基于5G专网的智能电网业务实现方案_刘虹.pdf

20 2023年2月 第 2 期（第36卷 总第307期）月刊电信工程技术与标准化信 息 能 源 专 题基于5G专网的智能电网业务实现方案刘虹（海南电信规划设计院有限公司，海口 570203）摘 要 针对光纤网络、电力无线专网、Wi-Fi网络等电力通信网难以支撑输电线/变电站智能巡检、配网差动保护、广域相量测量、低压集抄等智能电网业务开展的情况，本文提出了基于5G专网的智能电网业务实现方案。即采用网络切片、边缘计算、高精度授时等5G技术，解决视频监测信号、“三遥”信号、电力终端感知信号等数据的灵活接入、实时传输和安全隔离等问题，实现电网运营数据的实时采集和智能控制。模拟仿真验证结果表明采用5G技术能满足智能电网业务对带宽、时延、抖动和安全的要求，可有效支撑智能电网业务实现。关键词 智能电网；5G专网；网络切片；多接入边缘计算中图分类号 TN86 文献标识码 A 文章编号 1008-5599（2023）02-0020-08收稿日期：2022-11-02目前电力通信主要由自建的光纤网络、无线专网和 Wi-Fi 网络实现。自建网络运维和终端成本高，光纤通信网不能满足业务灵活接入，无线专网带宽受限，Wi-Fi 网络性能及安全性较差。随着大规模配电网自动化、低压集抄、分布式能源接入、智能化巡检等业务快速发展，各类电网设备、电力终端和用电客户的通信需求急剧增长，现有电力通信网已无法满足电力业务发展的需求。例如输电线路巡检无人机至控制台之间采用 2.4 GHz 公共频段的 Wi-Fi网络进行通信，有效控制半径小于 2 km，不能满足长距离巡检要求，且受带宽限制无法实时回传视频信号；变电站内通信采用公共频段的 Wi-Fi 网络，无法满足电力业务安全隔离要求，Wi-Fi 网络信道资源有限，时延不稳定，高速移动场景下无法实时切换，难以满足变电站大带宽和高速移动业务的需求；配网的海量配电设备需要实时监测、控制，信息双向交互频繁，光纤通信网络建设成本高、运维难度大，难以支撑配电网各类终端的遥信、遥测和遥控；用电领域的计量采用集中抄表方式，不能实时双向互动，难以满足客户个性化需求，用电负荷精细化监控水平有待提升。5G 的 eMBB 和 URLLC 相 关 标 准 基 本 完 成，mMTC 的标准仍在制定中，针对智能电网的标准处于起步阶段。因此，有必要通过分析智能电网各环节业务对通信网络性能的需求，研究 5G 技术在电力行业的应用，探讨不同类型电网业务的实现方案。1 智能电网对通信的需求智能电网是基于高速、双向、低时延、高可靠和高安全的通信网络，应用先进的传感测量技术、数字信息技术和自动控制技术，实现电网智能、安全、可靠、经济和高效地运营。DOI:10.13992/ki.tetas.2023.02.01321 2023年2月 第 2 期（第36卷 总第307期）月刊电信工程技术与标准化信 息 能 源 专 题5G 具有大带宽、低时延、高可靠和海量连接的特点，应用 5G 技术定制电力通信专网可使电网从发电到用电所有环节各类信息实现高速、双向和实时交互，保障业务安全可靠，从而促进电网各环节系统优化，实现电网智能化。5G 专网在智能电网各环节的典型应用场景主要如下。（1）发电厂和变电站。搭载高清摄像头智能机器人沿指定路线自动巡检，对设备、仪表上的各种指示数据等进行识别和读数，高清视频图像数据经 5G 专网回传至监控中心。（2）输电线路。无人机巡检采集的视频数据由 5G网络的专用通道承载，保障信息实时回传及安全隔离。（3）配电领域。分布式配电自动化属于生产控制类业务，采用 5G 网络切片和高精度授时技术可实现分布式配网差动保护、同步相量测量（PMU）、配电设备“三遥”，确保生产控制类业务与电力管理信息类业务、以及其它行业业务间实现严格物理隔离，保障安全隔离性。（4）用电环节。基于 5G 网络建设智慧视频监控系统，可实现供电营业厅、充电站、营销作业现场和电能表自动化等业务场景的实时监控，发现异常事项及时处理，增强营销服务能力。智能电网的业务总体可分为采集和控制两大类，业务场景对通信网的要求见表 1。2 可用于智能电网的 5G 技术电力行业在发、输、变、配、用等环节的不同应用场景对于网络的带宽、时延、抖动、授时等均有不同的需求，要求基于同一个基础网络设施，能满足不同业务场景的差异化和确定性网络需求。为了满足垂直行业需求，5G 的 R15 和 R16 标准定义很多新技术，包括网络切片（NS）、多接入边缘计算（MEC）、非公用网络（NPN）、时延敏感网络（TSN）和 5G LAN 等，这些技术各有特点。根据智能电网业务的差异化需求采用不同的 5G 技术组合，按需定制相应的电力专用通信网络，可有效支撑智能电网业务实现。2.1 网络切片智能电网要求基础通信网络能提供差异化加确定性的服务等级协议（SLA）保障。网络切片是在同一物理网络中保障业务独立性的关键技术，可以在一个 5G 基础网络上划分出多个相互隔离和 SLA 可保障的虚拟端到端逻辑网络，为不同的业务提供差异化和确定性服务。网络切片由一组满足特定业务需求的网络功能及资源组成，切片可以根据业务的性能要求和应用场景分别定制，不同的切片对应不同的 ID 标识。每个端到端切片均由无线网切片、移动核心网切片和承载网切片组合而成，由端到端切片管理系统进行统一管理。切片管理系统提供切片创建、切换、扩缩容和状态业务类型典型应用场景时延带宽可靠性安全隔离授时精度采集类无人机、机器人巡检（4K 视频）不大于 200 ms不小于 10 Mbit/s不小于 99.9%管理信息 3 区-无人机、机器人巡检（传感器）不大于 50 ms2 Mbit/s不小于 99.999%管理信息 3 区-高清视频监控（4K）不大于 200 ms不小于 10 Mbit/s不小于 99.9%管理信息 3 区-高级计量（公用高压器/专用变压器检测、低压集抄）不大于 3 s 上行 2 Mbit/s不小于 99.99%管理信息 3 区-控制类差动保护不大于 15 ms不小于 10 Mbit/s不小于 99.999%安全生产 1 区10s配网 PMU不大于 20 ms10 Mbit/s不小于 99.999%安全生产 1 区1s精准负荷控制不大于 50 ms2 Mbit/s不小于 99.999%安全生产 1 区-电力应急通信（控制）不大于 20 ms4 10 Mbit/s不小于 99.999%管理信息 3 区-表1 智能电网业务对通信网络的性能需求22 2023年2月 第 2 期（第36卷 总第307期）月刊电信工程技术与标准化信 息 能 源 专 题监控等全生命周期切片管理，完成全场景和端到端的切片管理方案。用户申请创建切片时，需指定网络接入点和 SLA 要求，切片管理系统根据网络物理拓扑、节点属性、链路属性、开销等信息计算出满足切片要求的链路，在配置链路时绑定切片 ID。根据业务的隔离要求，核心网切片可配置专用硬件资源池，也可基于共享硬件服务器采用网络功能虚拟化技术为不同业务分配不同虚拟机。无线网切片包括空口/射频、基带处理和高层协议栈。对于空口频谱资源，电力业务和其它业务共享频谱资源，在时域和频域两个维度动态地按需调度，通过不同的物理层参数、调制编码方案和调度方案等达成业务差异化的时延及可靠性。基带处理资源可静态预分配，也可根据业务的优先级动态分配，通过优先接入和负载控制等技术，保障电力业务优先抢占资源。高层协议栈具备隔离架构，可根据业务类型按需隔离。承载网切片可分为硬切片和软切片。硬切片采用基于灵活以太网（FlexE）技术的物理隔离来保证带宽和低时延性能。FlexE 技术通过引入 FlexE Shim 层实现 MAC 与 PHY 层解耦，把每个高速物理以太网端口划分为多个时隙，每个时隙对应不同的网络切片，基于 TDM 时隙实现切片之间的物理隔离。软切片是基于VPN+QoS 方式实现逻辑隔离。2.2 MEC 和用户面功能下沉MEC 结合 5G 核心网用户面功能（UPF）下沉，可把本地业务分流至本地应用平台，降低业务时延，保障数据安全隔离。MEC 是把计算存储能力与业务服务能力向网络边缘延伸，使应用可以本地化、近距离部署，解决低时延且有安全性和私密性要求的业务。MEC 还可采集移动网络上下文信息，开放给第三方业务应用，促进网络和业务融合。为了支持边缘计算，5G 核心网可根据用户的签约信息、终端位置、应用功能、网络相关信息和路由规则等为业务终端选择一个网络位置更近的 UPF，把业务数据分流至本地应用服务平台。5G 核心网支持以下 3 种本地分流机制。（1）上行分类器（UL CL）。SMF 在 PDU 会话的数据路径中插入一个上行分类标记，用于把上行业务数据按照过滤器要求转发到不同的 PDU 会话锚点，并将该 UE 多个锚点的下行数据合并。本地 UPF 根据 SMF下发的分流规则过滤上行数据分组 IP 地址，把本地业务流量分流至本地 DN，UE 不需感知 UL CL 的分流。该机制适用于增强移动宽带 eMBB 场景。（2）IPv6 多归属分流。SMF 根据 UE 位置选择本地 UPF。本地 UPF 根据 SMF 下发的分流规则过滤上行数据分组源 IP 地址，把本地业务流量分流至本地DN。该机制要求 UE 采用不同的 IPv6 地址访问不同的业务。（3）本地数据网络（LADN）。LADN 用一组 TA标识，通常与边缘计算应用的服务区相对应，只有当UE 在 LADN 服务区时，才能访问相应的边缘计算应用。本地区域内用户被分配特定 DNN，SMF 根据 UE 的签约信息选择相应 UPF，将会话路由到相应的 LADN，将归属于指定 DNN 的用户业务分流至本地 DN。此分流机制要求 UE 感知分流并参与控制。2.3 非公用网络为适应垂直行业的多样化通信需求，3GPP 定义了5G 专网 NPN 架构。NPN 又分为独立 NPN（SNPN）和公众网络集成 NPN（PNI-NPN）。SNPN 是指按需定制专用核心网（含控制面和用户面）和专用无线网，网络性能不受公网影响，建设投资和运营成本高，如中国电信如翼模式。PNI-NPN 包括两种模式，模式 1 是共享公网 5G 核心网控制面和无线网，为行业客户建设专用 UPF 和 MEC，下沉至边缘云或园区，如中国电信比邻模式；模式 2 是端到端共享 5G 核心网和无线网，基于 5G 公网端到端网络切片为行业客户部署 5G 虚拟专网，如中国电信致远模式。2.4 空口高精度授时空口高精度授时是 5G 网络时钟同步技术之一，23 2023年2月 第 2 期（第36卷 总第307期）月刊电信工程技术与标准化信 息 能 源 专 题5G 的 R16 标准定义同步 SIB9 消息和 RRC 消息发送ReferenceTimeInfo 字段，5G 空口授时精度达到小于1 s，可以满足分布式配网差动保护和广域相量测量的时间精度要求。终端同步过程从接收的下行 PSS/SSS 信号获取同步；通过上行 PREACH 信号获取终端和基站的同步误差 TA；基站将 TA 值告知终端，终端和基站之间实现相位同步和频率同步；基站通过广播 SIB 消息或单播RRC 消息通知终端绝对时间，终端和基站之间实现时间同步。3 智能电网业务实现方法3.1 智能电网系统架构5G 网络的三大应用场景与智能电网的业务应用场景高度契合。基于 5G 网络，运用网络切片、边缘计算和高精度授时等技术部署 5G 专网，可实现如无人机、机器人智能巡检、差动保护、PMU 和低压集抄等业务。基于 5G 专网的智能电网业务实现方案总体架构如图 1所示。（1）感知层。在智能电网的各类应用场景中，配网的差动保护装置（DTU）、同步相量测量装置（PMU）、“三遥”终端、电厂站智能巡检机器人、输电线路巡检无人机、配电房综合监控、用电计量等电力终端可通过外置的 5G 专用终端设备（CPE）或嵌入式通信模组，把采集到的数据和视频图像等信息通过 5G 网络传输到业务平台。（2）网络层。根据各电网业务对端到端时延、最大