5G网络切片在智能电网领域影响研究

国网新疆电力有限公司信息通信公司 王 鑫 叶 潇 李 辰 张 洁 左 航

1 智能电网发展面临的机遇和挑战

智能电网是在集成化、高速双向通信网络技术上通过使用新材料、新设备、新能源以及先进传感技术、信息技术、控制技术所形成的新一代电力系统，在这个电力系统的作用下能够更好地确保电网安全、稳定、可持续运行。

电力系统是整个电网运作的重要生产系统，生产区具体划分为控制区、非控制区；信息管理区被划分为生产管理区和管理信息区。智能电网在运作时依靠计算机信息技术和通信技术来管理系统，和传统电网相比呈现以下特点：较高可靠性。会在没有人干涉或较少人干涉情况下对电力网络中的元器件进行隔离或自愈，从而减少用户断电的风险，在出现电网运行故障的时及时分析、定位、响应并恢复局部网络异常情况[1]；较高的安全标准。安全标准比较高，不管是软硬件系统在遭受外界攻击情况下都会及时采取应急模式予以调节，就算是业务中断，整个系统也能很快恢复运行；集成、交互系统。整合了监视、控制、管理、运营、资源规划等子系统，在具体运作时能和用户设备、电力终端信息交互，从而更好完成电网调度。

智能电网在发展过程中也会面临一些新的机遇和挑战[2]：新能源。为更好应对全球范围内变暖问题，需积极发展可再生能源。但从发展实际情况看，可再生能源发电随机性、间接性的特点为电网功率平衡、运行控制带来困难。分布式能源的深度渗透会使配电网从功率单方向流动的无源网络转变为功率双方向流动的有源网络；新用户。在电动车快速发展的背景下电动车容量需求增加。为更好满足电动车管理需求需发展一种新的管理模式，即实现从电动设备接通时用电转变为充电时间可互相选择的互动用电；新要求。新设备和新场景的出现对用电质量提出更高要求，即一些高科技数字设备对供电零间断的要求。不仅如此，从电网运营管理角度来看，对各个资源的使用要求也在逐渐提高，在使用用电设备时会思考如何提高设备的利用率，减少设备的线损和容载比[3]。

2 5G网络切片实施的关键技术及其在智能电网领域中的应用

2.1 关键技术

5G网络切片技术是5G网络运作的关键技术，通过使用网络虚拟化技术形式会将一张5G通信物理网络在逻辑层面上划分为多个虚拟端到端的网络，在无线网、传输网的作用下各个网络间互相独立，每一个虚拟网络出现故障时都不会干扰其他网络。5G网络切片技术会根据市场应用需求的变化来管理安排网络资源，实现对网络功能的剪裁处理，从而为客户提供专属虚拟网络服务支持。

根据移动网络切片管理和编排框架要求，3GPP工作组会在协议中部署更多的切片管理功能、网络切片网管理功能。在具体操作时5G网络切片会根据安全隔离要求和业务需求的差异化来选择适合的切片方式，根据需要打造出个性化的切片网络。传输网切片在硬件层交叉实现，软件层可采用VLAN实现，在网络系统的运作下既可采取单独的硬件资源完成物理隔离，也可在共享硬件服务器的同时采取不同虚拟机完成业务分层。在系统运作时对于一些安全防护级别和隔离要求较高的多场景，也可采取端到端完全独立切片的形式来传输数据信息，切片网络会为不同业务提供差异化的宽带网络服务支持[4]。

2.2 应用场景

智能分布配电自动化。配电自动化是融合计算机技术、数据传输技术、控制技术、现代化设备和管理为一体的综合信息管理系统，整个系统运作的目的是提供安全、可靠的电力资源支持，改善电能质量，为用户提供精准的业务服务，减少工作人员的工作强度。智能电网采取了集中配电自动化控制方案，通信系统主要用来传输数据信息，包含终端上传主站的遥感测试信息，遥信信息采集业务和主站还会下发终端常规总召，对出现故障的部位进行隔离和定位。在电力可供电需求的提升下，要求智能分布电网能实现不间断供电，并要求在故障出现时能第一时间予以处理[5]。

精准化的负荷控制。电网负荷控制涉及到调度批量负荷控制和营销负荷控制两个类型，在电网出现故障时负荷控制会通过第二道防线的稳控系统来紧急切除负荷，防止电网遭受到破坏。通过第三道防线低频低压减载负荷装置还能在电网运行时规避电网崩溃。为确保在直流故障影响下电网还能稳定运行，需采取多直流提升、抽蓄电站的切泵措施来平衡电网功率，但需注意的是要避免在直流出现严重故障下对电网频率降落的干扰[6]。对于直流双极闭锁故障，如采取传统意义上100kV负荷线路的集中切除负荷方式，一旦操作不当会引起电力事故，危害社会稳定。采用基于稳定控制技术的精准负荷控制系统不仅能满足电网紧急状态下的应急处置需要，且会将用户的用电负荷降低到最低状态。

低压用电信息的收集整理。低电压用电信息采集业务是对电力用户用电信息收集整理、处理和实施监督控制的系统，能实现对用户用电信息的自动化采集、异常监督控制、电能质量监测和分析管理。电力用户用电信息收集整理业务一般被应用到计量领域，应用方向是数据信息的传输，具体涉及到终端上传主站状态信息和主站下发终端常规指令信息。低压用电信息的通讯方式包含230M、无线公共网络、光纤传输几个类型，信息采集的基本方式是24计量点方式，具体分为5分钟信息采集模式和15分钟信息采集模式。未来用电信息采集整理将会延伸到家庭，能帮助系统获取更多用电终端负荷信息，最终牵引合理错峰用电。

分布式电源。风力发电、太阳能发电、电动车发送电等新型分布电源是一种建立在用户端的能源供给方式，这些提供电源的系统可单独运行、也可并网运行。在能源变革深入发展的背景下如何开发和利用清洁能源、实现网络的并网处理成为电网企业需要思考和解决的问题。2020年分布式电源装机容量达到1.87亿千瓦，占据同期总体装载机的9.1%，在电网运行中分布式电源是一个重要的关键，将分布式电源集中在电网中会获得巨大的收益，不仅会节省输电网运行资金消耗，还会增强电力系统运行的安全性、可靠性。分布式电源发电还会为系统运作提供更灵活的支持，如在暴风雪的天气下如电力系统遭受较多破坏，这时分布式电源就会形成孤岛或微网，进而向医院、交通枢纽和广播电视提供持续性的电力资源支持。

视频图像的实时性监督控制。实时性视频图像监督控制一般被应用在安防控制系统和监督控制系统，在视频监督控制系统的作用下会对电力系统运作场所、配电网重要节点的运行状态进行监督控制，视频监督控制点一般会被安排在远端配电房或比较隐蔽的公共场所，视频信号传递为集中业务模式，需依靠更高级的配电系统，现有光纤覆盖有线网络无法满足系统灵活监督控制的要求。

2.3 应用网络指标要求

根据智慧电网的不同应用场景需要可对端到端网络分别使用mMTC切片、uRLLC切片，且在不同切片间的相互组合作用下可实现对分域的切片管理，由此满足对应场景的网络指标要求。对于电网运作的各个场景受不同业务间的差异影响，在可靠性、时效性、宽带、隔离度等方面会体现出不同的要求，不同的切片类型也会满足不同网络的运作要求，电网企业可根据切片的使用状态和业务要求对各个隶属单位提供差异化的电力业务服务。

5G网络切片在智能电网领域应用时的不同场景的隔离度、带宽、可靠性、时延、连接数、切片实例指标要求分别为：分布式配电自动化。高、低、高、高、中、uRLLC；精准负荷控制。高、低、高、高、中、uRLLC；低压用电信息采集。低、低、中、中、高、mMTC；视频图像的实时性监督控制。低、高、低、低、低、eMBB；分布式电源控制。中、低、高、中、高、uRLLC＋mMTC；智能巡检推行回传。中、高、中、高、低、eMBB＋uRLLC。

综上，智慧电网是电网技术新时期发展的一个必然，和传统电网运行相比，智慧电网具备更高的信息化水平和自动化管理能力，在输配电方面显示出较强的灵活性，能有效提升电网的运作效率，增强电网运行的安全性和可靠性。在智能化网络系统运作的过程中分布式管理是核心，在分布式管理的作用下可将5G网络切片技术融入到智慧电网系统中，由此实现对智慧电网运作状态和数据信息的有效收集整理，帮助用户及时观察、监督和控制电网运行实际情况。相信伴随5G技术的深入发展，电力系统的芯片、终端等产业链将会更加完善，越来越多的5G切片技术形式会被应用到智慧电网中。