5G 网络切片技术在电网业务场景中的应用

韩建松，徐 良，李旭东

（中国信息通信研究院，北京 100191）

0 引 言

5G网络有大带宽、低延时等优势，能帮助车联网、工业控制等行业以更简洁高效的方式传递数据，也能提供安全隔离、个性化定制的网络切片服务，灵活地支撑各个行业的应用场景。5G 网络还能全面提高传统垂直行业的智能化水平和运行效率，与建设智慧电网的需求相吻合。将5G 网络切片技术应用到智能电网建设能满足电网业务需求，打造专属网络[1]。

1 5G 网络切片技术概述

5G 网络切片技术指利用虚拟化处理将物联网分成多个虚拟的逻辑网络结构，以满足不同应用场景的功能需要，主要包括3 大部分。首先是无线网切片、核心网切片、传输网切片智能技术。其中，无线网属于空中接口频率资源，能支持网络切片感知、路由选择、资源隔离等功能；核心网基于网络功能虚拟化（Network Functions Virtualization，NFV）和软件定义网络（Software Defined Network，SDN）进行虚拟化部署，能灵活支持网络切片功能定制、资源分配等功能；传输网主要是解决各类垂直行业的服务质量（Quality of Service，QoS）差异，提高业务灵活性和安全性。其次是网络切片接入技术，主要将终端注册正确的网络切片实例中[2]。最后是网络切片端到端管理技术、服务等级协议（Service Level Agreement，SLA）保障技术。其中，网络切片端到端管理技术能实现端到端网络切片的编排、管理，调度网络切片的资源和功能；网络切片端到端SLA 保障技术主要分析各域网络的性能，确保性能满足SLA 需求[3]。

2 5G 网络切片技术在电网业务场景中的应用

智慧电网（电网2.0）即电网的智能化，也就是在高速双向通信网络的基础上，利用新材料、新能源、新设备等新兴技术建立的新一代电力系统，具有高度自动化、互动化、信息化等特征，能更高效、经济、安全地运行。在智慧电网中，5G 网络切片技术具有广阔的应用前景，其中最具代表性的应用场景包括无人机智能巡检、高级计量架构（Advanced Metering Infrastructure，AMI）智能抄表、智能分布式配电自动化、毫秒级精准负荷控制等[4]。

2.1 无人机智能巡检

近年来，无人机技术进步迅速，在电网巡检中也得到了广泛利用，运用无人机进行线路巡检能大大提高线路巡检的效率和安全性，避免潜在风险，操作员只需在信号范围内操控无人机即可获得高清图像，免去徒步或乘车巡检的工作量。同时，无人机智能巡检的另一个优势在于能够实现高清图像的远程传输，操作员能操控无人机在安全范围内接近线路，获知线路的详细情况，比巡检人员靠肉眼进行线路巡检要更加可靠。

依靠无人机开展电网巡检，对5G 网络切片技术有一定的通信要求，具体来说包括以下3 点：（1）对带宽要求较高，以支持高清图像和视频的传输；（2）电网线路一般是跨地区的，涉及范围很广，因此要求5G网络切片技术的大范围覆盖；（3）无人机的飞行距离一般为20 ～30 km，对能源消耗要求较高。无人机电网巡检对5G 网络切片技术的通信要求如图1 所示。

图1 无人机电网巡检对5G 网络切片技术的通信要求

目前，现有5G 网络的增强移动宽带（enhance Mobile Broadband，eMBB）技术已足以支持无人机快速接收和执行任务指令，也能传输高清的视频流，可以说带宽问题已得到了有效解决。但是，5G 网络切片技术的覆盖范围、无人机能耗还是有待解决的问题。

2.2 AMI 智能抄表

人工上门抄表是主要的抄表方法之一，但存在以下弊端：（1）效率低、误差大，不能进行实时分析和收集数据，人工费用高；（2）不能进行多费率和预付费控制、仅能到营业厅进行单一缴费模式，缴费困难，收回电费较慢，用户体验差；（3）不能有效预防各种窃电行为；（4）无法对用电信息实行线损分析等。电网企业只有实现实时分析和监控电力消耗，才能更好地为电网终端用户提供连续、高效的服务。而5G 网络AMI 智能抄表能实现设备数字身份信息的安全交换，标记配电网中测量的异常数值，密切监视消耗的电能，直观显示电力变压器、各电网线路的运行状态，及时发现电网中的安全隐患，发出预警。当电网发生窃电、变压器过载等异常情况时，AMI 智能抄表系统会立即发出告警提示，工作人员能依据提示信息迅速定位发生问题的地方，在第一时间到达问题发生地点并开展维修工作。

AMI 智能抄表对5G 网络切片技术有一定的通信要求，具体来说包括以下3 点：（1）要有海量的终端数量，进行大规模的访问；（2）要确保网络传输用户信息安全；（3）网络连接密度要高。AMI 智能抄表对5G 网络切片技术的通信要求如图2 所示。

图2 AMI 智能抄表对5G 网络切片技术的通信要求

目前，现有5G 网络的大规模机器类通信（massive Machine Type Communication，mMTC）技术能通过海量的连接为AMI 智能抄表提供安全、可靠、开放的网络通信环境，为用户与智能电网之间的互动提供有效保障。

2.3 智能分布式配电自动化

在未来，配电自动化会逐步向智能分布式配电自动化方向发展，智能分布式配电自动化的特点主要有以下2 个方面：（1）能下沉原主站的处理逻辑分布式至智能配电化的终端，利用终端之间对等的通信完成智能分析、判断、故障隔离、故障定位以及恢复非故障区域供电等一系列的操作；（2）整个故障处理过程能实现全自动化，最大限度地缩小故障停电的范围和缩短停电时间，将配网故障处理时间缩短到毫秒级。智能分布式配电自动化系统运用5G 技术能提高供电可靠性，缩小停电范围，缩短等待来电的时间，从而提高用电客户的满意度。

智能分布式配电自动化对5G 网络切片技术有一定的通信要求，具体来说包括以下4 个方面：（1）保护设备和电网控制的快速操作；（2）单个站点与成千上万个保护设备和电网控制相连接；（3）网络安全性能高，在遭受网络攻击后不停电；（4）具有较高可靠性[5]。智能分布式配电自动化对5G 网络切片技术的通信要求如图3 所示。

图3 智能分布式配电自动化对5G 网络切片技术的通信要求

目前，现有5G 网络的超可靠低时延传输（ultra Reliable Low Latency Communication，uRLLC）技术已足以满足上述通信网络要求，能通过高安全性、可靠性、低时延等特点，提高智能分布式配电自动化保护的灵敏性、选择性以及快速性。

2.4 毫秒级精准负荷控制

规模较小的停电在高负载情况下也可能产生雪崩效应，导致大规模停电，成为供电部门不得不面对的问题。为满足不断增加的用电需求，供电部门投入使用了更多的发电机，而采用智能电网能实现对用电负荷的精准控制，有效破解供电部门的痛点问题。毫秒级精准负荷控制系统能对用户可中断负载进行灵活管理，精准控制生产企业中的可中断负荷，不但能在紧急情况下实现电网应急处置，还能做到只涉及企业用户，最大限度地降低停电造成的社会影响和经济损失。以往配电网络缺少5G 通信网络的支持，相对来说切除负荷的手段比较粗暴简单，一般情况下仅可对整条配电线路进行切除。

毫秒级精准负荷控制对5G 网络切片技术有一定的通信要求，具体内容如下：（1）以毫秒为单位的超低时延，能及时对增长的需求进行响应；（2）在99.999%的高网络覆盖下，能在需要时操作机器和设备；（3）对成千上万个设备进行高密度负荷控制。毫秒级精准负荷控制对5G 网络切片技术的通信要求如图4 所示。

图4 毫秒级精准负荷控制对5G 网络切片技术的通信要求

出于对用户体验、业务影响等方面因素的考虑，可利用5G网络uRLLC切片技术对电网进行精准控制，有效降低对重要用户的不利影响，优先切除诸如工厂中的一些用于非连续性生产的电源、电动车充电桩等非重要的可中断负荷，以满足重要用户供电需求。

3 电网切片网络指标要求

根据智慧电网应用场景的不同，在网络中可分别选择使用eMBB、mMTC、uRLLC 等切片，同时可组合不同的切片，实行分域切片管理，以满足多种不同应用场景对于网络指标的需求。

因电网不同应用场景之间存在业务上的差异性，在宽带、连接数、隔离度、时延及可靠性等方面的要求也会不相同。因此，在处理高宽带业务时可选用eMBB 切片，在处理大连接业务时可选用mMTC 切片，在处理低时延业务时可选用uRLLC 切片。电网企业可根据不同业务的具体需要将每类切片建立多个网络切片实例，按照业务需要和切片情况给各单位分别提供多种差异化电网服务。

视频图像实时监控需要大宽带，而eMBB 切片可有效解决这一问题；低压用电信息采集需连接大量传感器，可选用mMTC 切片实例；精准负荷控制和分布式配电自动化业务对于网络的时延性、可靠性、隔离性要求较高，可选用uRLLC 切片实例；分布式电源控制要求时延敏感，并且业务节点需要广泛覆盖性，可选择mMTC+uRLLC 切片组合实例；智能巡检图像回传的终端主要是巡检机器人、无人机等，不仅要远程控制精准，而且回传的视频要高清，可选用eMBB+uRLLC 切片组合实例。

4 结 论

智慧电网是电网系统发展的重要趋势，其在发电、输配电、变电等多个环节均具有明显优势，对于提升电网运行效率与可靠性意义重大。将5G 网络切片技术融入智慧电网，能实现对电网运行数据的快速收集，优化电能配置，使电网运行更加高效。相信随着5G 技术的不断完善，其在智慧电网中的应用会越来越广泛，也会出现更多的智慧电网5G 切片场景应用。