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

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

0 - 引言

2019年政府工作報告中明確提出，全面推進“互聯網+”，運用新技術新模式改造傳統產業，深化大數據、人工智能等研發應用，促進平臺經濟、共享經濟健康成長，加快在各行各業各領域推進“互聯網+”。近年來，國家電網提出打造“三型”（樞紐型、平臺型、共享型）、建立“兩網”（堅強智能電網、泛在電力物聯網），建設世界一流能源互聯網企業的戰略目標；南方電網提出定位“五者”、轉型“三商”，做新發展理念實踐者、國家戰略貫徹者、能源革命推動者、電力市場建設者、國企改革先行者，推動南網向智能電網運營商、能源產業價值鏈整合商、能源生態系統服務商轉型。主流電網企業都在全面提升電網信息化、智能化水平，充分利用現代通信技術，致力打造安全、可靠、綠色、高效的智慧型電網。越來越多的新型電力物聯網應用對通信網絡的資源調度能力、業務承載能力、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）、超大規模連接（mMTC）三大應用場景，能夠全面提升傳統垂直行業的運營效率和智能化水平，與智慧電網通信業務需求高度契合。5G網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業務多樣性和隔離性要求，為智慧電網不同業務需求打造“專屬”網絡。

1 - 智慧電網業務特點

智慧電網即電網的智能化，也被稱為“電網2.0”。智慧電網建立在集成的、高速雙向通信網絡的基礎上，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，具有高度信息化、自動化、互動化等特征，可以更好地實現電網安全、可靠、經濟、高效運行。

電力系統是電網企業的重要生產系統，按照電監會提出的安全分區、網絡專用、橫向隔離、縱向認證要求劃分為生產控制大區和管理信息大區。其中生產控制大區分為控制區（安全區Ⅰ）和非控制區（安全區Ⅱ），信息管理大區分為生產管理區（安全區Ⅲ）和管理信息區（安全區Ⅳ）。

控制區（Ⅰ區）的典型業務系統包括電力數據采集和監控系統、能量管理系統、廣域相量測量系統、配網自動化系統、變電站自動化系統、發電廠自動監控系統等，其主要使用者為調度員和運行操作人員，數據傳輸實時性為毫秒級或秒級，其數據通信使用電力調度數據網的實時子網或專用通道進行傳輸。

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

管理信息大區（Ⅲ區和Ⅳ區）是指生產控制大區以外的電網企業管理業務系統的集合。管理信息大區的傳統典型業務系統包括調度生產管理系統、管理信息系統、辦公自動化系統、客戶服務系統等。

智慧電網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，它有著和傳統電網不同的新特征，正是這些特征決定了智慧電網的建設方案有別于傳統電網。智慧電網業務特點包括以下幾個方面。

a) 智慧電網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。智慧電網應能夠快速檢測、分析、定位、響應并恢復局部網絡的異常情況。

b) 智慧電網具有極高的安全性標準，不論是電力網絡的物理系統還是計算機軟件遭到外部攻擊，智慧電網均能有效抵御由此造成的對電力系統本身的攻擊傷害或對其他領域形成的傷害，一旦業務發生中斷，也能很快恢復運行。

c) 智慧電網的整個系統是一套集成和交互的系統，能夠實現包括監視、控制、維護、能量管理、配電管理、市場運營、企業資源規劃等和其他各類信息系統之間的綜合集成，并在此基礎上實現業務集成。在智慧電網運行中，電網企業可以與用戶設備和電力終端進行信息交互，促使電網企業發揮積極作用，實現電力運行和電網調度等多方面功能。

2 - 5G網絡切片關鍵技術

2.1 - 5G網絡切片概念與特征

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

針對移動網絡的切片管理與編排框架，3GPP工作組在協議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）、網絡切片管理功能（NSMF）、網絡切片子網管理功能（NSSMF）。同時，在3GPP協議中明確指出5G網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網絡切片可以根據安全隔離要求和業務需求的差異采用靈活的切片方式，實現按需定制的個性化切片網絡。無線網的切片主要基于空口頻譜、基帶處理和高層協議棧的共享或隔離；傳輸網切片在硬件層面基于TDM時隙交叉實現，軟件層面可采用VLAN和QoS實現；核心網切片采用網絡功能虛擬化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分業務。

對于安全防護級別和業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，業務數據流通過邏輯分層的無線網、傳輸網和核心網接入各自的平臺，業務之間互不干擾，切片網絡可以為不同業務提供帶寬、時延上的差異化網絡服務。此外，對安全性要求略低且網絡指標要求相似的同類業務，在保證核心網業務數據流隔離的前提下，還可以通過共享無線接入網、共享傳輸網和僅核心網切片等方式，多業務共享無線接入資源和傳輸資源，降低組網和切片管理復雜度，使網絡承載能力得到充分利用。5G網絡切片方式如圖2所示。

圖2 5G網絡切片方式

2.2 - 5G端到端網絡切片體系

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

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

終端是指接入通信網絡的遠端設備，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電力終端。終端對網絡的帶寬、時延及可靠性、連接數等要求，分別對應5G網絡切片的三大應用場景，并通過切片技術實現業務之間的安全隔離。

安全體系涵蓋了云端、管道、終端3個層次，在電力生產類業務和控制類業務接入云端平臺前，依據國家和電力行業的安全要求進行物理和邏輯隔離。5G智慧電網的安全機制重點集中在管道和終端側，通過5G網絡提供統一鑒權認證框架、多級網絡切片安全管理、靈活的二次認證和加密、網絡域安全和邊界防火墻等特色功能，進一步提升管道網絡和終端接入安全性。

圖3 5G端到端網絡切片體系

3 - 5G網絡切片在智慧電網中的應用

3.1 - 5G網絡切片應用網場景

一直以來，國內三大通信運營商都未積極參與到電網企業的通信基礎設施領域，電網企業更傾向于使用自有的通信方案，如數字集群通信、電力線通信PLC、窄帶物聯網NB-IoT等滿足內部通信需求。其原因之一是運營商的公有通信基礎設施無法保證電網企業所要求的QoS和安全隔離專網專用要求。5G網絡切片技術將可以作為運營商助力智慧電網建設的切入點，通過5G網絡切片針對業務特點實現定制化網絡，滿足智慧電網各種特色業務要求。

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、數據傳輸、控制技術、現代化設備及管理于一體的綜合信息管理系統，主要實現對配電網的保護控制，通過繼電保護自動裝置檢測配電網線路或設備狀態信息，實現智能判斷、分析、故障定位、故障隔離以及非故障區域供電恢復等操作，從而快速實現配網線路區段或配網設備的故障判斷及準確定位，快速隔離配網線路故障區段或故障設備，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。在電網故障或用電失衡的情況下，負荷控制會通過穩控系統緊急切除負荷，并通過低頻低壓減載裝置降低負荷。傳統配電網由于缺少通信網絡支持，切除負荷手段相對簡單粗暴，通常只能切除整條配電線路。精準負荷控制業務是精準切除可中斷負荷的重要技術保障，從而提高電網運行的經濟性和安全性，提升電網企業的投資效益。毫秒級精準負荷控制通信業務對通信時延、可靠性和業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務是對電力用戶的用電信息進行采集、處理和實時監控的系統，隨著未來新業務對用電信息上報的新需求及電力用戶終端數量級的進一步提升，需要高效準確地實現海量終端的用電信息的自動采集、計量異常監測、電能質量監測、用電分析和管理、相關信息發布、分布式能源監控、智能用電設備的信息交互等功能，最終實現自動抄表、錯峰用電、階梯定價、負荷預測從而降低用電成本。

d) 視頻圖像實時監控。視頻圖像實時監控主要用于安防和監控，對電力系統重要場所的安全管控及配電網重要節點的運行狀態、資源情況進行監視。視頻監控的布點通常位于遠端配電房內或相對隱蔽的公共場所，部分位于禁止施工的生產控制區域內。視頻信號傳遞形式大部分是集中型實時業務，僅依賴光纖覆蓋的有線傳輸無法滿足監控的靈活部署。現有的4G通信網絡或電力通信系統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供等，是一種分布在用戶端的能源供應方式。分布式發電地理位置靈活分散，適用于零散供電需求和資源分布，延緩了輸配電網升級換代所需的巨額投資。分布式電源監控可以實現對大量遠端電源運行監視和自動化控制，具備數據采集和處理、功率調節、功率控制、孤島檢測、調度與協調控制及與相關業務系統互聯等功能。

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，實現對電力生產管理中的中低速率移動場景，通過現場可移動的視頻回傳替代人工巡檢，避免了人工現場作業帶來的不確定性，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 - 智慧電網切片網絡指標要求

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

圖4 智慧電網多切片網絡

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

智慧電網5G切片業務場景網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。視頻圖像實時監控則是典型的大帶寬需求業務，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，同時業務節點覆蓋面較廣，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絡保證。

表1 智慧電網5G切片業務場景網絡指標要求

4 - 結束語

智慧電網是電網技術發展的必然趨勢，智慧電網相對傳統的電網具有更高的信息化與自動化程度，在發電、輸電、變電、配電、用電和調度等環節靈活實現自動化控制，能夠有效提升電網運行效率，增強電網運行可靠性。構建具備智能判斷、自適應調節能力、分布式管理的智能化網絡系統是建設智慧電網的核心，將5G網絡切片術融入智慧電網應用，能夠實現對電網狀態的有效監控和數據信息的收集，有助于對電網與用戶用電信息進行實時監控與采集，使電能得到最優的配置與最好的利用，從而使整個電網運營更加穩定。5G網絡切片技術能夠實現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的各種應用場景需求。隨著5G技術的一步普及，系統、芯片、終端等產業鏈日趨成熟和完善，相信未來將會推出更多面向智慧電網的5G切片場景應用。