5G专网技术在智能电网中的应用

杜鹏，郑兴明，陆威

（1.中兴通讯股份有限公司，江苏 南京 210012；2.移动网络和移动多媒体技术国家重点实验室，广东 深圳 518055）

0 引言

3GPP 定义的5G 应用三大场景中，除eMBB 主要面向人网应用外，mMTC 和uRLLC 均属于物联网和垂直行业应用范畴。垂直行业应用不同于公网业务，其对网络安全性、可靠性、确定性有更严格的要求，对5G 网络架构及技术实现提出了更高的挑战。针对5G 在行业专网中的应用，3GPP 也在不断完善相关标准，在3GPP R16 里，5G 新增了多种针对垂直行业的功能，包括TSN（Time Sensitive Networking）、5G LAN、NPN（非公共网络）[1]等，使得5G 专网的能力得到提升，更好地满足工业制造、交通、能源、医疗等垂直行业应用的特定需求。

5G 专网技术在垂直行业的部署方案已有研究和探讨[2-5]，但是针对智能电网场景的应用研究还比较少，尤其是配电网中的电流差动保护场景，对传输时延及可靠性要求极高[6]，因此能否采用5G 技术满足要求非常值得研究。

差动保护技术广泛应用于电网的配电领域。简单来说，差动保护就是当输电线路正常运行时，输电线路两端的电流值相同，而当这条输电线路发生故障时，两端的电流就会不一致。当差动电流大于差动保护装置的预定值时，保护启动进而将被保护设备的各侧断路器跳开，使故障设备断开电源。通过差动保护可以缩短故障持续时间，降低故障的影响范围，提高供电可靠性。智能电网中的配电差动保护场景如图1 所示。

为保证差动保护的判断准确、启动及时，需尽量保证一组差动电流为同一时刻采样值，即需要严格保证差动电流的时间同步。因此差动保护对保护装置DTU 之间的通信时延以及可靠性有较高要求，例如时延：小于10 ms，时间同步精度：小于10 μs，可靠性：大于99.999%。为了实现配电差动保护，通常需要在相邻配电站的差动保护装置之间采用光纤专线传输。但是由于差动保护终端数量大，部署分散，铺设光纤专线成本高，难度大，无法满足日益增多的接入需求。

而5G 网络的低时延、高可靠、海量连接等特性正好可以满足要求，5G TSN 可提供精准可靠的网络传输能力，能够满足差动保护对通信时延的需求；5G LAN 提供的专属网络服务能力也可以满足电网严格的安全隔离需求。因此采用5G 网络代替光纤传输，并通过5G 专网技术灵活部署，既降低了部署成本，也保证了传输时延，还可以精准控制和管理大量分布式部署的差动保护终端。

目前关于5G 技术在智能电网中的应用已有一些研究[7-9]，基于上是通过部署5G uRLLC 切片来解决问题，但是当前的5G 切片技术以及QoS 保障技术都无法满足智能电网和工业控制等场景对时延、抖动、丢包率及可靠性的严苛要求，因此需要考虑采用5G 专网技术（例如5G LAN 和5G TSN 等）为这些特定场景提供确定性的通信保障。

本文针对智能电网中的差动保护场景的特点，选择3GPP R16 引入的5G TSN 和5G LAN 技术进行分析，提出了5G TSN 和5G LAN 技术相结合的方案，满足电网差动保护场景下配电站之间的可靠通信需求。

1 5G TSN技术

TSN（Time-Sensitive Network，时间敏感网络）是由IEEE 802 工作组基于标准以太网制定的支持时间敏感业务转发的系列增强技术标准，可应用于各种支持低延时及基于时间同步数据传输的以太网协议，例如：音视频传输、工业控制、车联网和智能电网等诸多行业[10]。

5G TSN 是3GPP 为满足无线接入网络支持应用TSN技术的确定性工业网络互联的需求，3GPP 借鉴了IEEE定义的TSN 标准,定义了5G TSN 逻辑网桥的架构，即将整个5G 网络作为TSN 网络中的网桥，完成与TSN 网络的组网以及互联互通。

5G TSN 逻辑网桥架构如图2 所示。

图1 智能电网中的配电差动保护场景

图2 3GPP定义的TSN逻辑网桥系统架构图

为了实现5G TSN 逻辑网桥和TSN 网络的对接，5G系统扩展了如下3 个功能功能模块：

（1）DS-TT：即终端侧TSN 转换器（Device-side TSN translator），用于连接终端侧的TSN 系统，通常可以和UE 相集成。

（2）NW-TT：即网络侧TSN 转换器（Network-side TSN translator），用于连接网络侧的TSN 系统，通常为UPF 中的一个功能模块。

（3）TSN AF： 即TSN 的应用功能（Application Function），用于连接TSN 网络的CNC 控制器，通常可以为一个独立的网元。

为了实现5G TSN 逻辑网桥的功能，5G 系统需要支持如下三个关键技术：

（1）时间同步

时间同步是TSN 提供流量的延迟保证的关键特性之一，5G 系统需要为TSN 业务提供其所需的超高精度时间同步能力，包括：TSN 时间同步和5G 时间同步。

TSN 时间同步协议遵循IEEE 802.1AS 标准。UPF/NW-TT 从TSN 网络中的TSN GM 获取TSN 时钟同步消息，然后UPF/NW-TT 将时钟同步消息通过用户面转发给UE/DS-TT，从而实现UE/DS-TT 与TSN GM 之间的时间同步。

此外，5G 系统内，gNB 和UPF、UE 之间还需要提供基于5G 系统时钟的高精度时间同步。5G 系统时间和TSN系统时间之间，由UPF/NW-TT 和UE/DS-TT 进行转换。

（2）精准转发

实现TSN 基于精准时间的调度转发机制，是5GS 支持TSN 功能最核心功能。5G 网络需要为TSN 工业互联网应用提供确定性低时延流调度能力，包括：无线资源的优化调度技术，UE/DS-TT 和UPF/NW-TT 基于IEEE 802.1Qbv 标准定义的流调度能力等。

如图3 所示，5G 网络作为TSN 网络中的透明桥梁，由DS-TT 和NW-TT 提供TSN 数据流的驻留和转发机制，遵循IEEE 802.1Qbv 标准。在5GS 系统内，例如UE＜-＞NGRAN＜-＞UPF 之间，只需要实现低时延调度，保障数据包在其预定的传输时间之前到达NW-TT 或DS-TT 出口即可。

图3 5G TSN转发总体架构

（3）网络协同

为了实现5G 网络适配TSN 的确定性传输，5G 系统需要与TSN 网络间进行网络协同。5GS 作为TSN 逻辑网桥，和TSN 网络之间进行协同的架构遵循IEEE 802.1Qcc 协议定义的完全集中式模型[11]。5G 系统通过与TSN 网络间协同交互，实现5G 系统作为TSN 逻辑网桥的配置和管理等功能，如图4 所示：

图4 IEEE 802.1Qcc TSN完全集中式网络模型

5G系统通过5GC控制面网元SMF、PCF 及TSN AF 实现和CNC 之间进行协同交互，实现5GS 网桥信息上报，以及CNC 对5GS 网桥的配置。包括：UE/DS-TT和UPF/NW-TT 需要支持LLDP 协议进行链路发现，5G系统通过TSN AF 向CNC 上报5G 网络的状态信息，及接收CNC 对5G 系统的配置管理等。

可以看出5G TSN 基于以太网通过功能增强提供高可靠与确定有界低时延的流传送服务，是面向未来工业互联网、车辆内通信、智能电网等高可靠确定低时延应用的网络技术之一。

2 5G LAN技术

随着5G 时代的到来，行业客户希望5G 网络在提供大连接、高带宽、低时延的同时，也能像自建的局域网那样，自己实现对终端的灵活管理。例如行业客户指定终端的IP 地址、要求终端只能与特定的终端通信、授权终端属于特定群组并动态加入和删除等。为了满足行业客户这一诉求，3GPP R16 定义了5G LAN 技术。

5G LAN 是利用5G 网络提供局域网-虚拟网服务的技术，通过5G 系统提供私有移动通信业务，允许限定的终端组在一个5G LAN 虚拟网络内进行基于Ethernet 或IP 的点对点通信。利用5G 网络为企业、港口或工厂园区等场景提供类似VPN 的服务。企业专网可以支持不同终端之间的互通，支持VLAN，终端通过DNN 或S-NSSAI 来关联一个5G VN 群。

在同一个5G LAN 内的终端之间可以互相通信时，如果两个终端接入至同一个UPF，可以由UPF 直接实现本地转发，可以无需连接外部的DN 网络；如果两个终端接入至不同的UPF 时，则可以由UPF 之间的R19 接口转发。5G LAN 组网架构如图5 所示。

3 基于5G TSN+5G LAN的电网差动保护方案

基于5G TSN 网桥的配电差动保护方案如图6 所示，整个5G 网络作为TSN 网桥连接电网中的配电保护终端DTU。使用5G 无线网络替代有线LAN 连接，完成与TSN 网络的组网以及互联互通。

但是在目前的3GPP R16 标准中，受限于现有5G TSN 架构，2 个DTU 之间的TSN 业务流不支持在一个UPF 内或2 个UPF 间互相转发，即UPF 必须外接TSN网络。这样无疑会增加网络的的复杂度和建设维护成本，并且还因为外接的TSN 网络，额外增加了两个DTU 之间的时延、降低了传输可靠性，对电网差动保护的低时延高可靠要求有一定的影响。

为了解决这个问题，可以考虑将5G LAN 和5G TSN技术相结合。如图7 所示，电网中的DTU 为5G 终端，相邻配电站之间的DTU 可以采用5G LAN 方式组成一个LAN 分组，通过5G 网络提供的LAN service 功能完成点到点或者点到多点的通讯，进一步降低通信时延。

在同一个LAN 分组的DTU 相互发送的数据，可在5GC 网元UPF 内进行直接转发，不需要经过UPF 外接的TSN 网络。当一个分组内的不同DTU 接入至多个UPF时，这些UPF 之间将构建直连隧道，DTU 之间的数据可以直接经由UPF 间的隧道直接互转。这样的设计使得5G UPF 具备了类似路由器一样的直接转发功能，缩短了数据转发路径，降低通信时延，提升了传输可靠性。

为了实现5G TSN 和5G LAN 的结合，需要5G 网络解决如下2 个关键问题：

图5 3GPP R16定义的5G LAN架构

图6 基于5G TSN网桥的电网差动保护方案架构

图7 基于5G TSN+5G LAN的增强方案架构

（1）UE 间通信的确定性数据转发

当前3GPP R16 中仅定义了UE/DS-TT 和UPF/NW-TT之间的确定性转发，即仅支持UE 和TSN 网络间的确定性通信，不支持2 个UE/DS-TT 直接在5G 系统内直接转发的确定性通信。在5G LAN 场景中，需要在UE/DS-TT 之间提供端到端的确定性转发，有以下两种解决思路。

方案1：把UE1-5G-UE2 整体看做为1 个TSN 逻辑网桥，即UE1/DS-TT 和UE2/DS-TT 分别为TSN 网桥的2 个端口，由UE/DS-TT 基于802.1Qbv 实现确定性转发。

方案2：把UE1-5G-UE2 分解当做为2 个TSN 网桥，即从UE1 经由RAN 到UPF 作为网桥1，将从UPF 经由RAN 到UE2 作为网桥2。此时需要UPF 基于802.1Qbv 来实现实现UPF 内或UPF 间的UE 数据确定性转发。

（2）将5G GM 作为TSN GM

在该差动保护场景中，UPF 没有外接TSN 时钟源，并且UE/DS-TT 也没有连接TSN 时钟源，因此需要把5G 时钟作为TSN 时钟。此时可以采用如下两种方式之一来实现。

方案1：由UPF/NW-TT 承担TSN 时钟源功能，基于802.1AS 协议向UE/DS-TT 和连接UE/DS-TT 的TSN系统进行时间同步。

方案2：由UE/DS-TT 承担TSN 时钟源功能，主动将从RAN 获取的5G 时钟作为TSN 时钟，向连接UE/DS-TT 的TSN 系统进行时间同步。

4 结束语

将5G 专网技术引入智能电网及工业控制等垂直行业的应用研究目前还处于起步阶段，还存一些问题有待解决，例如产业链不成熟，缺少支持的终端，5G 网络需要做相应的改造等，因此3GPP 也在持续进行深入研究，在R17 中会给出更加完善的解决方案，例如：实现5G 核心网的架构增强支持TSN 控制器的功能；实现5G 核心网内的确定性传输调度机制，而不依赖于外部TSN 网络；通过UPF增强实现终端间的确定性传输；实现可靠性保障增强；实现工业以太网协议对接；支持多时钟源技术等，以满足配电差动保护场景下的通信需求。

基于5G TSN+5G LAN 的配网差动保护解决方案，在满足电力行业高安全高隔离的前提下，能够提供更加高效灵活的接入方案，相比传统光纤专线方式可有效节省部署成本，有助于提高智能电网的继电保护水平。