5G低時延業務在智能電網的組網應用研究

潘雅潔 黎瑞 中國電信股份有限公司江西分公司 南昌市 330029

鐘翠明 范石勇 江西省郵電規劃設計院有限公司 南昌市 330002

0 引言

“4G改變生活、5G改變社會”，作為新一代移動通信技術，5G把人與人的連接拓展到萬物互聯，有eMBB高速率、URLLC低時延、mMTC大連接三大業務應用場景，而低時延和大連接場景是構建萬物互聯網的重要方向和基礎。當前5G網絡已經初具規模，但5G的成功不僅僅在于網絡覆蓋建設成功，更在于垂直行業應用成功；當前我國正在加速構建安全泛在的能源互聯網、智能電網，5G則為智能電網發展提供了一種更優更好的無線解決方案；為了加速5G低時延應用落地，江西電信聯合江西省國家電網公司，運用5G的SA獨立組網、網絡切片等關鍵技術，開展了配電網差動保護低時延業務5G組網和應用研究，為打造定制化的“5G電力專網”進行先行先試，積累了成功應用案例；本文將從5G低時延業務場景需求、組網方案、業務應用測試等方面較深入研究5G低時延電力專網。

1 電力行業5G低時延業務通信需求

基于電力行業主營業務的發電、輸電、配電、用電四大環節，智能電網發展呈現出清潔友好的發電、安全高效的輸變電、靈活可靠的配電、多樣互動的用電、智慧能源與能源互聯網五大發展趨勢。電力通信網作為智能電網的重要基礎設施，可采用有線光纖和無線接入兩種通信接入技術，由于電力通信需求具有“點多、面廣、線長”特點，對通信網提出了更高速率、更低時延、更大容量、安全隔離等新的能力要求，現有的有線或4G技術將難以滿足，需要構建安全可信、接入靈活、雙向實時互動的“泛在化、全覆蓋”的基于5G新技術的通信接入網。

行業專業作為對網絡性能有明確指標的確定性網絡，不同的業務對網絡的速率、時延、容量、安全等能力也有不同的要求。通過充分電力通信需求調研分析，5G低時延業務的應用場景主要為毫秒級精準負荷控制、配電自動化等方面。

1.1 配電自動化

智能配電自動化設備實現對配電網的保護控制，通過檢測配電網線路或設備的狀態，快速實現配網線路區段或設備的故障識別和精確定位，快速隔離故障區域或設備點，并快速恢復正常區域供電，后續將推廣應用遙信遙測遙控、配網差動保護等功能，以進一步縮短故障持續時間，提高電網安全可靠性。主要的通信需求如下表：

表1 配電自動化業務的通信需求

1.2 精準負荷控制

電網負荷控制分為批量負荷調度控制和營銷負荷節能控制兩種模式。以往在電網故障時，通過切斷整條線路或低頻低壓減載裝置負荷減載，避免電網崩潰維護電網穩定，這種集中切換負荷的方式相對簡單粗暴，易造成大面積停電損失，引起高等級的電力事故，造成較大社會不良影響。基于通信網支持的精準負荷控制，可將控制對象精準到生產企業內部的可中斷負荷，如非生產性空調負荷、工業負荷等柔性負荷，電動汽車充電樁、工廠內部非連續生產的電源等；既滿足電網應急處置，只切斷可中斷負荷，又不影響重要用戶，同時解決電網故障初期頻率快速跌落、功率超用、備電不足等問題。主要的通信需求如下表：

表2 精準負荷控制業務的通信需求

2 5G低時延組網方案研究

2.1 試點覆蓋區域

基于5G低時延的國電電力配網差動保護試點項目是江西電信與國家電網合作的一個5G智慧電網創新項目。通過在電力線桿和電網機箱上加裝5G檢測設備，監測所在點位電流電壓變化，監測數據異常及時上報并啟動切換保護；通過5G網絡接入方案來解決傳統的4G監測無法保障低時延的問題。此次試點在南昌市區有5G公網信號連續覆蓋區域選定5個測試樣本點，測試點位如下圖所示：

圖1 5G低時延業務測試樣本點位圖

2.2 5G低時延業務運行機制

本次試點的配網差動保護終端的運行機理：①終端每5秒鐘發送一次正常心跳報文；②當檢測到線桿電流異常時，監測設備會及時發送表征電流異常的報文給臨近終端，報文一共發送4次，報文間隔分別是2ms，2ms，4ms，8ms。四次報文內容一致，對端只要在20ms傳輸時間間隔內接收到最少一次報文，即認為接收數據成功。異常檢測，在單次數據接收成功率（20ms以內接收到）為99%情形下，至少一次接收到異常報文的成功率為99.999999%。③終端之間要保證通信，因此需要終端SIM卡在核心網開戶時，設定固定IP地址，保障任意兩個國網項目終端之間可以正常通信。

2.3 5G低時延業務切片需求

國網電力行業對切片的訴求可以總括如下：

（1）差異化的業務訴求。國網對網絡時延要求高，兩點之間，單向時延要求20ms以內。需要做差異化運營，保證網絡時延穩定型。

（2）網絡隔離及額外安全性訴求。電力行業對于安全性和可靠性要求極高，需要一張類似專網的邏輯網絡，其他業務導致的網絡沖擊不能對電力切片造成影響。

（3）獨立運營的訴求。國網行業客戶希望對其旗下的終端設備進行管理，對運營商承諾的時延、帶寬等KPI進行監控，并將這些信息嵌入到行業客戶業務系統，支持其業務系統進一步智能化、自動化。

2.4 5G低時延組網方案

試點采用基于SA架構的端到端的5G切片組網方案，無線網采用公專用融合的3.5GHz 64TR 320W基站，并可劃分專門的頻段或RB資源預留給電力專用，并啟用無線QoS保障機制；承載網采用FlexE（靈活以太網）方案配置專用的傳輸子接口；核心網用戶數據面獨立設置國網電力專用的UPF，而控制面（AMF及SMF等）可共用或單設；并按需下沉設置MEC設備，以構建電力的低時延業務5G專網，實現按需定制、行業專用、安全隔離。

3 5G低時延業務應用測試

經過對5個樣本點的現場測試，5G網絡測試數據情況如下：

表3 5G性能測試結果表

圖3 5G低時延業務性能現場測試圖

最后，對5G網絡性能滿足度進行分析：

（1）5G信號覆蓋：各點位的RSRP平均值達到-72.7dBm，SINR達到20.1dB，信號強度及信號質量均能滿足室內外連續覆蓋要求。

（2）5G網絡速率：采用3.5GHz頻段100MHz帶寬的64TR基站設備，平均下行速率達到514.5Mbps，遠能滿足業務的2Mbps業務速率需求。

（3）5G網絡容量：目前站點覆蓋半徑為300-400米，每平方公里約有5個基站，容量可達500Mbps X 5=2500Mbps，可同時滿足至少2500Mbps/5Mbps=500個配電自動化差動保護終端，可滿足電網當前組網需要。

（4）5G網絡時延：5G網絡業務的端到端時延可分為無線空口時延、光纖傳輸時延、設備處理時延三部分。5G的無線空口時延很短，對于URLLC業務協議規定為1ms；地面網絡時延相對較長，信號在光纖中傳播每公里約5us，每經過一個設備（傳輸設備、核心網、服務器等）都需要一定時間。根據5G時延預算模型的分析，可發現5G低時延可以滿足配電自動化等業務對時延的要求。從實際測試情況來看，平均的時延均低于15ms，另外后續也可結合傳輸設備采用10us更低時延芯片技術、MEC/UPF下沉、網路優化等技術應用，進一步降低業務端到端時延，以滿足未來智慧電網有更苛刻時延要求的場景需要。

圖4 5G端到端業務時延模型示意圖

表4 5G低時延滿足度預算分析表

4 結束語

從業界來看，5G技術已成為首選的智能配用電通信網“最后一公里”無線接入通信覆蓋解決方案。隨著5G網絡覆蓋不斷完善和智能電網應用場景不斷豐富和落地，基于5G低時延的電力業務也將不斷走向實踐，本案例拋磚引玉地對5G低時延在電力配電差動保護應用中的組網進行探索和試驗，運用5G技術助力配電網絡更加安全、精準、智能，并建立了5G時延預算分析模型進行網絡性能滿足度分析評估，希望對后續工程能起到借鑒和參考作用。