5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)在反竊電領(lǐng)域的應(yīng)用前景

隋 緣

（天津師范大學(xué)，天津 300380）

0 引 言

現(xiàn)代生活中，人們已無法擺脫對(duì)電力的依賴，而竊電問題一直是業(yè)內(nèi)“頭疼”的事情。我國每年的竊電案例達(dá)15萬例左右，因竊電造成的電費(fèi)流失在200億元左右，竊電引起的各類生產(chǎn)、安全事故所造成的損失更加巨大[1,2]，同時(shí)這種行為還擾亂了社會(huì)誠信公平體系。竊電行為具有設(shè)備智能化、手段專業(yè)化、行為隱蔽化、實(shí)施規(guī)模化、研究職業(yè)化、宣傳網(wǎng)絡(luò)化等特征[3]，分為高壓、低壓竊電兩種類型。世界各國已研究出了諸多反竊電產(chǎn)品并得到應(yīng)用，但反竊電管理迫切需要與數(shù)字化融合[2]。

當(dāng)前，5G網(wǎng)絡(luò)突破了傳統(tǒng)的移動(dòng)通信領(lǐng)域，承擔(dān)起了各行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的新使命，網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)為5G網(wǎng)絡(luò)提供了差異化的應(yīng)用場景[4]，因此，5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)在反竊電領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)

5G網(wǎng)絡(luò)切片白皮書指出，5G網(wǎng)絡(luò)的不同功能和性能對(duì)各種用戶提供不同的應(yīng)用場景[5]，網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)可以對(duì)不同應(yīng)用場景的差異化服務(wù)提供技術(shù)支撐，專用的、虛擬化的、互相隔離的邏輯網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建在一個(gè)通用物理平臺(tái)，最大限度提升對(duì)外部環(huán)境、客戶需求和業(yè)務(wù)場景的網(wǎng)絡(luò)需求。

2 數(shù)字化反竊電技術(shù)現(xiàn)狀

竊電分為用戶私自增容、短接計(jì)量箱進(jìn)出線竊電等與計(jì)量裝置無關(guān)的方法和欠壓竊電法、欠流竊電法、移相竊電法、擴(kuò)差竊電法等與計(jì)量裝置有關(guān)的方法[6]。反高、低壓竊電的難度存在著很大的差別，如表1。

表1 反高、低壓竊電難度

國內(nèi)諸多學(xué)者經(jīng)過多年的努力，在反竊電領(lǐng)域取得了較好的成效，而傳統(tǒng)的檢測手段已無法滿足反高科技竊電的要求。隨著數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，技術(shù)人員可以結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)分析技術(shù)預(yù)測可能存在的竊電行為。在此，對(duì)國內(nèi)數(shù)字化反竊電代表技術(shù)予以概述。

朱勁雷等人[7]發(fā)明了10 kV高損線路分支逐級(jí)分段快速定位系統(tǒng)。在固定式互感器中內(nèi)置無線數(shù)據(jù)采集器，將一次側(cè)電流的模擬信號(hào)通過高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，無線短距離發(fā)送給表箱內(nèi)的數(shù)據(jù)接收器，杜絕了在計(jì)量回路竊電和用戶對(duì)傳輸信道破壞的可能，同時(shí)，外殼及鐵心采用開口設(shè)計(jì)，加裝轉(zhuǎn)動(dòng)軸、卡簧實(shí)現(xiàn)快速裝、拆；對(duì)高損10 kV線路，在總輸電線路、主干輸電線回路、分支輸電線路上安裝無線傳輸互感器，將整個(gè)輸電線路分成若干區(qū)域，形成節(jié)點(diǎn)布控網(wǎng)絡(luò)；利用用電信息采集系統(tǒng)調(diào)取全部用戶的負(fù)控監(jiān)測數(shù)據(jù)，按照電流積分、功率比對(duì)，自動(dòng)同時(shí)分析各組網(wǎng)單元電流情況，判斷該線路各個(gè)節(jié)點(diǎn)功率是否平衡。當(dāng)總輸電線路負(fù)荷與節(jié)點(diǎn)分支輸電線路及主干輸電線回路負(fù)荷相當(dāng)，主干輸電線回路負(fù)荷與下一節(jié)點(diǎn)分支輸電線路及主干輸電線回路相當(dāng)，分支輸電線路負(fù)荷與分支輸電線路配變負(fù)荷相當(dāng)，為正常用電狀態(tài)，否則判斷為有主干輸電線回路搭接竊電或分支用戶竊電行為，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓竊電用戶實(shí)時(shí)監(jiān)測和快速定位。

李偉等人[8]揭示了高壓計(jì)量互感器內(nèi)嵌遙控裝置的竊電機(jī)理，找到了實(shí)際計(jì)量電流計(jì)算公式，分析了實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)，厘清了遙控裝置短接分流互感器二次輸出實(shí)現(xiàn)竊電的真實(shí)性，提出了采用一體澆注式高壓計(jì)量裝置（或組合互感器）和在重要用戶的計(jì)量回路安裝二次回路巡檢儀的反竊電方法。

在配電與用電節(jié)點(diǎn)已安裝智能電表的智能電網(wǎng)環(huán)境下，鄭思達(dá)等人[9]提出基于聚類的異常用電行為識(shí)別方法監(jiān)測小用戶級(jí)別的竊電行為，從智能電表收集的數(shù)據(jù)中提取用電特征，使用模糊聚類分析數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，分析假數(shù)據(jù)注入攻擊等竊電行為，從而提取出正常用戶的用電行為特征。

薛宇飛等人[10]設(shè)計(jì)的基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的反竊電系統(tǒng)，可以對(duì)用電用戶進(jìn)行用戶能效等級(jí)、月用電量、用表類型、所在臺(tái)區(qū)線損、三相不平衡率、功率因數(shù)、單耗、是否竊電等分析，比對(duì)數(shù)據(jù)信息對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了功能測試，驗(yàn)證軟件可用于電力竊電嫌疑分析，縮小搜索范圍，提高反竊電工作效率

侯磊等人[11]建立了包括：業(yè)務(wù)結(jié)構(gòu)、應(yīng)用架構(gòu)（竊電監(jiān)測分析數(shù)據(jù)管理層、竊電監(jiān)測分析業(yè)務(wù)層、竊電監(jiān)測分析管理監(jiān)控層、外圍系統(tǒng)等4個(gè)層次）、數(shù)據(jù)架構(gòu)、技術(shù)架構(gòu)等智能防竊電系統(tǒng)分析模型，根據(jù)不同線路線損類別、用戶類型和電壓等級(jí)，對(duì)線損異常和用電異常的用戶進(jìn)行智能化過濾與提示，從而對(duì)竊電嫌疑戶進(jìn)行有效定位。

石盼等人[12]提出了基于改進(jìn)小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的反竊電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，得到用戶竊電的嫌疑因子和竊電方式。許小卉等人[13]提出了基于配電物聯(lián)網(wǎng)的反竊電預(yù)警系統(tǒng)，在電力物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合大數(shù)據(jù)、人工智能深度機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，通過配電臺(tái)區(qū)變-線-相-戶分段、分層的竊電臺(tái)區(qū)嫌疑分析，客戶用電負(fù)荷曲線的特征分析，精準(zhǔn)鎖定竊電嫌疑用戶，提高供電單位竊電預(yù)警能力。

王達(dá)等人[14]提出了低壓小電量用戶“遠(yuǎn)程+現(xiàn)場”批量篩查、遙控竊電裝置的快速精準(zhǔn)偵查方法。采用WiFi及GPRS雙信道，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場及遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)傳輸；采用雙CPU數(shù)據(jù)采集終端，提高抄讀數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率。低壓臺(tái)區(qū)巡檢裝置，可采集智能電表表號(hào)、電量、電壓、電流、零序電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、相位角、開蓋記錄等各項(xiàng)數(shù)據(jù)，通過欠流法、欠壓法、移相法、表內(nèi)擴(kuò)差法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場采集的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行批量篩選，確定嫌疑用戶。

3 5G切片技術(shù)在電力行業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀

5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)是一種端到端的技術(shù)[15]，每個(gè)端到端的切片由無線網(wǎng)絡(luò)子切片、核心網(wǎng)子切片、承載網(wǎng)子切片等組合而成，5G網(wǎng)絡(luò)切片的全生命周期管理由端到端的切片管理系統(tǒng)完成。當(dāng)前5G切片技術(shù)在電力行業(yè)的研究與應(yīng)用取得了一些進(jìn)展，但還有諸多方面需要進(jìn)一步研究。

2019年我國首次在國家電網(wǎng)天津津?yàn)I海公司海洋110 kV變電站東江路沿線區(qū)域[16]，采用5G無人機(jī)、5G無人車陸空一體化電力設(shè)施立體巡檢，2019年在500 kV深圳變電站[17]應(yīng)用5G 技術(shù)實(shí)現(xiàn)變電站巡檢機(jī)器人端對(duì)端應(yīng)用（操控平臺(tái)至機(jī)器人終端）。

李歡等人[18]根據(jù)5G網(wǎng)絡(luò)的特性和電網(wǎng)行業(yè)發(fā)展對(duì)通信的需求，研究了5G 網(wǎng)絡(luò)切片在電網(wǎng)中的架構(gòu)設(shè)計(jì)、能力開放和安全隔離分區(qū)，開展了低時(shí)延高可靠的負(fù)荷控制、大帶寬的視頻監(jiān)控、海量連接的智能表計(jì)等電力業(yè)務(wù)場景的試點(diǎn)測試與應(yīng)用驗(yàn)證工作。

賀金紅等人[19]根據(jù)電力物聯(lián)網(wǎng)的輸電環(huán)節(jié)、變電環(huán)節(jié)、配電環(huán)節(jié)、用電環(huán)節(jié)、電力物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)場景及通信需求，引入基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)的流量智能預(yù)測機(jī)制，構(gòu)建了包括感知接入側(cè)、無線通道側(cè)、平臺(tái)傳輸側(cè)的5G 網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了5G 網(wǎng)絡(luò)切片的AI支持模塊建立流量模型（預(yù)備階段）和切片管控模塊的智能化管理。

中國電信、國家電網(wǎng)和華為依托國家科技重大專項(xiàng)（2017ZX03001013-004-5G）“網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)研發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)化與驗(yàn)證”項(xiàng)目[20]，共同開展了5G切片在電力等行業(yè)典型案例的測試、驗(yàn)證以及應(yīng)用落地。基于智能電網(wǎng)的主要通信業(yè)務(wù)場景，逐一探討和分析不同業(yè)務(wù)場景下的業(yè)務(wù)特征和技術(shù)指標(biāo)要求，總結(jié)了智能電網(wǎng)在發(fā)展過程中遇到的挑戰(zhàn)、5G網(wǎng)絡(luò)切片在智能電網(wǎng)中的潛在應(yīng)用場景以及方案分析。

趙俊杰等人[21]分析了5G電力網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、底層技術(shù)原理、設(shè)計(jì)原理、部署原理、切片類型、應(yīng)用場景、解決的問題等，按燃煤電廠uRLLC精準(zhǔn)控制類信號(hào)采集與控制、mMTC物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備信息采集、eMBB移動(dòng)智能設(shè)備數(shù)據(jù)雙向通訊、視頻語音數(shù)據(jù)采集與通訊等應(yīng)用場景，構(gòu)建了5G網(wǎng)絡(luò)端到端切片的通信服務(wù)管理CSMF、切片管理NSMF、子切片管理NSSMF、現(xiàn)場部署管理和編排MANO步驟等全生命周期管理模型。

4 5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)在反竊電領(lǐng)域應(yīng)用前景

5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)已在電力系統(tǒng)發(fā)、輸、變、配、用電及應(yīng)急通信等不同領(lǐng)域進(jìn)行了嘗試和利用，取得了令人滿意的效果，為智能反竊電的應(yīng)用提供了可能。不管是電力高壓用戶，還是電力低壓力用戶，都離不開建筑物或構(gòu)筑物。隨著數(shù)字時(shí)代的發(fā)展，智慧建筑所包含的新概念和新技術(shù)頻繁出現(xiàn)在建筑物或構(gòu)筑物中[22]。這就為5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)應(yīng)用于反竊電領(lǐng)域提供了應(yīng)用場景和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架平臺(tái)。

5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)在端到端智能電網(wǎng)的高隔離性、提供差異化服務(wù)方面的應(yīng)用處于起步的探索階段[23]，但如何應(yīng)用5G網(wǎng)絡(luò)切片進(jìn)行反竊電還未涉及，需要滿足四個(gè)典型應(yīng)用場景：在線監(jiān)測、快速智能定位批量篩查、分布式配電自動(dòng)化、精準(zhǔn)竊電查勘。

4.1 在線監(jiān)測

在線監(jiān)測系統(tǒng)由主站系統(tǒng)、線路分支探測終端、用戶側(cè)計(jì)量終端以及其他附屬設(shè)備組成。主站系統(tǒng)依靠服務(wù)器與5G智能手機(jī)融合，后臺(tái)管反竊電系統(tǒng)，對(duì)用戶的24 h功率平衡分析、竊電方式甄別；線路分支探測終端進(jìn)行分段功率比例分析，查找各分支線路用電不正常區(qū)域，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程稽查；用戶側(cè)計(jì)量終端負(fù)責(zé)對(duì)重點(diǎn)用戶采集用電數(shù)據(jù)，查找用電量變化異常節(jié)點(diǎn)。對(duì) 5G 網(wǎng)絡(luò)切片提出了這樣的通信要求：超高吞吐量 （Gb/s帶寬的高清圖像和視頻傳輸）；廣覆蓋范圍和高準(zhǔn)確性。

4.2 快速智能定位批量篩查

5G網(wǎng)絡(luò)切片的智能電表提供時(shí)時(shí)監(jiān)測用戶所消耗的電量，標(biāo)記各分支線路分布式配電網(wǎng)中的異常測量值及智能讀表設(shè)備安全交換的數(shù)字身份信息，直觀清晰了解變壓器和線路的運(yùn)行狀態(tài)，定位發(fā)現(xiàn)變壓器過載、竊電、漏電等問題。對(duì) 5G 網(wǎng)絡(luò)切片的通信要求：大規(guī)模訪問，海量終端數(shù)；高密度的網(wǎng)絡(luò)連接；用戶信息的安全網(wǎng)絡(luò)傳輸。

4.3 分布式配電自動(dòng)化

基于5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的分布式配電自動(dòng)化，可以實(shí)現(xiàn)供電區(qū)域不間斷持續(xù)供電，事故隔離時(shí)間縮短至毫秒級(jí)。分布式配電自動(dòng)化用戶對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的要求：網(wǎng)控制和保護(hù)設(shè)備的超低延遲、電網(wǎng)或通信網(wǎng)絡(luò)遭攻擊不斷電、單個(gè)站點(diǎn)連接數(shù)千個(gè)電網(wǎng)控制和保護(hù)設(shè)備的高終端密度、5G通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性達(dá)到99.999%。

4.4 精準(zhǔn)竊電查勘

基于5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)依據(jù)用電信息采集系統(tǒng)調(diào)取全部用戶的負(fù)控監(jiān)測數(shù)據(jù)，按照電流積分、功率比對(duì)，自動(dòng)同時(shí)分析各組網(wǎng)單元電流情況，判斷該線路各個(gè)節(jié)點(diǎn)功率是否平衡。采用三種方法在誤差允許的范圍內(nèi)進(jìn)行負(fù)荷比對(duì)，若負(fù)荷相當(dāng)，則為用電狀態(tài)正常，否則，否則判斷為有主干輸電線回路搭接竊電或分支輸電線路的用戶有竊電現(xiàn)象。①總輸電線路負(fù)荷與節(jié)點(diǎn)分支輸電線路及主干輸電線回路負(fù)荷的總和進(jìn)行比對(duì)；②主干輸電線回路與下一節(jié)點(diǎn)分支電線路及下一節(jié)點(diǎn)主回路負(fù)荷的總和進(jìn)行比對(duì)；③分支輸電線路負(fù)荷與分支分支輸電線路配變負(fù)荷進(jìn)行比對(duì)；從而實(shí)現(xiàn)對(duì)竊電用戶實(shí)時(shí)監(jiān)測和快速定位。精準(zhǔn)竊電查勘要求5G網(wǎng)絡(luò)必須滿足：毫秒級(jí)快速響應(yīng)、通信網(wǎng)絡(luò)99.999%的可靠性、高設(shè)備密度，數(shù)十萬個(gè)用戶精確竊電狀況控制。

5 結(jié) 論

竊電行為將造成國家巨大的經(jīng)濟(jì)損失，用電安全也面臨著重大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的反竊電手段實(shí)施效果差，5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的端到端網(wǎng)絡(luò)由接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、核心網(wǎng)組成，能夠滿足反竊電的四大典型場景，5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)在反竊電領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。