5G电力专网架构及关键技术*

2023-03-07俞观晔孙旦李坤徐群

移动通信 2023年1期

俞观晔，孙旦，李坤，徐群

（1.中浙信科技咨询有限公司，浙江杭州 310014；2.中国电信股份有限公司浙江分公司，浙江杭州 310001；3.国网山东省电力公司青岛供电公司，山东青岛 266002）

0 引言

我国高度重视5G战略地位，大力推进5G技术、标准和产业发展。2020年3月，工信部提出加强5G技术和标准研发，组织开展5G行业虚拟专网研究和试点，打通标准、技术、应用、部署等关键环节。2021年，国家能源局等十部门印发《5G应用“扬帆”行动计划（2021-2023年）》的通知。行动计划中指出5G+智慧电力要突破电力行业重点场景如5G确定性时延、授时精度、安全保障等关键技术，开展基于5G的电力通信网络的改造和应用场景的试点和规模推广。

弹性、智慧的电网将是电力未来发展的方向，要实现这一目标就需要一张高智能、高可靠、高灵活的通信网络来支撑。国内外已经有相应5G专网的研究，5G核心网组网方案大部分采用公网公用，小部分采用公网专用。公网专用的模式较为单一，没有控制面下沉和专网专用的分析；现有方案缺乏对5G LAN和端边协同等5G核心网关键技术与电力业务场景融合的分析；目前缺乏5G电力专网实际落地案例的分析、对比以及对规模化商业应用的前瞻。因此本文着重对5G电力专网架构及关键技术进行研究分析和补充。

本文首先从电力各环节业务和典型业务场景对通信网络的需求开始分析，说明电力智慧化发展迫切需要有一张具备大带宽、低时延高可靠、广连接等特性的5G通信网络。然后提出适合电力业务场景需求的5G软、硬切片专网方案，着重介绍公网专用、专网专用2种5G核心网组网架构，同时分析5G核心网5G LAN、端边协同等重要关键技术能满足电力业务对通信网络时延、安全、端到端通信的高要求。最后以2个应用5G电力专网实际落地的案例来证明现阶段5G电力专网已基本能满足电力业务对带宽、时延、安全等方面的需求，同时提出5G电力专网规模化商业应用还需解决5G切片颗粒度偏大、业务开通不够智能化、产业链升级缓慢、关键技术还需迭代等问题。

1 电力业务分析

1.1 电力业务特性分析

电力业务涵盖“发”、“输”、“变”、“配”、“用”等多个环节，涉及电力业务众多，各项业务对网络的需求也各不相同。要实现电力数据和信息的海量接入和可靠传输，适应电力业务的不断发展，满足差异化电力业务对通信和安全的需求，需要对各环节电力业务进行分类并分析其特性。

通过对电力业务各环节的调研和分析，就区域范围来说，发电环节有火电、水电、核电、风能发电、分布式光伏等，其中火电、水电、核电大多是封闭式园区，以局域为主，风能发电、分布式光伏则以广域为主。输电环节，目前35 kV以上已具备完善的光纤骨干网和高可靠的数据网络，大多以广域为主。变电环节，变电站内以局域为主，室外变电以广域为主。配电环节，大部分为广域控制类业务。用电环节，目前以广域数采为主。

从业务安全分区来看，安全分区是电力监控系统安全防护体系的结构基础，原则上划分为生产控制大区和管理信息大区。生产控制大区可以分为控制区（又称安全区I）和非控制区（又称安全区II）。管理信息大区是指生产控制大区以外的电力企业管理业务系统的集合。

从电力业务场景来看，可以将电力业务分为控制类、信息采集类、移动应用类3种。控制类业务对通信传输时延、通道可靠性要求极高。信息采集类电力业务数据量众多、部分对通信频次需求低、节点分布广、分散性强。移动应用类业务主要针对电力生产管理中的中低速率移动场景，通过现场可移动的视频回传替代人工巡检，而高清视频的回传往往对通信带宽会有较高的要求。控制类、信息采集类、移动应用类电力业务需求将呈现出更加明显的多样化特征，不同业务对网络带宽、时延、可靠性的需求差异很大。电力各环节典型电力业务对通信的要求如表1所示。

表1 电力各环节典型电力业务对通信的要求

1.2 典型电力业务场景需求分析

（1）场景描述

1）变电站智能巡检

利用视频采集设备的机器人，按特定线路移动并配合多路高清摄像头，将现场采集的高清视频图像实时回传至边缘节点，在边缘云上进行合成和渲染，调度中心可更加全面地了解设备运行情况，排除隐患，确保电力系统安全稳定运行。

2）配网差动保护

配电自动化终端DTU（Data Transfer Unit，数据传输设备）定期给同一条配网线路上的其它终端发送电流矢量值，DTU终端通过比较两端或多端同时刻的电流矢量值，当电流差值超过门限值时判定为故障发生，并就地执行对应的差动保护动作；每一个保护终端都通过通信通道将本端的电气测量数据发送给对端，同时接收对端发送的数据并加以比较，判断故障位置是否在保护范围内，决定是否启动将故障切除。

3）计量自动化

该场景属于用电环节，计量自动化将以智能电表为基础，开展用电信息深度采集，满足智能用电和个性化客户服务需求。

（2）网络需求

上述变电站智能巡检、配网差动保护、计量自动化三个典型电力业务场景对通信网络的需求如表2所示。

表2 典型电力业务场景对通信网络的需求

2 5G电力专网

通过上面电力业务分析，从业务分布区域属性来看，可以分为广域业务和局域业务2大类；从安全分区来看，有高安全可靠性要求的生产控制大区业务和相对没那么高要求的管理信息大区业务；从业务场景来看，又可以分为控制类、信息采集类、移动应用类3种。各类电力业务对通信网络的带宽、时延、可靠性、连接数、安全性等要求都完全不同，因此需要设计差异化的5G电力专网组网方案来满足不同电力业务的需求。5G电力硬切片专网承载电力控制类业务，5G电力软切片专网承载电力非控制类业务。5G电力专网组网方案如图1所示。

图1 5G电力专网组网方案

2.1 5G电力切片专网方案

5G电力切片专网是一组网络资源组合（涵盖无线网、承载网、核心网），与切片标识S-NSSAI（Single Network Slice Selection Assistance Information，网络切片选择辅助信息）对应，在同一张电力切片中可以配置多个DNN（Data Network Name，数据网络名称）来区分不同的电力业务，是业务隔离保障的主要依据。

◆硬切片专网：网络端到端配置专用资源、硬隔离管道，不与公众、其他业务混用。

◆软切片专网：网络资源复用运营商面向垂直行业的切片资源，做不同程度的逻辑隔离。

（1）5G电力硬切片专网

1）核心网

5G核心网可以分为控制面和用户面，控制面网元主要包含AMF（Access and Mobility Management Function，接入和移动性管理功能）、SMF（Session Management Function，会话管理功能）、NSSF（Network Slice Selection Function，网络切片选择功能）、UDM（Unified Data Management，通用数据管理）等，用户面主要为UPF（User Plane Function，用户面功能）。其中与电力客户业务转发强相关的网元主要为AMF、SMF、UDM、UPF。在电力终端接入5G网络基本信令及连接建立后，SMF、UPF将负责电力业务的会话管理和业务转发，具体包括SMF负责电力业务的IP地址分配管理、UPF选择、策略实施、QoS中的控制部分、计费数据采集、漫游等功能。UPF负责电力业务的路由转发、策略实施、流量报告、QoS处理等，相当于业务出口网关。

2）承载网

FlexE（Flexible Ethernet，灵活以太网）在以太网技术上实现基于时隙传送，实现物理隔离和带宽保证，构建端到端路径。承载网通过FlexE从硬件层面解决不同类型业务隔离问题，面向业务提供确定性SLA服务，实现差异化业务承载。

3）无线网

无线网采用以小区为粒度进行RB资源预留，实现电力业务承载到预留的RB资源上，与其他非电力业务实现隔离，避免干扰。

（2）5G电力软切片专网

1）核心网

通过运营商5G核心网和共享UPF承载电力各类非控制类业务。

2）承载网

基于承载网VPN+QoS方式实现，实现方式遵循业务规范和组网策略，无线基站将不同优先级的电力业务映射为不同DSCP（Differentiated Services Code Point，差分服务代码点）优先级，承载网通过DSCP优先级高低进行业务保障。

3）无线网

无线网通过设置不同的5QI（5G QoS Identifier，5G业务质量标识）值、实现差异化的QoS质量保障。

2.2 5G核心网方案

5G电力专网中核心网方案是最重要的内容，总体可以分为公网公用、公网专用（部分网元共享+部分网元专用）和专网专用（完全专用）3大模式，其中公网专用根据具体的独立专用网元不同，又可进一步细分为仅用户面UPF专用、以及用户面UPF+信令面部分专用2种子方案。公网公用是通过运营商5G核心网和共享UPF承载电力业务，下面重点分析公网专用和专网专用方案，5G核心网组网方案如图2所示。

图2 5G核心网组网方案

（1）5G公网专用

1）用户面UPF专用方案

根据电力业务需求，集中部署省级UPF，卸载省集中的业务流量，在各地市分别集中部署地市级UPF，卸载本市流量。对于变电站特殊场景，可考虑区级部署UPF，如以若干个变电站为一个区域，共用UPF。UPF基于“就近终结”原则进行部署，根据不同业务的管理单位不同，选择对应的三级UPF进行路由转发，确保进入电力专网的路径最短。

2）用户面UPF+信令面部分专用方案

专用UPF+应急模块（包含应急AMF、SMF、UDM功能）除满足安全隔离的基本要求以外，能够实现稳态业务不掉线，惯性运行；大网断连后，支持用户重新接入。

◆5GC控制面失联（连接控制面的N2/N4接口同时断连），在线业务惯性运行不中断，新用户可本地接入。

◆惯性运行用户流量UPF累积，新接入用户本地SMF服务话单缓存。

◆5GC控制面UDM负责所有签约操作，本地UDM服务仅支持查看。

◆5GC控制面恢复，断连后应急签约数据与5GC控制面同步，整体业务回迁。

（2）5G专网专用

为了业务完全独立、网络完全独立、运维完全独立，引入完全独立的轻量化5GC，结合UPF+MEC（Mobile Edge Computing，移动边缘计算），做到5G专网专用。这种组网方案能够实现业务本地自闭环，与运营商大网无业务联系；运营商大网发生操作或故障不影响本地业务；能在本地独立运维这张专用网络。

◆超高安全性，业务自主管理：本地全业务处理和用户数据管理，自主可控；内生安全防护，边缘联接安全可信。

◆超高可靠性，运营商大网发生操作或故障不影响本地业务：多级可靠性保障，5个9超高可用。

◆超高效率，智能运维：两级运维体系，边缘即插即用，一体化升级，版本快速迭代。

3 5G核心网关键技术

5G核心网采用了更方便、灵活的SBA（Service Based Architecture，基于服务的架构），控制面的功能分解成多个独立的网络服务，这些独立的网络服务可以根据业务需求进行灵活组合，每个网络服务和其他服务在业务功能上解耦，并且对外提供同一类型的服务化接口，为调用者提供服务。网络切片能为不同垂直行业、不同客户、不同业务提供相互隔离、功能可定制的网络服务，是一个提供特定网络能力和特性的端到端逻辑网络。MEC通过把云平台从移动核心网络的内部迁移到移动接入网边缘，进一步为终端用户提供高带宽、低时延的数据服务，并可大幅度减少核心网的网络负荷，降低数据业务对网络回传的带宽要求。

除了这些核心网关键技术以外，为了更好地满足行业应用的需求，核心网后续将向宽带实时交互、超低时延、与TSN（Time Sensitive Networking，时间敏感网络）相结合、万物智联等方向发展。下面将介绍和电力业务端到端低时延、高可靠、二层网络需求相关的核心网关键技术5G LAN和端边协同。

3.1 5G LAN

（1）5G LAN二层静态组播

电力配网差动保护，设备与设备（DTU）之间采用二层GOOSE消息进行通信，DTU作为发送端配置唯一的局域目的组播MAC发送数据，作为接收端配置接收组播MAC选择接收（接收相邻DTU的信号）。该场景的实现需要5GC的UPF支持5G LAN二层静态组播的能力。通过设定5G LAN组，在UPF上维护组播MAC转发的方式，实现DTU之间的消息互访，从而实现配网保护终端在电网的应用。

（2）5G LAN双发选收

为了满足电力业务对低时延、高可靠的需求，通过端到端的配合，可以通过PRP（Parallel Redundancy Protocol，并行冗余协议）的方式，实现双链路的通信网络。利用DTU已有的二层双发选收能力和5G LAN提供的5G原生二层组网能力，双链路在正常通信情况下可以逐包优选降低传输时延，在单个CPE故障情况可以下实现无需倒换和零丢包，有效满足电力业务对低时延、高可靠的需求。

3.2 端边协同

（1）端边协同热连接技术

端边协同热连接技术，通过在端侧预置确定性代理，与边缘UPF协同感知业务特征，在适当的时机，提前触发无线网络开启信道保持，使连接保持“热度”，减少从“空闲”状态进入“活动”状态的“激活”时间，达到减少上行时延的目的。该技术能有效减少周期性上行业务的随机时延5～20 ms，使整体平均时延减低约10 ms。同时，通过业务特征的精准识别，可以以更细的粒度控制无线开启信道保持的时间，达到节省信道资源开销的目的。

（2）端边协同时延保障技术

端边协同时延保障技术，通过在端侧预置确定性代理，与边缘UPF协同感知信道质量，在判断业务链路进入质差状态时，主动开启时延保障通道，通过快速补偿空口丢包，减少因突发干扰导致的概率性非连续丢包引入的时延，达到降低时延抖动的目的。该技术在邻区干扰、突发干扰等场景能有效抑制时延抖动和丢包率。对于时延敏感场景，强干扰情况下（平均干扰强度-82.0 dBm），时延稳定在40 ms以下。针对丢包敏感场景，强干扰情况下，能提高网络可靠性1—2个9。

4 5G电力专网应用与实践

通过5G配电自动化三遥和负荷控制2个5G电力专网试点项目来实践和论证5G电力专网相关性能。5G配电自动化三遥项目主要在点位上论证5G硬切片端到端通信、隔离和时延可靠性等性能。5G负荷控制项目在三遥项目的基础上，扩大应用规模和范围，以数百个点位在全省范围内试点应用，来论证规模化试点方案的可行性和成熟度。

4.1 5G配电自动化三遥

（1）场景描述

通过配电自动化终端DTU，采集监测配电线路实时状态，DTU上送信息到配电自动化主站，主站根据馈线线路或全网各节点DTU信息进行综合分析判断和处理；或者相邻的DTU之间进行通信，通过分布式分析判断或处理。从而进行线路故障或设备故障的判断、定位、隔离和恢复供电，保证供电可靠性。

（2）通信需求

配电自动化三遥对通信的需求如表3所示。

表3 配电自动化三遥的通信需求

（3）解决方案

方案基于下沉的独享UPF，使用定制DNN，通过N6接口直接进入电力内网；网络传输层面，UPF通过承载网打通N3、N4、N6、N9、OM接口，采用FlexE技术进行隔离，保障通道高可靠性；无线网采用RB资源预留技术，保障业务隔离，独享无线资源。

（4）成果验证

1）端到端切片开通测试

◆测试目的：验证端到端切片开通功能。

◆测试步骤：完成各专业网络切片的配置和子切片部署。

◆测试结果：无线RB预留子切片、核心网子切片、传输FlexE子切片部署完成，物联网卡终端ping通电力服务器10.2.5.1，端到端切片开通成功。

2）PRB预留功能测试

◆测试目的：测试PRB预留策略是否生效。

◆测试步骤：打开PRB预留开关，设置PRB预留10%给电力业务，终端再次接入公网，发起上下行业务测试。

◆测试结果：PRB预留开关打开后，公共通道用户上、下行PRB占用资源减少10%，符合预期。

3）通信时延测试

◆测试目的：终端到电力服务器上下行通信时延测试。

◆测试步骤：选择包长（32、1 470字节），单次测试持续60 s，重复100次，测试上下行时延并取平均值，并计算抖动。

◆测试结果：Ping电力服务器10.2.5.1，32字节和1 470字节时延平均为127 ms，丢包率为0%。

4）网络切片间干扰测试

◆测试目的：验证网络切片间是否会产生干扰。

◆测试步骤：配电自动化三遥5G终端1签约核心网切片A，5G终端2连接公网；利用灌包工具，通过终端1向A切片（空口）灌包，超过切片A空口PRB预留带宽上限，检测灌包期间终端2业务是否产生影响。

◆测试结果：向5G终端1上下行进行满灌，5G终端2速率不受影响。

4.2 5G负荷控制

（1）场景描述

电力负荷控制采用集中控制的方法，由负荷控制主控站按改善负荷曲线的需求，通过与客户联系的通信及装设在客户处的终端装置，对客户的可间断负荷进行集中控制。

（2）通信需求

负荷控制对通信的需求如表4所示。

表4 负荷控制的通信需求

（3）解决方案

采用全省统一生产控制大区切片标识，在省公司、各地市公司分别部署独立专用5 G 核心网用户面设备（UPF）形成省地两级端到端硬切片通道，切片内单向通信时延（通信终端至安全接入区入口）宜小于20 ms，故障倒换时延宜小于50 ms，单向时延抖动宜小于50 ms，可靠性应大于99.99%。硬切片通道内根据不同业务类型、不同地市采用规范命名的DNN。

（4）成果验证

在5G配电自动化三遥测试论证的基础上扩大应用规模和范围，负控业务系统分为省侧主站层、地市侧子站层和用户接入层三个层级，三个层级之间实现负荷模型、实时数据、调节策略的交互，共同完成事故情况下对可切负荷的快速精准切除。负荷调节子站与负荷终端间通信链路由5G电力专网承载，负荷调节子站与省侧主站的通信链路由电力调度数据网承载。

通过连续3个月的负荷控制业务试点，得到一系列现网测试数据：

◆业务平均时延：1.729 s。

◆上行单向平均时延（5G公网部分）：10.41 ms。

◆下行单向平均时延（5G公网部分）：9.26 ms。

◆上行单向平均速率：1.69 Mbps。

◆下行单向平均速率：2.56 Mbps。

◆上下行丢包率：0%。

4.3 规模化应用任重道远

目前5G电力专网试点项目正在全面开展，但是离规模化全面商业应用还有距离，一些问题有待解决。第一，5G硬切片颗粒度较大，特别是承载网FlexE的切片颗粒度还在千兆级，无法满足电力控制类低带宽业务的需求；第二，网络配置和定制化业务开通还不够自动化和智能化，特别是切片、5G专网等业务的上线，部分还依赖人工操作，对5G电力专网的复制推广有一定的制约；第三，5G产业链还有待提升，特别是定制化5G终端和模组研发较慢、性价比不高，难以说服客户大规模应用；第四，5G关键技术还在完善和迭代过程中，特别是低时延、高可靠、高安全、广连接等相关技术，目前还无法完全满足各类电力业务的需求，难以大规模应用。因此，从全面试点到规模化商业应用，还需要各方面的完善和发展，任重道远。