基于5G端到端切片的多業務泛在智能電網研究

孫嚴智，劉宇明，羅海林，溫泉，蔣麗瓊

（云南電力調度控制中心，云南 昆明 650011）

0 前言

云南電網公司積極推進安全、可靠、綠色、高效的智能電網建設，35 kV以上的骨干通信網側，已具備完善高效的全光數據網絡。而配電通信網側，由于點多、面廣、設備海量，同時隨著大規模配電自動化、低壓集抄、分布式能源接入、用戶雙向互動等業務快速發展，各類電網設備、電力終端、用電客戶的通信需求爆發式增長，現有技術難以有效支撐配電網各類終端的可觀、可測、可控。

智能電網的安全、穩定和高效運行對于國家的可持續發展具有重要意義。智能電網是建立在集成的、高速雙向通信網絡的基礎上，通過先進的傳感和測量技術、先進的設備技術、先進的控制方法以及先進的決策支持系統技術的應用，實現電網的可靠、安全、經濟、高效、環境友好和使用安全。智能電網的發展對電力通信網提出了新的挑戰。需要采用先進、可靠、穩定、高效的新興通信技術及系統，豐富配電網側的通信接入方式，從簡單的業務需求被動滿足轉變為業務需求主動引領，提供更泛在的終端接入能力、面向多樣化業務的強大承載能力、差異化安全隔離能力及更高效靈活的運營管理能力。

針對公司建設安全可信、接入靈活、雙向實時互動的“泛在化、全覆蓋”配電通信網的迫切需求，基于5G智能電網典型應用場景，論文提出基于5G切片的多業務泛在智能電網架構；分析研究了面向服務的5G端到端切片技術和5G電力終端泛在可信接入技術，針對智能電網不同業務場景，如何提供超低時延、高帶寬、大連接、高安全性的差異化網絡服務；提出了可能應用場景，進行“多業務接入、多網域切片、多維資源靈活管控”的立體化應用：在業務方面，實現高清視頻回傳、低壓集抄等多種業務可信泛在接入；在網絡方面，實現基于5G可靠高效的泛在接入網、傳輸網、核心網承載；在管理方面，實現定制靈活的網絡切片、多維資源動態管控及可視化呈現。

1 5G系統網絡性能契合智能電網發展

現有電力通信網絡面臨以下4方面難題。

1）電力通信網絡如何更高效支撐智能電網發展。智能電網的發展強調多種能源、信息的互連，通信網絡將作為網絡信息總線，承擔著智能電網源、網、荷、儲各個環節的信息采集、網絡控制的承載，為智能電網基礎設施與各類能源服務平臺提供，安全、可靠、高效的信息傳送通道，實現電力生產、輸送、消費各環節的信息流、能量流及業務流的貫通，新形勢下，如何進行電力通信網絡平臺建設，能夠更有效地促進電力系統整體高效協調運行。

2）通信網絡需要從被動的需求滿足，轉變為主動的需求引領。目前業務系統通信需求均基于設備的生產控制為主，未兼顧人、車、物等綜合的管理場景需求。隨著智能電網的發展，通信的需求及業務類型具有多樣性、復雜性及未知性等特點，通信網絡需適度超前，提前儲備，提前滿足未來多元化的業務承載需求，如智能化移動作業、巡檢機器人、數字化倉儲物流、綜合用能優化服務、電能質量在線監測、能源間協調、源網荷儲互動、雙向互動充電樁等。

3）通信網絡需具備更強大的承載能力，差異化的安全隔離能力及更高效靈活的運營管理能力。為滿足智能電網的五大發展重點，通信網絡需具備更強大的承載能力（如百萬-千萬級的連接能力、單站具備n*10 Mbps的帶寬承載能力，具備毫秒級的時延能力）對電力不同生產區業務能提供差異化的安全隔離能力，同時能針對不同終端，提供終端、連接甚至網絡資源的靈活開放的運營管理能力。

4）通信網作為統一的通信平臺，實現業務的集約化承載，進一步促進智能電網的數據共享及業務發展。通信網絡需盡可能多地解決各類業務的接入需求，最大限度地利用電網自身資源，通過統一的通信平臺，提供可靠、安全的通信通道，提高網絡效率。同時，通過通信網提供的靈活便捷的接入方式，進一步促進能源互動、數據共享或有償服務等能源互聯網業務的發展提供幫助。

如圖1所示，5G通信系統優越的網絡性能契合智能電網發展需求，為其提供了全新的解決方案。智能電網作為典型的垂直行業的代表對通信網絡提出了新的挑戰。電網業務的多樣性需要一個功能靈活可編排的網絡，高可靠性的要求需要隔離的網絡，毫秒級超低時延需要極致能力的網絡。4G網絡輕載情況下的理想時延只能達到40 ms左右，無法滿足電網控制類業務毫秒級的時延要求。同時4G網絡所有業務都運行在同一個網絡里面，業務直接相互影響，無法滿足電網關鍵業務隔離的要求。最后，4G網絡對所有的業務提供相同的網絡功能，無法匹配電網多樣化業務需求。在此背景下，5G推出網絡切片來應對垂直行業多樣化網絡連接需求。作為新一輪移動通信技術發展方向，5G把人與人的連接拓展到萬物互聯，為智能電網發展提供了一種更優的無線解決方案。5G時代不僅能給我們帶來超高帶寬、超低時延以及超大規模連接的用戶體驗，其豐富的垂直行業應用將為移動網絡帶來更多樣化的業務需求，尤其是網絡切片、能力開放兩大創新功能的應用，將改變傳統業務運營方式和作業模式，為電力行業用戶打造定制化的“行業專網”服務，可更好地滿足電網業務差異化需求，進一步提升了電網企業對自身業務的自主可控能力和運營效率。

2 5G切片多業務泛在智能電網架構

針對基于5G切片的多業務泛在智能電網架構設計，需要綜合分析5G智能電網典型應用場景、業務類別及關鍵通信指標。

5G智能電網典型業務場景總體上可以分為控制、采集兩大類。控制類包含智能分布式配電自動化、用電負荷需求側響應、分布式能源調控等。隨著精準負控、分布式能源接入等業務迅速發展，出現更多的本地就近控制，且與主站控制聯動，時延需求將達到毫秒級。采集類業務包括低壓集抄、站所內外場景的智能電網大視頻應用等。未來采集對象將區域多媒體化、深入用戶行為分析；采集內容趨于視頻化、高清化；采集頻次將趨于準實時，且從單向采集向雙向互動演進。各類業務的特點和通信需求分別如表1和表2所示。

表1 5G智能電網典型控制、采集類業務特點分析表

表2 5G智能電網典型控制、采集類業務通信需求

智能電網各類業務在采集頻次、內容、雙向互動方面將有較大變化。采集頻次方面，當前基本按照月、天、小時為單位采集，未來為滿足負荷精確控制，用戶實時定價等應用的發展，采集頻次將趨于分鐘級，達到準實時能力。采集內容方面，當前主要以基礎數據、圖像為主，碼率為100 kbps級。隨著智能電網、物聯網的迅速發展，采集對象將擴展至電力二次設備及各類環境、溫濕度、物聯網、多媒體場景，連接數量預計至少翻一倍；中遠期若在產業驅動下，集抄方式下沉至用戶，采集內容將深入到戶內用電設備的信息，連接數預計翻50-100倍；另外，采集內容亦從原有的簡單數據化趨于視頻化、高清化，尤其在無人巡檢、視頻監控、應急現場自組網綜合應用等場景將出現大量高清視頻的回傳需求，局部帶寬需求在4-100 Mbps級。隨著家庭能源管理應用的推廣，通過智能電表實現家電用電信息采集；通過智能交互終端，以APP的方式，給用戶提供實時電價和用電信息，實現對用戶室內用電裝置的負荷控制等各類互動服務與電力增值服務功能，達到需求側管理的目的。

國際電信聯盟（ITU）將5G時代的業務歸納成三種典型的類型，增強型移動寬帶（eMBB）、超高可靠性低時延業務（URLLC）和海量機器類通信（mMTC），可以滿足極致的業務體驗要求。并通過5G端到端網絡切片技術，將網絡資源靈活分配，網絡能力按需組合，基于一個5G網絡虛擬出多個具備不同特性的邏輯子網。每個端到端切片均由核心網、無線網、傳輸網子切片組合而成，并通過端到端切片管理系統進行統一管理，提供差異化網絡服務。

論文綜合應用5G通信新技術，提出分層多業務泛在智能電網架構，建設基于端到端切片技術的安全可信、接入靈活、雙向實時互動的“泛在化、全覆蓋”配電通信網絡，提供超低時延、高帶寬、大連接、高安全性的差異化網絡服務。基于OTN傳輸網，開展5G電力多業務、多域切片立體化應用示范。在業務方面，能夠實現eMBB（高清視頻回傳）、mMTC（低壓集抄）等多種業務泛在接入；網絡方面，實現基于5G可靠高效的接入網、傳輸網、核心網承載；管理方面，實現按需的網絡切片靈活定制和全過程網絡資源動態管控。系統總體網絡架構如圖2所示。

圖2 系統總體網絡架構圖

3 5G多業務泛在智能電網關鍵技術

基于5G端到端切片的多業務泛在智能電網的實現，需要重點研究面向服務的5G端到端切片技術和5G電力終端泛在可信接入技術2類技術，按照網絡、系統和終端維度共分為3種，關鍵技術之間的關系如圖3所示。

圖3 關鍵技術關系圖

3.1 5G端到端切片及標識技術

5G端到端切片及標識技術需要解決接入、傳輸、核心網域網絡切片及標識。接入網切片及標識要考慮其資源使用效率需求，支持對切片的感知、基于切片的路由、資源隔離，并支持基于切片的靈活資源調度。承載傳輸網對于網絡切片的支持要立足于解決行業的 QoS 差異、隔離性、及靈活性需求。核心網切片和標識采用基于服務化架構，能夠更加靈活地支持網絡功能定制化、切片隔離、基于切片的資源分配。

3.2 5G端到端SLA保障和全生命周期管理技術

5G端到端SLA是保障5G切片網絡性能的關鍵因素，需要通過多方面協作實現。在網絡切片的創建過程中，通過各域的質量保證技術協同，實現網絡資源合理分配；在網絡切片的運行過程中，管理面提供基于租戶粒度的SLA監控、統計、上報，支持SLA可視化管理；在現有網絡運維基礎上引入閉環業務保障機制，網絡基于可預測的QoS及實時上報的性能指標，與應用層配合，及時根據當前業務性能指標對于網絡進行調整。全生命周期管理決定了網絡資源分配和網絡運行效率，包括切片設計、資源調配、策略配置、部署使能等方面，如何通過采集網絡切片各技術域的通信狀態信息與過程信息，從而對網絡切片的功能與資源進行按需調配，使得整個網絡的運行更加高效。

3.3 5G電力終端泛在可信接入技術

5G通信系統提供了廣覆蓋和海量接入能力，在5G智能電網中，如何實現泛在可信接入與安全保障問題。通過設計適配5G電力通信網絡的終端的安全可信接入方案、研究終端安全防護機制及支撐技術，實現網絡接入可信、可管、可控，同時研究5G可信接入增強技術研究，覆蓋基于多源信息輔助、物理信號改進的新型可信接入方案。

4 5G電力多業務端到端切片系統應用

圖4 5G電力多業務端到端切片系統應用

5G智能電網“多業務接入、多網域切片、多維資源靈活管控”的端到端切片系統，在業務方面，可以實現eMBB（高清視頻回傳）、mMTC（低壓集抄）等多種業務可信泛在接入；在網絡方面，實現基于5G可靠高效的泛在接入網、傳輸網、核心網承載；在管理方面，實現定制靈活的網絡切片、多維資源動態管控及可視化呈現。可以應用的場景包括：智能分布式配電自動化、差動保護、精準負荷控制、電網巡檢和綜合監控、高級計量、語音和應急多媒體。

4.1 分布式配電自動化

通過5G的高可靠傳輸特性，快速完成配電環節數據和指令交互，并通過5G的廣覆蓋解決海量終端與主/子站連接問題。主要用于配電網日常檢測和供電可靠性環節；分布式配電自動化主要是配電網三遙業務，包含遙信（設備狀態的監視）、遙測（被測變量的測量值）和遙控（改變運行設備狀態的指令）。在電網中各類配電智能XTU（包括DTU、FTU、TTU等）設備與配電主站之間通過5G網絡進行通信，上行傳輸遙信狀態和遙測數據，下行傳輸遙控指令。

4.2 差動保護

差動保護把被保護的電氣設備連同其線路看成是一個節點，正常時流進被保護設備的電流和流出的電流相等，差動電流等于零。當設備或線路出現故障時，流進被保護設備的電流和流出的電流不相等，差動電流大于零。通過對差動電流進行判斷，進行線路和設備保護；采用5G網絡的差動保護主要用于分布式新能源和配電網之中。

目前的差動保護主要采用光纖網絡時間，是通過光纖將傳輸輸電線兩端的電氣量，從而進行比較以判斷故障范圍，實現故障的精準隔離。但35 kV以下配網未實現光纖覆蓋，且部署場景復雜多樣，通過5G低時延和高可靠，可代替光纖網絡完成差動信息在電網智能終端之間的傳輸，通過對比電流等參數變化，就地執行跳、合閘操作，實現故障隔離及恢復功能。

4.3 精準負荷控制

傳統配網由于缺少通信網絡支持，通常只能切除整條配電線路。通過精準控制，優先切除可中斷非重要負荷，例如電動汽車充電樁、工廠內部非連續生產的電源等。

通過5G的低時延、高可靠傳輸，可快速將配電環節電網負荷信息反饋到控制中心，按照用電客戶重要性，進行快速負荷切換，提升供電可靠性。

4.4 電網巡檢和綜合監控

電網中的高壓配變電站、高壓輸電線路、危險地域、人員不易抵達地域采用機器人、無人機等方式攜帶高清攝像機或專業設備，通過5G無線網絡可將現場采集的視頻實時回傳至分析中心，代替人工方式對危險地域的電網進行信息采集，并通過綜合分析減小險情，在提升效率的同時提升電網可靠性，針對電網巡檢和綜合監控，采用智能巡檢機器人/無人機來替代變電站原有的人工巡檢，利用智能巡檢機器人的自主/手動巡檢、紅外測溫、圖像識別、視頻監控、環境參數監測等功能，對變電站進行全天候的巡檢和數據測量，以保障機器人在變電站內能夠及時發現設備外部和內部的安全隱患，形成報表和告警信息，提醒工作人員及時處理。在發生異常緊急情況時，巡檢機器人還可以作為移動式的監控平臺，由人工手動控制到指定位置，查看設備情況，及時查明設備故障，減低人身安全風險。

該場景主要是通過5G的大帶寬、高可靠特性，將輸變電線路、變電站高清視頻傳輸到電網，按照用數據分析中心，進行綜合分析，進行險情預判和處理，提升電網堅強性。

4.5 高級計量

當前電網主要采用低壓集抄方式進行用電信息采集，采集頻率低，數據量小；為更有效地實現用電削峰填谷，實現用戶雙向互動營銷模式，支撐更靈活的階梯定價，未來計量間隔將從現在的小時級提升到分鐘級，每個終端的數據量將達到Mbps，從而達到準實時的數據信息反饋；同時在產業技術的推動下，未來智能電表，智能插座等直采方式將逐步推廣，終端連接數量和目前相比將有50-100倍的提升。

高級計量就是各類智能電力終端通過5G網絡進行通信，傳輸用電數據。其主要是通過5G大連接特性將海量電表數據反饋到電網子站/主站，并通過廣泛覆蓋的特性解決復雜環境中，部署的應用終端連接問題。

4.6 語音和應急多媒體

5G可為應急通信現場多種大帶寬多媒體裝備提供高帶寬回傳能力，支撐電力應急現場高清視頻通信、語音通信、集群通信、多媒體指揮調度等業務。通過融合無線網關、5G應急通信車，采用5G大帶寬和邊緣特性，利用5G無線公網，實時變電站等應急場所高清視頻回傳，開展遠程協商，高效監控現場狀態，為決策提供依據。

5 結束語

現有的智能電力通信網絡在配電通信網側，由于點多面廣，海量設備需實時監測或控制，信息雙向交互頻繁，且現有光纖覆蓋建設成本高、運維難度大，公網承載能力有限，難以有效支撐配電網各類終端可觀可測可控。隨著大規模配電網自動化、低壓集抄、分布式能源接入、用戶雙向互動等業務快速發展，各類電網設備、電力終端、用電客戶的通信需求爆發式增長，迫切需要構建安全可信、接入靈活、雙向實時互動的“泛在化、全覆蓋”配電通信接入網，并采用先進、可靠、穩定、高效的新興通信技術予以支撐，實現智能電網業務接入、承載、安全及端到端的自主管控。5G技術為配電通信網“最后一公里”無線接入通信覆蓋提供了一種更優的解決方案，為電力行業用戶打造定制化的“行業專網”服務，相比于以往的移動通信技術，可以更好地滿足電網業務的安全性、可靠性和靈活性需求，實現差異化服務保障，進一步提升了電網企業對自身業務的自主可控能力。

智能電網是關系國計民生和國家能源安全的重要基礎設施，其生產運行高度依賴網絡和信息化。從宏觀層面，全球各國已達成共識，5G 已成為全球各國數字化戰略的先導領域，是國家數字化、信息化發展的基礎設施。

從技術角度分析，論文提供了智能電網多業務泛在接入立體化解決方案，對于實現終端可信接入、業務靈活定制、資源可管可控的“泛在化、全覆蓋”配電通信接入網，具有重大實踐意義。論文端到端5G網絡切片可以滿足電網核心工控類業務的連接需求，5G超低時延（1ms）、海量接入（10M連接/平方公里）的特性可以很好的匹配電網工控類業務需求，符合智能電網工業控制和信息采集類典型業務場景需求。

從應用部署分析，論文提供了智能電網多業務泛在接入立體化解決方案，基于5G端到端切片的多業務泛在智能電網，不僅能夠使能全新的電網工控類業務，還能夠完美的繼承現有通過2/3/4G公網支撐的信息采集類業務，從而實現電網內部多切片混合組網、統一管理、統一運維，有效幫助電網客戶節省成本。為全面感知、高效傳輸、實時在線、智能決策的全業務泛在電力網絡建設，奠定堅實的技術基礎。