5G低时延业务在智能电网的组网应用研究

潘雅洁 黎瑞 中国电信股份有限公司江西分公司 南昌市 330029

钟翠明 范石勇 江西省邮电规划设计院有限公司 南昌市 330002

0 引言

“4G改变生活、5G改变社会”，作为新一代移动通信技术，5G把人与人的连接拓展到万物互联，有eMBB高速率、URLLC低时延、mMTC大连接三大业务应用场景，而低时延和大连接场景是构建万物互联网的重要方向和基础。当前5G网络已经初具规模，但5G的成功不仅仅在于网络覆盖建设成功，更在于垂直行业应用成功；当前我国正在加速构建安全泛在的能源互联网、智能电网，5G则为智能电网发展提供了一种更优更好的无线解决方案；为了加速5G低时延应用落地，江西电信联合江西省国家电网公司，运用5G的SA独立组网、网络切片等关键技术，开展了配电网差动保护低时延业务5G组网和应用研究，为打造定制化的“5G电力专网”进行先行先试，积累了成功应用案例；本文将从5G低时延业务场景需求、组网方案、业务应用测试等方面较深入研究5G低时延电力专网。

1 电力行业5G低时延业务通信需求

基于电力行业主营业务的发电、输电、配电、用电四大环节，智能电网发展呈现出清洁友好的发电、安全高效的输变电、灵活可靠的配电、多样互动的用电、智慧能源与能源互联网五大发展趋势。电力通信网作为智能电网的重要基础设施，可采用有线光纤和无线接入两种通信接入技术，由于电力通信需求具有“点多、面广、线长”特点，对通信网提出了更高速率、更低时延、更大容量、安全隔离等新的能力要求，现有的有线或4G技术将难以满足，需要构建安全可信、接入灵活、双向实时互动的“泛在化、全覆盖”的基于5G新技术的通信接入网。

行业专业作为对网络性能有明确指标的确定性网络，不同的业务对网络的速率、时延、容量、安全等能力也有不同的要求。通过充分电力通信需求调研分析，5G低时延业务的应用场景主要为毫秒级精准负荷控制、配电自动化等方面。

1.1 配电自动化

智能配电自动化设备实现对配电网的保护控制，通过检测配电网线路或设备的状态，快速实现配网线路区段或设备的故障识别和精确定位，快速隔离故障区域或设备点，并快速恢复正常区域供电，后续将推广应用遥信遥测遥控、配网差动保护等功能，以进一步缩短故障持续时间，提高电网安全可靠性。主要的通信需求如下表：

表1 配电自动化业务的通信需求

1.2 精准负荷控制

电网负荷控制分为批量负荷调度控制和营销负荷节能控制两种模式。以往在电网故障时，通过切断整条线路或低频低压减载装置负荷减载，避免电网崩溃维护电网稳定，这种集中切换负荷的方式相对简单粗暴，易造成大面积停电损失，引起高等级的电力事故，造成较大社会不良影响。基于通信网支持的精准负荷控制，可将控制对象精准到生产企业内部的可中断负荷，如非生产性空调负荷、工业负荷等柔性负荷，电动汽车充电桩、工厂内部非连续生产的电源等；既满足电网应急处置，只切断可中断负荷，又不影响重要用户，同时解决电网故障初期频率快速跌落、功率超用、备电不足等问题。主要的通信需求如下表：

表2 精准负荷控制业务的通信需求

2 5G低时延组网方案研究

2.1 试点覆盖区域

基于5G低时延的国电电力配网差动保护试点项目是江西电信与国家电网合作的一个5G智慧电网创新项目。通过在电力线杆和电网机箱上加装5G检测设备，监测所在点位电流电压变化，监测数据异常及时上报并启动切换保护；通过5G网络接入方案来解决传统的4G监测无法保障低时延的问题。此次试点在南昌市区有5G公网信号连续覆盖区域选定5个测试样本点，测试点位如下图所示：

图1 5G低时延业务测试样本点位图

2.2 5G低时延业务运行机制

本次试点的配网差动保护终端的运行机理：①终端每5秒钟发送一次正常心跳报文；②当检测到线杆电流异常时，监测设备会及时发送表征电流异常的报文给临近终端，报文一共发送4次，报文间隔分别是2ms，2ms，4ms，8ms。四次报文内容一致，对端只要在20ms传输时间间隔内接收到最少一次报文，即认为接收数据成功。异常检测，在单次数据接收成功率（20ms以内接收到）为99%情形下，至少一次接收到异常报文的成功率为99.999999%。③终端之间要保证通信，因此需要终端SIM卡在核心网开户时，设定固定IP地址，保障任意两个国网项目终端之间可以正常通信。

2.3 5G低时延业务切片需求

国网电力行业对切片的诉求可以总括如下：

（1）差异化的业务诉求。国网对网络时延要求高，两点之间，单向时延要求20ms以内。需要做差异化运营，保证网络时延稳定型。

（2）网络隔离及额外安全性诉求。电力行业对于安全性和可靠性要求极高，需要一张类似专网的逻辑网络，其他业务导致的网络冲击不能对电力切片造成影响。

（3）独立运营的诉求。国网行业客户希望对其旗下的终端设备进行管理，对运营商承诺的时延、带宽等KPI进行监控，并将这些信息嵌入到行业客户业务系统，支持其业务系统进一步智能化、自动化。

2.4 5G低时延组网方案

试点采用基于SA架构的端到端的5G切片组网方案，无线网采用公专用融合的3.5GHz 64TR 320W基站，并可划分专门的频段或RB资源预留给电力专用，并启用无线QoS保障机制；承载网采用FlexE（灵活以太网）方案配置专用的传输子接口；核心网用户数据面独立设置国网电力专用的UPF，而控制面（AMF及SMF等）可共用或单设；并按需下沉设置MEC设备，以构建电力的低时延业务5G专网，实现按需定制、行业专用、安全隔离。

3 5G低时延业务应用测试

经过对5个样本点的现场测试，5G网络测试数据情况如下：

表3 5G性能测试结果表

图3 5G低时延业务性能现场测试图

最后，对5G网络性能满足度进行分析：

（1）5G信号覆盖：各点位的RSRP平均值达到-72.7dBm，SINR达到20.1dB，信号强度及信号质量均能满足室内外连续覆盖要求。

（2）5G网络速率：采用3.5GHz频段100MHz带宽的64TR基站设备，平均下行速率达到514.5Mbps，远能满足业务的2Mbps业务速率需求。

（3）5G网络容量：目前站点覆盖半径为300-400米，每平方公里约有5个基站，容量可达500Mbps X 5=2500Mbps，可同时满足至少2500Mbps/5Mbps=500个配电自动化差动保护终端，可满足电网当前组网需要。

（4）5G网络时延：5G网络业务的端到端时延可分为无线空口时延、光纤传输时延、设备处理时延三部分。5G的无线空口时延很短，对于URLLC业务协议规定为1ms；地面网络时延相对较长，信号在光纤中传播每公里约5us，每经过一个设备（传输设备、核心网、服务器等）都需要一定时间。根据5G时延预算模型的分析，可发现5G低时延可以满足配电自动化等业务对时延的要求。从实际测试情况来看，平均的时延均低于15ms，另外后续也可结合传输设备采用10us更低时延芯片技术、MEC/UPF下沉、网路优化等技术应用，进一步降低业务端到端时延，以满足未来智慧电网有更苛刻时延要求的场景需要。

图4 5G端到端业务时延模型示意图

表4 5G低时延满足度预算分析表

4 结束语

从业界来看，5G技术已成为首选的智能配用电通信网“最后一公里”无线接入通信覆盖解决方案。随着5G网络覆盖不断完善和智能电网应用场景不断丰富和落地，基于5G低时延的电力业务也将不断走向实践，本案例抛砖引玉地对5G低时延在电力配电差动保护应用中的组网进行探索和试验，运用5G技术助力配电网络更加安全、精准、智能，并建立了5G时延预算分析模型进行网络性能满足度分析评估，希望对后续工程能起到借鉴和参考作用。