5G智能电网网络指标分析与无线网切片方案研究

2021-01-14

广东通信技术 2020年12期

1 背景

智能电网是在传统电力系统基础上，通过集成新能源、新材料、新设备和先进传感技术、信息技术、控制技术、储能技术等新技术，形成的新一代电力系统，具有高度信息化、自动化、互动化等特征，可以更好地实现电网安全、可靠、经济、高效运行[1]。5G网络具有高速率、低时延、大连接的特点，能契合智能电网发、输、变、配、用各个环节对通信安全性、可靠性和灵活性的要求。开展面向智能电网的5G专网方案研究，能推动5G智能电网应用的实现，加快智能电网的部署进程。

2017底，发改委委托中国移动开展5G智能电网应用示范，中国移动联合南方电网和华为公司在深圳成功开展5G智能电网业务能力测试。2020年，中国移动再度联手南方电网开展5G智能电网二期试验，验证在5G商用网络下5G智能电网应用方案。

2 5G智慧电网通信需求分析

智能电网包括发电、输电、变电、配电、用电及综合管理等6大环节[2,3]，应用主要可分为控制、采集、移动应用3大类业务，下面将对6个环节的应用场景与通信需求进行分析。

2.1 发电环节通信需求

发电环节主要是满足发电厂生产、管理与运维需求，实现生产管理全流程的智能化，同时支撑分布式发电的接入。主要应用场景有：微能源网（光伏、微风发电、光热供能）综合应用；小水电厂接入；智慧电厂生产、管理与运维系统等。应用涵盖发电自动化三遥、生产监控、电能计量与质量检测、精确定位与位置感知、VR/AR检修、教学培训等。发电场景应用目前主要使用光纤或4G通信。由于应用集中在发电厂特定区域，且保障性与隔离度要求较高，适合采用5G专网覆盖。发电环节通信指标需求如表1所示。

表1 发电环节通信指标需求

2.2 输电环节通信需求

输电环节有输电线路状态在线监测、输电线路视频监控以及输电线路无人机巡检三大类应用。输电线路状态在线监控多为传感类监测，包括对架空输电线路设备本体、气象环境、通道状况等进行监测，以及在地质不稳定区、大跨越线档、关键送电通道等区域对杆塔倾斜位移、基础沉降、线路振动、导线及金具温度等线路状态参数的状态监测。输电线路视频监控主要采用摄像设备进行图像或视频监测，包括导线覆冰监测、环境山火监测、外力破坏监测、绝缘子导线污秽监测等。输电线路无人机巡检为采用无人机对架空输电线路本体、附属设施、线路通道等进行检查。输电场景应用目前主要使用2G/4G通信。输电环节应用集中在电力线路沿线，适合采用5G公网覆盖。输电环节通信指标需求如表2所示。

表2 输电环节通信指标需求

2.3 变电环节通信需求

变电环节有变电设备状态在线监测、变电站视频及环境监控以及变电站移动巡检机器人三大类应用。变电设备状态在线监测包括变电线路状态在线监控、变压器设备状态监控、GIS设备状态监控、110 kV以上户外敞开式变电站设备状态监控、开关柜设备状态监控等内容。变电站视频及环境监控主要包括变电站视频监控系统及机房环境状态监控。变电场景应用目前主要使用网线/光纤等形式接入，部分应用（如机械人巡检等）采用WiFi接入。由于应用集中在变电站内，且保障性与隔离度要求较高，适合采用5G专网覆盖。变电环节通信指标需求如表3所示。

表3 变电环节通信指标需求

2.4 配电环节通信需求

配电环节主要有配电自动化（三遥）以及计量自动化两大类应用。配电自动化（三遥）是通过配电自动化主站、配电自动化终端、开关设备等相关设备，经配电通信通道连接组成，实现配电网的运行监视、协调和控制的自动化系统。计量自动化通过计量装置对发、输、配、用各环节的电能量数据集中采集、统计、分析、发布及数据异常管理。目前主要通过光纤、2G/4G公网进行通信。由于应用分布较广，适合采用5G公网覆盖。配电环节通信指标需求如表4所示。

表4 配电环节通信指标需求

2.5 用电环节通信需求

用电环节主要为用电信息采集、分布式储能以及面向不同用电客户的智能供电服务。目前主要通过光纤、2G/4G公网等方式进行通信。由于应用分布较广，适合采用5G公网覆盖。用电环节通信指标需求如表5所示。

表5 用电环节通信指标需求

2.6 综合管理环节通信需求

综合管理环节5G应用是电力运营企业为了提高综合管理效率并保障电力网络管理安全而引入的应用，大体包括安监、基建、办公、信息、物资4个方面。其具体需求如表6所示。

表6 综合管理环节通信指标需求

3 5G智慧电网无线网切片方案

从第2节内容可以看出，智慧电网应用场景复杂多样，既包括发电厂、变电站等局部封闭区域，也包括城区、乡镇及农村郊外等开阔场景。如独立新建一张无线专网承载电网业务，其巨大的建网成本将使电力企业无法承受。电信运营商通过引入5G网络切片技术，可以充分利用5G公网资源为电力企业打造定制化的“行业专网”服务。[4]

3.1 无线基站安全隔离建设方案

结合电力企业在不同场景下对网络隔离度的不同需求，无线网络可以采用以下方式开展建设。

（1）软隔离建设：基站硬件资源与公网共享，在同一小区中进行切片的逻辑切分，无线资源采用切片化保障方案。由于资源共享，基站建设成本较低。适用于输电、配电、用电等广覆盖且隔离要求相对较低场景。

（2）部分硬隔离建设：基站部分硬件资源专用（如：独立AAU，共基带板/BBU；共AAU/BBU，独立基带板）。数据实现部分硬件隔离，也可实现在不同小区中切片的逻辑切分。由于部分硬件专用，建设成本较高。适用于发电厂、变电站等局部区域覆盖、隔离度要求较高且多个应用集中的场景。

（3）完全硬隔离建设：运营商提供专用的BBU和AAU建设电力专网。数据实现完全硬件隔离，资源配置可以灵活编排，频率专用，但成本最高。适用于隔离度要求最高、保障度最高的电力核心场景。

3.2 无线网络切片保障方案

结合目前设备的技术支持情况，无线网络的切片保障方案包括如下3种模式：

模式一：切片级优先级调度

通过优化调度的方法，网络为不同的切片用户设置不同的调度优先级，使智能电网终端在接入时获得比一般的用户更高的优先等级，从而保障资源的占用。根据目前设备的支持程度，5G网络可采用设置5QI以及预调度等方式实现切片优先调度。

（1）5QI

5QI是5G QoS配置的一个参数，用于索引一个5G QoS特性。目前3GPP已定义27个5QI值，以提供不同业务参考使用，具体如表7所示。

表7 3GPP定义5QI值对应QoS特性表[5]

从表7可以看出，3GPP已为智能电网的中压配电与高压配电应用设计了5QI建议值（中压配电5QI=3，高压配电5QI=85），在网络建设时建议承载此业务的相应切片5QI按照3GPP标准进行配置。对于其他业务场景，相应切片的5QI值可参考服务示例进行配置。

利用行业专网试点对不同5QI设置下时延和带宽的影响进行测试，其结果如表8所示。

表8 5QI保障性能测试结果

*注：① 以上带宽测试中5QI=3时GBR=100 Mbit/s（上行）/600 Mbit/s（下行）② 时延测试采用小包测试，且未开启预调度

从表8可以看出，5QI设置为3时其时延及带宽保障性均比5QI设置为9时好。

（2）上行预调度

上行预调度是为了消除上行数据传输时信道资源请求与指派流程的时延而提出的技术。网络为UE预先配置PUSCH资源，终端在发起数据传输前不需要向基站发送SR进行资源请求，而是在预先配置的PUSCH上进行数据传输，从而消除调度请求时延。上行免调度流程如图1所示。

图1 上行免调度流程示意图

利用行业专网试点对上行预调度性能进行测试，其结果如表9所示。

表9 上行预调度时延保障性能测试结果

从表9可以看出，开启上行预调度后端到端时延明显下降，说明开启上行预调度能大大降低空口侧时延。对于差动保护、三遥、配网PMU等对时延要求高的应用场景需在覆盖区域内打开上行预调度功能。

模式二：空口资源预留

空口资源预留是对空口PRB资源进行策略设置，可实现为某些特定网络切片在特定区域内分配专用的无线PRB资源，以实现无线资源的隔离，同时保障在基站业务繁忙时切片用户业务体验。

空口资源预留分Strict模式和Float模式。Strict模式为完全独占模式，预留的PRB资源为切片专用，其它切片不能使用。Float类型为某切片设定预留资源最大比例，在预留比例之内的PRB资源由该切片用户优先占用，未被占用资源可与其它切片共享，但必须保证该切片用户的随时接入。空口资源预留原理如图2所示。

由于电网生产1、2区的安全、隔离、时延及保障性要求较高，建议在生产1、2区切片作空口资源的预留。

模式三：划分独立专用频段

部分应用由于隔离度要求极高，可在其业务发生区域规划满足性能的频段或者分割一定的频率资源进行组网，实现无线资源隔离，其原理如图3所示。

由于电厂、变电站等场景隔离度要求较高，对于特定的电厂和变电站可以采用“基站设备硬隔离+独立频段”的方式进行建设，以确保高度隔离。