基于5G切片技术的电力多业务技术研究

基于 5G切片技术的电力多业务技术研究

刘超 1

1. 广东电网有限责任公司

摘要：为更好地满足电网业务差异化服务和安全隔离保障需求，提升了电网企业对自身业务的自主可控能力和运营效率，本文基于5G端到端切片技术开展电力多业务的研究。通过分析5G智能电网典型应用场景，针对不同业务场景，基于面向服务的5G端到端切片技术和5G电力终端泛在可信接入技术开展研究，旨在提供了全新的多业务泛在接入立体化解决方案，为全面感知、高效传输、实时在线、智能决策的全业务泛在电力网络建设，奠定坚实的技术基础。

关键词：5G；端到端；电力多业务

0 引言

随着社会经济技术的发展，用电量需求不断提高，同时传统电网向智能电网发展的趋势愈发明显。智能电网作为关系国计民生和国家能源安全的重要基础设施，其生产运行高度依赖网络和信息化。

电力通信网作为支撑智能电网发展的重要基础设施，保证了各类电力业务的安全性、实时性、准确性和可靠性要求。经过多年建设，在骨干通信网侧35kV以上的主网通信网已具备完善的全光骨干网络和可靠高效数据网络，光纤资源已实现 35kV及以上厂站、自有物业办公场所/营业所全覆盖。然而在配电通信网侧，由于点多面广，海量设备需要实时监测或控制，信息双向交互频繁，且现有光纤覆盖建设成本高、运维难度大，公网承载能力有限，难以有效支撑配电网各类终端可观可测可控。随着大规模配电网自动化、高级计量、分布式能源接入、用户双向互动等业务快速发展，各类电网设备、电力终端、用电客户的通信需求爆发式增长，迫切需要构建安全可信、接入灵活、双向实时互动的“泛在化、全覆盖”配电通信接入网，并采用先进、可靠、稳定、高效的新兴通信技术及系统予以支撑，这是智能电网发展对配电网通信提出的新需求。5G的出现恰好为上述需求提供了新的解决思路。

因此，针对不同业务场景，基于面向服务的5G端到端切片技术和5G电力终端泛在可信接入技术开展研究，旨在提供了全新的多业务泛在接入立体化解决方案，具有重大意义。

1 5G智能电网典型应用场景

5G网络充分利用与SDN/NFV虚拟化架构的融合，根据未来业务具体场景和需求提出“网络切片”的概念，实现了端到端的逻辑网络划分，按需配置网络资源。基于现有业务发展趋势可以预判，未来5G网络承载业务场景可分为大带宽的移动接入场景（eMBB）、大规模物联网接入场景（mMTC）以及低时延高可靠性业务接入场景（uRLLC）三大场景^[1]。

根据不同的服务需求，比如时延性、带宽、连接数等，对物理网络划分为多个虚拟网络——网络切片，以应对不同的网络应用场景。智能电网需要对配网通信的时延、带宽、连接数有更高的要求，与5G网络切片有很好的结合点，故5G选择以电力作为5G网络切片的切入点，为智能电网不同业务提供差异化的网络服务。

1. 电网控制类

5G网络低延时、连接范围广等特点可以有效满足配电网业务无线接入需求，使电网能够实现对每一个开关精准、快速地进行控制。

2. 智能分布式配电自动化

当前配电自动化主流采用集中式配电自动化方案，连接方式为主站集中，星型连接为主。配网保护中心逻辑单元负责逻辑运算，发出保护跳闸指令；就地逻辑单元负责信息采集并处理执行就地保护跳闸指令，由于一个中心逻辑单元连接多个就地逻辑单元，当发生故障时，停电影响范围大。

智能分布式配电自动化以5G网络基础，每台终端都可以起到中心逻辑单元作用，就地跳闸，快速隔离配网线路故障区段，快速实现故障判断和定位故障隔离以及非故障区域供电恢复等操作，从而实现故障处理过程的全自动进行，最大可能地减少故障停电时间和范围，极大的提高了配网故障处理时间。

3. 用电负荷需求侧响应

在传统配网，当用电负荷超过可承载负荷时，因为没办法单个控制某些负荷，只能采取一刀切的方式，切除整条配电线路来降低负荷，对社会生产影响极大。通过接入5G网络实现对负荷精准控制，在遇到紧急情况是，可以选择优先切断非重要负荷，最高程度的降低损失。随着电网发展，未来的需求侧响应将挥出现更多角色，售电、增点配电、储能、微网和更加灵活多样的市场化需求侧响应交易模式。

4. 分布式能源调控

多种分布式能源的并网，使电网从一个单电源网络结构变成多电源网络结构。虽然分布式能源可以在电网遇到紧急情况时作为备用电源，但是随着分布式光伏，分布式储能、电动车充换电站、风电站海量接入配电网，通信连接数量将成倍增长，用户是用电方的同时也是发电方，配电网的运行更加复杂，为电网的稳定运行带来挑战。如何对分布式能源调控，使其和电网形成良好互动成为了一个问题。但是因为分布式能源基数过于庞大，现有的信息通信方式难以有效的进行分布式能源调控，而这正是5G电力切片中主要的研究方向之一。

5. 信息采集类

智能电网不是空中楼阁，需要大量的数据去实现。随着智能电网的发展，现有的用电采集系统已不能满足未来的需要。采集需求也将由“小颗粒”到“大颗粒”，视频采集转变。5G将满足采集内容视频化、高清化的需求；采集频次大幅增长，由天或者小时进化为分钟级采集，可以实现准实时采集；另外还有电网和用户间的双向互动。

6. 高级计量

对于未来的居民用户来说，用电采集将不仅仅只和智能电表产生关系。而是以智能电表为基础，连接充电桩、分布式电源和各种家用智能电器，与客户产生更加深层次的互动，实现与用户的用电信息等共享。比如非侵入式用电负荷检测，通过双向互动实现用户需求侧管理，实现客户对电器的控制。而对于工商业用户而言，高级计量可以分析企业详细用电数据、用电习惯，从而进行能效管理，节能增效。

7. 智能电网大视频应用

现在各地都在应用智能巡检机器人、无人机等，以机器代替人工方式作业。但由于通信的限制，目前智能巡检机器人记录的视频并不能实施传输，只能保存在本地，而无人机有效控制范围也极其有限，这些都极大的限制了人工智能的应用。而5G技术因其带宽高、范围大的特性可以实现智能电网大视频的应用，并应用更多需要视频传输的电力领域，比如说配电房视频监控、移动式现场施工作业管控、应急现场自组网综合应用等。

2 5G配电网典型业务场景

配电网的典型业务场景主要分为控制类和才积累。

控制类：分布式配电自动化、用电负荷需求侧响应、分布式能源调控等。随着精准负控、分布式能源接入等业务发展,主站系统逐步下沉,更多地本地就近控制，与主网需要控制联动,时延需求将达到毫秒级；

采集类：低压集抄、站所内外场景的智能电网大视频应用等。未来采集对象将趋于多媒体化、深入用户行为分析;采集内容将趋于视频化、高清化;采集频次将趋于准实时,且从单向采集向双向互动演进。

5G网络为配电网业务无线接入提供了一种更优化解决方案。各类电网设备、电力终端、用电客户的通信需求爆发式增长，迫切需要构建安全可信、接入灵活、双向实时互动的"泛在化、全覆盖”配电通信接入网，并采用先进、可靠、稳定、高效的新兴通信技术及系统予以支撑。

5G应用场景关键通信指标如图1所示。

3 5G端到端切片技术

5G网络基于云技术/虚拟化技术构建总体架构。控制面与用户面的网络功能均与实体网元解绑，以虚拟化方式部署在虚机环境中，并被进一步抽象为网络服务向用户侧交付业务。基于切片的5G独立组网架构，如图2所示^[2-3]。

图2 基于切片的5G总体组网架构

在5G架构中，通过核心网定义统一的功能服务模板与服务总线实现开放化的网络架构，面向上层业务和应用提供标准网络接口，将传统集中式部署的核心网格局转变为可分布式部署的虚拟化架构。

传输承载网通过对底层网络的节点、网元及拓扑链路等一系列基础设施资源的虚拟化及统一编排，根据上层业务定制化需求逻辑隔离底层物理资源组织切片子网，并结合边缘计算技术使网络计算和应用处理等核心能力可按需分散部署在网络边缘层级，减轻核心网侧和骨干链路的流量负荷。

无线网侧利用空口资源动态分配方式将空口资源进行逻辑切分，突破现有频谱资源的固定分配格局，通过切片网间空口资源共享机制提升频段重耕可能性，为有限的频谱资源提供更加合理的配置方案。

网络控制器主要负责对5G业务资源、网络基础设施资源及切片策略等核心信息进行统一纳管，由控制器依据差异化的业务需求及SLA（服务等级协议）调配各层级网络资源并下发切片策略信息，建立按分布式方式部署的端到端逻辑切片子网。除完成业务编排及网络资源管理外，网络控制器还负责业务与切片网络间的协同，实现业务和网络的精准同步运营。

5G网络是SDN/NFV、边缘云计算及网络切片等多种技术深度融合和应用的体现。端到端的网络切片主要是指从核心网侧、承载网侧以及无线网侧不同维度切片的组合，各维度的切片思路各有侧重。

4 5G承载网切片管控

5G网络支撑多种网络应用场景，满足多种业务承载需求，包括支持eMBB、uRLLC、mMTC等不同业务的切片需求，承载网管控系统需要面向多种业务场景，实现切片的规划、自动部署开通和自动运维。

承载网管控系统需配合上层网络管控系统，实现自动化的切片控制，对承载网络切片进行全生命周期的运维管理，提供网络切片的监控、隔离和保障。二是实现端到端的业务路径管控，支持基于业务策略的自动部署、监测、调优和维护诊断。三是提供差异化的SLA保障，提供多服务等级的网络保护和时延保障。为此，5G承载网管理系统需要提供开放标准的北向接口(NBI)，为上层端到端业务编排系统使用，共同实现端到端的业务及网络的自动化编排^[4-5]。

承载网络的切片管控流程及功能需求已经基本明确。一是和上层管控系统进行能力交互，包括拓扑和网络资源抽象信息的交互，网络切片能力和策略的交互，二是完成切片资源的创建、调整、删除等操作，承载网管控系统可以基于上层管控系统的需求，完成切片资源的相关操作，满足上层业务的带宽、时延等SLA需求，同时完成对传送网络资源的标记，便于在后续运营过程中保障切片网络资源的相互隔离。三是实现切片网络资源全生命周期的管理，对切片网络进行监测，包括流量、时延等SLA信息，以及告警和性能信息，管控系统可以基于网络监测结果，对切片网络的资源及其承载业务进行调整、恢复等维护操作

^[6]。

5 结语

本文从技术角度分析了5G切片技术，对于实现实现终端可信接入、业务灵活定制、资源可管可控的“泛在化、全覆盖”配电通信接入网，具有重大实践意义。端到端5G网络切片可以满足电网核心工控类业务的连接需求，5G超低时延（1ms）、海量接入（10M连接/平方公里）的特性可以很好的匹配电网工控类业务需求，符合智能电网工业控制和信息采集类典型业务场景需求。

从应用部署分析，基于5G端到端切片的多业务泛在智能电网，不仅能够使能全新的电网工控类业务，还能够完美的继承现有通过2/3/4G公网支撑的信息采集类业务，从而实现电网内部多切片混合组网、统一管理、统一运维，有效帮助电网客户节省成本。

参 考 文 献

[1]NGMN5GWhitePaper[EB/OL].(2016-04-26)[2018-04-21].https://www.ngmn.org/uploads/media/NGMN_5G_White_Paper_V1_0.pdf..

[2]戴振光, 刘玉龙, 姚万立. 5G网络切片技术在智能电网中的应用分析[J]. 广西电力, 2019(5).

[3]魏向欣, 何涛, 李一航,等. 5G网络切片承载电力系统业务的时延特性研究[J]. 电力信息与通信技术, 2019.

[4]夏旭, 朱雪田, 梅承力,等. 5G切片在电力物联网中的研究和实践[J]. 移动通信, 2019.

[5]周晓东, 王晟. 浅析5G移动通信技术及其在电网中的应用展望[J]. 通讯世界, 2019, 026(010):254-255.

[6]刘洋, 安岗. 工业互联网融合5G网络切片技术演进发展浅析[J]. 信息通信技术, 2019(S01):27-31.

作者简介：刘超（1987年10月出生），男，汉族，籍贯湖南株洲，广东电网有限责任公司电力调度控制中心，工程师，本科学历，工程硕士学位