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

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(wǎng)快速發(fā)展，風電和光伏等新能源大量并網(wǎng)，遠距離跨區(qū)輸電規(guī)模持續(xù)增長，特別是在電網(wǎng)“強直弱交”的過渡期內(nèi)，一旦特高壓直流閉鎖或交流電網(wǎng)故障，受端電網(wǎng)必須在200ms內(nèi)切除大量負荷才能保住電網(wǎng)穩(wěn)定。但傳統(tǒng)的電網(wǎng)穩(wěn)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(qū)直接停電，會對停電地區(qū)的居民生活和社會生產(chǎn)帶來影響，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟損失。解決的可行辦法是對生產(chǎn)生活電力負荷進行區(qū)分，對部分電力用戶可中斷負荷，如非生產(chǎn)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(wǎng)發(fā)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(wǎng)，分布式新能源接入了大量光伏電站、儲能電站，電網(wǎng)發(fā)生事故后也需要緊急對各種可控資源進行協(xié)調(diào)控制。

因此有必要建設大規(guī)模源-網(wǎng)-荷精準控制系統(tǒng)（以下簡稱“精準控制系統(tǒng)”），這樣既能保證大電網(wǎng)的穩(wěn)定，又能將停電影響降至可容忍級別，最大限度減少電網(wǎng)事故帶來的經(jīng)濟損失，降低對生產(chǎn)生活的影響。但是我國電力系統(tǒng)的電力通信網(wǎng)絡已經(jīng)遍布500kV～110/35kV變電站，卻并沒有連接各個工業(yè)企業(yè)用戶的變電站。一個大型城市需要控制的用戶終端數(shù)量高達數(shù)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(lián)合創(chuàng)新，立項開發(fā)“基于5G電力專網(wǎng)的大規(guī)模源網(wǎng)荷精準控制系統(tǒng)”解決方案。

需求分析：由于精準控制系統(tǒng)需快速恢復大電網(wǎng)供需平衡、確保電網(wǎng)頻率在直流閉鎖故障發(fā)生后約200毫秒內(nèi)恢復至正常值（電網(wǎng)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(huán)節(jié)的延時必須控制在20ms以內(nèi)。對通信的需求中，重點強調(diào)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(wǎng)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(shù)據(jù)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(xù)高頻通信；（9）接入5G網(wǎng)絡方式：通過專用CPE連接，通信協(xié)議適配。

1 基于5G電力專網(wǎng)的大規(guī)模源網(wǎng)荷精準控制系統(tǒng)解決方案

1.1 方案設計理念

資源靈活管控：在電力系統(tǒng)方面，對各類發(fā)電資源、電網(wǎng)資源、負荷資源進行靈活化處理，通過采用一系列智能電網(wǎng)關鍵技術和先進ICT技術，實現(xiàn)軟件定義電網(wǎng)，使得電網(wǎng)運行更靈活，調(diào)控能力大幅提升。對通信網(wǎng)絡，特別是5G網(wǎng)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(xiàn)軟件定義網(wǎng)絡，使得5G網(wǎng)絡運行運營更靈活。

定制化服務：供電服務能夠?qū)崿F(xiàn)個性化，實現(xiàn)源網(wǎng)荷友好雙向互動，在應對電網(wǎng)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(tǒng)，以及不同的電力用戶實現(xiàn)區(qū)別對待，實現(xiàn)差異化個性化的供電服務。5G網(wǎng)絡通過切片、MEC、UPF下沉等技術，實現(xiàn)通信連接服務的個性化，滿足特定業(yè)務場景的特殊定制化通信連接需求，保證服務質(zhì)量。

切片分區(qū)隔離：對負荷進行精細區(qū)別分類，在傳統(tǒng)負荷分級的基礎上，進一步在用戶區(qū)域內(nèi)進行類別區(qū)分，區(qū)分出可中斷負荷、連續(xù)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(diào)控，既可應對電網(wǎng)調(diào)控需求，也能保證用戶生產(chǎn)安全。通信網(wǎng)絡資源縱向通過切片技術分割，專項專用。就近分流轉發(fā)，減少路由轉發(fā)環(huán)節(jié)，降低時延，實現(xiàn)橫向區(qū)域隔離，實現(xiàn)數(shù)據(jù)流“圍墻”，控制故障或破壞的影響范圍。

系統(tǒng)效率優(yōu)化：對各類傳統(tǒng)發(fā)電、新能源發(fā)電、各種儲能、各環(huán)節(jié)各類別電網(wǎng)、各種負荷等電力資源進行整體調(diào)控優(yōu)化，減少故障造成的大范圍影響，實現(xiàn)系統(tǒng)運行效率的最大化。對通信網(wǎng)絡資源進行整體優(yōu)化，通過切片技術、MEC+UPF、時延控制、安全增強等，實現(xiàn)差異化個性化服務，既能保證質(zhì)量，又能最大程度優(yōu)化網(wǎng)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(wǎng)直接控制大量控制終端。系統(tǒng)組成架構如圖1所示。

圖1 大規(guī)模源網(wǎng)荷精準控制系統(tǒng)架構圖

控制主站分別與各個控制子站通信，匯集全網(wǎng)的可中斷負荷量和可調(diào)控分布式能源量的信息，統(tǒng)計本地區(qū)可調(diào)控資源總量?？刂浦髡竞椭绷魇芏穗娋W(wǎng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)的主站通信，在直流閉鎖等故障發(fā)生后接收后者發(fā)來的切負荷或調(diào)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(jù)優(yōu)先級順序和調(diào)控對象類別將切負荷或調(diào)控的分布式能源量匹配到安裝在各個工業(yè)企業(yè)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(wǎng)內(nèi)所有儲能電站發(fā)送控制命令讓處于充電狀態(tài)的儲能設備快速切換為最大放電狀態(tài)。精準控制系統(tǒng)功能流程如圖2所示。

圖2 精準控制系統(tǒng)功能執(zhí)行流程圖

1.2.2 通信方案

根據(jù)大規(guī)模源網(wǎng)荷精準控制系統(tǒng)組成架構，整個系統(tǒng)部署在電力生產(chǎn)控制區(qū)，屬于安全生產(chǎn)I區(qū)，通信鏈路需要物理隔離?？刂浦髡九c子站之間采用電力光纖專用通信網(wǎng)，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(jù)現(xiàn)場情況，在不具備光纖覆蓋的區(qū)域使用5G網(wǎng)絡進行承載。

5G網(wǎng)絡用于此業(yè)務部署時，由5G網(wǎng)絡運營商提供強隔離的電網(wǎng)專用切片，一方面，5G網(wǎng)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(yè)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(yè)務數(shù)據(jù)在本地轉發(fā)接入電力專用光纖通信網(wǎng)，通過數(shù)據(jù)分流就近轉發(fā)，降低通信時延，滿足超低時延要求。下面介紹5G網(wǎng)絡端到端切片及MEC邊緣計算方案。

1.2.2.1 5G切片專網(wǎng)方案

5G智能電網(wǎng)切片電力專網(wǎng)精準控制系統(tǒng)“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(wǎng)絡服務，實現(xiàn)大量終端的靈活、安全、可靠、實時接入。基于5G網(wǎng)絡切片及多接入邊緣計算MEC等技術的發(fā)展和完善，為電網(wǎng)用戶體驗、業(yè)務高可靠的安全隔離提供服務能力，實現(xiàn)電力專網(wǎng)運營。每個端到端切片均由核心網(wǎng)、無線網(wǎng)、傳輸網(wǎng)等子切片組合而成，并通過端到端切片管理系統(tǒng)進行統(tǒng)一管理。

圖3 顯示了通過5G切片技術實現(xiàn)電力專網(wǎng)功能。該方案可為電力等行業(yè)部署電力專網(wǎng)切片，包括5G空口、網(wǎng)絡切片以及MEC等多個新特性，滿足智能電網(wǎng)各種不同的業(yè)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(wǎng)業(yè)務提供差異化的服務，對控制業(yè)務提供強安全隔離服務；④部署在網(wǎng)絡邊緣的MEC提供網(wǎng)絡能力開放、超低時延、數(shù)據(jù)就地分流和用戶就近計算資源的服務。

圖3 5G切片專網(wǎng)實現(xiàn)方案

（1）核心網(wǎng)子切片

核心網(wǎng)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(lián)網(wǎng)通信）等各種類型切片的構建、簽約和選擇。網(wǎng)絡切片組網(wǎng)如圖4所示。

圖4 5G核心網(wǎng)切片組網(wǎng)方案

NSSF和NRF作為5GC公共網(wǎng)元，以PLMN或者大區(qū)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(wǎng)安全生產(chǎn)控制區(qū)，部署專用切片。專用切片媒體面和控制面網(wǎng)元在各切片之間都不共享，可以為智能電網(wǎng)的生產(chǎn)控制業(yè)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(wǎng)方案中，為精準控制業(yè)務提供專用切片，采用專用虛擬核心網(wǎng)網(wǎng)元，與5G公網(wǎng)及其它行業(yè)業(yè)務進行高度隔離方案。

（2）無線網(wǎng)子切片

無線接入網(wǎng)為終端提供無線覆蓋，并通過承載網(wǎng)實現(xiàn)與核心網(wǎng)的連接。在切片支持上，RAN支持對核心網(wǎng)切片的選擇。接入側的切片能力更多的體現(xiàn)在不同的參數(shù)配置和調(diào)度上。參數(shù)配置包括無線資源配置、策略配置、協(xié)議棧功能配置等。本項目為精準控制業(yè)務提供專用無線覆蓋，采用室內(nèi)QCell，在智能控制終端的區(qū)域?qū)Ｓ?，實現(xiàn)無線覆蓋的物理隔離。

（3）承載網(wǎng)子切片

承載通過物理網(wǎng)絡虛擬化實現(xiàn)網(wǎng)絡切片，不同網(wǎng)絡切片間的隔離性取決于采用的切片技術，例如，F(xiàn)lexE、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(xiàn)底層快速轉發(fā)，可以進行靈活選擇，滿足不同類型業(yè)務對承載網(wǎng)絡的要求。

（4）切片運維

5G端到端的切片涉及到接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)和核心網(wǎng)等多個網(wǎng)絡設備，因此切片的部署和管理都面臨著巨大的挑戰(zhàn)。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(tǒng)需要根據(jù)用戶需求進行定制化的網(wǎng)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(jù)用戶的業(yè)務和訂購以及SLA（Service-Level Agreement）要求，自動完成網(wǎng)絡切片的部署，實現(xiàn)用戶業(yè)務的快速交付；

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

④自動業(yè)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(tǒng)可以通過引入自動化閉環(huán)保障、根因分析、AI等技術實現(xiàn)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(wǎng)絡內(nèi)部遷移到移動接入網(wǎng)邊緣，實現(xiàn)計算及存儲資源的彈性利用。MEC系統(tǒng)位于無線接入點及有線網(wǎng)絡之間。在電信無線蜂窩網(wǎng)絡中，MEC系統(tǒng)可部署于無線接入網(wǎng)與移動核心網(wǎng)之間。

MEC應用于5G電力專網(wǎng)，可帶來如下便利：

（1）MEC運行于網(wǎng)絡邊緣，邏輯上并不依賴于網(wǎng)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(wǎng)業(yè)務場景。

（2）MEC距離用戶或信息源在地理上鄰近，使得網(wǎng)絡響應用戶請求的時延大大減小，也降低了傳輸網(wǎng)和核心網(wǎng)部分發(fā)生網(wǎng)絡擁塞的可能性。用戶數(shù)據(jù)通過部署在就近的UPF網(wǎng)元進行就近分流轉發(fā)，實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)僅在用戶區(qū)域進行傳輸和接入，不通過廣域網(wǎng)絡多次轉發(fā)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(qū)、局部區(qū)域的UPF，同類用戶在多個區(qū)域之間實現(xiàn)隔離，避免在5G網(wǎng)絡中互聯(lián)互通，一定程度上也規(guī)避了出現(xiàn)安全隱患對全局產(chǎn)生影響。

（3）位于網(wǎng)絡邊緣的MEC能夠?qū)崟r獲取例如基站ID、可用帶寬等網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，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(zhì)量體驗。

2 方案成效

基于5G電力專網(wǎng)的大規(guī)模源網(wǎng)荷精準控制系統(tǒng)解決方案，采用5G切片專網(wǎng)連接用戶終端、用戶變電站，具備以下優(yōu)勢：（1）基于5G的精準控制業(yè)務，可更加靈活方便部署，大幅提升電網(wǎng)調(diào)控的靈活性，提升電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行水平，促進新能源消納；（2）基于5G切片網(wǎng)絡，可為不同電力業(yè)務提供差異化的5G網(wǎng)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(qū)分用戶負荷種類，對可中斷的靈活負荷進行調(diào)控，保障關鍵業(yè)務供電的連續(xù)性，為電力用戶提供高質(zhì)量供電服務；（4）終端通過5G無線網(wǎng)絡接入，減少用戶區(qū)域電纜、光纖部署施工，減少業(yè)務部署的用戶干擾，同時基于5G網(wǎng)絡，實現(xiàn)電力終端通信的可管可控，包括連接管理、設備管理、業(yè)務管理、專用網(wǎng)絡切片管理、認證和授權管理等創(chuàng)新業(yè)務。

3 結束語

5G已成為全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的代表核心技術之一，是實現(xiàn)國家數(shù)字化、“萬物互聯(lián)”、人機交互的戰(zhàn)略性通信基礎設施。本文介紹了基于5G電力專網(wǎng)的大規(guī)模源網(wǎng)荷精準控制系統(tǒng)解決方案，未來5G將進一步與電力行業(yè)結合，促進智能電網(wǎng)業(yè)務創(chuàng)新，有效支撐智能電網(wǎng)長足發(fā)展，助力電力行業(yè)實現(xiàn)碳達峰、碳中和。