5G 網絡切片技術在電網業務場景中的應用

韓建松，徐 良，李旭東

（中國信息通信研究院，北京 100191）

0 引 言

5G網絡有大帶寬、低延時等優勢，能幫助車聯網、工業控制等行業以更簡潔高效的方式傳遞數據，也能提供安全隔離、個性化定制的網絡切片服務，靈活地支撐各個行業的應用場景。5G 網絡還能全面提高傳統垂直行業的智能化水平和運行效率，與建設智慧電網的需求相吻合。將5G 網絡切片技術應用到智能電網建設能滿足電網業務需求，打造專屬網絡[1]。

1 5G 網絡切片技術概述

5G 網絡切片技術指利用虛擬化處理將物聯網分成多個虛擬的邏輯網絡結構，以滿足不同應用場景的功能需要，主要包括3 大部分。首先是無線網切片、核心網切片、傳輸網切片智能技術。其中，無線網屬于空中接口頻率資源，能支持網絡切片感知、路由選擇、資源隔離等功能；核心網基于網絡功能虛擬化（Network Functions Virtualization，NFV）和軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）進行虛擬化部署，能靈活支持網絡切片功能定制、資源分配等功能；傳輸網主要是解決各類垂直行業的服務質量（Quality of Service，QoS）差異，提高業務靈活性和安全性。其次是網絡切片接入技術，主要將終端注冊正確的網絡切片實例中[2]。最后是網絡切片端到端管理技術、服務等級協議（Service Level Agreement，SLA）保障技術。其中，網絡切片端到端管理技術能實現端到端網絡切片的編排、管理，調度網絡切片的資源和功能；網絡切片端到端SLA 保障技術主要分析各域網絡的性能，確保性能滿足SLA 需求[3]。

2 5G 網絡切片技術在電網業務場景中的應用

智慧電網（電網2.0）即電網的智能化，也就是在高速雙向通信網絡的基礎上，利用新材料、新能源、新設備等新興技術建立的新一代電力系統，具有高度自動化、互動化、信息化等特征，能更高效、經濟、安全地運行。在智慧電網中，5G 網絡切片技術具有廣闊的應用前景，其中最具代表性的應用場景包括無人機智能巡檢、高級計量架構（Advanced Metering Infrastructure，AMI）智能抄表、智能分布式配電自動化、毫秒級精準負荷控制等[4]。

2.1 無人機智能巡檢

近年來，無人機技術進步迅速，在電網巡檢中也得到了廣泛利用，運用無人機進行線路巡檢能大大提高線路巡檢的效率和安全性，避免潛在風險，操作員只需在信號范圍內操控無人機即可獲得高清圖像，免去徒步或乘車巡檢的工作量。同時，無人機智能巡檢的另一個優勢在于能夠實現高清圖像的遠程傳輸，操作員能操控無人機在安全范圍內接近線路，獲知線路的詳細情況，比巡檢人員靠肉眼進行線路巡檢要更加可靠。

依靠無人機開展電網巡檢，對5G 網絡切片技術有一定的通信要求，具體來說包括以下3 點：（1）對帶寬要求較高，以支持高清圖像和視頻的傳輸；（2）電網線路一般是跨地區的，涉及范圍很廣，因此要求5G網絡切片技術的大范圍覆蓋；（3）無人機的飛行距離一般為20 ～30 km，對能源消耗要求較高。無人機電網巡檢對5G 網絡切片技術的通信要求如圖1 所示。

圖1 無人機電網巡檢對5G 網絡切片技術的通信要求

目前，現有5G 網絡的增強移動寬帶（enhance Mobile Broadband，eMBB）技術已足以支持無人機快速接收和執行任務指令，也能傳輸高清的視頻流，可以說帶寬問題已得到了有效解決。但是，5G 網絡切片技術的覆蓋范圍、無人機能耗還是有待解決的問題。

2.2 AMI 智能抄表

人工上門抄表是主要的抄表方法之一，但存在以下弊端：（1）效率低、誤差大，不能進行實時分析和收集數據，人工費用高；（2）不能進行多費率和預付費控制、僅能到營業廳進行單一繳費模式，繳費困難，收回電費較慢，用戶體驗差；（3）不能有效預防各種竊電行為；（4）無法對用電信息實行線損分析等。電網企業只有實現實時分析和監控電力消耗，才能更好地為電網終端用戶提供連續、高效的服務。而5G 網絡AMI 智能抄表能實現設備數字身份信息的安全交換，標記配電網中測量的異常數值，密切監視消耗的電能，直觀顯示電力變壓器、各電網線路的運行狀態，及時發現電網中的安全隱患，發出預警。當電網發生竊電、變壓器過載等異常情況時，AMI 智能抄表系統會立即發出告警提示，工作人員能依據提示信息迅速定位發生問題的地方，在第一時間到達問題發生地點并開展維修工作。

AMI 智能抄表對5G 網絡切片技術有一定的通信要求，具體來說包括以下3 點：（1）要有海量的終端數量，進行大規模的訪問；（2）要確保網絡傳輸用戶信息安全；（3）網絡連接密度要高。AMI 智能抄表對5G 網絡切片技術的通信要求如圖2 所示。

圖2 AMI 智能抄表對5G 網絡切片技術的通信要求

目前，現有5G 網絡的大規模機器類通信（massive Machine Type Communication，mMTC）技術能通過海量的連接為AMI 智能抄表提供安全、可靠、開放的網絡通信環境，為用戶與智能電網之間的互動提供有效保障。

2.3 智能分布式配電自動化

在未來，配電自動化會逐步向智能分布式配電自動化方向發展，智能分布式配電自動化的特點主要有以下2 個方面：（1）能下沉原主站的處理邏輯分布式至智能配電化的終端，利用終端之間對等的通信完成智能分析、判斷、故障隔離、故障定位以及恢復非故障區域供電等一系列的操作；（2）整個故障處理過程能實現全自動化，最大限度地縮小故障停電的范圍和縮短停電時間，將配網故障處理時間縮短到毫秒級。智能分布式配電自動化系統運用5G 技術能提高供電可靠性，縮小停電范圍，縮短等待來電的時間，從而提高用電客戶的滿意度。

智能分布式配電自動化對5G 網絡切片技術有一定的通信要求，具體來說包括以下4 個方面：（1）保護設備和電網控制的快速操作；（2）單個站點與成千上萬個保護設備和電網控制相連接；（3）網絡安全性能高，在遭受網絡攻擊后不停電；（4）具有較高可靠性[5]。智能分布式配電自動化對5G 網絡切片技術的通信要求如圖3 所示。

圖3 智能分布式配電自動化對5G 網絡切片技術的通信要求

目前，現有5G 網絡的超可靠低時延傳輸（ultra Reliable Low Latency Communication，uRLLC）技術已足以滿足上述通信網絡要求，能通過高安全性、可靠性、低時延等特點，提高智能分布式配電自動化保護的靈敏性、選擇性以及快速性。

2.4 毫秒級精準負荷控制

規模較小的停電在高負載情況下也可能產生雪崩效應，導致大規模停電，成為供電部門不得不面對的問題。為滿足不斷增加的用電需求，供電部門投入使用了更多的發電機，而采用智能電網能實現對用電負荷的精準控制，有效破解供電部門的痛點問題。毫秒級精準負荷控制系統能對用戶可中斷負載進行靈活管理，精準控制生產企業中的可中斷負荷，不但能在緊急情況下實現電網應急處置，還能做到只涉及企業用戶，最大限度地降低停電造成的社會影響和經濟損失。以往配電網絡缺少5G 通信網絡的支持，相對來說切除負荷的手段比較粗暴簡單，一般情況下僅可對整條配電線路進行切除。

毫秒級精準負荷控制對5G 網絡切片技術有一定的通信要求，具體內容如下：（1）以毫秒為單位的超低時延，能及時對增長的需求進行響應；（2）在99.999%的高網絡覆蓋下，能在需要時操作機器和設備；（3）對成千上萬個設備進行高密度負荷控制。毫秒級精準負荷控制對5G 網絡切片技術的通信要求如圖4 所示。

圖4 毫秒級精準負荷控制對5G 網絡切片技術的通信要求

出于對用戶體驗、業務影響等方面因素的考慮，可利用5G網絡uRLLC切片技術對電網進行精準控制，有效降低對重要用戶的不利影響，優先切除諸如工廠中的一些用于非連續性生產的電源、電動車充電樁等非重要的可中斷負荷，以滿足重要用戶供電需求。

3 電網切片網絡指標要求

根據智慧電網應用場景的不同，在網絡中可分別選擇使用eMBB、mMTC、uRLLC 等切片，同時可組合不同的切片，實行分域切片管理，以滿足多種不同應用場景對于網絡指標的需求。

因電網不同應用場景之間存在業務上的差異性，在寬帶、連接數、隔離度、時延及可靠性等方面的要求也會不相同。因此，在處理高寬帶業務時可選用eMBB 切片，在處理大連接業務時可選用mMTC 切片，在處理低時延業務時可選用uRLLC 切片。電網企業可根據不同業務的具體需要將每類切片建立多個網絡切片實例，按照業務需要和切片情況給各單位分別提供多種差異化電網服務。

視頻圖像實時監控需要大寬帶，而eMBB 切片可有效解決這一問題；低壓用電信息采集需連接大量傳感器，可選用mMTC 切片實例；精準負荷控制和分布式配電自動化業務對于網絡的時延性、可靠性、隔離性要求較高，可選用uRLLC 切片實例；分布式電源控制要求時延敏感，并且業務節點需要廣泛覆蓋性，可選擇mMTC+uRLLC 切片組合實例；智能巡檢圖像回傳的終端主要是巡檢機器人、無人機等，不僅要遠程控制精準，而且回傳的視頻要高清，可選用eMBB+uRLLC 切片組合實例。

4 結 論

智慧電網是電網系統發展的重要趨勢，其在發電、輸配電、變電等多個環節均具有明顯優勢，對于提升電網運行效率與可靠性意義重大。將5G 網絡切片技術融入智慧電網，能實現對電網運行數據的快速收集，優化電能配置，使電網運行更加高效。相信隨著5G 技術的不斷完善，其在智慧電網中的應用會越來越廣泛，也會出現更多的智慧電網5G 切片場景應用。