G切片具有以下特點。

a）端到端的服務(wù)等級保障。可提供不同的通信能力組合。

b）業(yè)務(wù)隔離。可以實現(xiàn)不同業(yè)務(wù)與不同層級間的有效隔離。

c）功能按需定制、動態(tài)編排。有效提升網(wǎng)絡(luò)資源效率。

由此可見，5G 通過切片的方式可滿足泛在電力物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)多樣性的需求。

5G切片根據(jù)應(yīng)用場景主要分為三大類。

a）增強移動帶寬切片（eMBB）。主要針對大流量、高帶寬需求。典型電網(wǎng)應(yīng)用主要是數(shù)據(jù)采集類業(yè)務(wù)，包括配電房視頻綜合監(jiān)控、變電站機器人巡檢、輸電線路無人機巡檢等。

b）大規(guī)模機器通信類切片（mMTC）。主要針對物聯(lián)網(wǎng)中的海量設(shè)備與實體間的連接和通信需求。典型電網(wǎng)應(yīng)用主要是控制類業(yè)務(wù)，包括分布式能源調(diào)控、充電樁接入與監(jiān)測、用電量感知等。

c）超高可靠性超低時延切片（uRLLC）。主要滿足對時延和可靠性都特別敏感的業(yè)務(wù)。典型電網(wǎng)應(yīng)用主要是控制類業(yè)務(wù)，包括分布式配電自動化、精準(zhǔn)負(fù)荷控制、用電負(fù)荷響應(yīng)等。

3 融合設(shè)計：助力5G賦能泛在電力物聯(lián)網(wǎng)

電力網(wǎng)絡(luò)具有覆蓋范圍廣袤、新興能源站點分散等特點，而受頻段制式所限，5G 單基站覆蓋范圍遠小于4G，因此，利用5G 大規(guī)模地建設(shè)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)，需要解決巨大的建設(shè)和維護成本問題。融合設(shè)計旨在最大限度地在電力行業(yè)和通信行業(yè)實施跨行業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施的共享共建，通過在5G 網(wǎng)絡(luò)的基站、供電、線路、傳輸、交換等工程環(huán)節(jié)中，充分利用電力塔桿、站點、新興能源供電等豐富的存量資源，來因地制宜地建設(shè)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)，能夠有效減少對土地、通信鐵塔等重資產(chǎn)的消耗，避免重復(fù)投資、重復(fù)建設(shè)。

3.1 融合設(shè)計賦予電力資源的新價值

通過融合設(shè)計將5G建設(shè)融合到存量電力資源上，會為其賦予以下新價值。

a）資源復(fù)用價值。通過在電力塔桿、站點增加5G通信資源，可以大大提升站點的空間復(fù)用價值，通過電力設(shè)備和通信設(shè)備的空間融合化建設(shè)，實現(xiàn)資源優(yōu)化配置，并為跨行業(yè)業(yè)務(wù)融合提供支持。

b）高速信息價值。將5G 天線、分布式邊緣計算中心等網(wǎng)元融入電力站點，將賦予站點高速雙向交互、計算等能力，可以實現(xiàn)工業(yè)級的精準(zhǔn)控制、細微感知等新興應(yīng)用。

c）效益價值。電力站點通過融合設(shè)計，利用5G可以實現(xiàn)對海量分布式新能源發(fā)電站的能源接入和控制，提高新能源吸收率，從而降低電網(wǎng)企業(yè)擴容成本。

3.2 融合設(shè)計實例

融合設(shè)計在5G 與泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)實踐中已得到初步應(yīng)用和實踐。比如2019年7月16日，國內(nèi)首個聯(lián)網(wǎng)運營的多站融合站點在重慶沙溝變電站建成投產(chǎn)。該站點采用融合設(shè)計理念，利用變電站的空間資源，配置了多種定制機柜，并充分改造了已有的電池儲能設(shè)備，將變電站、數(shù)據(jù)中心、5G NR DU等功能集于一身，實現(xiàn)了電力站點和通信站點的初步融合，有效提升了站點資源效率。

4 融合設(shè)計策略

融合設(shè)計不僅是將5G 通信設(shè)備與電力站點簡單疊加，未來將要在架構(gòu)、硬件、軟件以及業(yè)務(wù)設(shè)計上實現(xiàn)高度統(tǒng)一、高度適配、實用高效的融合。

a）架構(gòu)融合。由于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)具有極強的行業(yè)屬性，其5G 網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)不同于傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)。要在能源電力行業(yè)屬性的基礎(chǔ)上，將5G架構(gòu)和服務(wù)模式進行改造和適配，使其融合到泛在電力物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中。

b）硬件融合。電力站點分布多種多樣，特別是新興能源站點，這與通信網(wǎng)絡(luò)成環(huán)、網(wǎng)狀網(wǎng)的特點不同。在設(shè)計時，需要基于電力站點的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來設(shè)計相應(yīng)的5G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以有效平衡性能與成本。

c）軟件融合。5G的切片編排、組合需要根據(jù)特定的電力應(yīng)用場景對通信各個指標(biāo)的需求以及站點資源情況進行融合設(shè)計，以提高資源效率。

d）業(yè)務(wù)融合。隨著5G 和泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的融合，供電方和用電方雙向數(shù)據(jù)交換和感應(yīng)成為可能，因此需要在業(yè)務(wù)流程設(shè)計上將電力與通信進行融合，以培育相應(yīng)的新興業(yè)務(wù)。