5G电力切片典型应用研究

刘永洲，黄元元，潘林杰

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210019）

0 引 言

电网业务日益增多，亟需电力网络具有为不同用户、不同场景以及不同区域提供差异化服务的能力，同时保障网络安全可靠。电力企业可与移动运营商合作，利用运营商的开放能力，实现电力通信网络的通信管理、安全管理以及业务管理。

1 5G网络切片概念及特征

5G网络切片是面向用户的虚拟网络，面向特定的业务需求满足差异化（Service Level Agreement，SLA），具有独立的管理特性，自动化按需构建相互隔离的隔离网络。

5G网络切片具备以下特征。首先，端到端SLA保障。5G网络切片的SLA由核心网、无线以及传输等多个子域构成，组成端到端的网络保障。网络切片可实现网络需求分解、SLA分解、部署与组网协同等[1]。其次，业务隔离。通过构建不同的网络实体，在逻辑上搭建相互隔离的专用网络，避免不同业务互相干扰。再次，功能按需定制和动态编排。5G网络以服务化为基础架构，搭建可编排网络能力。同时，5G网络可根据业务需求分布式部署，从而满足时延差异需求。最后，自动运维和多租户运维，其中自动化是网络发展的目标。网络切片能够向行业用户提供网络服务定制功能，提供用户网络管理权限[2]。

2 电力业务需求场景分析

电力通信网又称为“二次设备”，分为骨干通信网（发电、输电、变电）和终端接入网（配电、用电）。其中，骨干通信网100%采用光纤专网通信，而配电和用电环节对应的终端接入网存在多种接入制式，是未来5G网络切片使能智能电网的重点。根据无线通信未来发展趋势及电网演变规律，梳理出智能分布式配电自动化、毫秒级精准负荷控制、用电信息采集以及能源互联网4大智能电网应用场景。电力场景业务分析如图1所示。

3 组网方案

组网方案中共部署两张eMBB切片：切片1用于承载公共业务，如视频监控和视频回传等业务；切片2为电网专用控制切片。两张切片可以实现完全隔离，切片1在负载较大的情况下，对切片2无影响。组网方案如图2所示。

图1 电力场景业务分析

图2 组网方案

组网时，主站需要在650 ms内通知负控终端完成负荷切换，期间有3次通信，网络通信总时延小于50 ms。组网方式如图3所示。

图3 组网方式

传输协议采用TCP单播，具体如图4所示。

图4 TCP单播

选取的组网方案中，负控终端通过低时延切片接入集中切负荷站，并基于TCP/IP报文进行通信，具体如图5所示。

图5 组网方案

4 5G电力切片解决内容

我国智能电网以现有通信网络为基础搭建能源互联网，同时提高了电力系统的能源效率。5G网络在山地和水域等复杂环境的无线空口连接能力和容灾能力，使得5G网路相比光纤和短距离无线通信等技术在工程建设上更具高效性和快捷性[3]。通过分析智能电网的需求选择5G切片方式，主要的切片方式有以下几种：控制切片，依靠5G网络毫秒级时延特性，提升控制命令传输的可靠性；监测切片，依靠5G网络大连接特性实现海量电表的数据采集等功能；通信切片，通过过程切片，满足电力专网通信需求，增强专网安全性。

4.1 电力切片实现电网对用电单元的小颗粒度和精细化管理

配电增加5G网络切片支持，可实现多条分支配电线路精细化负荷管理，并设定优先级，优先切除非重要负荷，避免了切除整条配电线路。精细化负荷管理如图6所示。

图6 精细化负荷管理

当前，骨干通信网是现有通信网的一种，基本原理是现有配网缺少通信网络支持，只能一刀切，存在切除负荷手段粗暴、只能切除整条配电线路的缺点。另外，发输变3个网络是电网的核心骨干网络，只能使用光纤专网，没有配网。网络切片支持配电，基本原理是优先切除非重要负荷，实现精准负荷控制。它的发输变3个网络也使用光纤专网，具有光纤/eLTE专网和5G无线公网两种不同的配网方式。但是，光纤/eLTE专网存在成本高和工程实施周期长的问题，而5G无线公网的网络规划需考虑电力组网特点。

4.2 智能分布式FA

智能分布式配电自动化如图7所示。

4.2.1 人工配电操作

人工配电操作的业务特点是F1故障时，电源1断路，县区A、B停电，人工排障恢复供电。通信要求和痛点是人工配电无通信网络。

4.2.2 集中式配电自动化

集中式配电自动化的业务特点是F1故障时，电源1断路，县区A、B停电，主站远程定位、隔离以及恢复供电。通信需求及痛点是网络时延需求＜100 ms，当前使用光纤/eLTE专网成本高，工程复杂，TTM长。

图7 智能分布式配电自动化

4.2.3 智能分布式配电自动化

智能分布式配电自动化的业务特点是F1故障时，相关STU在电源1断路前完成自动故障定位、隔离及恢复（需在300 ms内完成）。通信需求及痛点是网络时延需求＜10 ms（IEC 61850标准）。eLTE专网无法满足，光纤专网可满足但成本高，TTM长。这种情况下，5G切片可满足需求，且具有高安全隔离性、超低时延以及广覆盖需求，TCO低，TTM短。

4.3 高质量数据采集

采集频率从小时级发展到了分钟级。相比现有的数据采集，随着用电准确性要求的提升，采集频次将进一步提升，可以更有效地实现用电削峰填谷，支持更灵活的阶梯定价。计量间隔将从现在的小时级提升到分钟级，达到准实时的数据信息反馈。另外，网络连接能力百倍增长，采集内容也将更丰富。除家庭用电以外，分布式电源、电动汽车以及储能装置等用户侧设备也将接入电网，网络连接量相比现在将有50～100倍的提升。高质量数据采集如图8所示。

图8 高质量数据采集

4.4 大视频应用

采集内容将由原来的简单数据化转变为视频化和高清化。尤其在巡检机器人、输电线路无人机在线监测、应用现场自组网以及移动场景下的现场作业管控等综合应用场景，将出现大量高清视频的回传需求，局部带宽达到100 Mb/s。

4.5 时延保障

彻底扁平化的低时延云平台架构由于IDC服务器充分下沉，使得传输的层级一步到位，终端和BBU之间只存在空中传播距离，保障毫秒级时延。低时延平台和BBU合二为一，可以大大节省维护工作量和机房空间。各种应用的服务器端可以放在标准IDC机房，各种应用的APP客户端可放在微型IDC。低时延保障实现如图9所示。

4.6 信息安全保障

本地鉴权充分利用低时延业务客户端存储在BBU机房的特点，在核心网或云端服务宕机时，能够在本地客户端上进行鉴权或者通过存储在其他BBU机房的客户端获取用户的鉴权信息。此外，URLLC低时延云是由运营商提供的私有云，不在传统的IDC机房，而是附着在下层BBU网元上，不对外部公众开放，黑客很难通过外网攻击控制客户端的操作[4]。

图9 低时延保障实现

4.7 数据隔离保障

电力切片将AMF、SMS以及UPF等业务功能性网元部署在独立的物理服务器实现Host级隔离，核心网方案如图10所示。传输网基于时隙的物理隔离如图11所示。无线接入网空口调度方案如图12所示，左侧是基于频率的调度，右侧是基于频率+时隙的调度。通过优先接纳和负载控制等技术，优先保障电力高优先级业务。

4.8 测试结论

由于条件限制，本次仅仅测试了“电力终端处理+电力server处理+网络”端到端时延，未测试电力服务器处理时延和电力中断处理时延，因此无法统计具体的网络时延。基于本次通过室分、宏站近端、宏站中断、宏站远端以及遮挡5种场景的端到端测试统计结果可知，各种场景的端到端平均时延均控制在38 ms以下，最大时延控制在47 ms以下，时延波动较小，核心网背景切片在承载其他业务的情况下对电力切片无影响。通过5G SA电力切片承载电网毫秒级精准负荷控制业务场景，可满足电网50 ms端到端时延的基本需求。

图10 核心网方案

图11 传输网基于时隙的物理隔离

图12 无线接入网空口调度方案

5 效益与价值

首次和5G通信标准进行同步研究，通过垂直行业实际应用场景下的测试，可以及时识别对5G通信技术的潜在需求，从而反馈并影响5G标准的制定与优化，为未来5G真正应用于电力行业奠定坚实基础。5G网络切片技术在电力行业核心业务应用场景下的全球首次验证具有标杆示范效应。第一，促进行业应用示范，即促进5G新技术在行业应用的示范，推进5G行业应用，加快产业发展。第二，提升电力保障水平，即拓展电力公司通信方式，提升电力保障水平。第三，节省投资加快上线，即切片技术节省基础设施投资，加快业务上线。第四，践行双创辐射全球，即践行国家“双创”战略，其创新经验可推广影响“一带一路”国家。

6 结 论

电力智能网的5G切片功能将带给电力网络无与伦比的控制体验，一切以实用为主。通过切片服务，可提供个性化和高安全性的专网服务，实现智能电网高效节能的建设目标。

3GPP的5G标准制定中，广泛征求各垂直行业的应用场景及需求，同时电力行业也参与了相关的标准制定，明确了智能电网应用的相关技术指标标准。5G的网络切片技术可为智能电网不同业务提供差异化的网络服务能力，为电网不同分区业务提供高可靠的安全隔离。同时，电力企业可利用运营商的各种开放能力，实现电力通信终端连接管理、设备管理、业务管理、专用网络切片管理以及认证和授权管理的创新业务，更好地支撑智能电网的运维管理。

此外，5G+智能电网的应用能够更加细化能源管理的颗粒度，改变原来粗放式的末端管理，提高工业、居民的用电保障；提供可测可控的用户体验，使用户可通过APP等方式灵活监测各个环节（设备）的功耗情况，提高用电效率；提高能源应用效率，实现能源监控精细化，全面深度感知设备运行、状态和环境信息，有效引导用户的调峰填谷；提高清洁能源消纳，即通过对分布式储能、产能设施的实施监控及数据收集，提高虚拟电厂和多能互补等分布式新能源的友好并网和电网可调控容量占比，促进清洁能源消纳[5]。