5G专网在电力系统基建工程中的应用研究

李洪丰 李兴 李洪涛 张金修 华建强

摘  要：当前，5G专网列为未来的重点发展方向。电网建设作为电网基础工程重要一环也面临着革新与升级。传统的电网建设存在建筑施工安全生产隐患难防、扬尘噪声污染超标、建筑材料缺少规范管理、监管效能差强人意等问题，智慧电网在此情境下应运而生。通过对5G专网与Wi-Fi、5G公网、网桥、WAPI等现有网络技术开展对标分析，总结出5G专网的技术先进性，并开展5G专网组网及应用研究，为智慧电网网络基础建设开展拓展性研究。

关键词：第五代移动通信技术;智慧电网;智慧工地;多网融合;信息安全

中图分类号：TN929.5   文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2021）12-0139-06

Abstract： At present， 5G private network is listed as the key development direction in the future. As an important part of power grid basic engineering， power grid construction is also facing innovation and upgrading. Traditional power grid construction has problems such as having difficulty in preventing hidden dangers in construction safety production， excessive dust and noise pollution， lack of standardized management of building materials， supervision efficiency just possible and so on. The smart grid comes into being in this situation. Through the benchmarking analysis of 5G private network， Wi-Fi， 5G public network， network bridge， WAPI and other existing network technologies， the advanced technology of 5G private network is summarized， and the 5G private network networking and application research are carried out， and extensive research for the infrastructure construction of smart grid are carried out.

Keywords： the 5th generation mobile communication technology; smart grid; smart construction site; multi networks convergence; information safety

0  引  言

随着第五代移动通信技术性能和安全性的不断提高，第五代移动通信技术已成为继云计算、物联网之后ICT界的一个重大技术发展方向，并且将继续深入影响社会经济生活的方方面面，尤其是使传统农业和制造业、医疗健康、电子商务、智能交通等新兴行业产生巨大变革。

第五代移动通信技术（5G）作为一種新兴的通信技术，迅速在现有通信方式中占据主导地位，电力系统的研发人员陆续对其进行了大量研究和应用[1]。但是囿于该技术本身不够成熟，以及出于安全性、成本等因素方面的考虑，使得目前5G专网在变电站工地的实际应用较少。

本文作者所在单位为国家电网吉林公司建设部，作者所在单位长期从事国网输变电电网工程建设智能化、物联网研究，负责过较多电网基建施工现场的科技创新类项目，本课题基于5G专网及其相关技术在变电站智慧工地的应用[2，3]为重要方向之一，研究目标主要是梳理目前已有方式的缺陷，展望未来可能存在的应用模式、应用场景以及在应用中可能遇到的关键挑战。进一步丰富变电站智慧工地的各类应用设计，为即将到来的第五代通信技术变革风潮做好充分准备。

1  现状调研

随着电网工程输配电施工现场陆续开展新基建智慧物联建设，网络层建设作为基础工作其重要性日益彰显。经调研发现，现场网络层建设存在以下问题和不足：

（1）网络复杂。目前现有的电网基建工程点多面广，为满足整个基建工地的网络需求，现有工地采用国内三大运营商4G、5G网络、各类4G专网、LoRa、Wi-Fi等多种方式进行组网，导致现有电网基建场地组网架构复杂。

（2）维护困难。电力系统基建场地建设期工作面工况复杂，简单地部署有线网络容易被破坏;由于现场施工人员缺乏网络使用及维护的技能，当网络受到破坏时，通信网络往往难以在短时间内恢复，为现场生产造成巨大影响。

（3）网络拥堵。目前电力系统的基建场地除工业施工设备以外，还存在办公设备、作业监控设备、手机等各种非工业设备占用网络带宽的情况，多种设备同时接入同一网络将造成网络拥堵、数据丢失、时延较大等问题，破坏用户体验。

（4）跨区切换。传统的工业Wi-Fi网络部署方案，无法满足移动设备（如：移动布控球、智能安全帽、手持终端等）在不同AP之间的切换，当移动设备在不同的区域之间进行切换时，会导致视频业务画面卡顿，数据业务丢失，控制业务断开等问题。

2  网络技术对标分析

5G专用网络（private 5G network）是一种局域网（LAN），它将使用5G技术创建具有统一连接性、优化服务和特定区域内安全通信方式的专用网络。5G专网提供了企业定制化网络的自由度，可以根据使用场所、工作类型的不同而提供不同的配置，在隐私和安全方面都具有明显的优势。下文给出了与其他主流网络技术的对比分析。

2.1  与Wi-Fi对比

5G专网在可靠性、网络覆盖、吞吐率等方面具有较大优势，具体对标分析如表1所示。

可靠性：从接入网对接入终端的调度协调方式来看，专网采用的是由基站负责总体上的协调，划分了专门的控制面功能，采用核心网的控制面功能指挥协调大量终端，保证多用户数据传输的可靠性。通过专网本身基于调度的网络特性和网络切片技术，关键业务的可靠性高达99.99%。

而Wi-Fi则采用“协调+竞争”的方式。竞争机制即是CSMA/CA（多路访问/冲突避免），终端数量较多时，各个终端会争先与AP通信，无法保证关键业务的可靠性，与无线专网技术存在明显的差距。

网络覆盖：专网技术通过增加上行功率谱密度、重复次数来提高覆盖距离，覆盖距离可达10 km。Wi-Fi的使用场景为室内民用，室内覆盖500 ㎡～1000 ㎡。无线专网采用了蜂窝网络基于扇区和小区的组网方式，技术上支持移动切换，可以支持更大范围的覆盖。

吞吐率：专网采用基于调度的资源分配方式，可以保证多用户大带宽业务并发的情况下，各个用户的业务稳定、可靠。Wi-Fi网络总吞吐率随着用户数量的增加而呈指数级下降，无法支持多用户并发的大带宽业务。

2.2  与4G专网对比

在网络性能的关键指标（如速率、覆盖能力、时延等方面）上，5G专网较之4G专网，具有数量级上的差异。4G专网与5G专网只是在组网方式、频段和网络设备私有化方面是一致的，详细对比如表2所示。

2.3  与5G公网虚拟专网对比

5G公网虚拟专网在自主性、工业应用定制化、安全性以及成本上与5G专网存在较大差距，在行业应用中，定制化的一些网络特性在公网虚拟专网上无法实现。详细对比如表3所示。

2.4  与WAPI对比

5G专网在以下几个方面具有优势：

（1）基于5G技术的无线专网具有与WAPI相似的网络安全保障体系架构，即基于三元的网络架构实现终端侧与网络侧的双向身份鉴别机制。

（2）无线专网采用模块化的加密与鉴权设计，也可以支持类似WAPI加密算法的替换以及扩展，从而实现符合企业网络安全标准的特定加密算法。

（3）基于5G技术的无线专网在接入鉴权、加密算法和数据流程等方面的技术优于WAPI。

2.5  与网桥对比

5G专网在网络扩容、多用户、覆盖等方面具有较大优势，具体对标分析如表4所示。

5G设备相较于网桥设备，可以根据实际需求即插即用地实现网络扩容，网络性能获得线性提升。另外，单机站覆盖距离相差5～10倍;对于地形复杂场景5G专网可靠性强于网桥。

3  5G专网技术特性分析

综上所述，5G专网具有大带宽、广连接、低时延、安全性高等诸多优势。同时，5G专网具备适用部署区域化、网络需求个性化、行业应用场景化等特点。所谓部署区域化，是指5G专网服务的部署范围可根据区域设计，可面向封闭式的局域场景，如制造业园区、港口、矿山等;网络需求个性化，是指对时延要求严苛、可靠性要求高、上行速率要求高、数据安全和隔离要求严格等，5G专网中的网络切片、边缘计算、NFV/SDN实现园区网络灵活部署[5];行业应用场景化，是指5G网络将为不同的行业场景就近部署算力并提供能力開放，部署示意图如图1（a）所示。5G专网可与现有IT网络实现兼容互通，网络能力、网络技术也将不断演进升级。最后，对于多数企业重要的一点是，5G专网可缩短建设周期，进而大大降低成本。

公网5G的虚拟专网，通过核心网的数据处理单元UPF下沉到企业或园区内，保证数据不出园区，所有网络设备都需要由部署在运营商机房内的核心网进行控制，用户的控制信息和相关核心数据都要经过核心网。如图1（b）中的实线所示。在公网的虚拟专网网络切片方案（以中国移动方案为例）中，同一个基站采用RB资源预留的方式进行资源隔离，普通用户终端亦可在同一个基站接入，电力行业用户与普通用户并存，导致网络数据和网络安全无法得到保障，一旦公共核心网受到攻击，行业用户将受到影响，抗毁性较差。

3.1  5G专网技术特性及优势

3.1.1  优化新空口波束管理

5G新空口的波束管理以Massive-MIMO技术为基础，是5G中提高吞吐率和频谱利用率的关键技术。同4G的MIMO技术相比，5G的天线数量大大增加，所有上下行信道的发送接收都基于波束，如图2所示[6]。多天线通过波束赋型可以实现如下功能：多用户空分、提升频谱利用率、提升能量利用率、满足覆盖需求。

3.1.2  增加上行子帧配比

5G公网以下行业务为主，配比如图3所示。

5G专网采用定制化的上下行时隙配置，在使用相同频谱资源的情况下，减少下行子帧配置，增加上行子帧配置。在2.5 ms双周期时隙中，5G公网上行子帧占用1.5 ms，5G专网上行子帧占用4 ms，如图4所示，因此5G专网设备的上行吞吐率是普通5G公网设备上行吞吐率的2.5倍。

3.2  数据不出园区

5G专网网络部署可面向封闭式的使用场景，根据客户实际场景区域面积进行定制化部署。专网设备为电力行业用户私有，通过网络设备下沉到变电站等场景中，为电力行业用户构建一张物理隔离、数据不出园区的连接网络。该模式下可实现用户业务数据的本地卸载，减小由于公网网络故障而对用户生产业务带来的影响，保障生产安全。

3.3  覆盖距离增强技术

基于5G uRLLC技术并通过链路自适应、主动请求重传、基于最大功率谱密度的调度策略等定制化算法，在保证通信可靠性的基础上将最大路损提升10 dB以上，从而实现在无遮挡区域[7]，5G专网终端在距离射频拉远单元3 km的距离下，系统的总业务速率不受影响;在10 km处，5G专网系统业务总上行速率和总下行速率可达200 Mbps。

3.4  低时延

通过核心网本地部署+空口预调度技术，有效提升端到端时延指标，网络端到端时延<15 ms，部分场景下时延<10 ms。

3.5  灵活自服务

为行业用户提供具备能根据用户权限灵活配置业务策略（黑白名单、限速、IP地址分配等）的自服务能力。

4  5G专网组网及应用

4.1  5G专网组网

5G时代已经到来，通过5G eMBB大带宽、mMTC大连接以及uRLLC超可靠低时延三大特性，为视频传输、可视化管理、物联网、感知技术、远程控制等技术打开了新的格局。

5G专网解决方案通过由5G集中控制器、5G射频拉远单元和无线终端，并辅以视频摄像机、传感器物联网关、智能安全帽以及AI摄像头等设备组合，实现了高清视频监控子系统、AI+物联网环境监控系统等诸多智能化管理应用[8]，从而构建了智慧工地的标准规范化体系、安全保障体系和运行管理体系。

4.2  5G专网应用

数据感知层：包含环境监测、边坡监测、沉降监测等物联感知设备以及视频监控摄像头等设备。

网络传输层：基于5G网络切片技术，整个智慧变电站施工阶段的5G专网方案按照用户优先级进行切片管理，将办公、施工监控以及传感器设备的物联网网关整体融合，以实现数据本地化存储以及远端监管的功能;其中5G专网可以根据用户实际需求定制化产品和服务，通过5G专网网络切片技术，进行用戶优先级设置，对办公和施工监控用户进行优先级设置，可有效解决当前的办公占用较大带宽时，施工监控数据无法有效传输到云端的问题，如图5所示。

4.3  布设方案

以5G专网为核心，运用“互联网+大数据”思维，纵深推进“多网融合、多网运行、一网治理”改革，构建简约高效的网络管理机制，有效破解原有变电站基建工地组网复杂，维护困难的困境，初步探索出一条以5G专网为核心，将其他网络作为子网的多网融合新路线。布设方案如图6所示。

5  应用展望

随着感知层终端应用技术的发展，在实际电网变电站建设中，多种网络应用场景并存，终端应用多样化（如无人机巡检、工程车辆远程控制等），这对5G专网的网络性能提出了更高的要求，带宽、时延、连接数等关键通信指标会根据施工现场的实际需求进行技术迭代更新[9]。下面是对应用场景的展望：

（1）eMBB场景，上行带宽需求。随着施工现场终端应用的增加，对上行带宽的需求愈发严苛，4K高清视频、AR等大带宽应用会逐渐大范围应用于施工现场。对于以上终端带宽的需求，5G专网设备的上行带宽初步设计为1 Gbps，以满足变电站施工现场超高上行带宽的需求。

（2）mMTC场景，传感器连接。目前，多数传感器设备的通信方式为LoRa，随着5G mMTC物联网终端芯片的批量化生产，会逐渐代替LoRa终端。

（3）uRLLC场景，超低时延的远程控制[10]（空口时延<3 ms）。对于作业危险区域的施工、监控部署超低时延的5G专网设备，一是通过远程控制工程作业车辆，减少施工人员高危区域作业;二是通过超低延时的快速信息反馈（MEC+AI），及时快速地发出预警、告警，从而从根本上降低事故的发生率。

通过以上三种场景的技术应用，凭借施工现场5G专网的部署方式实现智慧电网、智慧工地应用愿景，使施工现场更加智能、安全。

6  结  论

第五代移动通信技术已经逐渐渗透到企业应用中，并且随着用户依赖程度的加深而不断强化。同时由于电网基建工程现场具有偏远、分散的特点，传统的网络通信方式受到极大限制，因此，以5G专网为核心的网络布设方案将是未来电网基建的新形势。文章通过同类网络通信技术的对比分析，以及组网及应用研究探索，阐述了5G专网基于智慧电网的先进性及必要性，以及技术可行性。能有效解决电网输变电工程建设中，网络复杂、维护困难、网络拥堵、跨区切换等诸多网络问题。

未来5G定制化专网的发展会根据电力系统的实际业务需求，进行定制化的研究和开发，实现5G场景中eMBB、mMTC、uRLLC的整体应用，实现工程施工可视化智能管理，实现绿色建造和生态建造。今后，待更多的物联终端和感知设备配备了5G通讯模组后，5G网络将会在智慧电网领域发挥海量终端接入、低延时、高速率等诸多优势。

参考文献：

[1] LEWIS J A. How 5G will Shape Innovation and Security： A Primer [R].Washington：CSIS，2018.

[2] LIFER E S. Five Ed-Tech Elephants [J].School Library Journal，2018，64（1）：1-4.

[3] IMT-2020（5G）Promotion Group. 5G Vision and Requirements [EB/ OL].（2014-10-10）. https：//wenku.baidu.com/view/befc534c45 3610661fd9f444.html.

[4] IMT-2020（5G）推进组.5G概念白皮书 [EB/OL].（2016- 06-01）. https：//wenku.baidu.com/view/5a0bbb125f bfc77da 369b1bf.html.

[5] 杨怀琴.泛在电力物联网时代物联网技术在电力系统中的应用 [J].科技创新与应用，2019（29）：169-170.

[6] 刘立亮，徐鹏飞，胡诚洁，等.浅析电力物联网建设中的关键技术 [J].通讯世界，2019，26（10）：241-242.

[7] 曹佳佳.电力物联网建设中的关键技术研究 [J].科技创新与应用，2020（26）：162-163.

[8] 刘乃安.WLAN原理技术与应用 [M].陕西：西安电子科技大学出版社，2004.

[9] 郑玉平.智能变电站二次设备与技术 [M].北京：中国电力出版社，2014.

[10] 王文龙.IEC61850标准作为变电站出站远动协议的可行性分析 [J].电力系统自动化，2012，36（17）：109-112.

作者简介：李洪丰（1969—），男，汉族，吉林长春人，高级工程师，本科，研究方向：电力调度及电力工程信息化建设;通讯作者：李兴（1977—），男，汉族，贵州，中级工程师，本科，研究方向：基建大数据算法和模型、边缘代理多通讯模组及设备协议、物联模型研究等;李洪涛（1980—），男，汉族，吉林长春人，本科，高级工程师，学历，研究方向电网工程管理。