5G 環境下差動保護在電力系統中的應用

胡光宇，張 影，孔為為，于 佳

（南瑞集團有限公司（國網電力科學研究院有限公司），江蘇 南京 210000）

0 引言

與4G 網絡相比，5G 網絡利用軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）等虛擬化技術，實現邊緣計算的行業定制服務，形成針對行業租戶的切片業務網絡，能夠滿足差異化的行業租戶需求［1-3］。電力行業存在多種業務場景，不同場景下技術指標要求不同，若仍依靠傳統公共接入方式，不能合理地與5G 接入網絡適配，將無法為電網智能化運營新模式提供技術保障［4-6］。

電力無線專網可以接入的電網業務主要分為電網控制類、信息采集類、移動應用類3 種，包括配電自動化、用電信息采集、分布式電源、精準負荷控制、視頻監控、移動作業等［7］。目前，業務最低時延要求為10 ms 級，單業務帶寬低于4 Mbit／s［8］。未來，隨著能源互聯網的發展，物聯網將成為電網的基本形態，迫切需要實現各類負荷的精準控制，適應以特高壓為骨干、各級電網協調發展的新型電網模式；實現各級電網重要廊道的監視、巡檢，引入可視化、實時化、精益化的新型作業方式；實現用戶雙向互動、用電精細化管理，開展基于“互聯網+”的新型業務模式［9-12］。目前，光纖配網差動保護采用保護專用光纜，存在敷設費用高、地下管溝資源不足等問題［13-14］。如與現有配電自動化共用光纜，則存在保護兩端站點之間多次跳纖、造成可靠性降低等問題。

基于5G 網絡的低時延高可靠關鍵技術，提出了差動保護業務在5G 環境下的應用，滿足差動保護對端到端通信通道10～12 ms 的時延要求。

1 5G 關鍵技術的研究

1.1 網絡切片

網絡虛擬化是在共享底層物理網絡基礎設施的基礎上，構建彼此隔離的多重異構虛擬網絡，能夠實現動態資源分配［15］。而面向電力物聯網的5G 網絡切片技術正需要這種動態自適應的虛擬網絡映射，其映射是通過底層鏈路監測各個虛擬網絡的流量狀況，并根據其承載虛擬鏈路的擁塞級別和性能指標等局部信息，周期性地重新為虛擬鏈路分配共享的底層帶寬資源，從而提高了底層網絡帶寬資源的利用效率。借鑒網絡虛擬化的優勢，通過將復雜的實際泛在電力物聯網網絡映射成虛擬的網絡，便于對業務指標進行分析研究［16］。

1.2 邊緣計算

移動邊緣計算 （Mobile Edge Computing，MEC）把電力物聯網和移動網絡兩者技術有效融合在一起，在移動網絡側增加了計算、存儲、數據處理等功能［17］；構建開放式平臺以植入應用，并通過無線應用程序編程接口 （Application Programming Interface，API） 開放移動網絡與業務服務器之間的信息交互，移動網絡與業務進行了深度融合，將傳統的無線基站升級為智能化基站；MEC 的部署策略是距離用戶越近，時延越低，可以有效降低時延。MEC 也可以實時獲取移動網絡信息和更精準的位置信息來提供更加精準的位置服務。

1.3 毫秒級低時延技術

控制類業務是電力無線網絡中重要業務類型之一，對網絡傳輸時延、可靠性提出了嚴苛要求。無線網絡中的時延主要包括空口時延、排隊時延、處理時延以及重傳時延等部分。

電力物聯網業務對可靠性、低時延有很高的要求，無線蜂窩網絡的主要標準化組織3GPP 也將其劃分為一個場景。針對網絡端到端通信過程中的各部分時延，為實現端到端毫秒級低延遲，需要在明確各時延的來源之后有針對性地進行優化。電力物聯網中支持超低時延業務的關鍵技術，需要通過引入移動邊緣計算、低時延切片等技術，研究核心側低時延網絡架構設計、移動邊緣計算部署策略、接入側無線幀結構的定制化設計、調度策略優化，從而實現電力物聯網端到端毫秒級超低時延。

2 MEC 關鍵技術研究

針對電力物聯網中對時延要求最高的業務，可采用部署移動邊緣計算平臺的方式降低無線側至核心側傳輸及信令處理等時延。

在配網差動保護場景中，海量的配電終端同時要求低時延的智能電網通信，必然離不開5G 網絡切片和邊緣計算等關鍵技術的應用。考慮到配網終端受限的緩存和計算處理能力，可在業務分布區域內部署邊緣計算節點，用于承載與低時延相關的控制、管理和數據功能。通過配置下沉至本地接入網的用戶面虛擬網關，配置具備部分核心網控制功能的虛擬全功能基站，為配網終端降低傳輸時延。本文按照MEC 平臺構架設計、低時延業務的分流機制及MEC平臺接口分3 個步驟展開研究，構建低時延、適配電力業務特征的移動邊緣計算平臺。

2.1 MEC 平臺架構設計

在MEC 平臺構架設計與實現中，采用圖1 所示的移動邊緣計算平臺架構，在系統實體之間共有3組參考點，分別為：關于移動邊緣平臺功能的參考點Mpi（i=1，2，3）、管理相關的參考點Mmj（j=1，2，…，9）以及連接外部實體的參考點Mxk（k=1，2）。

依據MEC 架構，應用數據通過電力物聯網接入網傳到移動邊緣計算平臺，平臺底層利用GPRS 隧道協議（GPRS Tunelling Protocol，GTP）解析封裝及分流技術將數據進行準確分流，其中需要核心層處理的數據通過核心網傳輸至Internet，而需要在移動邊緣計算平臺本地處理的數據則通過數據平面開發套件向平臺上面的虛擬層和應用層進行轉發。平臺的虛擬層將移動邊緣計算服務器的計算存儲等資源進行抽象，并通過虛擬化管理分配給網絡傳輸等多種對時延以及可靠性有更高要求的相關服務業務，最終通過網絡邊緣服務連接到應用層。應用層由多個虛擬機組成，通過Mp1接口從虛擬層的各個服務中獲取相關數據進行處理，各個虛擬機中主要實現一些控制管理等功能。移動邊緣計算平臺管理器與邊緣計算平臺通過Mm5接口相連，主要負責數據庫管理以及一些信息管理等，并連接至云端。云端接收到來自移動邊緣計算服務器的數據后進行控制決策，并可對邊緣計算平臺的各個上層應用進行算法更新。

圖1 MEC 平臺設計架構

2.2 低時延業務的分流機制

圖2 GTP 解析封裝流程

針對低時延場景的MEC 業務分流機制，進一步研究物理層的Mp1和Mm5接口功能設計，實現低時延業務生命周期管理、服務管理和傳輸控制等功能。ToF 分流實現將基站和核心網相關GTP 數據流進行本地分流，部分數據流轉發到MEC 服務器進行處理，部分數據流按照原路徑轉發。要實現本地分流，首先需要進行GTP 解析封裝，流程如圖2 所示。

1）將低時延業務的IP 數據流封裝成GTP 數據流，并轉發給核心網和基站；

2）實時接收并解析基站轉發的GTP 數據流，以IP 包的形式轉發給電力物聯網低時延業務應用；

3）實時接收并解析核心網轉發的GTP 數據流，以IP 包的形式轉發給電力物聯網低時延業務應用。

2.3 MEC 平臺接口實現

平臺設置Mp1接口運行在移動邊緣主機上的基于虛擬機的移動邊緣應用（移動邊緣APP／移動邊緣APP 服務），提供了接入移動邊緣平臺上的移動邊緣服務的能力。該接口實現應用運行指示、應用終止指示、應用與管理連接建立、服務激活與失活、服務數據更新、服務發現、服務訂閱與取消訂閱以及傳輸規則控制等功能。MEC 平臺可提供的服務類型共有4種，其各自數據流如圖3 所示。

服務類型Ⅰ：移動邊緣平臺主機產生服務數據，存儲于平臺數據庫中，并提供平臺相關服務。

服務類型Ⅱ：移動邊緣應用虛擬機產生并存儲服務數據，通過移動邊緣平臺發布。

圖3 4 種服務類型各自數據流

服務類型Ⅳ： 移動邊緣應用虛擬機產生服務數據，存儲于移動邊緣平臺數據庫中，由平臺提供相關服務。

在部署方面，根據泛在電力物聯網的不同業務需求，MEC 服務器需要在不同場景下具備與現有回傳網融合部署的能力。在泛在電力物聯網部署MEC的策略有3 種。

邊緣級：MEC 部署于基站與回傳網絡之間，這種部署貼近基站，可以部署在站點機房，也可隨Cloud-BBU 池部署在無線接入機房。該部署方式下，MEC覆蓋基站個數較少，對傳輸的影響較小，回傳鏈路時延最短。同時這種部署方式的覆蓋性能與當前近端的傳輸相關性較大，需要綜合評估覆蓋需求與傳輸狀況。此種場景下，MEC 服務器多為L2 組網方式，需要具備繞過技術能力以保證系統異常時不中斷業務，保證傳輸低時延。

區域級：MEC 部署于匯聚環和接入環之間，此時需要將MEC 部署于兩環相接的傳輸設備接口，并將需要進行分流的基站流量疏導經過MEC。在這種場景下MEC 覆蓋面積可以是一個或者多個接入環上的基站，并且可以針對環上不同的基站選擇性進行分流。這種方式覆蓋面積較大，時延也比較低。但是需要針對待分流基站在傳輸設備上配置或者更新虛擬路由轉發 （Virtual Routing Forwarding，VRF）關系。這種場景比較適合區域面積相對較大的場景。

地區級：當MEC 部署于匯聚核心層時，這種覆蓋方式主要針對大面積分流業務，或者待覆蓋范圍存在接入環孤島的情況。這種部署方式時延比其他兩種方式大，但是能夠解決跨地域傳輸覆蓋的問題。這種方式主要部署的業務為行業性業務或公眾性業務，同時也有利于核心側的網絡能力的開放。此種場景下，MEC 服務器多為L3 組網方式，需要修改對接網元的傳輸配置，確保消息能夠發送到MEC 服務器，當MEC 服務器不可達時改選其他傳輸路徑。

3 5G 網絡切片技術在電力業務中的應用

3.1 電力無線專網承載業務特點

目前，電力無線專網承載主要承載電網控制、信息采集、視頻帶寬類和移動應用4 大類電力業務，具體包括：配電自動化、用電信息采集、分布式電源、精準負荷控制、視頻監控、移動作業等。總體而言，當前各類電力業務最低時延要求為10 ms 級，單業務帶寬低于4 Mbit／s。未來，隨著能源互聯網的發展，為適應以特高壓為骨干、各級電網協調發展的新型電網模式，“泛在物聯” 將成為電網的基本形態，迫切需要：建設實時、高效、安全可靠的通信網絡，實現各類負荷的精準控制；引入可視化、實時化、精益化的新型作業方式，實現各級電網重要廊道的監視、巡檢；創新基于“互聯網+”的新型業務模式，實現用戶雙向互動、用電精細化管理。因此，未來電力系統物聯網業務及寬帶業務將大量并存，并呈現出海量高密度終端接入、低時延、高可靠、高安全等特征，終端并發數量將達到10 萬級，時延需求為毫秒級，可靠性要求99.999%，對電力無線專網的業務承載能力提出了更高的要求。

經過十多年的發展，金山第二工業區已經形成新型表面活性劑、功能性涂料、合成新材料、生物醫藥、化工物流五大產業集群，并產生了巴斯夫、三井、朗盛、亨斯邁、東曹、科萊恩等一批具有代表性的龍頭企業，成為上海重要的化工園區。

3.2 5G 與多種電力業務應用場景的適配模型

綜合考慮各類電力業務的帶寬、實時性、可靠性和大連接等維度的需求，分析不同業務需求與5G 應用場景的契合度，將業務劃分為：eMBB 傾向型、uRLLC 傾向型、mMTC 傾向型3 類。針對差動保護、配電自動化、精準負荷控制、用電信息采集、配網狀態監測、實物ID、智能巡檢、視頻監控8 種典型業務，形成適配模型如圖4 所示。

3.3 5G 電力網絡切片定制化方案

基于5G 網絡切片的軟件定義無線網絡架構，主要分為3 層：底層網絡為物理基礎設施層，是網絡數據傳輸的實際載體；中間層為虛擬化后的網絡資源，為網絡運行提供了整體的虛擬資源池，實現了資源集中管理和高效分配；上層為用戶面向的實際業務層，不同類型的網絡業務將會形成不同的網絡切片。各層功能的實現以及各層間進行相互交互都需要通過SDN 控制器進行管理和控制。

圖4 5G 與電力多種業務應用場景的適配模型

圖5 基于5G 網絡切片的軟件定義無線網絡架構

為了更好地實現軟件定義網絡 （Software Defined Network，SDN） 控制器對網絡節點的有效控制和對網絡數據的準確轉發，參考Openflow 協議，在無線接入網絡的節點基站和基帶處理單元中引入了切片表，具體如圖6 所示。一方面，切片表可以對網絡數據傳輸進行有效分流切片；另一方面，切片表中還包含各種網絡參數可以實現對網絡的快速配置。并且，SDN 控制器將通過切片消息來實現對切片表進行一系列操作。

圖6 基于SDN 控制器的網絡切片

5G 電力網絡切片動態調配系統結構如圖7 所示，該系統由信息收集模塊、虛擬化模塊、資源管理模塊、切片網絡管理模塊、SDN 控制器組成。其中，信息收集模塊將在物理基礎設施層中進行運行；虛擬化模塊將實現底層網絡與虛擬資源池的有效映射；資源管理模塊將對虛擬資源進行有效的調度和管理；切片網絡管理模塊將對最后的切片網絡進行管理維護；SDN 控制器將實現對各個功能模塊的集中控制和協調管理。

圖7 5G 電力網絡切片動態調配系統

4 基于5G 的配網差動保護的應用

4.1 配網差動保護業務的特征

隨著堅強智能電網和泛在電力物聯網的深入建設，配網的可靠性受到越來越多的重視。保護業務從高電壓等級向低電壓等級延伸。配網線路覆蓋范圍廣、線路長度長，保護采用分散式就地化布置，但是保護在線率普遍不高，通常采用接入DTU 上傳信號的方式，沒有專門的保護通道，要實現配網差動功能通常采用光纖復用的形式。但采用光纖復用存在幾個問題，一是光纖通道通常按照自動化要求布置，在環網站間相互串聯形成回路，難以實現點對點的直連，導致延遲無法把握；二是若完全采用專用光纖通信方式價格高、施工困難，甚至有些區域根本無法施工。采用無線網絡更經濟、簡便，但是由于4G 無線網絡的延時、抖動等性能都無法滿足差動保護通道延時的要求，通信問題成了實現配網差動保護功能的瓶頸。隨著5G 網絡的商用，5G 網絡的低時延、高可靠的特性成了解決實現配網差動保護業務的重要可行手段，而MEC 利用核心網下沉、數據分流、邊緣計算等技術，是5G 低延時、高可靠性能的重要技術支撐。

差動保護跟蹤區（Tracking Area，TA），線路兩端處的終端通信采用基于HDLC 的私有協議，點對點光纖通信。保護信號通過通信網絡上傳主站，光纖通信。電流差動保護，利用被保護線路兩端電流波形或電流相量之間的特征差異構成保護。線路兩端差流，在被保護線路內部短路時與系統正常運行以及外部發生短路時相比，具有明顯的差異，保護具有絕對的選擇性，能夠無時限切除被保護線路內部故障。終端布置與通信網絡如圖8 所示。

圖8 終端布置及通信網絡

差動保護業務的通信速率為2 048 kbit／s，收信路由與發信路由延時一致，抖動＜20 μs，收發信延時不大于12 ms，每個終端向對側發送私有報文，每幀報文長度按512 B 計算。

4.2 配網差動保護業務的應用

配網差動保護是利用被保護線路兩端電流波形或電流相量之間的特征差異構成保護。線路兩端差流，在被保護線路內部短路時與系統正常運行以及外部發生短路時相比，具有明顯的差異，保護具有絕對的選擇性，能夠無時限切除被保護線路內部故障。業務部署如圖9 所示。

圖9 差動保護業務部署

4.2.1 MEC 部署方式

目前MEC 設備的主要采購方是運營商，運營商根據業務需求可將MEC 部署在基站到核心網之間的任何地方，承擔的功能主要有本地數據分流，數據可以不經過運營商的核心網，而在基站側通過MEC直接卸載進入用戶專網，代替用戶的本地接入網同時保證數據的安全性；邊緣計算，主要是將一個或多個基站下終端采集的數據進行合并分析處理，并將處理結果直接返回給終端設備進行下一次操作，從而滿足高可靠、低時延業務的傳遞；最后是業務優化，主要是視頻業務的優化，本質上是內容分發網絡的進一步下沉。

4.2.2 業務承載方案

無須申請專屬頻率資源，通過與電信運營商共建共享、資源置換方式，共同使用電信運營商的頻譜與基站。電力公司和電信運營商分別通過各自傳輸網絡將基站接入，并實現電力5G 網絡建設及應用。MEC 平臺部署在靠近配電站／變電站的邊緣位置，通過業務在網絡邊緣的本地處理，以及應用、內容與網絡的協同，除了提供可保障的低時延，顯著提高用戶體驗和數據安全性。該模式在一定程度上接近公網5G 的SA 模式。

以電信運營商已有的網絡為基礎，不再自建5G核心網，在公司機房服務器上獨立部署多接入邊緣計算（MEC）功能模塊，可以實現計算、存儲、數據處理等功能，電信運營商通過網絡切片和分權分域的方式，實現對公司切片內用戶管理、維護等功能，類似于虛擬核心網。通過公司傳輸網與電信運營商基站相連，實現對公司切片內5G 網絡的管理、監控及應用。

電信運營商出資建設基站，電力公司負責提供站址資源和電源，建成后向電信運營商租用頻率資源和切片服務，支撐電力業務運行；同時電信運營商租用電力公司站址資源，建成的網絡除滿足電力業務應用外，還可為公眾提供5G 服務。

該模式下，通過與電信運營商共建共享的方式，共同使用頻譜和基站資源（頻譜相互隔離）。回傳方面，雙方使用各自的傳輸網絡實現回傳，確保業務數據的隔離。電信運營商通過光纜接入就近機房，直接將基站接入電力公司傳輸網，與自建的多接入邊緣計算（MEC）功能模塊聯通。

5 結語

研究了5G 網絡的低時延高可靠關鍵技術，并且基于5G 的網絡切片、邊緣計算、靈活回傳以及低時延技術等技術，對差動保護業務進行了研究，并設計了一套能夠應用于配網差動保護場景下的移動邊緣計算平臺，使信息流無須回傳至5G 核心網、在網絡的邊緣就能完成信息的交互與傳輸，滿足配網差動保護對端到端通信通道10～12 ms 的時延要求，取代光纖通信進行配網差動保護裝置之間實時通信，為泛在電力物聯網接入網低時延、高可靠應用場景提供解決方案，研究成果也可推廣到高可靠、低時延其他場景應用。