5G專網在電力系統基建工程中的應用研究

李洪豐 李興 李洪濤 張金修 華建強

摘 ?要：當前，5G專網列為未來的重點發展方向。電網建設作為電網基礎工程重要一環也面臨著革新與升級。傳統的電網建設存在建筑施工安全生產隱患難防、揚塵噪聲污染超標、建筑材料缺少規范管理、監管效能差強人意等問題，智慧電網在此情境下應運而生。通過對5G專網與Wi-Fi、5G公網、網橋、WAPI等現有網絡技術開展對標分析，總結出5G專網的技術先進性，并開展5G專網組網及應用研究，為智慧電網網絡基礎建設開展拓展性研究。

關鍵詞：第五代移動通信技術;智慧電網;智慧工地;多網融合;信息安全

中圖分類號：TN929.5 ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）12-0139-06

Abstract： At present， 5G private network is listed as the key development direction in the future. As an important part of power grid basic engineering， power grid construction is also facing innovation and upgrading. Traditional power grid construction has problems such as having difficulty in preventing hidden dangers in construction safety production， excessive dust and noise pollution， lack of standardized management of building materials， supervision efficiency just possible and so on. The smart grid comes into being in this situation. Through the benchmarking analysis of 5G private network， Wi-Fi， 5G public network， network bridge， WAPI and other existing network technologies， the advanced technology of 5G private network is summarized， and the 5G private network networking and application research are carried out， and extensive research for the infrastructure construction of smart grid are carried out.

Keywords： the 5th generation mobile communication technology; smart grid; smart construction site; multi networks convergence; information safety

0 ?引 ?言

隨著第五代移動通信技術性能和安全性的不斷提高，第五代移動通信技術已成為繼云計算、物聯網之后ICT界的一個重大技術發展方向，并且將繼續深入影響社會經濟生活的方方面面，尤其是使傳統農業和制造業、醫療健康、電子商務、智能交通等新興行業產生巨大變革。

第五代移動通信技術（5G）作為一種新興的通信技術，迅速在現有通信方式中占據主導地位，電力系統的研發人員陸續對其進行了大量研究和應用[1]。但是囿于該技術本身不夠成熟，以及出于安全性、成本等因素方面的考慮，使得目前5G專網在變電站工地的實際應用較少。

本文作者所在單位為國家電網吉林公司建設部，作者所在單位長期從事國網輸變電電網工程建設智能化、物聯網研究，負責過較多電網基建施工現場的科技創新類項目，本課題基于5G專網及其相關技術在變電站智慧工地的應用[2，3]為重要方向之一，研究目標主要是梳理目前已有方式的缺陷，展望未來可能存在的應用模式、應用場景以及在應用中可能遇到的關鍵挑戰。進一步豐富變電站智慧工地的各類應用設計，為即將到來的第五代通信技術變革風潮做好充分準備。

1 ?現狀調研

隨著電網工程輸配電施工現場陸續開展新基建智慧物聯建設，網絡層建設作為基礎工作其重要性日益彰顯。經調研發現，現場網絡層建設存在以下問題和不足：

（1）網絡復雜。目前現有的電網基建工程點多面廣，為滿足整個基建工地的網絡需求，現有工地采用國內三大運營商4G、5G網絡、各類4G專網、LoRa、Wi-Fi等多種方式進行組網，導致現有電網基建場地組網架構復雜。

（2）維護困難。電力系統基建場地建設期工作面工況復雜，簡單地部署有線網絡容易被破壞;由于現場施工人員缺乏網絡使用及維護的技能，當網絡受到破壞時，通信網絡往往難以在短時間內恢復，為現場生產造成巨大影響。

（3）網絡擁堵。目前電力系統的基建場地除工業施工設備以外，還存在辦公設備、作業監控設備、手機等各種非工業設備占用網絡帶寬的情況，多種設備同時接入同一網絡將造成網絡擁堵、數據丟失、時延較大等問題，破壞用戶體驗。

（4）跨區切換。傳統的工業Wi-Fi網絡部署方案，無法滿足移動設備（如：移動布控球、智能安全帽、手持終端等）在不同AP之間的切換，當移動設備在不同的區域之間進行切換時，會導致視頻業務畫面卡頓，數據業務丟失，控制業務斷開等問題。

2 ?網絡技術對標分析

5G專用網絡（private 5G network）是一種局域網（LAN），它將使用5G技術創建具有統一連接性、優化服務和特定區域內安全通信方式的專用網絡。5G專網提供了企業定制化網絡的自由度，可以根據使用場所、工作類型的不同而提供不同的配置，在隱私和安全方面都具有明顯的優勢。下文給出了與其他主流網絡技術的對比分析。

2.1 ?與Wi-Fi對比

5G專網在可靠性、網絡覆蓋、吞吐率等方面具有較大優勢，具體對標分析如表1所示。

可靠性：從接入網對接入終端的調度協調方式來看，專網采用的是由基站負責總體上的協調，劃分了專門的控制面功能，采用核心網的控制面功能指揮協調大量終端，保證多用戶數據傳輸的可靠性。通過專網本身基于調度的網絡特性和網絡切片技術，關鍵業務的可靠性高達99.99%。

而Wi-Fi則采用“協調+競爭”的方式。競爭機制即是CSMA/CA（多路訪問/沖突避免），終端數量較多時，各個終端會爭先與AP通信，無法保證關鍵業務的可靠性，與無線專網技術存在明顯的差距。

網絡覆蓋：專網技術通過增加上行功率譜密度、重復次數來提高覆蓋距離，覆蓋距離可達10 km。Wi-Fi的使用場景為室內民用，室內覆蓋500 ㎡～1000 ㎡。無線專網采用了蜂窩網絡基于扇區和小區的組網方式，技術上支持移動切換，可以支持更大范圍的覆蓋。

吞吐率：專網采用基于調度的資源分配方式，可以保證多用戶大帶寬業務并發的情況下，各個用戶的業務穩定、可靠。Wi-Fi網絡總吞吐率隨著用戶數量的增加而呈指數級下降，無法支持多用戶并發的大帶寬業務。

2.2 ?與4G專網對比

在網絡性能的關鍵指標（如速率、覆蓋能力、時延等方面）上，5G專網較之4G專網，具有數量級上的差異。4G專網與5G專網只是在組網方式、頻段和網絡設備私有化方面是一致的，詳細對比如表2所示。

2.3 ?與5G公網虛擬專網對比

5G公網虛擬專網在自主性、工業應用定制化、安全性以及成本上與5G專網存在較大差距，在行業應用中，定制化的一些網絡特性在公網虛擬專網上無法實現。詳細對比如表3所示。

2.4 ?與WAPI對比

5G專網在以下幾個方面具有優勢：

（1）基于5G技術的無線專網具有與WAPI相似的網絡安全保障體系架構，即基于三元的網絡架構實現終端側與網絡側的雙向身份鑒別機制。

（2）無線專網采用模塊化的加密與鑒權設計，也可以支持類似WAPI加密算法的替換以及擴展，從而實現符合企業網絡安全標準的特定加密算法。

（3）基于5G技術的無線專網在接入鑒權、加密算法和數據流程等方面的技術優于WAPI。

2.5 ?與網橋對比

5G專網在網絡擴容、多用戶、覆蓋等方面具有較大優勢，具體對標分析如表4所示。

5G設備相較于網橋設備，可以根據實際需求即插即用地實現網絡擴容，網絡性能獲得線性提升。另外，單機站覆蓋距離相差5～10倍;對于地形復雜場景5G專網可靠性強于網橋。

3 ?5G專網技術特性分析

綜上所述，5G專網具有大帶寬、廣連接、低時延、安全性高等諸多優勢。同時，5G專網具備適用部署區域化、網絡需求個性化、行業應用場景化等特點。所謂部署區域化，是指5G專網服務的部署范圍可根據區域設計，可面向封閉式的局域場景，如制造業園區、港口、礦山等;網絡需求個性化，是指對時延要求嚴苛、可靠性要求高、上行速率要求高、數據安全和隔離要求嚴格等，5G專網中的網絡切片、邊緣計算、NFV/SDN實現園區網絡靈活部署[5];行業應用場景化，是指5G網絡將為不同的行業場景就近部署算力并提供能力開放，部署示意圖如圖1（a）所示。5G專網可與現有IT網絡實現兼容互通，網絡能力、網絡技術也將不斷演進升級。最后，對于多數企業重要的一點是，5G專網可縮短建設周期，進而大大降低成本。

公網5G的虛擬專網，通過核心網的數據處理單元UPF下沉到企業或園區內，保證數據不出園區，所有網絡設備都需要由部署在運營商機房內的核心網進行控制，用戶的控制信息和相關核心數據都要經過核心網。如圖1（b）中的實線所示。在公網的虛擬專網網絡切片方案（以中國移動方案為例）中，同一個基站采用RB資源預留的方式進行資源隔離，普通用戶終端亦可在同一個基站接入，電力行業用戶與普通用戶并存，導致網絡數據和網絡安全無法得到保障，一旦公共核心網受到攻擊，行業用戶將受到影響，抗毀性較差。

3.1 ?5G專網技術特性及優勢

3.1.1 ?優化新空口波束管理

5G新空口的波束管理以Massive-MIMO技術為基礎，是5G中提高吞吐率和頻譜利用率的關鍵技術。同4G的MIMO技術相比，5G的天線數量大大增加，所有上下行信道的發送接收都基于波束，如圖2所示[6]。多天線通過波束賦型可以實現如下功能：多用戶空分、提升頻譜利用率、提升能量利用率、滿足覆蓋需求。

3.1.2 ?增加上行子幀配比

5G公網以下行業務為主，配比如圖3所示。

5G專網采用定制化的上下行時隙配置，在使用相同頻譜資源的情況下，減少下行子幀配置，增加上行子幀配置。在2.5 ms雙周期時隙中，5G公網上行子幀占用1.5 ms，5G專網上行子幀占用4 ms，如圖4所示，因此5G專網設備的上行吞吐率是普通5G公網設備上行吞吐率的2.5倍。

3.2 ?數據不出園區

5G專網網絡部署可面向封閉式的使用場景，根據客戶實際場景區域面積進行定制化部署。專網設備為電力行業用戶私有，通過網絡設備下沉到變電站等場景中，為電力行業用戶構建一張物理隔離、數據不出園區的連接網絡。該模式下可實現用戶業務數據的本地卸載，減小由于公網網絡故障而對用戶生產業務帶來的影響，保障生產安全。

3.3 ?覆蓋距離增強技術

基于5G uRLLC技術并通過鏈路自適應、主動請求重傳、基于最大功率譜密度的調度策略等定制化算法，在保證通信可靠性的基礎上將最大路損提升10 dB以上，從而實現在無遮擋區域[7]，5G專網終端在距離射頻拉遠單元3 km的距離下，系統的總業務速率不受影響;在10 km處，5G專網系統業務總上行速率和總下行速率可達200 Mbps。

3.4 ?低時延

通過核心網本地部署+空口預調度技術，有效提升端到端時延指標，網絡端到端時延<15 ms，部分場景下時延<10 ms。

3.5 ?靈活自服務

為行業用戶提供具備能根據用戶權限靈活配置業務策略（黑白名單、限速、IP地址分配等）的自服務能力。

4 ?5G專網組網及應用

4.1 ?5G專網組網

5G時代已經到來，通過5G eMBB大帶寬、mMTC大連接以及uRLLC超可靠低時延三大特性，為視頻傳輸、可視化管理、物聯網、感知技術、遠程控制等技術打開了新的格局。

5G專網解決方案通過由5G集中控制器、5G射頻拉遠單元和無線終端，并輔以視頻攝像機、傳感器物聯網關、智能安全帽以及AI攝像頭等設備組合，實現了高清視頻監控子系統、AI+物聯網環境監控系統等諸多智能化管理應用[8]，從而構建了智慧工地的標準規范化體系、安全保障體系和運行管理體系。

4.2 ?5G專網應用

數據感知層：包含環境監測、邊坡監測、沉降監測等物聯感知設備以及視頻監控攝像頭等設備。

網絡傳輸層：基于5G網絡切片技術，整個智慧變電站施工階段的5G專網方案按照用戶優先級進行切片管理，將辦公、施工監控以及傳感器設備的物聯網網關整體融合，以實現數據本地化存儲以及遠端監管的功能;其中5G專網可以根據用戶實際需求定制化產品和服務，通過5G專網網絡切片技術，進行用戶優先級設置，對辦公和施工監控用戶進行優先級設置，可有效解決當前的辦公占用較大帶寬時，施工監控數據無法有效傳輸到云端的問題，如圖5所示。

4.3 ?布設方案

以5G專網為核心，運用“互聯網+大數據”思維，縱深推進“多網融合、多網運行、一網治理”改革，構建簡約高效的網絡管理機制，有效破解原有變電站基建工地組網復雜，維護困難的困境，初步探索出一條以5G專網為核心，將其他網絡作為子網的多網融合新路線。布設方案如圖6所示。

5 ?應用展望

隨著感知層終端應用技術的發展，在實際電網變電站建設中，多種網絡應用場景并存，終端應用多樣化（如無人機巡檢、工程車輛遠程控制等），這對5G專網的網絡性能提出了更高的要求，帶寬、時延、連接數等關鍵通信指標會根據施工現場的實際需求進行技術迭代更新[9]。下面是對應用場景的展望：

（1）eMBB場景，上行帶寬需求。隨著施工現場終端應用的增加，對上行帶寬的需求愈發嚴苛，4K高清視頻、AR等大帶寬應用會逐漸大范圍應用于施工現場。對于以上終端帶寬的需求，5G專網設備的上行帶寬初步設計為1 Gbps，以滿足變電站施工現場超高上行帶寬的需求。

（2）mMTC場景，傳感器連接。目前，多數傳感器設備的通信方式為LoRa，隨著5G mMTC物聯網終端芯片的批量化生產，會逐漸代替LoRa終端。

（3）uRLLC場景，超低時延的遠程控制[10]（空口時延<3 ms）。對于作業危險區域的施工、監控部署超低時延的5G專網設備，一是通過遠程控制工程作業車輛，減少施工人員高危區域作業;二是通過超低延時的快速信息反饋（MEC+AI），及時快速地發出預警、告警，從而從根本上降低事故的發生率。

通過以上三種場景的技術應用，憑借施工現場5G專網的部署方式實現智慧電網、智慧工地應用愿景，使施工現場更加智能、安全。

6 ?結 ?論

第五代移動通信技術已經逐漸滲透到企業應用中，并且隨著用戶依賴程度的加深而不斷強化。同時由于電網基建工程現場具有偏遠、分散的特點，傳統的網絡通信方式受到極大限制，因此，以5G專網為核心的網絡布設方案將是未來電網基建的新形勢。文章通過同類網絡通信技術的對比分析，以及組網及應用研究探索，闡述了5G專網基于智慧電網的先進性及必要性，以及技術可行性。能有效解決電網輸變電工程建設中，網絡復雜、維護困難、網絡擁堵、跨區切換等諸多網絡問題。

未來5G定制化專網的發展會根據電力系統的實際業務需求，進行定制化的研究和開發，實現5G場景中eMBB、mMTC、uRLLC的整體應用，實現工程施工可視化智能管理，實現綠色建造和生態建造。今后，待更多的物聯終端和感知設備配備了5G通訊模組后，5G網絡將會在智慧電網領域發揮海量終端接入、低延時、高速率等諸多優勢。

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作者簡介：李洪豐（1969—），男，漢族，吉林長春人，高級工程師，本科，研究方向：電力調度及電力工程信息化建設;通訊作者：李興（1977—），男，漢族，貴州，中級工程師，本科，研究方向：基建大數據算法和模型、邊緣代理多通訊模組及設備協議、物聯模型研究等;李洪濤（1980—），男，漢族，吉林長春人，本科，高級工程師，學歷，研究方向電網工程管理。