电力5G切片在城市配电网中的应用及经济效益研究

郁海彬，董烨，翁锦德，胡忻晨，严威，吴迪凡

（国网上海市北供电公司，上海 200070）

0 引言

目前，上海陆家嘴、北京金融街等核心城区配电网供电可靠率已与东京主城区及新加坡水平相当，而城市配电网中点多面广、海量设备接入、数据实时交互的特点，亟须适用的通信技术支撑，而当前主要依靠同步数字体系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）、光 传 送 网（Optical Transport Network，OTN）、工业以太网、以太网无源光网络（Ethernet Passive Optical Network，EPON）、无线公网与专网等通信手段。传统光纤无法适应城区复杂地理环境，具有敷设成本高、运维难度大、占用通道资源等局限性。5G 所具有的超高带宽（eMBB）、高可靠超低时延（uRLLC）、超大规模连接（mMTC）场景特性，能全面提升城市配电网运营管理效率，解决接入痛点问题，网络切片技术在此背景下应运而生，其快速、高效和定制化功能，充分满足城市配电网业务多样性和隔离性要求，打造“电力专属”网络。文献［1］分析了5G 切片+边缘计算在差动保护等典型场景的实践和应用，验证了5G 端到端（E2E）的网络切片对电网业务隔离和保护的有效性，满足差动保护、配电网三遥对5G授时精度及时延的指标要求，可以在电网全流程生产和运营中加以推广。文献［2］基于切片技术，分析E2E 的业务模型典型案例及实现切片的方法，计算了运营商成本和投资回报，验证了5G 网络切片的可行性。文献［3］分析了传统采用光纤专网、230 MHz/1.8 GHz 电力无线专网等通信技术承载馈线自动化（Feeden Automation，FA）及差动保护难以满足配电网自愈要求，提出5G的配电网电流差动保护应用方案调整保护配置，降低配电网成本。文献［4］提出一种基于5G网络切片的配电网差动保护模式，提升信道的利用率和缩短差动信号传输的时延，试验验证所提策略传输时延的有效性和优越性。文献［5］根据配电设备差动保护架构，以配电网业务的5G切片网络原型为基础，构建以分布式数据传输单元（Data Transfer Unit，DTU）的公共单元为节点、多DTU 联动的快速响应系统，避免了误差数据干扰引起的误动作，提高了系统稳定性。

本文通过比较城市配电网中几类通信方式的现状及优缺点，分析了电力5G 切片技术特征、应用需求及典型应用场景。从技术实现层面说明了电力5G 切片业务组网的可行性。从经济效益层面分析对比部署的网络切片与其他网络方案，结果表明部署网络切片具有显著的经济效益，可以调动电网企业拓展电力5G切片业务应用积极性，为城市配电网的业务增长提供了泛在、灵活、低成本、高质量的通信技术新选择［6-8］。

1 城市配电网通信技术类型

随着城市配电网通信网架不断延伸扩容、拓扑结构日益复杂、通信网覆盖范围变大，大量户外终端数量增多，运行工况变得复杂。光纤线路因市政施工损坏严重，缺陷处理难度加大，且新投入运行的10 kV 配电网异动较大，伴随着通信接入网频繁变动，对网络结构影响大，敷设难度大且成本高［9］。

城区配电网现状具体如下。

（1）配电网通信系统大多由光纤通信系统构建，主要应用工业以太网和EPON 2种通信方式。

（2）光缆路由依附于一次系统，接入用户数量和光缆路由受限。

（3）建设一流城市配电网，终端接入点数将呈现指数型增长，将新增更多应用系统，且各个系统对信息的采集点数和受控点的需求差异，光纤专网敷设方式存在部署和成本等弊端。

（4）工业以太网和EPON 2 种通信方式都是基于全网际互联协议（Internet Protocol，IP），不同的业务共享带宽资源，但没有很好地解决电网业务需分区隔离的要求［10］。

1.1 通信方式

变配电自动化终端之间采用多种组网方式，主要有EPON 组网、无线公网及专网组网等。传统电力系统通信组网方式如图1所示。

图1 传统电力系统通信方式Fig.1 Communication mode of traditional power systems

1.1.1 EPON组网

由光线路终端（OLT）、光网络单元（ONU）和光分配网络（ODN）等构成一套典型的EPON 系统。OLT 为系统提供核心数据、视频及电话接口以及长距离、高可靠、高速率、灵活部署、可管理服务；但在环形拓扑中支持性较差，需严格规划各节点光功率，不利于灵活组网和未来扩容。

1.1.2 无线公网

无线公网可节约光缆敷设费用，组网灵活，适用于网络覆盖完整且信号优良的城市。主要通信模式有通用分组无线业务（General Packet Radio Service，GPRS）、码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）、3G 等［11］。不足之处是可靠性、安全性方面有待进一步提高，只能用于实时性要求不高的数据采集场合。

1.1.3 无线专网

作为电力光纤专网通信的另一补充，无线专网将克服有线通信建设难度大和GPRS 等公网通信安全隐患的弊端，为电网智能化向末端配网进一步延伸提供了可能［12］。根据智能电网终端通信接入网需求，与电力专用230 MHz频谱有机结合，具有高带宽、容量大、频谱效率高等优势，具体应用如下。

（1）配电自动化：弥补了无线公网话务拥塞、剩余容量小、安全性低的缺点，具有专网专用、容量大、接通率高、安全性高的特性。

（2）配用电侧：借助自身优势，能充分满足电力通信网末端覆盖和通信接入的需求。通过高宽带、低时延的技术特性可实现多媒体信息、数据的回传以及控制命令的下发。

（3）网络安全：实现专网专用网络，与互联网隔离，杜绝外界侵入的可能，基本满足安全接入。

1.2 多场景通信技术对比

通过对比分析常规通信技术中电力载波通信（Power Line Communication，PLC）、光纤专网、无线专网、3G/4G/长期演进（Long Term Evolution，LTE）及5G多种通信方式在带宽、时延、可靠性等方面性能，见表1。

表1 多场景通信技术对比Table 1 Multi-scene communication technology comparison

综上所述，5G 的整体性能优于其他网络，在配电网业务中，对于时延、可靠性、安全性、后期低维护性的要求比较高，而对于成本要求较小，5G 可以保证配电网业务的更准确、快速及实时性，更适用于配电业务的各类场景，满足配电网的高度自动化与精准控制，配合切片技术，具有更高的安全级别［13-15］。

2 电力5G切片技术特征及应用场景

2.1 技术特征

将物理网络按业务需求切割成多个虚拟的E2E切片业务，各切片之间相互隔离，分成逻辑隔离的网络资源，技术特征见表2。

表2 电力5G切片技术特征Table 2 Characteristics of 5G slicing technology in power industry

2.2 应用场景

生产控制区与管理信息区之间必须设置接近或达到物理隔离的安全隔离装置，电力5G切片将配电网场景分为采集类、控制类及其他业务切片，电力系统5G网络切片业务总体架构如图2所示。

图2 电力系统的5G切片业务总体架构Fig.2 Overall architecture of 5G slicing service for power system

从电流视角看，选取电网五大环节（发、输、变、配、用）中未来5G 切片最具代表意义的4 类典型业务场景，具体场景指标要求见表3。

表3 典型业务场景指标要求Table 3 Indicator requirements for typical service scenarios

（1）超高可靠超低时延需求：如智能分布式配电自动化、差动保护、毫秒级精准负荷控制等Ⅰ区控制类下行业务，选取uRLLC切片。

（2）海量终端接入需求：如低压用电信息采集、充电站/桩、分布式电源接入等电能量信息采集类上行业务，选取mMTC切片。

（3）高清视频回传需求：如输变电线路状态监控、变电站机器人巡检等，选取eMBB切片。

（4）高清语音通信需求：如调度电话、远程巡检、应急通信等需要高可靠、高接通率和高清通话质量的专网场景，选取Voice语音切片。

电网Ⅰ—Ⅳ区中有调度自动化、变电站自动化、继电保护、安全自动控制、电能量计量、继保及故障录波信息管理、调度生产管理、统计报表等业务；根据业务组网方式与承载业务的需求特性，电力5G 切片组网应用方案总体框架如图3 所示。DTU-1 与DTU-2 经5G-客户前置设备（Customer Premises Equipment，CPE）接入由城域接入、汇聚、核心组成的传输网络，接入5G 网络用户面功能（User Plane Function，UPF）网元，进行数据包的路由和转发相关功能，上述链路组成电力差动保护切片，实现E2E差动通信，其中70%～75%的数据将在变电站或区域调度控制中心多接入边缘计算（Multi-access Edge Computing，MEC）网络边缘处理，经UPF2 网元的通信链路为电力调度切片。FlexE 硬切片1 上承载着生产控制类Ⅰ区和Ⅱ区业务，通过虚拟专用网络（Virtual Private Network，VPN）建立专用通道VPN1 和VPN2 加密通信，分别为电力差动保护切片和电力调度切片；FlexE 硬切片2 上承载着管理信息类Ⅲ区和Ⅳ区业务，建立专用通道VPN3 和VPN 进行加密通信，分别为电力视频监控切片和其他用户切片；FlexE 硬切片3 上承载着公众业务，建立专用通道VPN4 进行加密通信，承载公众用户切片；FlexE 通道实现硬切片隔离，为通信网络提供高安全隔离、确定性低时延和低抖动等服务级别协议（Service Level Agreement，SLA）性能保障［16-20］。

图3 电力5G切片组网应用方案总体框架Fig.3 Overall architecture of the 5G slicing enabled power system

2.2.1 配电自动化

FA是配电自动化的重要组成部分，包括就地式FA、集中式FA、智能分布式FA 3 种模式，在实现配电网检测、快速隔离故障、缩短停电时间及提升可靠性等方面各有差异。

（1）就地式FA：配电终端无须通信，发生故障后利用站内开关多次重合闸与配电终端之间固有时间逻辑配合隔离故障，故障隔离效率较低，影响非故障区域用户，须感受多次重复停电，用户体验感较差，应用范围为C，D 类供电可靠性要求不高及部分B类供电区域。

（2）集中式FA：配电自动化终端监测和采集配电网络实时状态并传输至主站，主站利用馈线线路或全网络各节点配电网信息进行综合分析判断和处理，从而进行故障线路或设备的定位、隔离和恢复供电，保证供电可靠性，应用范围为A+，A 类供电区域及部分B类区域。

（3）智能分布式FA：通过分布式分析判断或处理相邻的配电自动化终端之间的通信数据，达到快速隔离故障，实现非故障区域不停电，主要应用于A+，A 类及部分B 类供电区域。若f 处故障，区域2，3 停电，在人工处理配电故障中，没有通信网络，恢复供电效率低。在集中式配电自动化中，由控制中心远程进行定位、隔离与恢复供电，网络延时小于100 ms，但此时所依赖的光纤专网、无线专网和公网成本高，工程复杂。在智能分布式配电自动化中，可以利用5G网络切片的高可靠性、低时延性，在f处故障时，相关的智能传输终端（Smart Transmission Unit，STU）在电源断路前完成自动故障定位、隔离与恢复，并且能够在短时间内完成，满足毫秒级的时间尺度，基本上能够实现不停电。建设5G网络切片智能分布式FA，在传输带宽、时延、可靠性、安全性及5G终端需求方面的关键通信需求见表4。

表4 配电自动化的关键通信需求Table 4 Key communication requirements for distribution automation

2.2.2 差动保护

差动保护作用原理是在t时刻比较保护终端两侧或多侧的电流矢量值，若差值大于整定值可判定故障、保护动作，以此来寻找故障点并隔离。

光纤差动保护适用于配电网故障处理，但光纤敷设成本高，部分地区光纤无法覆盖，4G 网络可传输带宽有限，而5G网络能满足在带宽、质量、时间同步等需求。构建10 kV 手拉手环网结构的5G 差动保护应用场景，如图4 所示。由图4 可知，区域1 和区域2 之间构成5G 通信差动保护，区域3 和区域4之间构成光纤通信差动保护，若区域2 与区域3 之间发生故障，通过5G 网络交换各STU 电流信息，能快速识别故障信息，采用继保测试仪给STU1，STU2，STU3和STU4 4台装置同步加入电流，模拟不同种类的区内和区外故障，利用故障录波仪记录动作时间，见表5。

表5 差动保护动作时间对比Table 5 Differential protection action time comparison ms

图4 5G差动保护典型应用场景Fig.4 Typical application scenarios of 5G differential protection

结果显示光纤差动保护和5G 通信差动保护的动作时间均小于60.00 ms，5G 通信模式较光纤通信模式动作时间长约8.00 ms，所延长的时间基本符合光纤和5G通信时延的时间差，得到E2E时延测试数据，5G 切片通信时延由4G 的接近分钟级缩短到毫秒级。通过4G，5G 和5G 切片3 种方式进行E2E时延测试，测试数据对比如图5 所示。在网络延时可控下，独立和非独立网络之间切换，增加的切换时延约为70.00 ms，所以5G非独立网络测试E2E时延平均为105.42 ms，最大为210.00 ms。而采用5G独立切片网络，5G 网络独立于4G 网络，仅在核心网络互通，互联简单，测试时延90%控制在15.00 ms以内且平稳可靠。建设满足在带宽、时延、可靠性、安全性及5G 终端需求方面的差动保护的关键通信需求见表6。

表6 差动保护关键通信需求Table 6 Key communication requirements of differential protection

图5 E2E时延测试数据对比Fig.5 Comparison of end-to-end delay test data

2.2.3 精准负荷控制

传统配网因缺少高效的通信支持，切除负荷手段相对简单，构建5G 网络的精准负控切片，能够根据编排优先级顺序，在各类过负荷、过载故障时，既能快速切除非重要负荷，又能实现对负荷的毫秒级控制及友好互动的秒级/分钟级控制，灵活配置网络资源。

从业务影响、用户体验等视角看，通过5G 网络uRLLC 切片，优先切除如电动汽车充电桩、工厂内部非连续生产的电源等可中断非重要负荷。毫秒级负荷控制对象可精准到生产企业内部的可中断负荷，既满足电网紧急情况下的应急处置，同时仅涉及经济生活中的可中断企业用户，又将经济损失、社会影响降至最低，其对通信网络的要求为超低时延、高可靠性、高安全性、高设备密度。建设满足在传输带宽、时延、可靠性、安全性及5G终端需求方面的精准负控关键通信需求见表7。

表7 精准负控关键通信需求Table 7 Communication requirements of accurate negative control

3 应用实例

从业务流视角看，配网自动化业务由1 个DTU承载，DTU 通过CPE 接入5G 网络。CPE 作为5G 网络的接入终端，配备1张客户识别模块（SIM）卡。差动保护业务通过5G网络实现在2个DTU 之间交互，而配网自动化三遥业务由DTU 经过5G 网络流向业务主站，2 类业务对外实现物理隔离，对内实现逻辑隔离，如图6 所示。室外塔端的有源天线单元（Active Antenna Unit，AAU）是支撑5G 移动通信的关键设备；5G 基站可分为2 个物理实体，分别为集中 式 单 元（Centralized Unit，CU）和分 布 式 单 元（Distributed Unit，DU），DC-CU为分布/集中单元；5G核心网对用户面和控制面分离，采用服务化架构设计，主要有网络功能（Network Function，NF）；在5G核心网中，接入和移动管理功能（Access and Mobility Management Function，AMF）负责大多数控制面功能，如会话管理功能（Session Management Function，SMF）、认证服务器功能（Authentication Server Function，AUSF）。

图6 基于电力5G切片的配电自动化和差动保护业务流Fig.6 Distribution automation and differential protection service flow based on 5G slicing technology in power industry

3.1 技术实现

运营商服务器加载5G切片所承载电网业务，构建5G 切片网络承载配电自动化和差动保护的配置步骤如下。

（1）注册CPE到5G网络，配置CPE，核心网分配SIM 卡IP，上电后CPE 的广域网（WAN）口的IP 地址不变。

（2）为CPE 选择对应的切片，CPE 中的SIM 卡签约业务对应网络切片标识（NSSAI），接入2 张切片，且分别建立分组数据单元（Packet Data Unit，PDU）会话连接来满足2类业务的逻辑隔离。通过以太网口将CPE 连接DTU，专线连接到配电主站，正确配置主站侧的相关参数，包括网口IP 地址、端口、子网掩码和网关等，完成5G 无线系统注册和PDU 会话建立过程。

（3）DTU 经2 个物理接口接入环网柜内的交换机，网口1 分配给差动保护业务，网口2 分配给配网自动化三遥业务。

（4）交换机对所述2 类业务进行虚拟局域网（Virtual Local Area Network，VLAN）划分，实现2 类业务的逻辑隔离。实现“三遥”功能步骤如下：1）向配电终端输出电压和电流，主站发出遥测指令后，主站与终端显示的电压和电流数值相同；2）将配电终端的状态量输入端口接入模拟开关信号回路，主站发出遥信指令后，外显开关状态与实际开关状态相同；3）主站将控制命令发送至配电终端，控制执行指示应与实际的控制对象相同，开关应准确地操作合闸/跳闸。

3.2 效益分析

以南方电网某市区打造的面向商用的智慧电力5G 切片为例，经E2E 网络切片安全隔离测试，外场验证了电力Ⅰ/Ⅱ区和Ⅲ/Ⅳ业务与公众业务切片间的安全隔离，E2E 切片之间业务互不影响、可监控，部署3 种通信业务场景：单一大网络（叠加承载所有业务类型）、多个单独网络（为各类业务单独设立专属核心网）、网络切片（每类业务都设定网络切片）。3 种组网方案比较得出网络切片带来的收入更多，利润更大，运营成本更少。考虑新业务部署后的主要价值驱动因素，如收入、运营成本、效益和支出因素，不同组网模式下价值驱动因素占比如图7所示。相比其他2种网络类型，网络切片体现出明显的收益优势，在安全隔离的前提下，电网内部多类型业务切片混合组网、统一管理、运维，帮助电网大幅节约成本，提升收益，相比传统3G/4G无线组网建设，5G 切片组网的成本节省约20%，运营成本节省约15%。

图7 不同组网模式下价值驱动因素占比Fig.7 Proportions of value-driven elements in differentnetworking modes

3 种组网模式与收益趋势基本呈线性关系，收益随着业务类型的增多而增大，相同数量的业务类型，单一大网络的收益低于多个单独网络，多个单独网络的收益低于网络切片。网络切片场景引入新业务带来的增量收益比单一大网络中引入新业务高35%左右，且比多个独立网络高15%左右。从接入业务数量的视角看，部署电力5G切片的业务越多，效益越显著。不同通信组网下业务类型个数与收益关系如图8所示。

图8 不同通信组网下业务类型个数与收益关系Fig.8 Relationship between the number of service types and revenue in different communication networks

随着城区配电业务类型不断增长，部署网络切片与上述其他2 种网络对比时，优势在于每年部署相同业务类型带来的收益回报率更快，以某市5 年内推出20个业务应用类型场景为例，网络切片从初始业务推出就可获得收益，且收益回报增长速率随投入年限的增长而加快，收益回报如图9所示。

图9 网络切片投资收益回报Fig.9 Return of network slicing technology

综上所述，通过对比3类网络部署方案可知，在5G网络上进行切片部署带来的经济效益更大，效益的实现基于下列2点：（1）年规划和应用的新业务数量有新增；（2）支持网络切片和创建规模服务需要部署与之相适应的自动化水平。以管理大量切片为前提条件，大城市建设一流城市配电网的目标与点多面广及海量设备接入的特点相符，能够满足实现经济效益的基础条件。切片业务的数量越多，为电网增加收入并节省成本的机会就越大，电网业务将受益于可提供最大灵活性的切片网络，不仅提升了电网经济效益，而且随着网架的海量设备接入，增强了业务的可扩展性，电网投资回报率可以很快提升。

4 结束语

面向城市配电网中的5G 电力切片业务，经E2E网络切片安全隔离测试，验证了电力Ⅰ/Ⅱ区和Ⅲ/Ⅳ业务与公众业务切片间的安全隔离且业务互不影响、可监控，进一步提升了5G 电力切片组网的可行性。将各区业务通过5G网络切片技术编排、精益化管理及改造，构建出多张高可靠性、互动友好、安全隔离及经济高效的网络切片。

技术层面上，5G 在带宽、时延与可靠性上明显优于其他网络，为城市配电网提供多连接与多样化业务提供灵活的网络部署能力和分类管理能力。效益层面上，5G电力切片业务为运营主体的商业模式提供可靠的盈利模式，为加速建设一流城市配电网提供指导依据。