数字特高压行业专网方案研究*

［许文秀 麦磊鑫 李建林 管郭炜 张秋菊］

1 引言

5G 是全球新一轮科技革命和产业变革的代表核心技术之一，是实现“万物互联”、人机交互的新兴战略性通信基础设施。特高压直流输电系统，则是另一张中国工程的国家名片。南方电网超高压公司承担着国家能源“西电东送”的重要使命，所辖运维南方电网公司“八交十直”的西电东送主网架。安全、可靠、绿色、高效，以人民为中心，全面满足用户对美好生活的能源电力需求是南方电网公司的价值体系。然而伴随着电网系统高可靠性的要求，必然带来更高的运维要求。

为推动智能电网发展和数字化转型，实现更高水平的运行维护，提前发现设备微小隐患，减轻基层一线班组负担，打通管理与运维的壁垒，南方电网公司从2018 年开始探索5G 与智能电网的结合。[1]其中南方电网超高压公司与中国电信广东公司开展了融合5G 的智能特高压换流站行业专网建设、应用技术研究及业务验证。通过解决末端海量物联数据接入的通信“卡脖子”问题，推进5G+智能电网应用研究工作，构建5G+数字电网生态圈。[2]

1.1 行业痛点

当前电力行业各电压等级的换流站、变电站、电力大厦、电厂等大型电力园区内存在多种类型业务，包括大量生产控制、管理信息业务，该类业务均通过有线形式接入电力网络，连接到后端系统主站。大量的有线连接建立在一个封闭的园区内，存在很多痛点。

痛点1：大量线缆的布放占用大量空间及施工量。

痛点2：新建站点/园区需要预留未来的线缆布设空间，浪费资源；老旧站点新增业务布线改造难度大，影响原有业务；

痛点3：不同业务数据使用不同连接线缆，业务越多线缆越多；

痛点4：生产控制业务无法通过无线接入。

1.2 行业需求

构建安全可信、大带宽、低时延、海量传感器的行业专网，在特定的保障需求下，可脱离运营商主干网络独立运行。

目前南方电网高等级的变电站/换流站应用中基于安全考虑，仍存在最后一公里无线通信瓶颈。以光纤通信网络作为支撑各类设备通信的骨干网络，缺乏安全、可靠、保密的日常运行维护移动通信支撑，而4G、WIFI 等技术手段因安全性不足，无法接入电力管理安全区。随着大规模视频监控、移动作业、应急通信、站内通信等大带宽型视频、图像、语音流业务；以及在线检测、传感表计、环境监控、无线定位模块等低功耗窄带数据采集业务快速发展，迫切需要构建安全可信、大带宽、低时延、海量传感器的园区行业专网，并采用先进、可靠、稳定、高效的新兴通信技术及系统予以支撑，在特定的保障需求下，可脱离运营商主干网络独立运行，这是特高压电网发展对5G通信网提出的新需求。

2 数字特高压5G 行业专网设计

2.1 总述

电力有刚需，5G 有能力。基于电力行业对业务可靠、安全可信、可管可控的需求，作为5G 赋能行业数字化转型的领跑者，中国电信联合南方电网超高压公司及产业链上下游合作伙伴，开创性地提出了“数据不出站，孤网可运行”的如翼5G 数字特高压换流站定制网方案，[3]为智能电网提供泛在、灵活、经济、可靠、安全的无线通信技术，解决传统电网被通信卡脖子的痛点，更好赋能行业数字化转型升级。

2.2 顶层设计架构

根据客户需求，整个项目的顶层设计架构如图1 所示，[4]包含了以下内容。

（1）安全敏感网络

面向特高压换流站这类安全敏感型企业，采用电信如翼模式定制专网。通过定制专用基站、专用频率以及专用园区级轻量化5GC 等专用网络设备，[5]为换流站提供一张隔离的、端到端高性能的、可管可控可靠的专用接入网络，同时按需定制MEC 与电力应用。

（2）云网融合

通过5G+边缘UPF+MEC 的云网融合技术，[6]最大发挥云边协同的优势，提供带宽增强、低时延、数据不出园、业务不中断的5G 专网服务。

（3）定制化应用

通过5G QOS 保障、人工智能、大数据、云计算、数字孪生、传感器等技术实现对特高压换流站人、机、物全要素的数据采集、分析和呈现。

（4）智能终端

通过5G 高清摄像头、巡检机器人、传感器/表计、智能安全帽、单兵终端等智能终端与5G 技术的融合，助力特高压换流站生产运营的高安全、高效率、数智化发展。

图1 项目顶层设计架构

2.3 行业专网方案

在超高压园区建设电信如翼5G 定制网，如图2 所示，主要包含5GC 下沉网元（含AMF、SMF、UDM 和UPF 等）、数通设备、宏站及室分小基站等专用网络设备，覆盖整个南网超高压东方换流站。同时建设专用MEC（移动边缘计算）平台，接入5G 摄像头、移动单兵、机器人等设备，打造智能检测、机器人巡检、智能安监、智慧工地、移动作业、事故处理及应急指挥等5G 应用场景。

图2 项目总体组网架构图

（1）无线网方案

5G 定制网室外无线覆盖方案：在换流站内辅控楼梯间顶新建一个电力独享5G 宏站，频率与5G 公网错开，天线挂高20 m，满足换流站室外5G 信号全覆盖。

由于特高压换流站建筑墙体较厚，且墙外有金属屏蔽网，室外宏站无法覆盖室内。故根据业务需求，在主控楼主控室、继保室等室内区域部署电力独享5G 数字化室分，满足楼宇建筑室内业务的信号覆盖需求。

（2）承载网方案

因特高压换流站的高安全等级要求，本方案站内传输均采用电力承载网。BBU、UPF 和MEC 就近部署于特高压换流站内，边缘UPF 通过电力承载网进行跨地市的信号传输，在超高压总部通过新增的防火墙与运营商STN对接，与电信核心网互联互通，同时经防火墙与电力应用中心接通，整个承载方案确保业务数据在电力内网流通，安全可靠不外泄。

在本方案下，数据流可分为大网-园区控制流、园区网控制流及数据流，相关信息流向如图3 所示。

（3）核心网方案

核心网方案详如图4 所示，将共用电信公网5GC 控制面网元，对电力业务进行会话管理；电力转发面独享，换流站园区内部署独享UPF+MEC，电力业务在换流站园区内部留转。

换流站园区业务N3/N6 数据流本地终结，数据流总体均在换流站内流转，满足“数据不出站”的要求。

公网与专网正常连接时，轻量化UDM、AMF、SMF进行实时备份，基站由公网5GC 调控；公网与专网链路断开时，基站由轻量化备份5GC 网元调控，实现已在线用户业务不中断，新激活用户可接入，满足“孤网可运行”的要求。

（4）切片方案

根据电力行业“横向隔离、纵向加密”的业务安全隔离要求，本项目涉及的生产管理区（安全区Ⅲ）和管理信息区（安全区Ⅳ）的业务数据需做逻辑隔离，通过5G 切片将不同分区业务转发至对应的数据服务器，[7]具体如表1 所示。

图3 换流站5G 承载网络信息流示意图

图4 核心网示意图

表1 电力业务对应切片分区

3 5G 数字特高压应用场景设计

3.1 智能检测

智能检测示意图如5，通过在SF6 等仪表附近安装摄像头、机器人巡检、数字化仪表替代等方法探索替代人工定期统计的可能，实现设备状态智能检测。摄像头、巡检机器人、数字表计等终端接入5G专网，数据经园区UPF 转发至内网系统，实现系统对相关参数的实时监测，及时主动对异常数据发出告警，促进特高压换流站业务的高效、安全运营。

图5 智能检测示意图

3.2 5G 机器人巡检

机器人巡检示意如图6 所示，方案中配置CPE 等5G终端设备，与巡检机器人捆绑。巡检机器人通过CEP 接入5G 网络，将采集的数据、图片及视频实时上传至站内的机器人控制平台，实现机器人实时巡检。

图6 5G 机器人巡检示意图

3.3 移动作业

通过5G 专网的部署建设，换流站内运行巡视、缺陷记录、高压预试、继电保护定检等多项业务均可以通过5G 平板实现作业现场在线实时接收派工，如图7 所示，在线记录新缺陷或查询历史缺陷、试验数据，就地开展数据对比，评估设备状态。5G+移动作业的成功应用，极大提升了现场作业智能化水平，提高作业效率，助力安全生产。

图7 移动平板作业示意图

3.4 智能安监

本方案通过前端的5G摄像头、移动单兵等设备接入5G 专网，高清视频数据实时上传至部署于电力MEC 的视频分析平台。该视频分析平台已搭载人脸识别、安全帽识别、工作服识别、安全带识别、危险区域检测、作业区吸烟检测、手扶梯检测、打瞌睡检测、人群态势分析、指针仪表识别等功能算法，通过5G网络低时延大带宽传输，实现实时园区车牌识别，人脸识别，人员着装、是否戴口罩等检测，现场违章，无处遁形。

3.5 智慧工地

如图8 所示，针对施工现场的紧急、随机且不可控的特点，采用智能闸机、移动式监控球机、智慧安全帽、人员定位等5G 移动终端，与智慧监控系统相结合，实现作业人员、作业任务、作业进度、质量监控、信息报送、应急沟通等全渠道管控，[8]大大提升整体检修（施工）效率，有效减少停电时间。

3.6 事故处理及应急指挥

如图9 所示，通过5G 技术实现“前方精兵与后方专家”模式的实时沟通，打通数据和信息壁垒，使后方专家也能第一时间获取现场一手信息数据。在现场人员应急处置的同时，后方专家数据核查，资料调取，事故溯源，方案制定，人员安排，物资调配等工作同步开展，最大限度发挥数字化带来的生产力提升，极大的缩短了应急的时间，较常规处理方式时间可缩短一半以上，高效保障能源主动脉畅通。

4 项目成果

本项目除部署电力专用5G 无线基站外，还部有电力专用轻量化5GC 及电力专用MEC，网络建设成本较大。但随着5G 专网成规模推广应用，其余深圳市内甚至广东省内的换流站可与东方换流站共享一套核心网络，只需建设专用无线基站或按需部署边缘UPF 即可，均摊建网成本，极大降低单个换流站的专网建设费用，同时定制专网的集中运维管理特性也大大降低南网超高压公司的专网维护成本。

图8 智慧工地示意图

目前项目已商用6 类5G 终端，覆盖智能检测、5G 巡检机器人、移动平板作业、智能安监、智慧工地、事故处理及应急指挥共6 个典型场景，在网终端有100 多台。

图9 事故处理及应急指挥示意图

在网络层，定制专用基站、专用频率以及专用园区级轻量化5GC 等专用网络设备，实现换流站“数据不出站，孤网可运行”，同时按需定制MEC 与电力应用。部署了1 个专用室外宏站和1 套专用室内分布系统，室内外所测RSRP>-105 dBm 的比例为98%，满足覆盖需求。

5 结束语

如翼5G 专网在电力生产安全等级最高的特高压换流站实施落地，对于其他行业严苛的安全生产所需的极致网络具有同样示范意义。

首先充分利用5G 通信技术可提供毫秒级的网络延迟和千兆级别吞吐量，及海量物联网传感器接入的技术优势，打造数字特高压系统；其次，由于5G 技术采用授权频段，因此电信运营商将除了提供高水准服务等级协定外，还可以提供身份验证和核心网信令安全，充分保障信息安全。第三，保障数据不出园区，特殊时刻，可脱离主网孤网运行，可彻底切断与外部网络的联系，对于保障高价值目标的网络安全，具有重大意义。

该方案在电力生产安全等级最高的特高压换流站实施落地，不仅可对南方电网、国家电网的各等级电站场景具有示范意义，同时对于其他电力、能源、工业、科研、金融等具备高安全性、高可靠性、高保密性的场所具有同样示范意义。