5G 网络切片与MEC 部署方案在智能电网中的应用研究

［钟仕军 余国利 宋仕斌 江澜］

1 引言

2021 年，国家能源局等部委在《5G 应用“扬帆”行动计划（2021-2023 年）》中明确突破5G+智慧电力所需的5G 确定性时延、授时精度、安全保障等关键技术创新[1]。变电站及高低压线路智能巡检、配网差动保护及计量自动化等典型应用场景对低时延、大带宽、高可靠、广连接及移动性等传输性能提出需求。5G 网络的超大规模连接、超低时延及增强带宽优势在电力通信接入网中可承载电网数以万计的智能电力终端设备的网络接入、数据采集、信息传输与服务交互。基于5G 网络切片和MEC 集成部署方案将实现智能电网业务运行的灵活性、安全性、可靠性并持续提升差异化服务保障能力。

2 智能电网典型业务场景通信网络需求分析

我国电力业务按应用场景可分为数据采集、移动接入及自动控制三种类型。数据采集类电力终端业务因节点分布广泛、数据信息量大而通信频次需求较低。在电力生产管理中的中低速率移动场景以移动接入类业务为主，采用机器视觉技术的工业相机高清视频开展智能巡检，回传大容量的高清视频数据需要更大的无线通信带宽。低时延、高可靠性是自动控制类业务场景对无线传输的指标要求。数据采集、移动接入及自动控制类业务发展及智能运维在5G 无线网络带宽、时延、可靠性、移动性、安全性等应用需求各不相同并呈现多样化、差异化特征，如表1 所示。

表1 智能电网典型应用场景5G 专网设计需求分析

2.1 配电网差动保护

配电网差动保护工作原理是配电自动化终端数据传输设备将电流矢量值按一定时间周期发送给本配电线路上的其它电力终端设备、比较对端相同时刻的电流矢量值并迅速作出判定，当故障发生时电流差值超过门限值，配电自动化终端数据传输设备迅速执行对应的差动保护动作。配电自动化终端数据传输设备通过通信传输链路采用双工方式实现本端与对端的电气测量数据的交互发送、接收与比较，判断故障位置是否在保护范围内并自动切除故障实现配电网差动保护。

2.2 自动化计量

在广大商业、生产及居民用电过程中，数以万计的智能电表以电能消耗、资费管理等消费信息深度采集实现自动化计量功能，满足个性化、差异化客户服务和智能用电客户需求。

2.3 智能负荷调度

电网电力调度需要实时监控用电负荷，及时调整供电方案，实现精准负荷控制，对网络的实时性和可靠性要求较高[2]。配电网电力调度需要实时监控用电负荷实现精准负荷控制并据此自动调整供电方案，50 kbit/s～2 Mbit/s网络侧数据带宽、小于50 ms 传输低时延和99.999%的可靠性要求可以满足精准的负荷控制及电力调度需要。

2.4 变电站智能巡检

变电站云计算调度平台全面掌握电力设备运维情况、发现安全隐患并及时消除故障。工业机器人利用机器视觉技术视频采集设备沿高低压配电线路快速移动并配合多路工业相机的高清摄像头，将现场采集的高清视频图像实时回传至MEC 边缘计算节点数据中心，从而确保电力设施安全、稳定运行。

2.5 新能源消纳管理

具有双向、实时无线通信需求的分布式新能源分布分散、消费终端数量众多、波动性大，是典型的海量连接应用场景。新能源消纳管理需要大于2 Mbit/s 的传输带宽、1～3 s 的传输时延和 99.9～99.999%的高可靠性能网络。

2.6 电网安全保障

基于人工智能、物联网及机器视觉的5G 安全技术保障措施需要大于20 Mbit/s 的网络带宽、小于1 s 的时延及99.99%可靠性。采用机器人巡检、5G AR 可视化安全监控及机器视觉设备部署电网安全保障措施实现5G 立体巡检，持续提升新能源、配电网安全生及可靠性，全方位确保电网设备设施运行正常。

3 5G 网络关键技术及应用场景分析

机械制造、能源电力等行业在5G 与工业互联网深度融合、创新发展热潮推动中迎来了新的数字化转型机遇。“机器通信”、“无人驾驶”、“VR/AR”、“远程医疗”和“智慧工厂”应用日益广泛，5G 需要满足不同的应用场景的定制化需求。

3.1 eMBB（增强型移动宽带）

5G 利用超密集组网UDN、Massive MIMO、波束赋形、补充上行链路SUL、截波聚合CA 等技术提高频谱利用率，增加工作带宽，从而支持更大的数据流量和极致的用户体验。为用户提供100 Mbit/s 以上的体验速率，在局部热点区域提供超过数十吉比特每秒的峰值速率。eMBB 提供LTE现有的语音和数据服务，实现诸如高清视频、AR/VR、云游戏等无线宽带应用。

3.2 uRLLC（超高可靠低时延通信）

uRLLC 采用灵活的顿结构、符号级调度、高优先级资源抢占等技术，在时延方面要求空口达到1 ms 量级，在可靠性方面要求高达 99.999%。uRLLC 以低时延、高可靠性在车联网、远程医疗、工业自动化等垂直行业数字化转型中广泛应用。

3.3 mMTC（大规模机器类通信）

mMTC 需要引入新的多址接入技术、优化信令流程来支持低功耗、大连接、低成本、海量终端接入的诸如智能家居、环境监测等应用场景。5G 终端芯片研发逐步走向成熟并在国内开始大规模商用，未来将不断涌现更多新形态、高性能的5G 智能终端接入5G 网络实现物联网、工业互联网通信。

4 智能电网5G 网络切片与MEC 部署方案

5G 网络利用其超大规模连接、超低时延的优势在电力通信接入网中承载各类电力终端与互联网络的信息交互，满足电力厂站不同安全生产区的业务需求。在电力生产控制区部署5G 网络切片来精准实现差动保护、自动控制、电力调度、稳定监控、PMU 及配电自动化功能。生产管理区切片提供企业与用户互动服务，包括 智能家居、节能服务、能耗监测、互联网查询缴费等定制化服务。本文提出基于网络切片与MEC 部署的5G 智能电网集成解决方案，采用5G SA 独立组网模式，通过部署5G 基站、SPN 传送网、SA 核心网、切片、多接入边缘计算（MEC）及用户面云服务器（UPF）下沉应用，从而构建大带宽、低时延、高可靠、广连接、高安全的 5G 智慧电力专网。基于网络切片与MEC 部署的5G 智能电网集成解决方案由端、管、云3 个层面构成智能电力运行体系，如图1 所示。

图1 基于网络切片与MEC 部署的5G 智能电网集成解决方案

端层面涉及电网生产的发、输、变、配、用、管等流程应用需要接入诸如智能DTU 传感器、控制器、电能表、无人机、巡检机器人、工业相机及高清摄像头等各种泛在智能终端，可采用集成了5G 模组的智能终端设备UE 或收敛汇聚后与5G NR 基站通信的5G CPE 设备，对应5G网络切片典型应用场景。管层面包括5G NR SA 基站、SPN 传输承载网、5GC 核心网、区域数据中心DC 及中心DC 等通信网络，为智能电网提供高隔离度、高安全性的端到端的5G 网络切片服务。云层面以三大网络切片为基础根据电力业务运营功能进行分区，根据电力企业不同的业务需求进一步细分不同的子切片服务来保证电力业务的安全隔离。各类电力业务平台互联互通实现电力终端至主站系统的数据信息的稳定承载和可靠传输。电力业务通信管理支撑平台对接通信运营商网络能力开放平台，获取智能终端、业务流程、网络安全等综合状态信息。云层面可综合利用云计算、大数据及人工智能等高级应用构建具备大带宽、低时延、高可靠、高精度授时能力的端到端网络切片的电力通信网络。

4.1 网络切片

在SA 架构下，切片可将网络虚拟为多个端到端的、不同特性的逻辑子网，满足不同垂直行业、应用场景的差异化需求[3]。5G 网络切片管理系统通过PNF 和VNF 的统一编排、切片智能化运维、能力开放和自运营实现对网络切片的全生命周期管理。5G SA 网络在核心网、承载网及无线接入网层面为电力生产的全业务应用场景提供安全、高效的端到端的全通道网络切片服务。

4.1.1 核心网（5GC）

5G 核心网采用全服务化架构(SBA)在多级DC 资源池中实现DU/CU 分布式部署，统一的NR 无线空口支持灵活的帧结构、全双工通信满足适应不同切片场景的应和需求。5G 端到端网络切片通过服务化架构实现软硬件及核心网功能解耦。核心网AMF、SMF、UPF等网络功能（NF）之间的采用服务化接口来实现控制面信令及用户面数据交互，简化服务流程实现多功能服务调用，切片网络功能根据业务应用按需定制。

4.1.2 承载网（TN）

FlexE 切片使5G 承载网具备TDM 独占时隙、高隔离性、统计复用、传输高效率特性。FlexE 实现相同切片内业务的统计复用、不同切片之间的业务安全隔离。FlexE 接口技术可以满足移动承载、家庭宽带、专线接入等使用大接口综合承载、粗粒度业务隔离的场景需求，不同类型的业务承载在不同 FlexE 接口上，并基于 FexE 接口配置带宽，达到基于业务控制带宽的目的，满足5G 场景网络切片的需求。

4.1.3 无线接入网（RAN）

通信运营商利用5G 网络切片技术可以在5G 无线接入网侧切出一个资源独享的逻辑网络，供用户自主使用、自主编排资源、自主运维。CU 集中/DU 分布的架构为5G 网络切片提供良好的灵活性[4]。日常使用的水表、电表、煤气表可以物联网终端的方式实现，这类服务对网络带宽和时延几乎没有要求，运营商可以切分出一片网络资源租赁给各市政服务公司，帮助它们实现物联网服务的转型。

4.2 MEC+UPF 下沉

电网网络可确保各种电力服务的安全性、实时性、准确性以及可靠性[5]。多接入边缘计算 (Multi-Access Edge Computing，MEC)为网络运营商和服务提供商提供云计算能力及网络边缘的IT 服务环境。多接入边缘计算（MEC）通过服务器本地化或边缘部署，将5G 核心网的用户面功能（UPF）下沉到电力企业厂站管理区域，就近解决 5G不同业务类型对传输时延、载承容量的要求。视频监控类场景用户密度大，带宽要求在100 Mbit/s～1 Gbit/s，时延要小于10 ms，电力工业 AR/VR 场景需提供大流量移动宽带，峰值速率超过10 Gbit/s，时延要求小于20 ms。5G通信技术支撑智能电表用电数据的实时采集，可精确到家庭中的单个用电设备的用电数据[6]。边缘计算根据不同场景以对时延的需求进行分级部署，满足电网超低时延业务的灵活通信组网需求并保证电网数据安全。

4.3 5G TSN

时延敏感性网络（TSN)通过5G 传输的隧道时间标签及控制技术实现电力业务确定性时延保障,满足智能电网对5G TSN 确定性网络SLA 需求，包括确定性时延、“零”抖动、“零”丢包、超高带宽、精准授时与同步、高可靠、高安全及超融合等[7]。在业务方面提供时延低于10 ms、5G LAN 局城网二层通信交互、米级定位和QoS 增强等特性。在安全方面智能终端通过二次认证保障接入安全电力网络实现隔离和数据安全。5G TSN 在SLA 方面实现5G网络切片按需动态编排，实现端到端SLA 闭环协同。5G TSN 协助电力智能终端接入工业TSN 网络，使电力智能终端摆脱布线束缚，增加电力智能终端设备活动范围及灵活应用场景。

4.4 5G LAN

5G LAN 利用5G 技术对终端进行分组构建虚拟局域网网络。5G LAN 引入VN 组(虚拟网络组)，划入到同一个VN 组的终端用户处在同一广播域内[8]。在5G 网络中，管理员可以修改用户数据库 (UDM 网元)中的数据，以将服务合同到指定的终端(UE) 号码，从而将它们分组到相同或不同的 VN 组 (虚拟网络组)中。用户数据库向 5G 核心网(5GC) 的管理网元 (SMF、AMF、PCF 等)提供 VN 组的终端号码和访问策略信息。根据此信息和策略规则，管理网络元素将它们形成不同的 LAN。5G LAN 支持单播、组播和广播，持在UPF (5G 核心网的媒体平面网元)和不同UPF 之间相互通信。

4.5 电力工业级终端

终端通过无线网络接入时，根据终端支持的切片、签约的切片和 5GC 网元支持的切片决定最终使用的切片信息，无线侧按照最终的切片信息进行接入控制，从而满足特定业务需求[9]。5G 智能电网集成差动保护、三遥、B 码接口，支持网络精准授时功能及工业级设计标准。如中兴通讯创新研发的电力专用的工业级5G 电力路由器MC3010/MC3020 等电力工业级智能终端设备，支持电力通讯协议转换及以太网、RS485、光口等多种接口实现精准授时等核心功能。

5 5G 智能电网应用案例及功能验证

中兴通讯依托国家5G 应用示范工程项目开展5G 智能电网建设，与南方电网广州供电局、广州移动在广州市南沙区建立面积约103 平方公里、54 个规划应用场的智能电网示范区，5G+智能电网应用创新业务穿透发、输、变、配、用、管等全流程。基于南方电网广州供电局中心机房电力专用UPF 服务器及所属变电站下沉分布式UPF 服务器部署，利用多接入网边缘计算（MEC）算力资源构建端到端网络切片的5G 智能电力专网，5G 切片网络满足电力业务差异化、定制化的网络服务、SLA、Qos 及安全隔离标准。本项目顺利完成了两栖带电作业智能终端、变电站机器视觉智慧巡检、一键顺序控制、电压及电能质量监测等示范业务性能指标测试。广州南沙外场实现基于商用网络的电力5G 精准网络切片专网上线，在商用环境下完成差动保护等超高性能指标要求的电力业务精准性能控制，充分验证5G 网络在高精度授时、超低时延及超可靠性的商用能力，进一步加速5G 电力切片网络商用的步伐[10]。本项目的成功商用促进了5G 专网技术与智能电网深度融合，促进智能电网的应用创新，为电力行业提供5G 技术智慧应用及数字化解决方案。

6 结束语

随着人工智能、大数据、物联网、机器视觉和智能电网技术的高速发展，大宽带、低延时、广连接及海量数据传输的5G 通信技术的持续演进不断推动5G 端到端网络切片、多接入移动边缘计算与电力通信网需求的深度融合。新一代ICT 技术的高速发展将构建全面感知、泛在连接、场景丰富、智能运维的数字孪生的现代化电力企业，通过高清视频监控、智能传感监测及智能机器人的使用，通过标签、定位、机器人、AGV、远控等手段实现仓储物流的柔性连接和有序管理。5G 技术通过提供极致无线网络、精准云网和赋能平台，加快智慧能源、智能电力等新型基础设施建设，促进传统行业数智化转型升级和创新发展。