基于5G端到端切片的多业务泛在智能电网研究

孙严智，刘宇明，罗海林，温泉，蒋丽琼

（云南电力调度控制中心，云南 昆明 650011）

0 前言

云南电网公司积极推进安全、可靠、绿色、高效的智能电网建设，35 kV以上的骨干通信网侧，已具备完善高效的全光数据网络。而配电通信网侧，由于点多、面广、设备海量，同时随着大规模配电自动化、低压集抄、分布式能源接入、用户双向互动等业务快速发展，各类电网设备、电力终端、用电客户的通信需求爆发式增长，现有技术难以有效支撑配电网各类终端的可观、可测、可控。

智能电网的安全、稳定和高效运行对于国家的可持续发展具有重要意义。智能电网是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全。智能电网的发展对电力通信网提出了新的挑战。需要采用先进、可靠、稳定、高效的新兴通信技术及系统，丰富配电网侧的通信接入方式，从简单的业务需求被动满足转变为业务需求主动引领，提供更泛在的终端接入能力、面向多样化业务的强大承载能力、差异化安全隔离能力及更高效灵活的运营管理能力。

针对公司建设安全可信、接入灵活、双向实时互动的“泛在化、全覆盖”配电通信网的迫切需求，基于5G智能电网典型应用场景，论文提出基于5G切片的多业务泛在智能电网架构；分析研究了面向服务的5G端到端切片技术和5G电力终端泛在可信接入技术，针对智能电网不同业务场景，如何提供超低时延、高带宽、大连接、高安全性的差异化网络服务；提出了可能应用场景，进行“多业务接入、多网域切片、多维资源灵活管控”的立体化应用：在业务方面，实现高清视频回传、低压集抄等多种业务可信泛在接入；在网络方面，实现基于5G可靠高效的泛在接入网、传输网、核心网承载；在管理方面，实现定制灵活的网络切片、多维资源动态管控及可视化呈现。

1 5G系统网络性能契合智能电网发展

现有电力通信网络面临以下4方面难题。

1）电力通信网络如何更高效支撑智能电网发展。智能电网的发展强调多种能源、信息的互连，通信网络将作为网络信息总线，承担着智能电网源、网、荷、储各个环节的信息采集、网络控制的承载，为智能电网基础设施与各类能源服务平台提供，安全、可靠、高效的信息传送通道，实现电力生产、输送、消费各环节的信息流、能量流及业务流的贯通，新形势下，如何进行电力通信网络平台建设，能够更有效地促进电力系统整体高效协调运行。

2）通信网络需要从被动的需求满足，转变为主动的需求引领。目前业务系统通信需求均基于设备的生产控制为主，未兼顾人、车、物等综合的管理场景需求。随着智能电网的发展，通信的需求及业务类型具有多样性、复杂性及未知性等特点，通信网络需适度超前，提前储备，提前满足未来多元化的业务承载需求，如智能化移动作业、巡检机器人、数字化仓储物流、综合用能优化服务、电能质量在线监测、能源间协调、源网荷储互动、双向互动充电桩等。

3）通信网络需具备更强大的承载能力，差异化的安全隔离能力及更高效灵活的运营管理能力。为满足智能电网的五大发展重点，通信网络需具备更强大的承载能力（如百万-千万级的连接能力、单站具备n*10 Mbps的带宽承载能力，具备毫秒级的时延能力）对电力不同生产区业务能提供差异化的安全隔离能力，同时能针对不同终端，提供终端、连接甚至网络资源的灵活开放的运营管理能力。

4）通信网作为统一的通信平台，实现业务的集约化承载，进一步促进智能电网的数据共享及业务发展。通信网络需尽可能多地解决各类业务的接入需求，最大限度地利用电网自身资源，通过统一的通信平台，提供可靠、安全的通信通道，提高网络效率。同时，通过通信网提供的灵活便捷的接入方式，进一步促进能源互动、数据共享或有偿服务等能源互联网业务的发展提供帮助。

如图1所示，5G通信系统优越的网络性能契合智能电网发展需求，为其提供了全新的解决方案。智能电网作为典型的垂直行业的代表对通信网络提出了新的挑战。电网业务的多样性需要一个功能灵活可编排的网络，高可靠性的要求需要隔离的网络，毫秒级超低时延需要极致能力的网络。4G网络轻载情况下的理想时延只能达到40 ms左右，无法满足电网控制类业务毫秒级的时延要求。同时4G网络所有业务都运行在同一个网络里面，业务直接相互影响，无法满足电网关键业务隔离的要求。最后，4G网络对所有的业务提供相同的网络功能，无法匹配电网多样化业务需求。在此背景下，5G推出网络切片来应对垂直行业多样化网络连接需求。作为新一轮移动通信技术发展方向，5G把人与人的连接拓展到万物互联，为智能电网发展提供了一种更优的无线解决方案。5G时代不仅能给我们带来超高带宽、超低时延以及超大规模连接的用户体验，其丰富的垂直行业应用将为移动网络带来更多样化的业务需求，尤其是网络切片、能力开放两大创新功能的应用，将改变传统业务运营方式和作业模式，为电力行业用户打造定制化的“行业专网”服务，可更好地满足电网业务差异化需求，进一步提升了电网企业对自身业务的自主可控能力和运营效率。

2 5G切片多业务泛在智能电网架构

针对基于5G切片的多业务泛在智能电网架构设计，需要综合分析5G智能电网典型应用场景、业务类别及关键通信指标。

5G智能电网典型业务场景总体上可以分为控制、采集两大类。控制类包含智能分布式配电自动化、用电负荷需求侧响应、分布式能源调控等。随着精准负控、分布式能源接入等业务迅速发展，出现更多的本地就近控制，且与主站控制联动，时延需求将达到毫秒级。采集类业务包括低压集抄、站所内外场景的智能电网大视频应用等。未来采集对象将区域多媒体化、深入用户行为分析；采集内容趋于视频化、高清化；采集频次将趋于准实时，且从单向采集向双向互动演进。各类业务的特点和通信需求分别如表1和表2所示。

表1 5G智能电网典型控制、采集类业务特点分析表

表2 5G智能电网典型控制、采集类业务通信需求

智能电网各类业务在采集频次、内容、双向互动方面将有较大变化。采集频次方面，当前基本按照月、天、小时为单位采集，未来为满足负荷精确控制，用户实时定价等应用的发展，采集频次将趋于分钟级，达到准实时能力。采集内容方面，当前主要以基础数据、图像为主，码率为100 kbps级。随着智能电网、物联网的迅速发展，采集对象将扩展至电力二次设备及各类环境、温湿度、物联网、多媒体场景，连接数量预计至少翻一倍；中远期若在产业驱动下，集抄方式下沉至用户，采集内容将深入到户内用电设备的信息，连接数预计翻50-100倍；另外，采集内容亦从原有的简单数据化趋于视频化、高清化，尤其在无人巡检、视频监控、应急现场自组网综合应用等场景将出现大量高清视频的回传需求，局部带宽需求在4-100 Mbps级。随着家庭能源管理应用的推广，通过智能电表实现家电用电信息采集；通过智能交互终端，以APP的方式，给用户提供实时电价和用电信息，实现对用户室内用电装置的负荷控制等各类互动服务与电力增值服务功能，达到需求侧管理的目的。

国际电信联盟（ITU）将5G时代的业务归纳成三种典型的类型，增强型移动宽带（eMBB）、超高可靠性低时延业务（URLLC）和海量机器类通信（mMTC），可以满足极致的业务体验要求。并通过5G端到端网络切片技术，将网络资源灵活分配，网络能力按需组合，基于一个5G网络虚拟出多个具备不同特性的逻辑子网。每个端到端切片均由核心网、无线网、传输网子切片组合而成，并通过端到端切片管理系统进行统一管理，提供差异化网络服务。

论文综合应用5G通信新技术，提出分层多业务泛在智能电网架构，建设基于端到端切片技术的安全可信、接入灵活、双向实时互动的“泛在化、全覆盖”配电通信网络，提供超低时延、高带宽、大连接、高安全性的差异化网络服务。基于OTN传输网，开展5G电力多业务、多域切片立体化应用示范。在业务方面，能够实现eMBB（高清视频回传）、mMTC（低压集抄）等多种业务泛在接入；网络方面，实现基于5G可靠高效的接入网、传输网、核心网承载；管理方面，实现按需的网络切片灵活定制和全过程网络资源动态管控。系统总体网络架构如图2所示。

图2 系统总体网络架构图

3 5G多业务泛在智能电网关键技术

基于5G端到端切片的多业务泛在智能电网的实现，需要重点研究面向服务的5G端到端切片技术和5G电力终端泛在可信接入技术2类技术，按照网络、系统和终端维度共分为3种，关键技术之间的关系如图3所示。

图3 关键技术关系图

3.1 5G端到端切片及标识技术

5G端到端切片及标识技术需要解决接入、传输、核心网域网络切片及标识。接入网切片及标识要考虑其资源使用效率需求，支持对切片的感知、基于切片的路由、资源隔离，并支持基于切片的灵活资源调度。承载传输网对于网络切片的支持要立足于解决行业的 QoS 差异、隔离性、及灵活性需求。核心网切片和标识采用基于服务化架构，能够更加灵活地支持网络功能定制化、切片隔离、基于切片的资源分配。

3.2 5G端到端SLA保障和全生命周期管理技术

5G端到端SLA是保障5G切片网络性能的关键因素，需要通过多方面协作实现。在网络切片的创建过程中，通过各域的质量保证技术协同，实现网络资源合理分配；在网络切片的运行过程中，管理面提供基于租户粒度的SLA监控、统计、上报，支持SLA可视化管理；在现有网络运维基础上引入闭环业务保障机制，网络基于可预测的QoS及实时上报的性能指标，与应用层配合，及时根据当前业务性能指标对于网络进行调整。全生命周期管理决定了网络资源分配和网络运行效率，包括切片设计、资源调配、策略配置、部署使能等方面，如何通过采集网络切片各技术域的通信状态信息与过程信息，从而对网络切片的功能与资源进行按需调配，使得整个网络的运行更加高效。

3.3 5G电力终端泛在可信接入技术

5G通信系统提供了广覆盖和海量接入能力，在5G智能电网中，如何实现泛在可信接入与安全保障问题。通过设计适配5G电力通信网络的终端的安全可信接入方案、研究终端安全防护机制及支撑技术，实现网络接入可信、可管、可控，同时研究5G可信接入增强技术研究，覆盖基于多源信息辅助、物理信号改进的新型可信接入方案。

4 5G电力多业务端到端切片系统应用

图4 5G电力多业务端到端切片系统应用

5G智能电网“多业务接入、多网域切片、多维资源灵活管控”的端到端切片系统，在业务方面，可以实现eMBB（高清视频回传）、mMTC（低压集抄）等多种业务可信泛在接入；在网络方面，实现基于5G可靠高效的泛在接入网、传输网、核心网承载；在管理方面，实现定制灵活的网络切片、多维资源动态管控及可视化呈现。可以应用的场景包括：智能分布式配电自动化、差动保护、精准负荷控制、电网巡检和综合监控、高级计量、语音和应急多媒体。

4.1 分布式配电自动化

通过5G的高可靠传输特性，快速完成配电环节数据和指令交互，并通过5G的广覆盖解决海量终端与主/子站连接问题。主要用于配电网日常检测和供电可靠性环节；分布式配电自动化主要是配电网三遥业务，包含遥信（设备状态的监视）、遥测（被测变量的测量值）和遥控（改变运行设备状态的指令）。在电网中各类配电智能XTU（包括DTU、FTU、TTU等）设备与配电主站之间通过5G网络进行通信，上行传输遥信状态和遥测数据，下行传输遥控指令。

4.2 差动保护

差动保护把被保护的电气设备连同其线路看成是一个节点，正常时流进被保护设备的电流和流出的电流相等，差动电流等于零。当设备或线路出现故障时，流进被保护设备的电流和流出的电流不相等，差动电流大于零。通过对差动电流进行判断，进行线路和设备保护；采用5G网络的差动保护主要用于分布式新能源和配电网之中。

目前的差动保护主要采用光纤网络时间，是通过光纤将传输输电线两端的电气量，从而进行比较以判断故障范围，实现故障的精准隔离。但35 kV以下配网未实现光纤覆盖，且部署场景复杂多样，通过5G低时延和高可靠，可代替光纤网络完成差动信息在电网智能终端之间的传输，通过对比电流等参数变化，就地执行跳、合闸操作，实现故障隔离及恢复功能。

4.3 精准负荷控制

传统配网由于缺少通信网络支持，通常只能切除整条配电线路。通过精准控制，优先切除可中断非重要负荷，例如电动汽车充电桩、工厂内部非连续生产的电源等。

通过5G的低时延、高可靠传输，可快速将配电环节电网负荷信息反馈到控制中心，按照用电客户重要性，进行快速负荷切换，提升供电可靠性。

4.4 电网巡检和综合监控

电网中的高压配变电站、高压输电线路、危险地域、人员不易抵达地域采用机器人、无人机等方式携带高清摄像机或专业设备，通过5G无线网络可将现场采集的视频实时回传至分析中心，代替人工方式对危险地域的电网进行信息采集，并通过综合分析减小险情，在提升效率的同时提升电网可靠性，针对电网巡检和综合监控，采用智能巡检机器人/无人机来替代变电站原有的人工巡检，利用智能巡检机器人的自主/手动巡检、红外测温、图像识别、视频监控、环境参数监测等功能，对变电站进行全天候的巡检和数据测量，以保障机器人在变电站内能够及时发现设备外部和内部的安全隐患，形成报表和告警信息，提醒工作人员及时处理。在发生异常紧急情况时，巡检机器人还可以作为移动式的监控平台，由人工手动控制到指定位置，查看设备情况，及时查明设备故障，减低人身安全风险。

该场景主要是通过5G的大带宽、高可靠特性，将输变电线路、变电站高清视频传输到电网，按照用数据分析中心，进行综合分析，进行险情预判和处理，提升电网坚强性。

4.5 高级计量

当前电网主要采用低压集抄方式进行用电信息采集，采集频率低，数据量小；为更有效地实现用电削峰填谷，实现用户双向互动营销模式，支撑更灵活的阶梯定价，未来计量间隔将从现在的小时级提升到分钟级，每个终端的数据量将达到Mbps，从而达到准实时的数据信息反馈；同时在产业技术的推动下，未来智能电表，智能插座等直采方式将逐步推广，终端连接数量和目前相比将有50-100倍的提升。

高级计量就是各类智能电力终端通过5G网络进行通信，传输用电数据。其主要是通过5G大连接特性将海量电表数据反馈到电网子站/主站，并通过广泛覆盖的特性解决复杂环境中，部署的应用终端连接问题。

4.6 语音和应急多媒体

5G可为应急通信现场多种大带宽多媒体装备提供高带宽回传能力，支撑电力应急现场高清视频通信、语音通信、集群通信、多媒体指挥调度等业务。通过融合无线网关、5G应急通信车，采用5G大带宽和边缘特性，利用5G无线公网，实时变电站等应急场所高清视频回传，开展远程协商，高效监控现场状态，为决策提供依据。

5 结束语

现有的智能电力通信网络在配电通信网侧，由于点多面广，海量设备需实时监测或控制，信息双向交互频繁，且现有光纤覆盖建设成本高、运维难度大，公网承载能力有限，难以有效支撑配电网各类终端可观可测可控。随着大规模配电网自动化、低压集抄、分布式能源接入、用户双向互动等业务快速发展，各类电网设备、电力终端、用电客户的通信需求爆发式增长，迫切需要构建安全可信、接入灵活、双向实时互动的“泛在化、全覆盖”配电通信接入网，并采用先进、可靠、稳定、高效的新兴通信技术予以支撑，实现智能电网业务接入、承载、安全及端到端的自主管控。5G技术为配电通信网“最后一公里”无线接入通信覆盖提供了一种更优的解决方案，为电力行业用户打造定制化的“行业专网”服务，相比于以往的移动通信技术，可以更好地满足电网业务的安全性、可靠性和灵活性需求，实现差异化服务保障，进一步提升了电网企业对自身业务的自主可控能力。

智能电网是关系国计民生和国家能源安全的重要基础设施，其生产运行高度依赖网络和信息化。从宏观层面，全球各国已达成共识，5G 已成为全球各国数字化战略的先导领域，是国家数字化、信息化发展的基础设施。

从技术角度分析，论文提供了智能电网多业务泛在接入立体化解决方案，对于实现终端可信接入、业务灵活定制、资源可管可控的“泛在化、全覆盖”配电通信接入网，具有重大实践意义。论文端到端5G网络切片可以满足电网核心工控类业务的连接需求，5G超低时延（1ms）、海量接入（10M连接/平方公里）的特性可以很好的匹配电网工控类业务需求，符合智能电网工业控制和信息采集类典型业务场景需求。

从应用部署分析，论文提供了智能电网多业务泛在接入立体化解决方案，基于5G端到端切片的多业务泛在智能电网，不仅能够使能全新的电网工控类业务，还能够完美的继承现有通过2/3/4G公网支撑的信息采集类业务，从而实现电网内部多切片混合组网、统一管理、统一运维，有效帮助电网客户节省成本。为全面感知、高效传输、实时在线、智能决策的全业务泛在电力网络建设，奠定坚实的技术基础。