主頁（http://www.by236.com）：基于5G網(wǎng)絡切片技術的智慧電網(wǎng)應用研究

摘要：以智慧電網(wǎng)為代表的垂直行業(yè)智能信息化建設離不開基礎網(wǎng)絡的連接，通過引入5G網(wǎng)絡切片技術，可以實現(xiàn)電網(wǎng)在生產(chǎn)控制區(qū)、管理區(qū)和業(yè)務平臺在網(wǎng)絡上的邏輯隔離，為智慧電網(wǎng)應用提供安全可靠的信息通道，同時滿足帶寬、時延、可靠性、連接性等各種網(wǎng)絡指標。結合5G網(wǎng)絡切片技術對智慧電網(wǎng)中的幾種典型場景應用進行深入探討，為5G系統(tǒng)方案引入電力垂直行業(yè)提供參考和借鑒。

0 - 引言

2019年政府工作報告中明確提出，全面推進“互聯(lián)網(wǎng)+”，運用新技術新模式改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，深化大數(shù)據(jù)、人工智能等研發(fā)應用，促進平臺經(jīng)濟、共享經(jīng)濟健康成長，加快在各行各業(yè)各領域推進“互聯(lián)網(wǎng)+”。近年來，國家電網(wǎng)提出打造“三型”（樞紐型、平臺型、共享型）、建立“兩網(wǎng)”（堅強智能電網(wǎng)、泛在電力物聯(lián)網(wǎng)），建設世界一流能源互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的戰(zhàn)略目標；南方電網(wǎng)提出定位“五者”、轉(zhuǎn)型“三商”，做新發(fā)展理念實踐者、國家戰(zhàn)略貫徹者、能源革命推動者、電力市場建設者、國企改革先行者，推動南網(wǎng)向智能電網(wǎng)運營商、能源產(chǎn)業(yè)價值鏈整合商、能源生態(tài)系統(tǒng)服務商轉(zhuǎn)型。主流電網(wǎng)企業(yè)都在全面提升電網(wǎng)信息化、智能化水平，充分利用現(xiàn)代通信技術，致力打造安全、可靠、綠色、高效的智慧型電網(wǎng)。越來越多的新型電力物聯(lián)網(wǎng)應用對通信網(wǎng)絡的資源調(diào)度能力、業(yè)務承載能力、信息傳輸安全性和實效性提出了更高要求，使能源電力和信息通信深度融合達到前所未有的新高度。

5G所具有的超高帶寬（eMBB）、高可靠超低時延（uRLLC）、超大規(guī)模連接（mMTC）三大應用場景，能夠全面提升傳統(tǒng)垂直行業(yè)的運營效率和智能化水平，與智慧電網(wǎng)通信業(yè)務需求高度契合。5G網(wǎng)絡切片技術在這樣的大背景下應運而生，其敏捷和可定制能力，可以完美對接并充分滿足電網(wǎng)業(yè)務多樣性和隔離性要求，為智慧電網(wǎng)不同業(yè)務需求打造“專屬”網(wǎng)絡。

1 - 智慧電網(wǎng)業(yè)務特點

智慧電網(wǎng)即電網(wǎng)的智能化，也被稱為“電網(wǎng)2.0”。智慧電網(wǎng)建立在集成的、高速雙向通信網(wǎng)絡的基礎上，通過運用新能源、新材料、新設備和先進傳感技術、信息技術、控制技術、儲能技術等新技術，形成的新一代電力系統(tǒng)，具有高度信息化、自動化、互動化等特征，可以更好地實現(xiàn)電網(wǎng)安全、可靠、經(jīng)濟、高效運行。

電力系統(tǒng)是電網(wǎng)企業(yè)的重要生產(chǎn)系統(tǒng)，按照電監(jiān)會提出的安全分區(qū)、網(wǎng)絡專用、橫向隔離、縱向認證要求劃分為生產(chǎn)控制大區(qū)和管理信息大區(qū)。其中生產(chǎn)控制大區(qū)分為控制區(qū)（安全區(qū)Ⅰ）和非控制區(qū)（安全區(qū)Ⅱ），信息管理大區(qū)分為生產(chǎn)管理區(qū)（安全區(qū)Ⅲ）和管理信息區(qū)（安全區(qū)Ⅳ）。

控制區(qū)（Ⅰ區(qū)）的典型業(yè)務系統(tǒng)包括電力數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)、廣域相量測量系統(tǒng)、配網(wǎng)自動化系統(tǒng)、變電站自動化系統(tǒng)、發(fā)電廠自動監(jiān)控系統(tǒng)等，其主要使用者為調(diào)度員和運行操作人員，數(shù)據(jù)傳輸實時性為毫秒級或秒級，其數(shù)據(jù)通信使用電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)的實時子網(wǎng)或?qū)Ｓ猛ǖ肋M行傳輸。

非控制區(qū)（Ⅱ區(qū)）的典型業(yè)務系統(tǒng)包括調(diào)度員模擬系統(tǒng)、水庫調(diào)度自動化系統(tǒng)、故障錄波信息管理系統(tǒng)、電能量計量系統(tǒng)、實時電力市場運營系統(tǒng)等，其主要使用者分別為電力調(diào)度員、水電調(diào)度員、繼電保護人員及電力市場交易員等。

管理信息大區(qū)（Ⅲ區(qū)和Ⅳ區(qū)）是指生產(chǎn)控制大區(qū)以外的電網(wǎng)企業(yè)管理業(yè)務系統(tǒng)的集合。管理信息大區(qū)的傳統(tǒng)典型業(yè)務系統(tǒng)包括調(diào)度生產(chǎn)管理系統(tǒng)、管理信息系統(tǒng)、辦公自動化系統(tǒng)、客戶服務系統(tǒng)等。

智慧電網(wǎng)主要依靠計算信息技術領域和通信技術領域的新方法進行控制和管理，它有著和傳統(tǒng)電網(wǎng)不同的新特征，正是這些特征決定了智慧電網(wǎng)的建設方案有別于傳統(tǒng)電網(wǎng)。智慧電網(wǎng)業(yè)務特點包括以下幾個方面。

a) 智慧電網(wǎng)具有高可靠性的特點，能夠在無需人員介入或少量人員干預的情況下，對電力網(wǎng)絡中的問題元器件進行隔離或使其自愈，從而減少用戶斷電風險。智慧電網(wǎng)應能夠快速檢測、分析、定位、響應并恢復局部網(wǎng)絡的異常情況。

b) 智慧電網(wǎng)具有極高的安全性標準，不論是電力網(wǎng)絡的物理系統(tǒng)還是計算機軟件遭到外部攻擊，智慧電網(wǎng)均能有效抵御由此造成的對電力系統(tǒng)本身的攻擊傷害或?qū)ζ渌�領域形成的傷害，一旦業(yè)務發(fā)生中斷，也能很快恢復運行。

c) 智慧電網(wǎng)的整個系統(tǒng)是一套集成和交互的系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)包括監(jiān)視、控制、維護、能量管理、配電管理、市場運營、企業(yè)資源規(guī)劃等和其他各類信息系統(tǒng)之間的綜合集成，并在此基礎上實現(xiàn)業(yè)務集成。在智慧電網(wǎng)運行中，電網(wǎng)企業(yè)可以與用戶設備和電力終端進行信息交互，促使電網(wǎng)企業(yè)發(fā)揮積極作用，實現(xiàn)電力運行和電網(wǎng)調(diào)度等多方面功能。

2 - 5G網(wǎng)絡切片關鍵技術

2.1 - 5G網(wǎng)絡切片概念與特征

作為5G網(wǎng)絡關鍵技術之一，5G網(wǎng)絡切片技術一直備受關注。通過采用網(wǎng)絡虛擬化技術，將一張5G通信物理網(wǎng)絡在邏輯上劃分為多張?zhí)摂M的端到端網(wǎng)絡。每張?zhí)摂M網(wǎng)絡的無線網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、核心網(wǎng)之間相互隔離，邏輯獨立，任何一張?zhí)摂M網(wǎng)絡發(fā)生故障都不會影響到其它虛擬網(wǎng)絡。5G網(wǎng)絡切片技術根據(jù)應用、場景、需求進行網(wǎng)絡資源的管理編排，進行網(wǎng)絡功能的裁剪定制，為客戶自動化提供“量身定制”的“專屬”虛擬網(wǎng)絡，可以滿足差異化服務的QoS需求，可以保證不同垂直行業(yè)、不同客戶、不同場景、不同業(yè)務之間的安全隔離，實現(xiàn)網(wǎng)絡即服務（NaaS）。

針對移動網(wǎng)絡的切片管理與編排框架，3GPP工作組在協(xié)議3GPP TR 28.801中定義了面向切片部署的3級管理功能：通信服務管理功能（CSMF）、網(wǎng)絡切片管理功能（NSMF）、網(wǎng)絡切片子網(wǎng)管理功能（NSSMF）。同時，在3GPP協(xié)議中明確指出5G網(wǎng)絡切片管理與編排架構設計將采用基于服務化架構（SBA）設計方法，而非傳統(tǒng)面向部署的架構設計方法，如圖1所示。

圖1 3GPP標準定義切片管理架構

5G網(wǎng)絡切片可以根據(jù)安全隔離要求和業(yè)務需求的差異采用靈活的切片方式，實現(xiàn)按需定制的個性化切片網(wǎng)絡。無線網(wǎng)的切片主要基于空口頻譜、基帶處理和高層協(xié)議棧的共享或隔離；傳輸網(wǎng)切片在硬件層面基于TDM時隙交叉實現(xiàn)，軟件層面可采用VLAN和QoS實現(xiàn)；核心網(wǎng)切片采用網(wǎng)絡功能虛擬化NFV技術，既可以采用獨立的硬件資源池物理隔離，也可以在共享硬件服務器的同時采用不同虛擬機區(qū)分業(yè)務。

對于安全防護級別和業(yè)務隔離度要求最高的應用場景，可采用端到端完全獨立切片方式，業(yè)務數(shù)據(jù)流通過邏輯分層的無線網(wǎng)、傳輸網(wǎng)和核心網(wǎng)接入各自的平臺，業(yè)務之間互不干擾，切片網(wǎng)絡可以為不同業(yè)務提供帶寬、時延上的差異化網(wǎng)絡服務。此外，對安全性要求略低且網(wǎng)絡指標要求相似的同類業(yè)務，在保證核心網(wǎng)業(yè)務數(shù)據(jù)流隔離的前提下，還可以通過共享無線接入網(wǎng)、共享傳輸網(wǎng)和僅核心網(wǎng)切片等方式，多業(yè)務共享無線接入資源和傳輸資源，降低組網(wǎng)和切片管理復雜度，使網(wǎng)絡承載能力得到充分利用。5G網(wǎng)絡切片方式如圖2所示。

圖2 5G網(wǎng)絡切片方式

2.2 - 5G端到端網(wǎng)絡切片體系

5G網(wǎng)絡切片整體架構包括云端、管道、終端、安全的一體化融合體系，如圖3所示。

云端是指5G基于軟件定義網(wǎng)絡（SDN）和網(wǎng)絡功能虛擬化（NFV）方式，為電力行業(yè)用戶提供更加開放便捷、自主管理的平臺搭建能力。智慧電網(wǎng)應用的云端平臺可分為兩大類：第一類為傳統(tǒng)電力業(yè)務平臺，如配電自動化、計量自動化、調(diào)度系統(tǒng)等，對應電力系統(tǒng)生產(chǎn)控制大區(qū)（Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)）；第二類為通信管理支撐平臺，包括終端管理、業(yè)務管理、切片管理、信息管理、調(diào)度管理等模塊，對應電力系統(tǒng)管理信息大區(qū)（Ⅲ區(qū)和Ⅳ區(qū)）。通信管理支撐平臺可提供運營能力開放接口，為傳統(tǒng)電力業(yè)務平臺提供終端狀態(tài)、業(yè)務狀態(tài)的監(jiān)控及切片管理，實現(xiàn)電力通信的可管可控。同時，通信管理支撐平臺可以對傳統(tǒng)電力業(yè)務平臺的終端、業(yè)務、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)進行采集和匯總，提供大數(shù)據(jù)分析等高級應用功能。

管道即5G通信網(wǎng)絡，包括無線基站、傳輸網(wǎng)、核心網(wǎng)等，共同為智慧電網(wǎng)特殊應用提供切片服務。在上述3類網(wǎng)絡切片的基礎上，可根據(jù)傳統(tǒng)電力業(yè)務的不同分區(qū)，進一步為不同細分業(yè)務提供獨享的子切片服務，保證電力業(yè)務的安全隔離和網(wǎng)絡指標要求。通過與電力各類業(yè)務平臺及模塊之間對接，實現(xiàn)電力終端至主站系統(tǒng)的可靠連接。同時運營商網(wǎng)絡通過網(wǎng)絡能力開放接口，實現(xiàn)終端與網(wǎng)絡信息的開放共享，進而為電網(wǎng)企業(yè)實現(xiàn)網(wǎng)絡切片二次運營成為可能。

終端是指接入通信網(wǎng)絡的遠端設備，主要包括智能分布式配電自動化終端、智能電表、高清攝像頭、無人機、巡檢機器人等特殊電力終端，或基于5G通信模組提供通信能力的傳統(tǒng)電力終端。終端對網(wǎng)絡的帶寬、時延及可靠性、連接數(shù)等要求，分別對應5G網(wǎng)絡切片的三大應用場景，并通過切片技術實現(xiàn)業(yè)務之間的安全隔離。

安全體系涵蓋了云端、管道、終端3個層次，在電力生產(chǎn)類業(yè)務和控制類業(yè)務接入云端平臺前，依據(jù)國家和電力行業(yè)的安全要求進行物理和邏輯隔離。5G智慧電網(wǎng)的安全機制重點集中在管道和終端側(cè)，通過5G網(wǎng)絡提供統(tǒng)一鑒權認證框架、多級網(wǎng)絡切片安全管理、靈活的二次認證和加密、網(wǎng)絡域安全和邊界防火墻等特色功能，進一步提升管道網(wǎng)絡和終端接入安全性。

圖3 5G端到端網(wǎng)絡切片體系

3 - 5G網(wǎng)絡切片在智慧電網(wǎng)中的應用

3.1 - 5G網(wǎng)絡切片應用網(wǎng)場景

一直以來，國內(nèi)三大通信運營商都未積極參與到電網(wǎng)企業(yè)的通信基礎設施領域，電網(wǎng)企業(yè)更傾向于使用自有的通信方案，如數(shù)字集群通信、電力線通信PLC、窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT等滿足內(nèi)部通信需求。其原因之一是運營商的公有通信基礎設施無法保證電網(wǎng)企業(yè)所要求的QoS和安全隔離專網(wǎng)專用要求。5G網(wǎng)絡切片技術將可以作為運營商助力智慧電網(wǎng)建設的切入點，通過5G網(wǎng)絡切片針對業(yè)務特點實現(xiàn)定制化網(wǎng)絡，滿足智慧電網(wǎng)各種特色業(yè)務要求。

a) 分布式配電自動化。分布式配電自動化是一項集計算機技術、數(shù)據(jù)傳輸、控制技術、現(xiàn)代化設備及管理于一體的綜合信息管理系統(tǒng)，主要實現(xiàn)對配電網(wǎng)的保護控制，通過繼電保護自動裝置檢測配電網(wǎng)線路或設備狀態(tài)信息，實現(xiàn)智能判斷、分析、故障定位、故障隔離以及非故障區(qū)域供電恢復等操作，從而快速實現(xiàn)配網(wǎng)線路區(qū)段或配網(wǎng)設備的故障判斷及準確定位，快速隔離配網(wǎng)線路故障區(qū)段或故障設備，最大可能地減少故障停電時間和范圍，使配網(wǎng)故障處理時間從分鐘級提高到毫秒級。

b) 精準負荷控制。在電網(wǎng)故障或用電失衡的情況下，負荷控制會通過穩(wěn)控系統(tǒng)緊急切除負荷，并通過低頻低壓減載裝置降低負荷。傳統(tǒng)配電網(wǎng)由于缺少通信網(wǎng)絡支持，切除負荷手段相對簡單粗暴，通常只能切除整條配電線路。精準負荷控制業(yè)務是精準切除可中斷負荷的重要技術保障，從而提高電網(wǎng)運行的經(jīng)濟性和安全性，提升電網(wǎng)企業(yè)的投資效益。毫秒級精準負荷控制通信業(yè)務對通信時延、可靠性和業(yè)務隔離具有較高要求。

c) 低壓用電信息采集。低壓用電信息采集業(yè)務是對電力用戶的用電信息進行采集、處理和實時監(jiān)控的系統(tǒng)，隨著未來新業(yè)務對用電信息上報的新需求及電力用戶終端數(shù)量級的進一步提升，需要高效準確地實現(xiàn)海量終端的用電信息的自動采集、計量異常監(jiān)測、電能質(zhì)量監(jiān)測、用電分析和管理、相關信息發(fā)布、分布式能源監(jiān)控、智能用電設備的信息交互等功能，最終實現(xiàn)自動抄表、錯峰用電、階梯定價、負荷預測從而降低用電成本。

d) 視頻圖像實時監(jiān)控。視頻圖像實時監(jiān)控主要用于安防和監(jiān)控，對電力系統(tǒng)重要場所的安全管控及配電網(wǎng)重要節(jié)點的運行狀態(tài)、資源情況進行監(jiān)視。視頻監(jiān)控的布點通常位于遠端配電房內(nèi)或相對隱蔽的公共場所，部分位于禁止施工的生產(chǎn)控制區(qū)域內(nèi)。視頻信號傳遞形式大部分是集中型實時業(yè)務，僅依賴光纖覆蓋的有線傳輸無法滿足監(jiān)控的靈活部署。現(xiàn)有的4G通信網(wǎng)絡或電力通信系統(tǒng)在傳輸帶寬上無法滿足多路高清視頻的回傳。

e) 分布式電源控制。分布式能源包括太陽能、風能、水力、核能和燃氣冷熱電三聯(lián)供等，是一種分布在用戶端的能源供應方式。分布式發(fā)電地理位置靈活分散，適用于零散供電需求和資源分布，延緩了輸配電網(wǎng)升級換代所需的巨額投資。分布式電源監(jiān)控可以實現(xiàn)對大量遠端電源運行監(jiān)視和自動化控制，具備數(shù)據(jù)采集和處理、功率調(diào)節(jié)、功率控制、孤島檢測、調(diào)度與協(xié)調(diào)控制及與相關業(yè)務系統(tǒng)互聯(lián)等功能。

f) 智能巡檢圖像回傳。智能巡檢采用無線遙控和程序控制的無人機、機器人等設備，集成了傳感器技術、通信技術、信息處理技術、智能控制技術和動力推進技術等，實現(xiàn)對電力生產(chǎn)管理中的中低速率移動場景，通過現(xiàn)場可移動的視頻回傳替代人工巡檢，避免了人工現(xiàn)場作業(yè)帶來的不確定性，同時減少人工成本，極大提高運維效率。智能巡檢的操控和圖像實時回傳要求基礎通信網(wǎng)絡能夠具備毫秒級通信時延和每秒百兆比特級帶寬的支撐。

3.2 - 智慧電網(wǎng)切片網(wǎng)絡指標要求

針對智慧電網(wǎng)不同應用場景，可以對端到端網(wǎng)絡分別采用eMBB切片、uRLLC切片和mMTC切片，且不同切片之間通過組合，實現(xiàn)分域的切片管理，能夠分別滿足對應場景的網(wǎng)絡指標要求。基于5G網(wǎng)絡切片的架構功能及其在智慧電網(wǎng)的應用場景，智慧電網(wǎng)多切片設計和管理的總體架構如圖4所示。

圖4 智慧電網(wǎng)多切片網(wǎng)絡

對于電網(wǎng)各項典型應用場景，由于不同業(yè)務之間的特性差異，在隔離度、帶寬、可靠性、時延、連接數(shù)等方面都會有不同的要求。eMBB切片滿足高帶寬業(yè)務需求、uRLLC切片滿足低時延業(yè)務需求，mMTC切片滿足大連接業(yè)務需求。每類切片可按需構建多個網(wǎng)絡切片實例，電網(wǎng)企業(yè)可根據(jù)切片運行的狀態(tài)及業(yè)務需求，為所屬各單位提供差異化的電力業(yè)務網(wǎng)絡切片服務。

智慧電網(wǎng)5G切片業(yè)務場景網(wǎng)絡指標要求及切片實例應用如表1所示。分布式配電自動化和精準負荷控制都要求業(yè)務高度隔離、對可靠性和時延要求敏感，對應可采用uRLLC切片實例。低壓用電信息采集則要求大量的傳感器連接，適用于mMTC切片實例。視頻圖像實時監(jiān)控則是典型的大帶寬需求業(yè)務，eMBB切片實例能夠很好地保障帶寬資源。對于分布式電源控制，因其對時延要求較高，同時業(yè)務節(jié)點覆蓋面較廣，可以采用uRLLC+mMTC組合切片實例的方式。智能巡檢圖像回傳主要是無人機、巡檢機器人等終端，除了需要實現(xiàn)高清視頻回傳外還需要精準的遠程控制，因此可以結合eMBB+uRLLC組合切片實例為其提供網(wǎng)絡保證。

表1 智慧電網(wǎng)5G切片業(yè)務場景網(wǎng)絡指標要求

4 - 結束語

智慧電網(wǎng)是電網(wǎng)技術發(fā)展的必然趨勢，智慧電網(wǎng)相對傳統(tǒng)的電網(wǎng)具有更高的信息化與自動化程度，在發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度等環(huán)節(jié)靈活實現(xiàn)自動化控制，能夠有效提升電網(wǎng)運行效率，增強電網(wǎng)運行可靠性。構建具備智能判斷、自適應調(diào)節(jié)能力、分布式管理的智能化網(wǎng)絡系統(tǒng)是建設智慧電網(wǎng)的核心，將5G網(wǎng)絡切片術融入智慧電網(wǎng)應用，能夠?qū)崿F(xiàn)對電網(wǎng)狀態(tài)的有效監(jiān)控和數(shù)據(jù)信息的收集，有助于對電網(wǎng)與用戶用電信息進行實時監(jiān)控與采集，使電能得到最優(yōu)的配置與最好的利用，從而使整個電網(wǎng)運營更加穩(wěn)定。5G網(wǎng)絡切片技術能夠?qū)崿F(xiàn)高安全隔離度的端到端超大帶寬、高可靠性、低時延、海量連接、廣域覆蓋和非視距連接，可充分滿足智慧電網(wǎng)的各種應用場景需求。隨著5G技術的一步普及，系統(tǒng)、芯片、終端等產(chǎn)業(yè)鏈日趨成熟和完善，相信未來將會推出更多面向智慧電網(wǎng)的5G切片場景應用。