建设城市5G分布式智能物联基础设施

2020-10-27于同伟刘一涛

东北电力技术 2020年9期

于同伟，刘一涛

(国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁沈阳 110006)

城市对其各类基础设施的可靠性、效率和公共事件应急能力需求随规模增长呈指数规律提升，当今中国城市群体发展迅速迫近拐点。4G、互联网、云、人工智能构建了一个“纵向通信关系”体系，大幅降低了购物、政务、教育和沟通等“人与人、物与人协同”的成本，却对提升电力和通信系统可靠性、提高分布式能源渗透率、解决交通安全和拥堵等“物与物实时协同”方面无能为力。

5G是当前国际最激烈的竞争核心技术之一。各国已经启动移动互联网的升级。但5G的物联网应用还没有规模化的确切场景或者说盈利模式。运营商网络为满足手机和监测类业务采用基站接入、大带宽核心网纵向连接模式，满足其任意位置、任意终端、任意时间、任意流量的连接[1-3]。

1 物物互联需要什么类型的5G

物与物的通信关系与其物理连接关系对应、位置不变、相邻或相关的终端连接、流量固定且“近”大“远”小。5G基础设施建设重要的战略目标是物联市场。5G框架下的D2D(终端直通)横向组网技术可以满足上述需求。但这种方式必须与业务系统融合共建，而不能像全球电信运营商那样独立建设和运营。只有电力系统业务系统能够建立覆盖全国的网络，电力终端高度渗透到人类的生产生活中。选择建设基于电力终端的横向设备直联组网方案，不仅满足电力业务和自动驾驶业务的实时性要求，还可以建设一部分、运营一部分、获利一部分，平台化的基础设施将推动更多实时类业务的创新和应用服务民生、提升城市效率。

2 电力终端构建的横向网络

当前基于电力拓扑，主干网采用光纤、城市配用电网采用5G端到端互联，建立“横向通信关系”的物与物实时协同网络，具备技术可行性。电力系统主网光纤随输电线路敷设资源充裕冗余，各大运营商都在寻找5G物联网应用场景和增量市场，具备工程可行性。提升终端数据同步和准确性推动基于数据的集中式人工智能应用，拓展配电网保护控制范围实现实时故障自愈，具备体系兼容性。在满足电力需求基础上，还为无人驾驶交通系统等其他应用提供服务，具备社会共享性。共用一个装置、一个网络、不占用频带资源、光纤与5G优势互补，统一供电、统一部署、统一运维，具有社会经济性。分布式对等组网，任何组成部分损坏不影响其余部分，能在极端情况、公共事件下提供覆盖全国的应急通信备用，具有社会公益性。

3 战略目标及意义

建设“基于城市电力终端5G直联组网的分布式实时智能物联基础设施”。采用基于SoC专用芯片的电力终端，建立支持分布式能源交易的实时电力市场，促进清洁能源消纳和电动汽车灵活充放电，提升电网可靠性、弹性和应灾水平。提供覆盖全部道路的低时延5G物联网服务，建立智能交通管控和空地一体化无人驾驶系统。为手机运营商提供应急和备用网络，在灾害等极端情况下提供信息服务。

该方向所需技术均已进入成熟阶段，综合建设需要政府主导，电力实施，交通牵引，通信和芯片支撑。通过项目实施，我国将在5G、专用芯片、能源、无人驾驶等技术领域的竞争中引领世界。基础设施高度融合复用的城市将大幅降低运营成本，提升运行效率、承载能力、应急能力。

4 面临困难和挑战

我国电网公司是国有企业，正面临深度体制改革。我国率先发布5G商用牌照，但各大运营商没有找到增量市场，建设投入缓慢。无人驾驶汽车由于没有网络基础设施，其自身搭载传感器成本高、算法复杂、智能化水平无法满足实际需求。国产芯片面临与国外厂商同质化竞争，生存空间狭小。

需要解决4个难题：①电力系统业务在新型网络架构下在终端层面的融合重构；②基于横向通信网络的分布式智能应用在电力和交通等领域的研究与实践；③具备免疫特性的嵌入式终端横向互联组网安全架构；④满足分布式智能业务的5G直联组网(D2D)标准及相关模组研制。

需要突破2个瓶颈：①集成分布式智能算力、免疫安全和横纵向通信能力的SoC芯片研制；②在政府和用户支持下，在5年的时间跨度内，与电力、交通、电信企业共建区县级分布式智能示范工程。

需要实现2个目标：①与区域用电和供电客户共同建设实时电力市场，促进分布式电源和储能广泛接入。②建设智能交通控制和无人驾驶支撑架构，建立城市物联网基础设施，大幅提升城市的承载和应急能力。

5 现状及推进思路

4G在D2D方面已经形成标准，但其局限于作为应急通信与传统蜂窝网络配合，并未得到规模应用。5G 的D2D标准还未形成，但在车联网(V2V)方面开展了大量的研究和实践，我国取得了众多原始创新。我国电网公司在10年前启动智能电网技术研究和实践，已经完成变电站的智能化，具备变电站间的光纤互联组网条件。2019年启动城市配用电网的智能化建设。与广电洽谈合作，共建5G基础设施(700 MHz频段)，服务自身业务对外提供服务。共建网络必定不会采用传统蜂窝模式，投入巨大且无法在与传统运营商的竞争中生存。选择建设基于电力终端的横向设备直联组网方案，不仅满足电力业务和自动驾驶业务的实时性要求，还可以建设一部分、运营一部分、获利一部分，平台化的基础设施将推动更多实时类业务的创新和应用服务民生、提升城市效率。

该方向涉及多项关键技术，包括嵌入式终端设备横向联网安全、电力系统分布式智能业务、相关场景的SoC专用芯片、车联网等。我国在国家、大型企业层面都有立项，但未能在统一的目标下形成合力，未能在统一的规划下协同建设示范工程。纵览全球也只有在我国的特殊体制下才能整合多个领域的基础设施体系，在我国网络普及、城市化规模和发展速度下，在我国完整的工业、工程及应用技术发展水平下具备建设这个新型基础设施的基本条件。

从电力系统的分布式智能重构和实时电力市场构建需求出发，从无人驾驶及智能交通管控需求出发，提出对5G的D2D组网的业务性能要求、路由要求、接入要求、拓展要求，与华为、中兴等5G标准制定核心成员开展密切合作，推动第一版D2D标准年内完成，并研制相关模组，开展试验、测试和工程试点工作。同时启动第二版标准修订，第二版的目标是工程推广。

跟踪电力分布式智能业务、嵌入式免疫安全和D2D标准的研究，研制支持分布式智能、直联组网和免疫安全的电力终端用SoC芯片。基于该专用芯片开发用户侧的电能表终端、配电网的5G互联终端、大电网的光纤互联终端。在大型城市中，划定一个区县级区域电网开展长期规划，建设区域实时电力市场。同步在该区域进行无人驾驶及交通智能管控系统建设。在该区域开放横向互联网络平台，开展应急手机通信等开放性物联网创新研究和示范工作。以示范工程的实际运行效果作为检验成果的唯一标准，推动分布式智能在城市运营中产业化应用、发展大幅降低运营成本，提升城市运营效率、应急水平和承载能力。

6 现阶段建设方案

建设基于“一纵一横”5G网络的分布式智能配电网。利用5G通信和分布式智能技术，提升城市核心城区配电网可靠性和智能化水平，降低建设成本，提出并实践智能配电网整体解决方案。建设“一纵一横”两类5G业务网络：纵向网络承载量测、监测类业务，利用运营商接入、传输和核心网，信息经纵向加密、安全隔离后通过专用光缆送入电力内网；横向网络承载实时类保护控制及物与物协同创新业务，由运营商网络和无覆盖电力终端直联共同构成。建设基于5G通信和平台化终端的分布式接地、短路故障精准隔离、自愈控制、同步线损等智能化业务能力。建设配电网涵盖5G技术、网络、终端和业务的整体方案及其标准体系。研究满足电力物联网业务当前及未来发展需求的5G核心技术及装备，探索与无人驾驶交通系统通信基础设施的融合共建(见图1)。