基于5G專網及MEC平臺在電網應用場景的研究

摘要：針對智能電網發電、輸電、變電、配電、用電及綜合管理等6大環節的5G典型應用場景以及電網場景下的采集及控制類場景對于5G通信性能的需求進行具體分析，設計了5G電網網絡架構，通過5G專網平臺實現了無線及核心網元設備拓撲可視化、流量及狀態的在線監測及預警，MEC邊緣計算平臺實現了本地網絡分流轉發、計算資源的分配管理確功能，確保電力通信網絡及專屬應用的安全、可靠運行。提出中國聯通自研5G專網平臺、MEC邊緣計算平臺在電網場景的功能及應用。結合某國網的5G應用實踐，該應用對5G+ToB業務的商業化落地及智能電網自身發展都有著非常重要的意義。

關鍵詞：電網;網絡切片;5G專網平臺;MEC邊緣計算

一、引言

國家和政府大力推行5G建設，帶動TO B行業率先打通5G應用場景。電力與通信行業密切相關，5G的出現勢必會為現有的電力行業運行帶來變革。

當前，傳統無線公網通信等方式已無法滿足電力傳輸的要求，5G具備高速率、低時延以及廣連接等特點，同時具備網絡切片、邊緣計算等創新功能，能夠滿足電力業務“發、輸、變、配、用”等各環節對于安全性、可靠性和靈活性的要求，有望解決電力通信痛點、難點以及末端海量終端接入的“卡脖子”問題，提升多元化業務保障，進而增強供電公司對自身業務市場發展的主動控制能力[1-3]。在2021年7月，工業和信息化部、中央網信辦、國家發展改革委等十部門印發《5G應用“揚帆”行動計劃（2021-2023年）》中，明確提出在智慧電力領域突破電力行業重點場景5G各項關鍵技術，利用構建融入5G的電源通信控制支持系統和邊緣計算網絡平臺，結合配電自動化、輸電線/變電站巡檢、用電信息采集。

二、電網業務5G應用場景

電力行業無線通信應用場景總體上可分為控制、 采集兩大類。其中，控制類包含智能分布式配電自動化、用電負荷需求側響應、分布式能源調控等；采集類主要包括高級計量、視頻監控、配網狀態監測等[4]。對于控制類業務場景，當前整體通信特點為采用子站/主站的連接模式[5]，星形連接拓撲。由于智慧分布式光伏電站配網終端技術的應用，鏈路方式也將產生越來越多的分布式點到點方式，端到端時延的增長也有望超過毫米每秒量級。而針對采集類服務情景，當前主要以月、日、時等為單元進行。此外，當前采集類業務主要以基礎數據、圖像為主。之后采集對象會擴展至電力二次設備以及各類環境、溫度、濕度，還有物聯網等場景；而在產業驅動下，更會下沉至用戶端，采集的內容將深入到戶內用電設備，連接數預估會增加 50～100 倍；這些數據將從原有的簡單數據趨向于視頻化、高清化，特別在無人巡檢、視頻監控、應急組網等場景將出現大量高清視頻的回傳需求[7]。

三、電力5G網絡的架構分析

現有的電力網絡拓撲復雜，采用的技術多樣，網絡分區隔離，業務類型多，涉及網絡、業務、安全等內容的管理。整個智能電網要從全方位角度設計5G架構。基于5G技術的架構如圖1所示。

①端的層面。這一層次主要涉及智能分布式的配電系統監控端口、集中器、無人機、巡檢機器人、高清攝像頭等各式電力終端。在智能電網5G典型的使用環境中，終端用戶大致分為客戶前置設備和嵌入式通信模塊兩種類型，具體形態包括：生產控制類 CPE、工業級 CPE、無線異構通信網關、局域異構通信網關以及不同通信模塊等。

②管的層面。切片編排管理系統可以面向智能電網提供網絡切片控制和編排體系。針對接入網，也可通過無線資源配置、優先級策略設置等手段進行接入網切片隔離。而在核心網，則采用控制面和用戶面分離的模式構建分布式核心云，用戶面根據切片的不同需求進行獨享，并具體按照服務的需求選取適當的控制面配置，通過微服務來快速地編排與部署不同的網絡功能。

③云的層面。邊緣和其基礎上運行的各類軟件應用組成了云的架構，可以提供邊緣云的計算、存儲、網絡等資源統一的調度、編排、部署和運維支撐。

④安全方面。覆蓋云、管、端三個層次。根據電力行業及國家相關要求，電力生產控制類業務。在通過5G網絡進入電力業務平臺前，將先接入到安全區，進行必要的網閘隔離，并結合5G+電網應用試點逐步推進，5G安全解決方案將在國家權威機構進行安全認證測評[7-8]。

四、5G專網運營平臺

5G專網平臺是實現專網自運營、自運維及能力開放的5G 智能運營平臺。主要有四大功能：

①網絡可視：支持客戶進行專網信息、網絡運行狀態的集中可視、實時監控。包括資源透視、性能監控、告警監控、網絡拓撲等。

②終端管理：滿足客戶終端管理、業務卡管理、終端分組等需求。

③用戶定制可視化大屏：面向客戶提供 5G專網項目的運行監控大屏，實現 5G 專網網絡運行狀況和質量的可視化展示，同時用戶可對大屏展示進行模塊式的自主拼裝和展示內容。

④系統管理：用戶可自主進行分權分域管理、賬號開通、日志回溯、公告發布與消息管理等操作。

五、MEC邊緣計算平臺

多接入邊緣計算是應對“海量數據、超低時延、數據安全”發展要求的關鍵。在部署方面， MEC邊緣云主要包括了三個層級，依次是全網核心節點、區域中心/省會節點、本地中心/邊緣節點。中國聯通MEC節點部署采用“網絡+平臺”的ICT融合部署模式，網絡側提供分流能力，平臺采用中國聯通自研CUC-MEC平臺。

多接入邊緣編排器主要承擔對UPF、MEP 的NFV 編制與管理工作，同時負責 MEC 平臺的統一管理工作，并具有對接多接入邊緣計算平臺進行統一運維管理功能。編排與管理控制器承擔網元應用層的故障、性能、配置等管理功能，并配合虛擬化網絡功能管理器完成網元的生命周期管理；MEPM是多接入邊緣計算平臺管理器，負責MEP的運維管理；VNFM 實現虛擬化網元VNF/APP的生命周期管理。采用了\"中心-邊緣\"的二層部署，以完成對上下級不同地區邊緣站點資源的統籌運維管理工作。將在邊界節點上的所有虛擬機或容器實現統一編排與部署，以降低因邊界云的部署、運維所帶來的資源復雜度，在邊界云上只部署運算與儲存節點，以減少管理模塊的資源浪費，從而實現了對各APP業務全生命周期管控的功能。為提高MEC管理平臺的安全防護能力，并按照電力二次系統安全防護規定，確保MEC平臺在終端側、網絡側、邊界側安全性和可靠性。MEC平臺具備電力業務安全模塊識別功能，協助業務安全接入網關、密碼機實現雙向認證與信息加密，使得主站間“端到端”雙向認證加密傳輸；電力業務安全區之間部署隔離裝置和硬件防火墻，對連接終端進行認證加密和數據安全過濾，通過技術手段和管理要求提升接入網風險管控及態勢感知、信息安全事件響應及應急處置能力[9-10]。

六、5G電網應用成果

已為某國網部署了兩套MEC（UPF）利用5G切片技術和UDF設備的數據轉發能力，打造具有高安全、大帶寬、低時延、海量連接能力的5G電力虛擬專網，滿足能源互聯網中全環節的5G電力專網的通信需求。預計五年內直接經濟收益約1億元，間接經濟收益25.4億元，實現清潔能源全消納，減少二氧化碳排放約60萬噸，節省電網投資2.4億，設備輸送能力動態提升10%，數據資產共享率提升50%。

（一）5G應用在配網“三遙”場景帶來的降本增效

以配網“三遙”為例，通過5G網絡承載柱上開關的遙控業務，上下時延經測試為 5ms，可靠性達99.999%，解決了原有光纖建設周期長、成本高、難度大、通道利用率低等問題；在故障處理時，通過遙控精準隔離故障等方式，真正實現故障點快速準確隔離和非故障區域恢復，停電時戶數大幅度降低，同比下降17.1%；完成光纖覆蓋困難站點的配電自動化全覆蓋，實現配電自動化100%覆蓋，單個開關操作時間節約30分鐘，按已安裝的開關年度操作30次計算，基層班組累計節約操作時長900分鐘，班組減負成效明顯。

（二）5G應用在差動保護場景后帶來的改變

配網及智能化線路自愈功能的推廣速度也大大提高。據統計，一般隔離故障狀態和修復非故障區域的送電時限已從數分鐘級減少至秒級以內，而且較傳統的故障搶險搶修最少六人才可進行故障隔離和轉電的情形，自愈線路已全部獨立運行，減少人力的損耗。配電自動化自愈占比從80%提升至100%，預計全年每戶停電時間和次數指標從1.2小時/0.7982次降低至0.7小時/0.3891次。有利于差動保護大規模推廣，實現核心區域差動保護100%覆蓋，故障隔離時間從秒級降低到毫秒級，預計平均減少停電時間0.5小時。

（三）5G應用在無人自主巡檢場景帶來的改變

基于5G賦能無人機（巡檢機器人）AI能力，真正代替人工自主巡檢，提高巡視效率，減少每天固定人次的人力支出，巡檢周期縮短為全天候巡視且極大保證運行人員的人身安全。以某地市北區域為例，約有1300基輸電桿塔，因架空線路地形復雜，線路長跨越大，每輪巡視周期約半個月以上，需要投入人力約30人。而基于5G網絡，在該區域部署6個固定無人機庫，通過5G網絡，實現集群協同不間斷無人機自主飛行巡檢。節約人工成本約600萬/年，輸電桿塔人工巡視率下降85%，電纜隧道人均可運維線路長度增長70%。

（四）5G在多元融合高彈性電網的應用

通過切片技術使得5G電力虛擬專網中的一組網絡資源組合，提供嚴格的網絡準入認證、安全的數據傳輸通道、全面的網絡邊界安全防護，建成一個融合多業務多應用的安全可靠的無線通信平臺。在確保安全的基礎上打通了調控中樞與用戶末梢的雙向通訊壁壘，全面覆蓋某國網各級用戶和各類高彈性電網智能終端接入。已經在某地市部署了兩套MEC，利用5G切片技術和UDF設備的數據轉發能力，打造具有高安全、大帶寬、低時延、海量連接能力的5G電力虛擬專網，滿足能源互聯網中全環節的5G電力專網的通信需求。

七、結束語

通過業務模式及技術能力的不斷創新，實現了對5G與MEC技術的充分整合和應用，在電網的多場景進行了試點及驗證性測試，助力電力多場景的落地。采用自研5G專網及MEC平臺，并成功應用到了電網領域中，實現對網絡、計算資源的全生命周期管理，體現了IT與CT的充分融合，及對網絡的強運營能力及對客戶的賦能，持續向電網應用場景輸出5G+MEC能力及服務。大力推進分布式光伏發電的試點及普及，通過5G實現電網臺區的群控群調和柔性調度，實現智能電網的升級，助力實現碳達峰、碳中的目標。

作者單位：夏凱 顧彬 章揚 李若倩 中國聯合網絡通信有限公司杭州市分公司

參" 考" 文" 獻

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基金項目：國家自然科學基金（61374022）。

夏凱（1988-），男，碩士研究生，研究方向：5G通信、云計算、智能控制。