5G電力切片典型應(yīng)用研究

劉永洲，黃元元，潘林杰

（中通服咨詢設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

電網(wǎng)業(yè)務(wù)日益增多，亟需電力網(wǎng)絡(luò)具有為不同用戶、不同場景以及不同區(qū)域提供差異化服務(wù)的能力，同時保障網(wǎng)絡(luò)安全可靠。電力企業(yè)可與移動運(yùn)營商合作，利用運(yùn)營商的開放能力，實(shí)現(xiàn)電力通信網(wǎng)絡(luò)的通信管理、安全管理以及業(yè)務(wù)管理。

1 5G網(wǎng)絡(luò)切片概念及特征

5G網(wǎng)絡(luò)切片是面向用戶的虛擬網(wǎng)絡(luò)，面向特定的業(yè)務(wù)需求滿足差異化（Service Level Agreement，SLA），具有獨(dú)立的管理特性，自動化按需構(gòu)建相互隔離的隔離網(wǎng)絡(luò)。

5G網(wǎng)絡(luò)切片具備以下特征。首先，端到端SLA保障。5G網(wǎng)絡(luò)切片的SLA由核心網(wǎng)、無線以及傳輸?shù)榷鄠€子域構(gòu)成，組成端到端的網(wǎng)絡(luò)保障。網(wǎng)絡(luò)切片可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)需求分解、SLA分解、部署與組網(wǎng)協(xié)同等[1]。其次，業(yè)務(wù)隔離。通過構(gòu)建不同的網(wǎng)絡(luò)實(shí)體，在邏輯上搭建相互隔離的專用網(wǎng)絡(luò)，避免不同業(yè)務(wù)互相干擾。再次，功能按需定制和動態(tài)編排。5G網(wǎng)絡(luò)以服務(wù)化為基礎(chǔ)架構(gòu)，搭建可編排網(wǎng)絡(luò)能力。同時，5G網(wǎng)絡(luò)可根據(jù)業(yè)務(wù)需求分布式部署，從而滿足時延差異需求。最后，自動運(yùn)維和多租戶運(yùn)維，其中自動化是網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的目標(biāo)。網(wǎng)絡(luò)切片能夠向行業(yè)用戶提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)定制功能，提供用戶網(wǎng)絡(luò)管理權(quán)限[2]。

2 電力業(yè)務(wù)需求場景分析

電力通信網(wǎng)又稱為“二次設(shè)備”，分為骨干通信網(wǎng)（發(fā)電、輸電、變電）和終端接入網(wǎng)（配電、用電）。其中，骨干通信網(wǎng)100%采用光纖專網(wǎng)通信，而配電和用電環(huán)節(jié)對應(yīng)的終端接入網(wǎng)存在多種接入制式，是未來5G網(wǎng)絡(luò)切片使能智能電網(wǎng)的重點(diǎn)。根據(jù)無線通信未來發(fā)展趨勢及電網(wǎng)演變規(guī)律，梳理出智能分布式配電自動化、毫秒級精準(zhǔn)負(fù)荷控制、用電信息采集以及能源互聯(lián)網(wǎng)4大智能電網(wǎng)應(yīng)用場景。電力場景業(yè)務(wù)分析如圖1所示。

3 組網(wǎng)方案

組網(wǎng)方案中共部署兩張eMBB切片：切片1用于承載公共業(yè)務(wù)，如視頻監(jiān)控和視頻回傳等業(yè)務(wù)；切片2為電網(wǎng)專用控制切片。兩張切片可以實(shí)現(xiàn)完全隔離，切片1在負(fù)載較大的情況下，對切片2無影響。組網(wǎng)方案如圖2所示。

圖1 電力場景業(yè)務(wù)分析

圖2 組網(wǎng)方案

組網(wǎng)時，主站需要在650 ms內(nèi)通知負(fù)控終端完成負(fù)荷切換，期間有3次通信，網(wǎng)絡(luò)通信總時延小于50 ms。組網(wǎng)方式如圖3所示。

圖3 組網(wǎng)方式

傳輸協(xié)議采用TCP單播，具體如圖4所示。

圖4 TCP單播

選取的組網(wǎng)方案中，負(fù)控終端通過低時延切片接入集中切負(fù)荷站，并基于TCP/IP報文進(jìn)行通信，具體如圖5所示。

圖5 組網(wǎng)方案

4 5G電力切片解決內(nèi)容

我國智能電網(wǎng)以現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)搭建能源互聯(lián)網(wǎng)，同時提高了電力系統(tǒng)的能源效率。5G網(wǎng)絡(luò)在山地和水域等復(fù)雜環(huán)境的無線空口連接能力和容災(zāi)能力，使得5G網(wǎng)路相比光纖和短距離無線通信等技術(shù)在工程建設(shè)上更具高效性和快捷性[3]。通過分析智能電網(wǎng)的需求選擇5G切片方式，主要的切片方式有以下幾種：控制切片，依靠5G網(wǎng)絡(luò)毫秒級時延特性，提升控制命令傳輸?shù)目煽啃裕槐O(jiān)測切片，依靠5G網(wǎng)絡(luò)大連接特性實(shí)現(xiàn)海量電表的數(shù)據(jù)采集等功能；通信切片，通過過程切片，滿足電力專網(wǎng)通信需求，增強(qiáng)專網(wǎng)安全性。

4.1 電力切片實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)對用電單元的小顆粒度和精細(xì)化管理

配電增加5G網(wǎng)絡(luò)切片支持，可實(shí)現(xiàn)多條分支配電線路精細(xì)化負(fù)荷管理，并設(shè)定優(yōu)先級，優(yōu)先切除非重要負(fù)荷，避免了切除整條配電線路。精細(xì)化負(fù)荷管理如圖6所示。

圖6 精細(xì)化負(fù)荷管理

當(dāng)前，骨干通信網(wǎng)是現(xiàn)有通信網(wǎng)的一種，基本原理是現(xiàn)有配網(wǎng)缺少通信網(wǎng)絡(luò)支持，只能一刀切，存在切除負(fù)荷手段粗暴、只能切除整條配電線路的缺點(diǎn)。另外，發(fā)輸變3個網(wǎng)絡(luò)是電網(wǎng)的核心骨干網(wǎng)絡(luò)，只能使用光纖專網(wǎng)，沒有配網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)切片支持配電，基本原理是優(yōu)先切除非重要負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)負(fù)荷控制。它的發(fā)輸變3個網(wǎng)絡(luò)也使用光纖專網(wǎng)，具有光纖/eLTE專網(wǎng)和5G無線公網(wǎng)兩種不同的配網(wǎng)方式。但是，光纖/eLTE專網(wǎng)存在成本高和工程實(shí)施周期長的問題，而5G無線公網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃需考慮電力組網(wǎng)特點(diǎn)。

4.2 智能分布式FA

智能分布式配電自動化如圖7所示。

4.2.1 人工配電操作

人工配電操作的業(yè)務(wù)特點(diǎn)是F1故障時，電源1斷路，縣區(qū)A、B停電，人工排障恢復(fù)供電。通信要求和痛點(diǎn)是人工配電無通信網(wǎng)絡(luò)。

4.2.2 集中式配電自動化

集中式配電自動化的業(yè)務(wù)特點(diǎn)是F1故障時，電源1斷路，縣區(qū)A、B停電，主站遠(yuǎn)程定位、隔離以及恢復(fù)供電。通信需求及痛點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)時延需求＜100 ms，當(dāng)前使用光纖/eLTE專網(wǎng)成本高，工程復(fù)雜，TTM長。

圖7 智能分布式配電自動化

4.2.3 智能分布式配電自動化

智能分布式配電自動化的業(yè)務(wù)特點(diǎn)是F1故障時，相關(guān)STU在電源1斷路前完成自動故障定位、隔離及恢復(fù)（需在300 ms內(nèi)完成）。通信需求及痛點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)時延需求＜10 ms（IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)）。eLTE專網(wǎng)無法滿足，光纖專網(wǎng)可滿足但成本高，TTM長。這種情況下，5G切片可滿足需求，且具有高安全隔離性、超低時延以及廣覆蓋需求，TCO低，TTM短。

4.3 高質(zhì)量數(shù)據(jù)采集

采集頻率從小時級發(fā)展到了分鐘級。相比現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集，隨著用電準(zhǔn)確性要求的提升，采集頻次將進(jìn)一步提升，可以更有效地實(shí)現(xiàn)用電削峰填谷，支持更靈活的階梯定價。計量間隔將從現(xiàn)在的小時級提升到分鐘級，達(dá)到準(zhǔn)實(shí)時的數(shù)據(jù)信息反饋。另外，網(wǎng)絡(luò)連接能力百倍增長，采集內(nèi)容也將更豐富。除家庭用電以外，分布式電源、電動汽車以及儲能裝置等用戶側(cè)設(shè)備也將接入電網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)連接量相比現(xiàn)在將有50～100倍的提升。高質(zhì)量數(shù)據(jù)采集如圖8所示。

圖8 高質(zhì)量數(shù)據(jù)采集

4.4 大視頻應(yīng)用

采集內(nèi)容將由原來的簡單數(shù)據(jù)化轉(zhuǎn)變?yōu)橐曨l化和高清化。尤其在巡檢機(jī)器人、輸電線路無人機(jī)在線監(jiān)測、應(yīng)用現(xiàn)場自組網(wǎng)以及移動場景下的現(xiàn)場作業(yè)管控等綜合應(yīng)用場景，將出現(xiàn)大量高清視頻的回傳需求，局部帶寬達(dá)到100 Mb/s。

4.5 時延保障

徹底扁平化的低時延云平臺架構(gòu)由于IDC服務(wù)器充分下沉，使得傳輸?shù)膶蛹壱徊降轿唬K端和BBU之間只存在空中傳播距離，保障毫秒級時延。低時延平臺和BBU合二為一，可以大大節(jié)省維護(hù)工作量和機(jī)房空間。各種應(yīng)用的服務(wù)器端可以放在標(biāo)準(zhǔn)IDC機(jī)房，各種應(yīng)用的APP客戶端可放在微型IDC。低時延保障實(shí)現(xiàn)如圖9所示。

4.6 信息安全保障

本地鑒權(quán)充分利用低時延業(yè)務(wù)客戶端存儲在BBU機(jī)房的特點(diǎn)，在核心網(wǎng)或云端服務(wù)宕機(jī)時，能夠在本地客戶端上進(jìn)行鑒權(quán)或者通過存儲在其他BBU機(jī)房的客戶端獲取用戶的鑒權(quán)信息。此外，URLLC低時延云是由運(yùn)營商提供的私有云，不在傳統(tǒng)的IDC機(jī)房，而是附著在下層BBU網(wǎng)元上，不對外部公眾開放，黑客很難通過外網(wǎng)攻擊控制客戶端的操作[4]。

圖9 低時延保障實(shí)現(xiàn)

4.7 數(shù)據(jù)隔離保障

電力切片將AMF、SMS以及UPF等業(yè)務(wù)功能性網(wǎng)元部署在獨(dú)立的物理服務(wù)器實(shí)現(xiàn)Host級隔離，核心網(wǎng)方案如圖10所示。傳輸網(wǎng)基于時隙的物理隔離如圖11所示。無線接入網(wǎng)空口調(diào)度方案如圖12所示，左側(cè)是基于頻率的調(diào)度，右側(cè)是基于頻率+時隙的調(diào)度。通過優(yōu)先接納和負(fù)載控制等技術(shù)，優(yōu)先保障電力高優(yōu)先級業(yè)務(wù)。

4.8 測試結(jié)論

由于條件限制，本次僅僅測試了“電力終端處理+電力server處理+網(wǎng)絡(luò)”端到端時延，未測試電力服務(wù)器處理時延和電力中斷處理時延，因此無法統(tǒng)計具體的網(wǎng)絡(luò)時延。基于本次通過室分、宏站近端、宏站中斷、宏站遠(yuǎn)端以及遮擋5種場景的端到端測試統(tǒng)計結(jié)果可知，各種場景的端到端平均時延均控制在38 ms以下，最大時延控制在47 ms以下，時延波動較小，核心網(wǎng)背景切片在承載其他業(yè)務(wù)的情況下對電力切片無影響。通過5G SA電力切片承載電網(wǎng)毫秒級精準(zhǔn)負(fù)荷控制業(yè)務(wù)場景，可滿足電網(wǎng)50 ms端到端時延的基本需求。

圖10 核心網(wǎng)方案

圖11 傳輸網(wǎng)基于時隙的物理隔離

圖12 無線接入網(wǎng)空口調(diào)度方案

5 效益與價值

首次和5G通信標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行同步研究，通過垂直行業(yè)實(shí)際應(yīng)用場景下的測試，可以及時識別對5G通信技術(shù)的潛在需求，從而反饋并影響5G標(biāo)準(zhǔn)的制定與優(yōu)化，為未來5G真正應(yīng)用于電力行業(yè)奠定堅實(shí)基礎(chǔ)。5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)在電力行業(yè)核心業(yè)務(wù)應(yīng)用場景下的全球首次驗(yàn)證具有標(biāo)桿示范效應(yīng)。第一，促進(jìn)行業(yè)應(yīng)用示范，即促進(jìn)5G新技術(shù)在行業(yè)應(yīng)用的示范，推進(jìn)5G行業(yè)應(yīng)用，加快產(chǎn)業(yè)發(fā)展。第二，提升電力保障水平，即拓展電力公司通信方式，提升電力保障水平。第三，節(jié)省投資加快上線，即切片技術(shù)節(jié)省基礎(chǔ)設(shè)施投資，加快業(yè)務(wù)上線。第四，踐行雙創(chuàng)輻射全球，即踐行國家“雙創(chuàng)”戰(zhàn)略，其創(chuàng)新經(jīng)驗(yàn)可推廣影響“一帶一路”國家。

6 結(jié) 論

電力智能網(wǎng)的5G切片功能將帶給電力網(wǎng)絡(luò)無與倫比的控制體驗(yàn)，一切以實(shí)用為主。通過切片服務(wù)，可提供個性化和高安全性的專網(wǎng)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)高效節(jié)能的建設(shè)目標(biāo)。

3GPP的5G標(biāo)準(zhǔn)制定中，廣泛征求各垂直行業(yè)的應(yīng)用場景及需求，同時電力行業(yè)也參與了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)制定，明確了智能電網(wǎng)應(yīng)用的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。5G的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)可為智能電網(wǎng)不同業(yè)務(wù)提供差異化的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力，為電網(wǎng)不同分區(qū)業(yè)務(wù)提供高可靠的安全隔離。同時，電力企業(yè)可利用運(yùn)營商的各種開放能力，實(shí)現(xiàn)電力通信終端連接管理、設(shè)備管理、業(yè)務(wù)管理、專用網(wǎng)絡(luò)切片管理以及認(rèn)證和授權(quán)管理的創(chuàng)新業(yè)務(wù)，更好地支撐智能電網(wǎng)的運(yùn)維管理。

此外，5G+智能電網(wǎng)的應(yīng)用能夠更加細(xì)化能源管理的顆粒度，改變原來粗放式的末端管理，提高工業(yè)、居民的用電保障；提供可測可控的用戶體驗(yàn)，使用戶可通過APP等方式靈活監(jiān)測各個環(huán)節(jié)（設(shè)備）的功耗情況，提高用電效率；提高能源應(yīng)用效率，實(shí)現(xiàn)能源監(jiān)控精細(xì)化，全面深度感知設(shè)備運(yùn)行、狀態(tài)和環(huán)境信息，有效引導(dǎo)用戶的調(diào)峰填谷；提高清潔能源消納，即通過對分布式儲能、產(chǎn)能設(shè)施的實(shí)施監(jiān)控及數(shù)據(jù)收集，提高虛擬電廠和多能互補(bǔ)等分布式新能源的友好并網(wǎng)和電網(wǎng)可調(diào)控容量占比，促進(jìn)清潔能源消納[5]。