（2020年度“華蘇杯”獲獎論文一等獎）基于5G電力專網的大規模源網荷精準控制系統

呂艷艷 陳永波 任祖怡

1.中國移動集團江蘇有限公司南京分公司；

2.中興通訊股份有限公司；

3.南瑞繼保電氣有限公司

0 引言

隨著我國特高壓交直流電網快速發展，風電和光伏等新能源大量并網，遠距離跨區輸電規模持續增長，特別是在電網“強直弱交”的過渡期內，一旦特高壓直流閉鎖或交流電網故障，受端電網必須在200ms內切除大量負荷才能保住電網穩定。但傳統的電網穩定控制技術只能直接切除變電站饋線，這將導致許多工廠和居民小區直接停電，會對停電地區的居民生活和社會生產帶來影響，產生巨大的經濟損失。解決的可行辦法是對生產生活電力負荷進行區分，對部分電力用戶可中斷負荷，如非生產制冷或供熱、普通照明、非關鍵輔助性設備等可中斷負荷進行定點定量的精確切除，在電網發生事故后，做到切負荷量的“精確”和對象的“準確”。而在用電負荷密集的受端電網，分布式新能源接入了大量光伏電站、儲能電站，電網發生事故后也需要緊急對各種可控資源進行協調控制。

因此有必要建設大規模源-網-荷精準控制系統（以下簡稱“精準控制系統”），這樣既能保證大電網的穩定，又能將停電影響降至可容忍級別，最大限度減少電網事故帶來的經濟損失，降低對生產生活的影響。但是我國電力系統的電力通信網絡已經遍布500kV～110/35kV變電站，卻并沒有連接各個工業企業用戶的變電站。一個大型城市需要控制的用戶終端數量高達數萬，鋪設光纜的投資巨大，需要考慮部署靈活、成本較低、可靠性高、安全性高的通信方式。

針對此問題，中國移動通信江蘇有限公司南京分公司（以下簡稱“江蘇移動”）、南瑞繼保電氣工程有限公司（以下簡稱“南瑞繼保”）、中興通訊股份有限公司（以下簡稱“中興通訊”）、東南大學等單位進行聯合創新，立項開發“基于5G電力專網的大規模源網荷精準控制系統”解決方案。

需求分析：由于精準控制系統需快速恢復大電網供需平衡、確保電網頻率在直流閉鎖故障發生后約200毫秒內恢復至正常值（電網頻率50Hz），除去用戶變電站10kV/380V斷路器的動作延時以及其他必要的處理時間，留給最后一級通信環節的延時必須控制在20ms以內。對通信的需求中，重點強調時延、可用性、安全性、可靠性。

具體通信需求如下：（1）帶寬＜2Mbps；（2）時延：控制主（子）站到終端時延≤20ms，抖動＜5ms；（3）可靠性：通信可靠性＞99.999%；（4）連接密度＜1000/百km2；（5）網絡切片：端到端硬切片，獨享切片資源；（6）安全：強安全需求，要求資源獨享，物理隔離，數據加密；（7）精度：授時精度＜10us；（8）通信方式：主從方式，永久在線，連續高頻通信；（9）接入5G網絡方式：通過專用CPE連接，通信協議適配。

1 基于5G電力專網的大規模源網荷精準控制系統解決方案

1.1 方案設計理念

資源靈活管控：在電力系統方面，對各類發電資源、電網資源、負荷資源進行靈活化處理，通過采用一系列智能電網關鍵技術和先進ICT技術，實現軟件定義電網，使得電網運行更靈活，調控能力大幅提升。對通信網絡，特別是5G網絡，通過切片、VLAN、VPN、SDN、NFV、AI、虛擬化、轉控分離等資源靈活化技術，實現軟件定義網絡，使得5G網絡運行運營更靈活。

定制化服務：供電服務能夠實現個性化，實現源網荷友好雙向互動，在應對電網故障、提供供電服務時，可以做到對用戶的不同用電設備、系統，以及不同的電力用戶實現區別對待，實現差異化個性化的供電服務。5G網絡通過切片、MEC、UPF下沉等技術，實現通信連接服務的個性化，滿足特定業務場景的特殊定制化通信連接需求，保證服務質量。

切片分區隔離：對負荷進行精細區別分類，在傳統負荷分級的基礎上，進一步在用戶區域內進行類別區分，區分出可中斷負荷、連續供電不可中斷負荷等類別。在此基礎上，對用戶用電負荷進行精確精準調控，既可應對電網調控需求，也能保證用戶生產安全。通信網絡資源縱向通過切片技術分割，專項專用。就近分流轉發，減少路由轉發環節，降低時延，實現橫向區域隔離，實現數據流“圍墻”，控制故障或破壞的影響范圍。

系統效率優化：對各類傳統發電、新能源發電、各種儲能、各環節各類別電網、各種負荷等電力資源進行整體調控優化，減少故障造成的大范圍影響，實現系統運行效率的最大化。對通信網絡資源進行整體優化，通過切片技術、MEC+UPF、時延控制、安全增強等，實現差異化個性化服務，既能保證質量，又能最大程度優化網絡效率。

1.2 整體方案介紹

1.2.1 總體架構

方案設置雙控制主站，控制主站下設置若干個切控制子站（500kV變電站或220kV變電站），該子站通過高速通信網直接控制大量控制終端。系統組成架構如圖1所示。

圖1 大規模源網荷精準控制系統架構圖

控制主站分別與各個控制子站通信，匯集全網的可中斷負荷量和可調控分布式能源量的信息，統計本地區可調控資源總量。控制主站和直流受端電網安全穩定控制系統的主站通信，在直流閉鎖等故障發生后接收后者發來的切負荷或調控分布式能源的命令后，按照一定策略分配給各個控制子站，控制子站再根據優先級順序和調控對象類別將切負荷或調控的分布式能源量匹配到安裝在各個工業企業用戶變電站或配電房的精準控制終端所控制的可中斷負荷開關。子站也會通過向電網內所有儲能電站發送控制命令讓處于充電狀態的儲能設備快速切換為最大放電狀態。精準控制系統功能流程如圖2所示。

圖2 精準控制系統功能執行流程圖

1.2.2 通信方案

根據大規模源網荷精準控制系統組成架構，整個系統部署在電力生產控制區，屬于安全生產I區，通信鏈路需要物理隔離。控制主站與子站之間采用電力光纖專用通信網，保證安全隔離、可靠性和時延的要求。子站與精準控制終端之間，可根據現場情況，在不具備光纖覆蓋的區域使用5G網絡進行承載。

5G網絡用于此業務部署時，由5G網絡運營商提供強隔離的電網專用切片，一方面，5G網絡切片基于PRB資源預留、FlexE硬切片、UPF下沉技術可提供端到端物理級別隔離強度，滿足電力業務物理隔離要求；另一方面，通過MEC+UPF下沉，以及5G的電力精準控制業務數據在本地轉發接入電力專用光纖通信網，通過數據分流就近轉發，降低通信時延，滿足超低時延要求。下面介紹5G網絡端到端切片及MEC邊緣計算方案。

1.2.2.1 5G切片專網方案

5G智能電網切片電力專網精準控制系統“最后一公里”智能終端的連接問題，通過切片提供差異化的網絡服務，實現大量終端的靈活、安全、可靠、實時接入。基于5G網絡切片及多接入邊緣計算MEC等技術的發展和完善，為電網用戶體驗、業務高可靠的安全隔離提供服務能力，實現電力專網運營。每個端到端切片均由核心網、無線網、傳輸網等子切片組合而成，并通過端到端切片管理系統進行統一管理。

圖3 顯示了通過5G切片技術實現電力專網功能。該方案可為電力等行業部署電力專網切片，包括5G空口、網絡切片以及MEC等多個新特性，滿足智能電網各種不同的業務需求，具備以下能力和特點：①端到端超低時延通信，時延＜20ms；②電力終端設備對設備通信；③5G電力切片為不同電網業務提供差異化的服務，對控制業務提供強安全隔離服務；④部署在網絡邊緣的MEC提供網絡能力開放、超低時延、數據就地分流和用戶就近計算資源的服務。

圖3 5G切片專網實現方案

（1）核心網子切片

核心網采用云原生和微服務等虛擬化技術，進行各種類型切片的構建和部屬，包括eMBB（Enhance Mobile Broadband，增強型移動寬帶）、uRLLC（Ultra Reliable & Low Latency Communication，低時延高可靠通信）、mMTC（Massive Machine Type Communication，海量物聯網通信）等各種類型切片的構建、簽約和選擇。網絡切片組網如圖4所示。

圖4 5G核心網切片組網方案

NSSF和NRF作為5GC公共網元，以PLMN或者大區為單位部署；AMF、PCF、UDM等NF可以共享為多個切片提供服務；SMF、UPF等可以基于切片對時延、帶寬、安全等的不同需求，為每個切片單獨部署不同的NF。對于本項目，電網安全生產控制區，部署專用切片。專用切片媒體面和控制面網元在各切片之間都不共享，可以為智能電網的生產控制業務單獨部署，可用于差動保護、同步相量測量、精準控制、電力應急通信等隔離度高的應用場景。

本項目5G電力專網方案中，為精準控制業務提供專用切片，采用專用虛擬核心網網元，與5G公網及其它行業業務進行高度隔離方案。

（2）無線網子切片

無線接入網為終端提供無線覆蓋，并通過承載網實現與核心網的連接。在切片支持上，RAN支持對核心網切片的選擇。接入側的切片能力更多的體現在不同的參數配置和調度上。參數配置包括無線資源配置、策略配置、協議棧功能配置等。本項目為精準控制業務提供專用無線覆蓋，采用室內QCell，在智能控制終端的區域專用，實現無線覆蓋的物理隔離。

（3）承載網子切片

承載通過物理網絡虛擬化實現網絡切片，不同網絡切片間的隔離性取決于采用的切片技術，例如，FlexE、FlexO等技術具備構建剛性管道的能力，在滿足更高安全隔離要求的同時還能實現底層快速轉發，可以進行靈活選擇，滿足不同類型業務對承載網絡的要求。

（4）切片運維

5G端到端的切片涉及到接入網、傳輸網和核心網等多個網絡設備，因此切片的部署和管理都面臨著巨大的挑戰。切片的運維管理需要支持如下關鍵技術：

①切片的按需定制：系統需要根據用戶需求進行定制化的網絡切片設計，快速滿足應用場景和多樣化的客戶需求；

②自動化切片部署：根據用戶的業務和訂購以及SLA（Service-Level Agreement）要求，自動完成網絡切片的部署，實現用戶業務的快速交付；

③SLA的監控與保障：在切片的運行過程中，搜集并監控網絡切片的SLA，以確保網絡切片的性能；

④自動業務開通與激活：從切片的訂購、編排、部署到激活采用全自動化技術；

⑤智能化與自動化：系統可以通過引入自動化閉環保障、根因分析、AI等技術實現切片運維的智能化和自動化。

1.2.2.2 MEC+UPF下沉

多接入邊緣計算（MEC）技術是把云計算平臺從移動核心網絡內部遷移到移動接入網邊緣，實現計算及存儲資源的彈性利用。MEC系統位于無線接入點及有線網絡之間。在電信無線蜂窩網絡中，MEC系統可部署于無線接入網與移動核心網之間。

MEC應用于5G電力專網，可帶來如下便利：

（1）MEC運行于網絡邊緣，邏輯上并不依賴于網絡的其他部分，這對于安全性要求較高的應用來說非常重要，適用于差動保護、精準控制等電網業務場景。

（2）MEC距離用戶或信息源在地理上鄰近，使得網絡響應用戶請求的時延大大減小，也降低了傳輸網和核心網部分發生網絡擁塞的可能性。用戶數據通過部署在就近的UPF網元進行就近分流轉發，實現用戶數據僅在用戶區域進行傳輸和接入，不通過廣域網絡多次轉發路由，降低被截獲、泄露和被惡意攻擊的可能性。通過部署在各地園區、局部區域的UPF，同類用戶在多個區域之間實現隔離，避免在5G網絡中互聯互通，一定程度上也規避了出現安全隱患對全局產生影響。

（3）位于網絡邊緣的MEC能夠實時獲取例如基站ID、可用帶寬等網絡數據，以及與用戶位置相關的信息，從而進行鏈路感知自適應，并且為基于位置的應用提供部署的可能性，可以極大地改善用戶的服務質量體驗。

2 方案成效

基于5G電力專網的大規模源網荷精準控制系統解決方案，采用5G切片專網連接用戶終端、用戶變電站，具備以下優勢：（1）基于5G的精準控制業務，可更加靈活方便部署，大幅提升電網調控的靈活性，提升電網安全穩定運行水平，促進新能源消納；（2）基于5G切片網絡，可為不同電力業務提供差異化的5G網絡服務，為末端智能控制終端提供靈活方便的連接支撐；（3）通過區分用戶負荷種類，對可中斷的靈活負荷進行調控，保障關鍵業務供電的連續性，為電力用戶提供高質量供電服務；（4）終端通過5G無線網絡接入，減少用戶區域電纜、光纖部署施工，減少業務部署的用戶干擾，同時基于5G網絡，實現電力終端通信的可管可控，包括連接管理、設備管理、業務管理、專用網絡切片管理、認證和授權管理等創新業務。

3 結束語

5G已成為全球新一輪科技革命和產業變革的代表核心技術之一，是實現國家數字化、“萬物互聯”、人機交互的戰略性通信基礎設施。本文介紹了基于5G電力專網的大規模源網荷精準控制系統解決方案，未來5G將進一步與電力行業結合，促進智能電網業務創新，有效支撐智能電網長足發展，助力電力行業實現碳達峰、碳中和。