5G 网络切片的电力物联技术研究应用

贵州分公司 何德浩 陈守益 周琨 刘静

【摘要】本文介绍了 5G 网络特点和电网行业发展对通信的新要求，其次结合电网特 点，重点研究 5G 网络切片的架构设计、能力开放和安全隔离分区，开展了低时延高可靠 的负荷控制、大带宽的视频监控、海量连接的智能表计等电力业务场景的试点测试与应用 验证工作。最后，对 5G 在智慧电网的阶段性应用成果进行总结并展望其发展。 

【关键字】5G 网络切片、电网 

【业务类别】5G 技术应用

一、 背景

        5G 已成为全球新一轮科技革命和产业变革的核心技术之一，是实现国家数字化、智能 化、“万物互联”的战略性通信基础设施。为满足 5G 垂直行业的三大需求，国际电联 （ITU)提出了 IMT-2020（即 5G,也称为 NR）愿景，确立了三大场景增强移动带宽 （eMBB）、超高可靠低时延通信（uRLLC）、大规模机器类通信( mMTC），在实现移动通信技 术新跨越的同时，将移动通信能力从消费级向工业级延伸，推动产业转型升级。

         智能电网将向海量连接、安全高效、末梢延伸发展，将面临更加复杂的严峻挑战。传 统配网采用过流保护，停电影响范围大，无法精准排查，急需提升供电可靠性，实现配网 故障精准定位。目前主网已实现光纤覆盖，但是电网末梢神经的配网处于“盲调”状态， 因为数量大，光纤很难全覆盖，成本高时间长维护难。智能分布式配网差动保护、配电网 同步相量测量 PMU，对无线移动通信要求非常高,时延平均 15 ms 以内，授时小于 1 us，可 靠性 99.999%，迫切需要构建经济灵活、双向实时、安全可靠、全方位覆盖的“泛在化、 全覆盖”终端通信接入网。5G 通信技术的 eMBB、mMTC、uRLLC 三大特征及其“网络切片” 技术有望适配数字电网建设的需求，成为电力通信专网的补充，有效解决智能配电网及智 能巡检等无线通信业务“卡脖子”问题。

二、 5G 面向电网业务应用场景

        电力行业无线通信应用场景总体上可分为控制、采集两大类。其中，控制类包含智能 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;采集类主要包括高级计量、 视频监控、配网状态监测等。对于控制类业务场景，当前整体通信特点为采用子站/主站的连接模式，星形连接拓扑，主站相对集中，一般控制的时延要求为秒级。未来随着智能分 布式配网终端的广泛应用，连接模式将出现更多的分布式点到点连接，随着用电负荷需求 侧响应、分布式能源调控等应用，主站系统将逐步下沉，出现更多的本地就近控制，且与 主网控制联动的需求,时延需求将达到亳秒级。

        对于采集类业务场景，当前基本按照月、天、小时为单位采集，未来为满足负荷精确 控制，用户实时定价等应用的发展，采集频次将趋于分钟级，达到准实时能力。另外，当 前主要以基础数据、图像为主，码率为 100kbps 级。随着智能电网、物联网的迅速发展,采 集对象将扩展至电力二次设备及各类环境、温湿度、物联网、多媒体场景,连接数量预计至 少翻 1 倍；中远期若在产业驱动下，集抄方式下沉至用户，采集内容将深入到户内用电设 备的信息，连接数预计翻 50~100 倍；另外，采集内容亦从原有的简单数据化趋于视频化、 高清化，尤其在无人巡检、视频监控、应急现场自组网综合应用等场景将出现大量高清视 频的回传需求，局部带宽需求在 4~100Mbps 级。随着家庭能源管理应用的推广，通过智能 电表实现家电用电信息采集;通过智能交互终端，以 APP 的方式，给用户提供实时电价和用 电信息，实现对用户室内用电装置的负荷控制等各类互动服务与电力增值服务功能，达到 需求侧管理的目的, 5G 技术三大特性在电网业务的典型应用场景。

三、 5G 切片赋能电网业务

        3.1 电网 5G 切片架构设计

                5G 网络切片面向电力等特定行业业务需求,具备“端到端网络保障 SLA、业务隔离、网络功能按需定制、自动化”的典型特征，动态分配网络资源，满足差异化 SLA (Service Level Agreement) 、自动化按需构建相互隔离的网络要求，实现多域之间的协同。采用基 于服务化的架构设计，重构软件架构，形成 5G 网络端到端可编排的能力，为不同的电力业 务应用构建不同的网络实体、逻辑上相互隔离的专用网络，确保不同的切片之间电力业务 互不干扰。5G 网络切片可向电网用户按需提供定制化的网络服务，可对网络进行一定的可 视化操作管理。每类切片可按需构建多个网络切片实例，电网企业可根据切片运行的状态 及业务需求，为所属各单位提供差异化的电力业务网络切片服务。基于电力行业的需求和 网络切片技术，面向电力的端到端 5G 切片赋能电网架构。

        3.2 电网 5G 切片能力开放

                电力业务网络切片由公网运营商向电网企业提供切片订制的可选菜单，运营商针对电 力的业务订购，转换成网络语言进行切片部署，切片部署的过程对电网企业是透明的，且 公网运营商可把切片的实时运行状态（如基础资源运行状态、业务关键指标、异常告警信 息等)开放给电网企业，电网企业可根据切片运行状态及不同分区的业务需求，进行高强度 的安全隔离，定制化分配资源，提供差异化切片服务，从而形成电力行业切片运行闭环管 理。运营商可向电力行业用户开放的切片管理能力包括切片按需定制、切片规划部署和切 片运行监控 3 个方面，电网企业可按需扩展自定义切片类型，以区分不同分区业务或有特 殊管理需求的业务，通过切片 5QI 软隔离和硬隔离保证不同电力业务的高安全性。

        3.3 5G 切片电力业务安全分区

                电网行业有两大类典型的 5G 切片业务需求，以配电自动化三遥、精准负荷控制为典型 代表的工业控制类业务，对应超高可靠低时延通信（uRLLC）典型切片，属于生产控制大区 切片。以用电信息采集、分布式电源、无人机远程巡检为典型代表的信息采集类业务，对 应增强移动带宽（eMBB）、大规模机器类通信(mMTC）典型切片，属于管理信息大区切片。 5G 网络切片电力业务安全分区运行，可实现基于 5G 切片端到端物理隔离专用网络，高电 磁复杂环境“生产级”网络安全可靠连接，有效支持大规模配电网自动化、低压集抄、分 布式接入等场景灵活部署要求，达到端到端网络时延<=15 ms，网络授时精度<10us 的效 果。

四、 5G 电网试点及应用验证

             5G 为电网行业提供按需定制、安全隔离、高可靠性的专用网络，5G 网络切片将一张物 理网络通过软/硬件分离成多张虚拟逻辑网络，以满足 5G 电网不同业务的需求，实现电网 用户网络切片的设计、部署和运维。基于同电网用户签订的 SLA(Service level Agreement)业务服务协议，为电网行业不同业务提供相互隔离、功能可定制的网络服务。 5G 网络切片是由网络功能和所需的物理/虚拟资源的集合，需穿透接入网、承载网、核心 网 3 层网络，5G 网络切片端到端配置方案。

          4.1 5G 基站无线侧切片配置

                在 PDP 激活时核心网把 QCl 信息发送给 eNB，eNB 通过配置将 QCI 与 DSCP/VLAN 优先级 映射，eNB 根据 nexthop 打 VLAN tag。 

1. eNB 上根据 Nexthop 配置两个不同优先级的 VLAN，分别到 2 个不同的 DGW。

2. 配置 QCI 到 DSCP 的映射。

3. 配置 DSCP 到 VLAN 优先级的映射。d)打开基于 QCI 的 QoS 控制算法。

        4.2 5G 承载网传输侧切片配置

1.传送网侧不同的切片业务占用不同的 L3VPN 通道:在 ATN980B 侧创建 VLAN 子接口 用于基站接入;CX600-X8A 侧创建 VLAN 子接口与数据中心网关互联，并创建到云 核网元的静态路由。 

2. 基站侧不同的切片业务根据 Nexthop 配置 2 个不同优先级的 VLAN 、在接入侧进入到不同的 L3VPN。 

3. 云核心网侧，2 个 UPF 分属不同的 VPC，分别在 VPC-GW 配置到基站的静态路 由。 

4. 传送网通过 QOS 优先级调度保障高优先级业务的带宽;承载网络受限于现网软硬件 版本，只能采用上述软切片方案;升级现网设备后，可以支持 FlexEth 等硬切片方 案。

        4.3 5G SA 核心网切片配置

1. 在 AMF 和 SMF 上分别配置 I/II 区业务和 lI/IV 区业务 QoS 信息（或者使用签约 数据)。

2. SMF1 上配置 I/Il 区业务 DNN，用于 SMF 基于 DNN 选 UPF、地址池绑定等。

3. SMF1 上配置 II/IV 区业务 DNN，用于 SMF 基于 DNN 选 UPF、地址池绑定等。

4. UDM 上配置 CPE1 和 CPE2 的 DNN 签约数据（含 QoS 信息）。e）配置 UPF 和 eNB 的 N3 接口的 IP 链路信息（传输基础配置)。f)UPF1 配置连接 I/ll 区业务服务器的 传输配置。

5. 配置 UPF 和 eNB 的 N3 接口的 IР 链路信息（传输基础配置)。f)UPF1 配置连接 I/II 区业务服务器的传输配置。

6. UPF2 配置连接 IlI/IV 区业务服务器的传输配置。 根据 5G 网络 R15 标准进展，采取 eMBB 标准协议作为 5G 三大场景切片设计基础，选 取低时延高可靠、广覆盖大连接、大容量高带宽的 3 类应用场景典型业务，从带宽、时 延、安全可靠性、接口等维度分析其通信需求，验证电力业务场景下 5G 网络带宽、时延、 容量等网络性能指标，基于电力业务切片方案，验证 5G 网络业务适配性和业务承载性能， 实现各类终端设备的泛在接入、智能化应用。

        4.4 应用验证

                4.4.1 负荷控制等低时延高可靠场景应用

                配电自动化业务主要实现配电网检测、控制和快速故障隔离，缩短断电恢复时间，提 高电网可靠性。精准负荷控制业务主要用于在电网故障时，为保证电网系统中负荷平衡， 优先切除可中断的用电负荷（例如暖通、室内照明），以保障不可中断负荷（如医院、工厂 用电）的正常工作。针对 5G 低时延超高可靠（uRLLC）类应用场景，分别选取配网自动 化、精准负荷控制⒉个典型业务，从上下行峰值速率﹑容忍最大时延和可靠性等维度分析 业务需求,提出 5G 端到端 uRLLC 网络切片方案和试验验证方案，开展面向 5G uRLLC 场景下 的业务验证研究。uRLLC 场景下 5G 切片端到端测试结果表明，5G 技术可以很好地满足负荷 控制等低时延超高可靠场景的指标要求。

                4.4.2 视频监控等大带宽场景应用

                巡检机器人主要用于对变电站、配电房等关键电力设备的巡视工作，实现无人值守。 视频监控主要针对配电网重要节点（开闭站）的运行状态、资源情况进行监视，减少人工 巡检的任务量。针对 5G 大容量高带宽（eMBB）类应用场景，分别选取智能巡检、视频监控 2 个典型业务，从网络带宽、时延、视频流畅度、画面清晰度等维度分析需求，提出 5G 端 到端网络切片方案和试验验证方案，开展面向 5G eMBB 场景下的业务验证工作。eMBB 场景 下 5G 切片端到端测试结果表明，5G 技术可以很好地满足视频监控等大带宽传输场景的指 标要求。

                4.4.3 智能表计等海量连接场景应用

                用电信息采集是对居民、专变、台区等用电信息的采集、处理和管理，分布式电源主 要包括风电、光伏、电动汽车充电站、储能设备等。针对 5G 广覆盖大连接（mMTC）类应用 场景，分别选取用电信息采集、分布式电源接入 2 个典型业务，从上下行峰值速率、容忍 最大时延和可靠性等维度分析业务需求，提出 5G 端到端 mMTC 网络切片方案和试验验证方 案，开展面向 5G mMTC 场景下的业务验证研究。mMTC 场景下 5G 切片端到端测试结果表 明，5G 技术可以很好地满足智能电表等海量终端连接的指标要求。

五、 发展展望

                5G 切片在智能电网的应用探索，从技术到业务等方面取得了很多应用成果。5G 为电网 提供了一张灵活调度的专用网络，提供高强度安全隔离和定制化资源保障。相比于以往移 动通信技术，5G 有望解决电网末端海量终端接入的通信“卡脖子”问题，能更好地满足电 网业务的安全性、可靠性和灵活性需求，为电力行业提供了新的无线接入方式，同时为运 营商开启了 2B 业务探索。5G 时代有助于电网数据收集更快，异步处理更加便捷，为电网 Al 技术大规模应用提供海量数据分析和小样本处理成为了可能。目前 5G 智能电网应用仍 处于起步阶段，后续将开展 5G 内嵌式模块和外置式终端与电力业务终端的适配工作，继续 研究 5G 基站直接向电力设备终端授时技术和配网差动保护低时延无抖动的网络技术，打造 电力物联网业务管理支撑平台，实现电网差异化的网络切片服务，提升对通信业务的可管 可控能力，加快推进电网数字化建设和转型。

                                                                                                            --来源：贵州电信省网优创新团队