5G网络切片与MEC部署方案在智能电网中的应用研究.pdf

48新技术新业务行业应用DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2023.07.0115G 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电力行业在发、输、变、配、用、管等全流程需要精准实现配网差动保护、资源调度、安全监控、自动控制及智能维运等功能，迫切需要构建流量大带宽、传输低时延、物联网终端广连接同时具备可移动、高可靠性、高安全性的 5G 智能电力专网。提出基于网络切片与 MEC 部署的 5G 智能电网集成解决方案，通过部署 5G SA 独立组网 NR 基站、SPN 传送网、SA 核心网、独享切片、5G TSN、5G LAN、多接入边缘计算（MEC）及用户面云服务器（UPF）下沉应用到电力厂站及工业园区，充分利用 5G 技术的大带宽、低时延和高可靠、海量接入、网络切片、高隔离度、配置灵活等特性满足智能电网多样化业务承载。通过中兴通讯与南方电网智能电网建设成功落实案例进行功能验证，为能源电力行业数智化转型与创新发展提供参考。钟仕军本科，工程师,四川公众项目咨询管理有限公司,研究方向：5G 智慧行业应用。余国利本科，工程师,本文通讯作者。四川公众项目咨询管理有限公司，研究方向：新能源及智慧电厂建设。宋仕斌本科，高级工程师、副教授。四川公众项目咨询管理有限公司，四川大学锦江学院，研究方向：5G 及工业互联网。江 澜大专，四川公众项目咨询管理有限公司，研究方向：5G智慧行业应用、工业互联网。关键词：5G 网络切片 5G LAN MEC 5G TSN 智能电网 方案研究摘要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495G 网络切片与 MEC 部署方案在智能电网中的应用研究新技术新业务行业应用2023.07 广东通信技术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。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表 1 智能电网典型应用场景 5G 专网设计需求分析组网方案业务需求高清视频智能巡检自动计量差动保护电源管理单元特征分析超大带宽超低时延超高可靠海量连接UE嵌入式模组电力终端独立 CPERAN业务调度优先级中中低高高TN软切片硬切片5GCeMBBuRLLCmMTCMECUPF 下沉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。50新技术 新业务新技术新业务行业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。端层面涉及电网生产的发、输、变、配、用、管等流图 1 基于网络切片与 MEC 部署的 5G 智能电网集成解决方案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515G 网络切片与 MEC 部署方案在智能电网中的应用研究新技术新业务行业应用2023.07 广东通信技术一编排、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