（2020年度“华苏杯”获奖论文一等奖）基于5G电力专网的大规模源网荷精准控制系统

2022-01-19吕艳艳陈永波任祖怡

江苏通信 2021年6期

关键词：专网切片时延

吕艳艳陈永波任祖怡

1.中国移动集团江苏有限公司南京分公司；

2.中兴通讯股份有限公司；

3.南瑞继保电气有限公司

0 引言

随着我国特高压交直流电网快速发展，风电和光伏等新能源大量并网，远距离跨区输电规模持续增长，特别是在电网“强直弱交”的过渡期内，一旦特高压直流闭锁或交流电网故障，受端电网必须在200ms内切除大量负荷才能保住电网稳定。但传统的电网稳定控制技术只能直接切除变电站馈线，这将导致许多工厂和居民小区直接停电，会对停电地区的居民生活和社会生产带来影响，产生巨大的经济损失。解决的可行办法是对生产生活电力负荷进行区分，对部分电力用户可中断负荷，如非生产制冷或供热、普通照明、非关键辅助性设备等可中断负荷进行定点定量的精确切除，在电网发生事故后，做到切负荷量的“精确”和对象的“准确”。而在用电负荷密集的受端电网，分布式新能源接入了大量光伏电站、储能电站，电网发生事故后也需要紧急对各种可控资源进行协调控制。

因此有必要建设大规模源-网-荷精准控制系统（以下简称“精准控制系统”），这样既能保证大电网的稳定，又能将停电影响降至可容忍级别，最大限度减少电网事故带来的经济损失，降低对生产生活的影响。但是我国电力系统的电力通信网络已经遍布500kV～110/35kV变电站，却并没有连接各个工业企业用户的变电站。一个大型城市需要控制的用户终端数量高达数万，铺设光缆的投资巨大，需要考虑部署灵活、成本较低、可靠性高、安全性高的通信方式。

针对此问题，中国移动通信江苏有限公司南京分公司（以下简称“江苏移动”）、南瑞继保电气工程有限公司（以下简称“南瑞继保”）、中兴通讯股份有限公司（以下简称“中兴通讯”）、东南大学等单位进行联合创新，立项开发“基于5G电力专网的大规模源网荷精准控制系统”解决方案。

需求分析：由于精准控制系统需快速恢复大电网供需平衡、确保电网频率在直流闭锁故障发生后约200毫秒内恢复至正常值（电网频率50Hz），除去用户变电站10kV/380V断路器的动作延时以及其他必要的处理时间，留给最后一级通信环节的延时必须控制在20ms以内。对通信的需求中，重点强调时延、可用性、安全性、可靠性。

具体通信需求如下：（1）带宽＜2Mbps；（2）时延：控制主（子）站到终端时延≤20ms，抖动＜5ms；（3）可靠性：通信可靠性＞99.999%；（4）连接密度＜1000/百km2；（5）网络切片：端到端硬切片，独享切片资源；（6）安全：强安全需求，要求资源独享，物理隔离，数据加密；（7）精度：授时精度＜10us；（8）通信方式：主从方式，永久在线，连续高频通信；（9）接入5G网络方式：通过专用CPE连接，通信协议适配。

1 基于5G电力专网的大规模源网荷精准控制系统解决方案

1.1 方案设计理念

资源灵活管控：在电力系统方面，对各类发电资源、电网资源、负荷资源进行灵活化处理，通过采用一系列智能电网关键技术和先进ICT技术，实现软件定义电网，使得电网运行更灵活，调控能力大幅提升。对通信网络，特别是5G网络，通过切片、VLAN、VPN、SDN、NFV、AI、虚拟化、转控分离等资源灵活化技术，实现软件定义网络，使得5G网络运行运营更灵活。

定制化服务：供电服务能够实现个性化，实现源网荷友好双向互动，在应对电网故障、提供供电服务时，可以做到对用户的不同用电设备、系统，以及不同的电力用户实现区别对待，实现差异化个性化的供电服务。5G网络通过切片、MEC、UPF下沉等技术，实现通信连接服务的个性化，满足特定业务场景的特殊定制化通信连接需求，保证服务质量。

切片分区隔离：对负荷进行精细区别分类，在传统负荷分级的基础上，进一步在用户区域内进行类别区分，区分出可中断负荷、连续供电不可中断负荷等类别。在此基础上，对用户用电负荷进行精确精准调控，既可应对电网调控需求，也能保证用户生产安全。通信网络资源纵向通过切片技术分割，专项专用。就近分流转发，减少路由转发环节，降低时延，实现横向区域隔离，实现数据流“围墙”，控制故障或破坏的影响范围。

系统效率优化：对各类传统发电、新能源发电、各种储能、各环节各类别电网、各种负荷等电力资源进行整体调控优化，减少故障造成的大范围影响，实现系统运行效率的最大化。对通信网络资源进行整体优化，通过切片技术、MEC+UPF、时延控制、安全增强等，实现差异化个性化服务，既能保证质量，又能最大程度优化网络效率。

1.2 整体方案介绍

1.2.1 总体架构

方案设置双控制主站，控制主站下设置若干个切控制子站（500kV变电站或220kV变电站），该子站通过高速通信网直接控制大量控制终端。系统组成架构如图1所示。

图1 大规模源网荷精准控制系统架构图

控制主站分别与各个控制子站通信，汇集全网的可中断负荷量和可调控分布式能源量的信息，统计本地区可调控资源总量。控制主站和直流受端电网安全稳定控制系统的主站通信，在直流闭锁等故障发生后接收后者发来的切负荷或调控分布式能源的命令后，按照一定策略分配给各个控制子站，控制子站再根据优先级顺序和调控对象类别将切负荷或调控的分布式能源量匹配到安装在各个工业企业用户变电站或配电房的精准控制终端所控制的可中断负荷开关。子站也会通过向电网内所有储能电站发送控制命令让处于充电状态的储能设备快速切换为最大放电状态。精准控制系统功能流程如图2所示。

图2 精准控制系统功能执行流程图

1.2.2 通信方案

根据大规模源网荷精准控制系统组成架构，整个系统部署在电力生产控制区，属于安全生产I区，通信链路需要物理隔离。控制主站与子站之间采用电力光纤专用通信网，保证安全隔离、可靠性和时延的要求。子站与精准控制终端之间，可根据现场情况，在不具备光纤覆盖的区域使用5G网络进行承载。

5G网络用于此业务部署时，由5G网络运营商提供强隔离的电网专用切片，一方面，5G网络切片基于PRB资源预留、FlexE硬切片、UPF下沉技术可提供端到端物理级别隔离强度，满足电力业务物理隔离要求；另一方面，通过MEC+UPF下沉，以及5G的电力精准控制业务数据在本地转发接入电力专用光纤通信网，通过数据分流就近转发，降低通信时延，满足超低时延要求。下面介绍5G网络端到端切片及MEC边缘计算方案。

1.2.2.1 5G切片专网方案

5G智能电网切片电力专网精准控制系统“最后一公里”智能终端的连接问题，通过切片提供差异化的网络服务，实现大量终端的灵活、安全、可靠、实时接入。基于5G网络切片及多接入边缘计算MEC等技术的发展和完善，为电网用户体验、业务高可靠的安全隔离提供服务能力，实现电力专网运营。每个端到端切片均由核心网、无线网、传输网等子切片组合而成，并通过端到端切片管理系统进行统一管理。

图3 显示了通过5G切片技术实现电力专网功能。该方案可为电力等行业部署电力专网切片，包括5G空口、网络切片以及MEC等多个新特性，满足智能电网各种不同的业务需求，具备以下能力和特点：①端到端超低时延通信，时延＜20ms；②电力终端设备对设备通信；③5G电力切片为不同电网业务提供差异化的服务，对控制业务提供强安全隔离服务；④部署在网络边缘的MEC提供网络能力开放、超低时延、数据就地分流和用户就近计算资源的服务。

图3 5G切片专网实现方案

（1）核心网子切片

核心网采用云原生和微服务等虚拟化技术，进行各种类型切片的构建和部属，包括eMBB（Enhance Mobile Broadband，增强型移动宽带）、uRLLC（Ultra Reliable & Low Latency Communication，低时延高可靠通信）、mMTC（Massive Machine Type Communication，海量物联网通信）等各种类型切片的构建、签约和选择。网络切片组网如图4所示。

图4 5G核心网切片组网方案

NSSF和NRF作为5GC公共网元，以PLMN或者大区为单位部署；AMF、PCF、UDM等NF可以共享为多个切片提供服务；SMF、UPF等可以基于切片对时延、带宽、安全等的不同需求，为每个切片单独部署不同的NF。对于本项目，电网安全生产控制区，部署专用切片。专用切片媒体面和控制面网元在各切片之间都不共享，可以为智能电网的生产控制业务单独部署，可用于差动保护、同步相量测量、精准控制、电力应急通信等隔离度高的应用场景。

本项目5G电力专网方案中，为精准控制业务提供专用切片，采用专用虚拟核心网网元，与5G公网及其它行业业务进行高度隔离方案。

（2）无线网子切片

无线接入网为终端提供无线覆盖，并通过承载网实现与核心网的连接。在切片支持上，RAN支持对核心网切片的选择。接入侧的切片能力更多的体现在不同的参数配置和调度上。参数配置包括无线资源配置、策略配置、协议栈功能配置等。本项目为精准控制业务提供专用无线覆盖，采用室内QCell，在智能控制终端的区域专用，实现无线覆盖的物理隔离。

（3）承载网子切片

承载通过物理网络虚拟化实现网络切片，不同网络切片间的隔离性取决于采用的切片技术，例如，FlexE、FlexO等技术具备构建刚性管道的能力，在满足更高安全隔离要求的同时还能实现底层快速转发，可以进行灵活选择，满足不同类型业务对承载网络的要求。

（4）切片运维

5G端到端的切片涉及到接入网、传输网和核心网等多个网络设备，因此切片的部署和管理都面临着巨大的挑战。切片的运维管理需要支持如下关键技术：

①切片的按需定制：系统需要根据用户需求进行定制化的网络切片设计，快速满足应用场景和多样化的客户需求；

②自动化切片部署：根据用户的业务和订购以及SLA（Service-Level Agreement）要求，自动完成网络切片的部署，实现用户业务的快速交付；

③SLA的监控与保障：在切片的运行过程中，搜集并监控网络切片的SLA，以确保网络切片的性能；

④自动业务开通与激活：从切片的订购、编排、部署到激活采用全自动化技术；

⑤智能化与自动化：系统可以通过引入自动化闭环保障、根因分析、AI等技术实现切片运维的智能化和自动化。

1.2.2.2 MEC+UPF下沉

多接入边缘计算（MEC）技术是把云计算平台从移动核心网络内部迁移到移动接入网边缘，实现计算及存储资源的弹性利用。MEC系统位于无线接入点及有线网络之间。在电信无线蜂窝网络中，MEC系统可部署于无线接入网与移动核心网之间。

MEC应用于5G电力专网，可带来如下便利：

（1）MEC运行于网络边缘，逻辑上并不依赖于网络的其他部分，这对于安全性要求较高的应用来说非常重要，适用于差动保护、精准控制等电网业务场景。

（2）MEC距离用户或信息源在地理上邻近，使得网络响应用户请求的时延大大减小，也降低了传输网和核心网部分发生网络拥塞的可能性。用户数据通过部署在就近的UPF网元进行就近分流转发，实现用户数据仅在用户区域进行传输和接入，不通过广域网络多次转发路由，降低被截获、泄露和被恶意攻击的可能性。通过部署在各地园区、局部区域的UPF，同类用户在多个区域之间实现隔离，避免在5G网络中互联互通，一定程度上也规避了出现安全隐患对全局产生影响。

（3）位于网络边缘的MEC能够实时获取例如基站ID、可用带宽等网络数据，以及与用户位置相关的信息，从而进行链路感知自适应，并且为基于位置的应用提供部署的可能性，可以极大地改善用户的服务质量体验。

2 方案成效

基于5G电力专网的大规模源网荷精准控制系统解决方案，采用5G切片专网连接用户终端、用户变电站，具备以下优势：（1）基于5G的精准控制业务，可更加灵活方便部署，大幅提升电网调控的灵活性，提升电网安全稳定运行水平，促进新能源消纳；（2）基于5G切片网络，可为不同电力业务提供差异化的5G网络服务，为末端智能控制终端提供灵活方便的连接支撑；（3）通过区分用户负荷种类，对可中断的灵活负荷进行调控，保障关键业务供电的连续性，为电力用户提供高质量供电服务；（4）终端通过5G无线网络接入，减少用户区域电缆、光纤部署施工，减少业务部署的用户干扰，同时基于5G网络，实现电力终端通信的可管可控，包括连接管理、设备管理、业务管理、专用网络切片管理、认证和授权管理等创新业务。