5G已成為全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的核心技術(shù)之一，是實現(xiàn)國家數(shù)字化、智能化、“萬物互聯(lián)”的戰(zhàn)略性通信基礎(chǔ)設(shè)施。為滿足5G垂直行業(yè)的三大需求，國際電聯(lián)(ITU)提出了IMT-2020(即5G，也稱為NR)愿景，確立了三大場景增強移動帶寬(eMBB)、超高可靠低時延通信(uRLLC)、大規(guī)模機器類通信(mMTC)，在實現(xiàn)移動通信技術(shù)新跨越的同時，將移動通信能力從消費級向工業(yè)級延伸，推動產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級。2020年3月4日中央政治局常務(wù)委員會會議指出，加快5G網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進度，將信息技術(shù)、智能技術(shù)、新能源技術(shù)等各類新興技術(shù)廣泛滲透到各個領(lǐng)域，推動經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展，人類社會正在進入一個全面感知、高速傳輸、智能處理的萬物智聯(lián)的新時代。

智能電網(wǎng)將向海量連接、安全高效、末梢延伸發(fā)展，將面臨更加復雜的嚴峻挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)配網(wǎng)采用過流保護，停電影響范圍大，無法精準排查，急需提升供電可靠性，實現(xiàn)配網(wǎng)故障精準定位。目前主網(wǎng)已實現(xiàn)光纖覆蓋，但是電網(wǎng)末梢神經(jīng)的配網(wǎng)[1]處于“盲調(diào)”狀態(tài)，因為數(shù)量大，光纖很難全覆蓋，成本高時間長維護難。智能分布式配網(wǎng)差動保護、配電網(wǎng)同步相量測量 PMU，對無線移動通信要求非常高，時延平均15 ms以內(nèi)，授時小于 1 μs，可靠性99.999%，迫切需要構(gòu)建經(jīng)濟靈活、雙向?qū)崟r、安全可靠、全方位覆蓋的“泛在化、全覆蓋”終端通信接入網(wǎng)。5G 通信技術(shù)的eMBB、mMTC、uRLLC三大特征及其“網(wǎng)絡(luò)切片”技術(shù)有望適配數(shù)字電網(wǎng)建設(shè)的需求，成為電力通信專網(wǎng)[2]的補充，有效解決智能配電網(wǎng)及智能巡檢等無線通信業(yè)務(wù)“卡脖子”問題。

01 面向電網(wǎng)業(yè)務(wù)應用場景

電力行業(yè)無線通信應用場景總體上可分為控制、采集兩大類。其中，控制類包含智能分布式配電自動化、用電負荷需求側(cè)響應、分布式能源調(diào)控等;采集類主要包括高級計量、視頻監(jiān)控、配網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測等[3]。對于控制類業(yè)務(wù)場景，當前整體通信特點為采用子站/主站的連接模式[4]，星形連接拓撲，主站相對集中，一般控制的時延要求為秒級。未來隨著智能分布式配網(wǎng)終端的廣泛應用，連接模式將出現(xiàn)更多的分布式點到點連接，隨著用電負荷需求側(cè)響應、分布式能源調(diào)控等應用，主站系統(tǒng)將逐步下沉，出現(xiàn)更多的本地就近控制，且與主網(wǎng)控制聯(lián)動的需求，時延需求將達到毫秒級。

對于采集類業(yè)務(wù)場景，當前基本按照月、天、小時為單位采集，未來為滿足負荷精確控制，用戶實時定價等應用的發(fā)展，采集頻次將趨于分鐘級，達到準實時能力。另外，當前主要以基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、圖像為主，碼率為 100kbps 級。隨著智能電網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，采集對象將擴展至電力二次設(shè)備及各類環(huán)境、溫濕度、物聯(lián)網(wǎng)、多媒體場景，連接數(shù)量預計至少翻1倍;中遠期若在產(chǎn)業(yè)驅(qū)動下，集抄方式下沉至用戶，采集內(nèi)容將深入到戶內(nèi)用電設(shè)備的信息，連接數(shù)預計翻 50~100 倍;另外，采集內(nèi)容亦從原有的簡單數(shù)據(jù)化趨于視頻化、高清化，尤其在無人巡檢、視頻監(jiān)控、應急現(xiàn)場自組網(wǎng)綜合應用等場景將出現(xiàn)大量高清視頻的回傳需求，局部帶寬需求在 4~100Mbps 級。隨著家庭能源管理應用的推廣，通過智能電表實現(xiàn)家電用電信息采集;通過智能交互終端，以 APP 的方式，給用戶提供實時電價和用電信息，實現(xiàn)對用戶室內(nèi)用電裝置的負荷控制等各類互動服務(wù)與電力增值服務(wù)功能，達到需求側(cè)管理的目的，表1給出了5G技術(shù)三大特性在電網(wǎng)業(yè)務(wù)的典型應用場景[5]。

表1 5G技術(shù)在電網(wǎng)業(yè)務(wù)的典型應用場景

02 5G切片賦能電網(wǎng)業(yè)務(wù)

2.1 電網(wǎng)5G切片架構(gòu)設(shè)計

5G網(wǎng)絡(luò)切片面向電力等特定行業(yè)業(yè)務(wù)需求，具備“端到端網(wǎng)絡(luò)保障SLA、業(yè)務(wù)隔離、網(wǎng)絡(luò)功能按需定制、自動化”的典型特征，動態(tài)分配網(wǎng)絡(luò)資源，滿足差異化SLA(Service Level Agreement)、自動化按需構(gòu)建相互隔離的網(wǎng)絡(luò)要求，實現(xiàn)多域之間的協(xié)同[6]。采用基于服務(wù)化的架構(gòu)設(shè)計，重構(gòu)軟件架構(gòu)[11]，形成5G網(wǎng)絡(luò)端到端可編排的能力，為不同的電力業(yè)務(wù)應用構(gòu)建不同的網(wǎng)絡(luò)實體、邏輯上相互隔離的專用網(wǎng)絡(luò)，確保不同的切片之間電力業(yè)務(wù)互不干擾。5G網(wǎng)絡(luò)切片可向電網(wǎng)用戶按需提供定制化的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，可對網(wǎng)絡(luò)進行一定的可視化操作管理。每類切片可按需構(gòu)建多個網(wǎng)絡(luò)切片實例，電網(wǎng)企業(yè)可根據(jù)切片運行的狀態(tài)及業(yè)務(wù)需求，為所屬各單位提供差異化的電力業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)切片服務(wù)[8]?；陔娏π袠I(yè)的需求和網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，面向電力的端到端5G切片賦能電網(wǎng)架構(gòu)如圖1所示。

圖 1 5G切片賦能電網(wǎng)架構(gòu)圖

2.2 電網(wǎng)5G切片能力開放

電力業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)切片由公網(wǎng)運營商向電網(wǎng)企業(yè)提供切片訂制的可選菜單，運營商針對電力的業(yè)務(wù)訂購，轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)語言進行切片部署，切片部署的過程對電網(wǎng)企業(yè)是透明的，且公網(wǎng)運營商可把切片的實時運行狀態(tài)(如基礎(chǔ)資源運行狀態(tài)、業(yè)務(wù)關(guān)鍵指標、異常告警信息等)開放給電網(wǎng)企業(yè)，電網(wǎng)企業(yè)可根據(jù)切片運行狀態(tài)及不同分區(qū)的業(yè)務(wù)需求，進行高強度的安全隔離，定制化分配資源，提供差異化切片服務(wù)，從而形成電力行業(yè)切片運行閉環(huán)管理[7]。運營商可向電力行業(yè)用戶開放的切片管理能力包括切片按需定制、切片規(guī)劃部署和切片運行監(jiān)控3個方面，電網(wǎng)企業(yè)可按需擴展自定義切片類型，以區(qū)分不同分區(qū)業(yè)務(wù)或有特殊管理需求的業(yè)務(wù)，通過切片5QI軟隔離和硬隔離保證不同電力業(yè)務(wù)的高安全性[9]。圖2為電力業(yè)務(wù)5G網(wǎng)絡(luò)切片能力開放架構(gòu)圖。

圖 2 電力業(yè)務(wù)5G網(wǎng)絡(luò)切片能力開放架構(gòu)圖

2.3 5G切片電力業(yè)務(wù)安全分區(qū)

電網(wǎng)行業(yè)有兩大類典型的5G切片業(yè)務(wù)需求，以配電自動化三遙、精準負荷控制為典型代表的工業(yè)控制類業(yè)務(wù)，對應超高可靠低時延通信(uRLLC)典型切片，屬于生產(chǎn)控制大區(qū)切片。以用電信息采集、分布式電源、無人機遠程巡檢為典型代表的信息采集類業(yè)務(wù)，對應增強移動帶寬(eMBB)、大規(guī)模機器類通信(mMTC)典型切片，屬于管理信息大區(qū)切片[12]。5G網(wǎng)絡(luò)切片電力業(yè)務(wù)安全分區(qū)運行，可實現(xiàn)基于5G切片端到端物理隔離專用網(wǎng)絡(luò)，高電磁復雜環(huán)境“生產(chǎn)級”網(wǎng)絡(luò)安全可靠連接，有效支持大規(guī)模配電網(wǎng)自動化、低壓集抄、分布式接入等場景靈活部署要求，達到端到端網(wǎng)絡(luò)時延<=15 ms，網(wǎng)絡(luò)授時精度<10 us的效果，圖3為5G網(wǎng)絡(luò)切片實現(xiàn)電力業(yè)務(wù)安全分區(qū)拓撲圖。

圖3 5G網(wǎng)絡(luò)切片實現(xiàn)電力業(yè)務(wù)安全分區(qū)拓撲圖

03 5G電網(wǎng)試點及應用驗證

5G為電網(wǎng)行業(yè)提供按需定制、安全隔離、高可靠性的專用網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)切片將一張物理網(wǎng)絡(luò)通過軟/硬件分離成多張?zhí)摂M邏輯網(wǎng)絡(luò)，以滿足5G電網(wǎng)不同業(yè)務(wù)的需求，實現(xiàn)電網(wǎng)用戶網(wǎng)絡(luò)切片的設(shè)計、部署和運維?；谕娋W(wǎng)用戶簽訂的SLA (Service level Agreement)業(yè)務(wù)服務(wù)協(xié)議，為電網(wǎng)行業(yè)不同業(yè)務(wù)提供相互隔離、功能可定制的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。5G網(wǎng)絡(luò)切片是由網(wǎng)絡(luò)功能和所需的物理/虛擬資源的集合，需穿透接入網(wǎng)、承載網(wǎng)、核心網(wǎng)3層網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)切片端到端配置方案如圖4所示。

圖4 支撐電力5G SA網(wǎng)絡(luò)切片端到端配置方案

3.1 5G基站無線側(cè)切片配置

在PDP激活時核心網(wǎng)把QCI信息發(fā)送給eNB，eNB通過配置將QCI與DSCP/VLAN優(yōu)先級映射，eNB根據(jù)nexthop打VLAN tag。

a) eNB上根據(jù)Nexthop配置兩個不同優(yōu)先級的VLAN，分別到2個不同的DGW。

b) 配置QCI到DSCP的映射。

c) 配置DSCP到VLAN優(yōu)先級的映射。

d) 打開基于QCI的QoS控制算法。

3.2 5G承載網(wǎng)傳輸側(cè)切片配置

a) 傳送網(wǎng)側(cè)不同的切片業(yè)務(wù)占用不同的L3VPN通道：在ATN980B側(cè)創(chuàng)建VLAN子接口用于基站接入;CX600-X8A側(cè)創(chuàng)建VLAN子接口與數(shù)據(jù)中心網(wǎng)關(guān)互聯(lián)，并創(chuàng)建到云核網(wǎng)元的靜態(tài)路由。

b) 基站側(cè)不同的切片業(yè)務(wù)根據(jù)Nexthop配置2個不同優(yōu)先級的VLAN ，在接入側(cè)進入到不同的L3VPN。

c) 云核心網(wǎng)側(cè)，2個UPF分屬不同的VPC，分別在VPC-GW配置到基站的靜態(tài)路由。

d) 傳送網(wǎng)通過QOS優(yōu)先級調(diào)度保障高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的帶寬;承載網(wǎng)絡(luò)受限于現(xiàn)網(wǎng)軟硬件版本，只能采用上述軟切片方案;升級現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備后，可以支持FlexEth等硬切片方案。

3.3 5G SA核心網(wǎng)切片配置

a) 在AMF和SMF上分別配置I/II區(qū)業(yè)務(wù)和III/IV區(qū)業(yè)務(wù)QoS信息(或者使用簽約數(shù)據(jù))。

b) SMF1上配置I/II區(qū)業(yè)務(wù)DNN，用于SMF基于DNN選UPF、地址池綁定等。

c) SMF1上配置III/IV區(qū)業(yè)務(wù)DNN，用于SMF基于DNN選UPF、地址池綁定等。

d) UDM上配置CPE1和CPE2的DNN簽約數(shù)據(jù)(含QoS信息)。

e) 配置UPF和eNB的N3接口的IP鏈路信息(傳輸基礎(chǔ)配置)。

f) UPF1配置連接I/II區(qū)業(yè)務(wù)服務(wù)器的傳輸配置。

g) UPF2配置連接III/IV區(qū)業(yè)務(wù)服務(wù)器的傳輸配置。

根據(jù)5G網(wǎng)絡(luò)R15標準進展，采取eMBB標準協(xié)議作為5G三大場景切片設(shè)計基礎(chǔ)，選取低時延高可靠、廣覆蓋大連接、大容量高帶寬的3類應用場景典型業(yè)務(wù)，從帶寬、時延、安全可靠性、接口等維度分析其通信需求，驗證電力業(yè)務(wù)場景下5G網(wǎng)絡(luò)帶寬、時延、容量等網(wǎng)絡(luò)性能指標，基于電力業(yè)務(wù)切片方案，驗證5G網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)適配性和業(yè)務(wù)承載性能，實現(xiàn)各類終端設(shè)備的泛在接入、智能化應用，圖5為電網(wǎng)業(yè)務(wù)5G端到端切片測試拓撲圖。

圖5 電網(wǎng)業(yè)務(wù)5G端到端切片測試拓撲圖

3.4 應用驗證

3.4.1 負荷控制等低時延高可靠場景應用

配電自動化業(yè)務(wù)主要實現(xiàn)配電網(wǎng)檢測、控制和快速故障隔離，縮短斷電恢復時間，提高電網(wǎng)可靠性[13]。精準負荷控制業(yè)務(wù)主要用于在電網(wǎng)故障時，為保證電網(wǎng)系統(tǒng)中負荷平衡，優(yōu)先切除可中斷的用電負荷(例如暖通、室內(nèi)照明)，以保障不可中斷負荷(如醫(yī)院、工廠用電)的正常工作。針對5G低時延超高可靠(uRLLC)類應用場景，分別選取配網(wǎng)自動化、精準負荷控制2個典型業(yè)務(wù)，從上下行峰值速率、容忍最大時延和可靠性等維度分析業(yè)務(wù)需求，提出5G端到端uRLLC網(wǎng)絡(luò)切片方案和試驗驗證方案，開展面向5G uRLLC場景下的業(yè)務(wù)驗證研究。uRLLC場景下5G切片端到端測試結(jié)果如表2所示，結(jié)果表明，5G技術(shù)可以很好地滿足負荷控制等低時延超高可靠場景的指標要求。

表2 uRLLC場景下5G切片端到端測試結(jié)果

3.4.2 視頻監(jiān)控等大帶寬場景應用

巡檢機器人主要用于對變電站、配電房等關(guān)鍵電力設(shè)備的巡視工作，實現(xiàn)無人值守[15]。 視頻監(jiān)控主要針對配電網(wǎng)重要節(jié)點(開閉站)的運行狀態(tài)、資源情況進行監(jiān)視，減少人工巡檢的任務(wù)量。針對5G大容量高帶寬(eMBB)類應用場景，分別選取智能巡檢、視頻監(jiān)控2個典型業(yè)務(wù)，從網(wǎng)絡(luò)帶寬、時延、視頻流暢度、畫面清晰度等維度分析需求，提出5G端到端網(wǎng)絡(luò)切片方案和試驗驗證方案，開展面向5G eMBB場景下的業(yè)務(wù)驗證工作。eMBB場景下5G切片端到端測試結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明，5G技術(shù)可以很好地滿足視頻監(jiān)控等大帶寬傳輸場景的指標要求。

表3 eMBB場景下5G切片端到端測試結(jié)果表

3.4.3 智能表計等海量連接場景應用

用電信息采集是對居民、專變、臺區(qū)等用電信息的采集、處理和管理，分布式電源主要包括風電、光伏、電動汽車充電站、儲能設(shè)備等[14]。針對5G廣覆蓋大連接(mMTC)類應用場景，分別選取用電信息采集、分布式電源接入2個典型業(yè)務(wù)，從上下行峰值速率、容忍最大時延和可靠性等維度分析業(yè)務(wù)需求，提出5G端到端mMTC網(wǎng)絡(luò)切片方案和試驗驗證方案[16]，開展面向5G mMTC場景下的業(yè)務(wù)驗證研究。mMTC場景下5G切片端到端測試結(jié)果如表4所示。結(jié)果表明，5G技術(shù)可以很好地滿足智能電表等海量終端連接的指標要求。

表4 mMTC場景下5G切片端到端測試結(jié)果表

04 發(fā)展展望

5G切片在智能電網(wǎng)的應用探索，從技術(shù)到業(yè)務(wù)等方面取得了很多應用成果。5G為電網(wǎng)提供了一張靈活調(diào)度的專用網(wǎng)絡(luò)，提供高強度安全隔離和定制化資源保障。相比于以往移動通信技術(shù)，5G有望解決電網(wǎng)末端海量終端接入的通信“卡脖子”問題，能更好地滿足電網(wǎng)業(yè)務(wù)的安全性、可靠性和靈活性需求，為電力行業(yè)提供了新的無線接入方式，同時為運營商開啟了2B業(yè)務(wù)探索。5G時代有助于電網(wǎng)數(shù)據(jù)收集更快，異步處理更加便捷，為電網(wǎng) AI技術(shù)大規(guī)模應用提供海量數(shù)據(jù)分析和小樣本處理成為了可能。目前5G智能電網(wǎng)應用仍處于起步階段，后續(xù)將開展5G內(nèi)嵌式模塊和外置式終端與電力業(yè)務(wù)終端的適配工作，繼續(xù)研究5G基站直接向電力設(shè)備終端授時技術(shù)和配網(wǎng)差動保護低時延無抖動的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，打造電力物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)管理支撐平臺，實現(xiàn)電網(wǎng)差異化的網(wǎng)絡(luò)切片服務(wù)，提升對通信業(yè)務(wù)的可管可控能力，加快推進電網(wǎng)數(shù)字化建設(shè)和轉(zhuǎn)型。