5G賦能智慧電力的探索與應用

張 樂

（中國移動通信集團河南有限公司，河南 鄭州 450008）

0 引言

我國“十四五”規劃指明了數字中國建設目標，對行業數字化轉型提出了具體要求。規劃提出，到2025年基本建成、2035年全面建成具有中國特色國際領先的能源互聯網。針對電力行業，規劃還提出要實現數字化轉型為主線的智慧賦能，要提高智能化水平，智能采集感知能力，提供可觀可控實時交互水平，打造一體化通信網絡，提升自動化水平，推進新一代調度自動化系統，配電自動化系統建設，支撐一體化監控預警和分析決策。全面提升信息采集、傳輸、處理、應用等能力，推動傳統電網基礎設施和新型數字化基礎設施融合促進電網調度運行智能化和運營管理智慧化，實現以數字化轉型為主線的智慧賦能。

本文圍繞“能源互聯網”的理念，分析了電力行業業務對網絡的需求，基于某省網絡方案及實踐應用，研究了5G網絡在電力行業中的應用，推廣在電力業務中融入新一代通信技術，提升電網智能化水平，構筑智慧電力。

1 電力行業業務需求分析

電網業務環節多，包括發電、輸電、變電、配電、用電多個環節，具體業務又分為生產控制類和運維管理類，而在電網巨大的業務環中，通信網絡是重要基礎，各類業務對網絡提出了不同的需求[1]。

生產控制類業務，比如配電環節的配電自動化業務。配電房、開閉所無光纜，只能采用無線通信，4G公網和Wi-Fi的安全性較低，配網缺少保護措施，一旦線路故障影響面積較大，定位及恢復時間長，急需5G技術，提供安全可靠的新型配網保護。通過5G網絡可以實現實時狀態采集，提升線路監視水平，降低臺區故障率，提高用戶供電服務質量，連接海量終端，打造配電網全狀態感知。

運維管理類業務，比如發電、輸電、變電環節中都存在巡檢類業務，如機器人+高清視頻巡檢，機器人使用Wi-Fi常出現視頻卡頓、實時操作性差等問題，且安全性差，4G網絡帶寬不足，無法滿足高清視頻業務的需求，通過5G可以實現機器人+無人機+4K空天地巡檢模式，將巡檢視頻實時回傳至變電站主控室，現場作業人員可與后方專家進行實時交互、AI現場作業管控。在安全監測類業務中，大量的工地攝像頭、智能安全帽的接入5G網絡，可實現全方位采集現場不安全行為，實時分析人體姿態行為，識別違章作業、工人抽煙等不安全行為[2，3]。

5G技術可在電力業務的各個環節中提升網絡質量，進而提升電網運行效率。為研究5G關鍵技術在電網中的應用，某省移動公司與省電力選擇三個地區試點部署5G專網，研究電力業務在5G網絡中的實際應用[4]。主要業務如表1所示。

表1 5G專網三個區域覆蓋范圍及具體業務

以上業務對網絡的需求如表2所示。

表2 業務對網絡的需求

2 電力行業5G網絡方案

依據電網建設基本準則：安全分區、業務專用、橫向隔離、縱向認證，某省建立“端（電力行業專用）—管（公專網靈活組網）—邊（MEC數據處理）—云（差異化業務主站）”的5G專網，根據不同的業務，按需將MEC下沉部署至電力側，實現局域高可靠、高安全的業務控制[5]。結合網絡切片搭建電力5G專網，各類業務就近、規范、統一接入，降低網絡時延和回傳帶寬占用，提升業務接入效率。

圖1 整體方案架構圖

針對電力各種業務類型，滿足電力公司局域虛擬專網和廣域虛擬專網的建設，端到端組網打造5G專網，整體組網方案如下。

①無線建設方案：在區域A的換流站、智慧區試點區域部署2.6GHz33個5G宏站開展業務測試，區域B部署4個5G基站用于電力業務測試，區域C部署4個5G基站用于電力業務測試。

②核心網建設方案：在區域A電力省公司和換流站機房分別建設1套入駐式UPF，區域B和區域C分別采用地市共享UPF對接電力公司地市業務系統。

③傳輸網建設方案：采用SPN系統承載至地市公司業務系統。

圍繞整體方案，在端到端網絡構建中，采用了兩個關鍵技術，即5G切片和MEC下沉。

（1）關鍵技術一：5G切片。5G切片技術是一種基于SA架構的按需組網的技術，利用網絡功能虛擬化，將5G的物理資源按需分配給不同的邏輯網絡，實現一網多用，“網絡切片（Network Slice， NS）”能夠實現在一張物理網絡上構建多個虛擬、專用、隔離、按需定制邏輯網絡，滿足最終用戶對于帶寬、時延、連接數等不同的需求，打造差異化網絡。不同的網絡切片由S-NSSAI（Single Network Slice Selection Assistance Information，單個網絡切片選擇輔助信息）標識[6，7]。

為區分電力專網，本文先把5G用戶分為兩大類，一類是ToC手機終端用戶，一類是ToB園區物聯網終端用戶，這兩類用戶對網絡需求不同，同時在商業模式上差異也巨大，因此，先通過切片技術，將ToC和ToB網絡隔離，ToC用戶采用切片標識“FFFFFF”，ToB用戶采用“03FFFF”切片標識。同時在ToB網絡內部，配置不同的DNN將電力業務與其他ToB業務隔離。電力采用專用DNN“cmiot5gdltest.ha”，其他ToB業務采用默認DNN“cmiot5g.ha”配置切片標識及DNN如表3所示。

表3 切片標識及DNN配置

（2）關鍵技術二：MEC下沉。MEC（Muti-Access Edge Compting）“多接入邊緣計算”，是一種商業概念，早期定義為為Mobile Edge Compting。2016年，ETSI把MEC的概念擴展為多接入邊緣計算，并在3GPP定義的5G UPF技術上豐富了MEC的軟件架構、應用場景和API接口。目前與5G協同，是5G ToB網絡的重要解決方案組成部分[8，9]。

方案根據不同需求定制不同的MEC策略，區域A的業務要求數據不出園區，同時對時延要求較高，因此在區域A的選擇電力省公司和電力換流站兩個機房分別新建2套入駐式邊緣增強型一體化UPF（5G模型）；區域B的業務無數據不出園區要求，且對時延不敏感，因此在區域B和C選擇將MEC選擇部署在地市核心機房的共享式邊緣UPF。MEC整體部署方案圖如圖2所示。

圖2 MEC部署方案圖

區域A建設2套入駐式MEC，下沉到園區，控制面資源池接入大區核心網署，打通電力MEC到園區業務平臺的物理專線。電力數據業務，直接通過入駐式UPF訪問電力業務平臺；非電力業務，直接通過地市UPF訪問其他業務平臺。組網圖如圖3所示。

圖3 區域A MEC組網圖

區域B和C采用地市共享邊緣UPF，新建電力專用DNN，通過DNN隔離無線、傳輸、核心網資源，實現與其他非電力業務的邏輯隔離。組網圖如圖4所示。

圖4 區域B/C MEC組網圖

3 測試結果

在區域A智慧區部署31個2.6GHz宏站，每個站點3個扇區，帶寬為100MHz。測試結果顯示全島5G覆蓋率達到100%，平均RSRP-75dBm，平均下載速率857 Mb/s，上傳速率120 Mb/s以上，滿足智慧電力使用需求。利用智慧島區域5G網絡全覆蓋的優勢，開展電力業務5G承載性能測試，實現用電信息采集、分布式饋線自動化、視頻監控等8種業務場景。

在區域A換流站，利用現網已有基站。經測試，換流站內平均下載速率998Mb/s，上傳速率129Mb/s。平均RSRP達到-80dBm以上。通過RB資源預留、延長預調度持續時間、增加預調度數據量等參數調整，時延降低到20 ms以內，且時延趨于穩定，滿足電力時延要求。

圖5 區域A智慧島和換流站無線覆蓋

在區域B，部署3個5G宏基站，RSRP均值-75.5dBm，平均上傳速率149Mb/s以上。針對該區域對時延要求不高且現場運維巡檢和信息監測都是在室外的業務特點，采用RB資源預留的優化措施，滿足現場倒閘操作、事故異常處理、應急聯動等運維巡檢需求。結合視頻及環境監控設備、紅外攝像機等設備，實現信息監測等業務需求。

圖6 區域B 5G宏基站測試參數

在區域C，對目標區域實現5G網絡全覆蓋，且保障業務終端均處于中好點。通過RB資源預留、關閉DRX和BWP節電模式，開啟資源預調度、同時將目標BLER設置為1%，CCE聚合等級設置為16等參數調整，可滿足配電自動化單向時延15 ms，漏電保護時延30 ms的業務要求。測試結果如下：

（1）測試點1：5G RSRP-74.47 db，SINR20.17，下載994.24Mb/s，上行139.65Mb/s。

圖7 區域C測試點1測試參數

（2）測試點2：5G RSRP-72.98db，SINR19.31，下載919.89Mb/s，上行168.71Mb/s。

圖8 區域C測試點2測試參數

（3）測試點3：5G RSRP-81.59db，SINR29，下載719.59Mb/s，上行136.47Mb/s。

圖9 區域C測試點3測試參數

（4）測試點4。5G RSRP-82.15db，SINR18.19，下載776.96Mb/s，上行111.97Mb/s。

圖10 區域C測試點4測試參數

4G FDD下，上行約50Mb/s，下行150Mb/s，時延25ms。本文測試結果與4G相比，在下載和上行速度上有明顯提升，網絡時延相較之下提升并不明顯，主要原因是受制于當前5G商用網絡的成熟度，目前5G商用仍主要基于R15標準，仍聚焦于eMBB業務場景，重點提升了大帶寬，對于超可靠低時延及海量連接的業務，需要基于R16、R17持續完善。

4 結束語

本文從電力行業業務需求入手，結合5G網絡特性制定了有針對性的網絡解決方案。通過現網試點測試表明，根據不同需求制定的5G網絡方案，可以滿足電力業務的需求。借助5G網絡切片，可定義差異化的網絡，實現一網多用；借助5G+MEC，打造電力專網，實現數據不出園區。但受制于當前5G商用網絡的成熟度，目前商用仍聚焦于eMBB業務場景，對于URLLC和MMTC場景技術還不夠成熟，后續隨著超可靠技術的提升及海量連接的能力實現，對電力更加精準的負荷控制及百萬、千萬級別的用電信息采集等業務會有更好的支撐，能夠幫助電力在發電、輸電、配電、變電、送電各個環節更加智能化，促進智慧電力的長遠發展[10]。