5G在能源互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的分析和思考

（中國電信研究院，北京 102209）

與4G技術(shù)等傳統(tǒng)意義上的通信網(wǎng)絡(luò)有所不同，5G技術(shù)是一個全面深入的融合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，代表著對現(xiàn)有技術(shù)的融合以及新技術(shù)集成接入后的總稱。5G融合網(wǎng)絡(luò)通過移動通信技術(shù)的不斷革新發(fā)展和更高標準的制定達到無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的高級別新型網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量目標，滿足人們對于移動通信網(wǎng)絡(luò)更高層次的需求，使人與人、人與物、物與物更加安全、快捷、高速地連接在一起。在以能源互聯(lián)網(wǎng)為代表的產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代，信息化正在開啟以數(shù)據(jù)的深度挖掘和融合應(yīng)用為主要特征的智能化階段，這也與5G技術(shù)發(fā)展相契合。以5G為代表的先進信息通信技術(shù)在能源互聯(lián)網(wǎng)具有廣闊的應(yīng)用前景。能源互聯(lián)網(wǎng)與5G網(wǎng)絡(luò)的深度結(jié)合，尤其是電信運營商通信網(wǎng)絡(luò)能力進行深度融合，形成電網(wǎng)與電信的優(yōu)劣勢互補，有效促進資源集約化利用，將傳統(tǒng)電網(wǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)槟茉葱畔屑~，創(chuàng)建能源與信息共享互濟、融合創(chuàng)新的新業(yè)態(tài)[1]。

1 能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢和挑戰(zhàn)

在能源互聯(lián)網(wǎng)中，通信技術(shù)是能源合理調(diào)配的前提和實現(xiàn)保障，能夠促進未來新應(yīng)用和服務(wù)的產(chǎn)生。隨著各領(lǐng)域新技術(shù)的快速發(fā)展，能源互聯(lián)網(wǎng)在發(fā)展、建設(shè)過程中遇到了一些新趨勢和新機遇，為能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)帶來了一些列全新的挑戰(zhàn)[2]。

（1）新能源。為應(yīng)對全球變暖，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，迫切需要發(fā)展可再生能源發(fā)電?？稍偕茉窗l(fā)電的大量并網(wǎng)將給電網(wǎng)運行、管理帶來新的挑戰(zhàn)：一方面，可再生能源發(fā)電的間歇性、隨機性特點，給電網(wǎng)功率平衡、運行控制帶來困難；另一方面，分布式能源（DER）的深度滲透使配電網(wǎng)由功率單向流動的無源網(wǎng)絡(luò)變?yōu)楣β孰p向流動的有源網(wǎng)絡(luò)。

（2）新用戶。隨著新能源電動車的快速發(fā)展，電動車充電容量需求十分客觀，為更好地對需求側(cè)進行管理（例如削峰填谷），用電管理可以采用新的模式。例如，充電車可以由傳統(tǒng)的在設(shè)備接通時用電，轉(zhuǎn)變?yōu)槌潆姇r間可選的互動式用電。

（3）新要求。新設(shè)備新場景的出現(xiàn)對用電質(zhì)量提出更高的要求。例如，一些高科技數(shù)字設(shè)備要求供電的“零中斷”。另一方面，從電網(wǎng)運營角度對資產(chǎn)利用效率的要求也在逐步提高，如提高設(shè)備利用率，減低容載比，減少線損等，需要對電網(wǎng)的負荷與供電進行更精確的調(diào)整。

（4）新業(yè)務(wù)。在能源互聯(lián)網(wǎng)中，隨著分布式能源接入、電動汽車服務(wù)、用電信息采集、配電自動化、用戶雙向互動等業(yè)務(wù)快速發(fā)展，各類電網(wǎng)設(shè)備、電力終端、用電客戶的通信需求爆發(fā)式增長，各種傳感器組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要服務(wù)無處不在的采集、傳輸，迫切需要實時、穩(wěn)定、可靠、高效的新興通信技術(shù)及系統(tǒng)支撐，新的電力服務(wù)和交易平臺更需要優(yōu)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)保證。

2 5G在能源互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用分析

能源互聯(lián)網(wǎng)作為典型的垂直行業(yè)的代表，對通信網(wǎng)絡(luò)提出了新的業(yè)務(wù)需求。能源互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的多樣性決定了其通信網(wǎng)絡(luò)需要支撐功能靈活、可編排、高可靠高隔離、毫秒級超低時延等擁有極致通信能力的網(wǎng)絡(luò)。5G由于具備“低時延、高可靠、大連接、高安全”等優(yōu)勢，有希望成為能源互聯(lián)網(wǎng)的重要通信手段之一。5G系統(tǒng)的增強移動寬帶（eMBB）、高可靠低時延通信（uRLLC）、海量機器類通信（mMTC）3大基礎(chǔ)能力將有助于激發(fā)電力運行新型作業(yè)方式和用電服務(wù)模式，實現(xiàn)電網(wǎng)業(yè)務(wù)智能化升級，促進電力新興業(yè)務(wù)發(fā)展。

從能源互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)特征和業(yè)務(wù)屬性來看，能源互聯(lián)網(wǎng)在5G典型應(yīng)用場景主要分為以下2大類（具體如表1所示）：

（1）uRLLC工業(yè)控制類業(yè)務(wù)，具體可包括智能分布式配電自動化、毫秒級精準負荷控制。

（2）mMTC信息采集類業(yè)務(wù)，具體可包括低壓用電信息采集、智能分布式電源。

在這2大類最典型的5G能源互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用之外，還存在著eMBB和專網(wǎng)基礎(chǔ)通信業(yè)務(wù)等5G需求[3]。

2.1 5G網(wǎng)絡(luò)切片

5G推出網(wǎng)絡(luò)切片來應(yīng)對垂直行業(yè)多樣化網(wǎng)絡(luò)連接需求。5G網(wǎng)絡(luò)切片能夠為不同垂直行業(yè)提供差異化、相互隔離、功能可定制的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，實現(xiàn)客戶化定制的網(wǎng)絡(luò)切片的設(shè)計、部署和運維，在功能場景和設(shè)計方案可進行獨立裁剪。5G網(wǎng)絡(luò)切片是在一個通用硬件基礎(chǔ)上虛擬出多個端到端的網(wǎng)絡(luò)，每個網(wǎng)絡(luò)具有不同網(wǎng)絡(luò)功能，適配不同類型服務(wù)需求。5G網(wǎng)絡(luò)切片具備了“端到端網(wǎng)絡(luò)保障服務(wù)等級協(xié)議（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，它能使通信服務(wù)運營商動態(tài)的分配網(wǎng)絡(luò)資源、提供網(wǎng)絡(luò)即服務(wù)（NaaS），同時也為行業(yè)客戶帶來更敏捷的服務(wù)、更強的安全隔離性和更靈活的商業(yè)模式[4-6]。

表1 5G網(wǎng)絡(luò)切片匹配智能電網(wǎng)不同業(yè)務(wù)場景需求

5G網(wǎng)絡(luò)切片具體包括切片設(shè)計、部署使能、切片運行、閉環(huán)優(yōu)化、運維、能力開放等。為了保證切片敏捷的特征和業(yè)務(wù)獨特性，切片可以實現(xiàn)定制化設(shè)計，包括切片的模版設(shè)計（GST）和實例化設(shè)計。模版設(shè)計階段通過通信服務(wù)管理功能（CSMF）、切片管理功能（NSMF）和子切片管理功能（NSSMF）進行協(xié)同（能力通報、能力分解和能力匹配）。如表2所示，我們組裝出一個端到端切片的模板，在測試床對模板進行驗證，以保證其能夠達到預(yù)想的網(wǎng)絡(luò)能力。在切片實例化設(shè)計階段，需要根據(jù)具體訂單需求觸發(fā)：當租戶需要使用網(wǎng)絡(luò)切片時，可以選用預(yù)置的切片模板或進一步定制的模版，并通過CSMF、NSMF和NSSMF逐層確認部署信息，如表2中進行的實例化部署，則產(chǎn)生一個可用的切片網(wǎng)絡(luò)[4-6]。

2.2 5G及電力切片應(yīng)用實踐

基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的堅強智能數(shù)字電網(wǎng)，選取配網(wǎng)差動保護、精準負荷控制、配電自動化、用電信息采集、配網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測、實物ID、智能巡檢、視頻監(jiān)測控制等典型業(yè)務(wù)，并從網(wǎng)絡(luò)帶寬、時延、傳輸距離及終端密度、安全可靠性、協(xié)議接口等維度分析業(yè)務(wù)需求，提出高適配性的端到端網(wǎng)絡(luò)切片方案和試驗驗證方案，以更好地建設(shè)5G內(nèi)、外場驗證環(huán)境，驗證5G網(wǎng)絡(luò)性能、網(wǎng)絡(luò)切片、安全及業(yè)務(wù)承載性能，并探索網(wǎng)絡(luò)切片租賃、基站共建共享等創(chuàng)新商業(yè)模式，從而為5G技術(shù)深入應(yīng)用于能源、電力行業(yè)提供支撐。

（1）中國移動在上海臨港開展了基于5G網(wǎng)絡(luò)的配網(wǎng)同步相量測量（PMU）應(yīng)用研究與驗證工作。配電網(wǎng)PMU的通信需求包括通信頻次高、延時要求小、數(shù)據(jù)多樣性等。實驗室測試結(jié)果表明，端到核心網(wǎng)通信回環(huán)時延在10 ms以內(nèi)；通過外場業(yè)務(wù)掛網(wǎng)測試，初步驗證了5G網(wǎng)絡(luò)滿足配網(wǎng)PMU業(yè)務(wù)低時延、高可靠性要求。

表2 5G切片管理能力

（2）中國電信在雄安新區(qū)開展基于5G網(wǎng)絡(luò)的電力業(yè)務(wù)適配性試點驗證工作，選取配電自動化、用電信息采集業(yè)務(wù)進行了業(yè)務(wù)承載性能測試。在3.5 GHz、4.9 GHz 2個公網(wǎng)5G頻段，通信速率上行最大為467.9 Mbit/s，通信端到端平均時延為13～27 ms，配電自動化遙控響應(yīng)時間為23 ms，用電信息采集召測響應(yīng)時間671 ms，滿足業(yè)務(wù)承載需求。

（3）國家電網(wǎng)在河南官渡變電站建成中國首個500 kV高壓變電站5G測試站，通過5G網(wǎng)絡(luò)成功實現(xiàn)了變電站與省電力公司的遠程高清視頻交互。這是中國500 kV級以上高壓/特高壓變電站首次使用5G技術(shù)，驗證了5G網(wǎng)絡(luò)在高電磁復(fù)雜環(huán)境下的大帶寬業(yè)務(wù)特性和高可靠性，現(xiàn)場單用戶實測速率達到400 Mbit/s以上。5G還能用于電力無人機巡線、變電站設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)測控制、變電站機器人巡檢、遠程移動視頻監(jiān)測控制等新型運維業(yè)務(wù)，支撐變電站監(jiān)測控制、作業(yè)、安防等業(yè)務(wù)向智能化、可視化、高清化升級。

（4）中國電信在南京完成了業(yè)界首個基于真實電網(wǎng)環(huán)境及最新第三代合作伙伴計劃（3GPP）標準5G 獨立組網(wǎng)（SA）網(wǎng)絡(luò)的電力切片測試，利用5G網(wǎng)絡(luò)的毫秒級低時延能力，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)切片的SLA保障，提升了在突發(fā)電網(wǎng)負荷超載情況下對末端小顆粒度負荷單元的精準管理能力。測試初步驗證了核心網(wǎng)切片應(yīng)用可行性，經(jīng)實測端到端平均時延為37 ms。5G切片可以滿足精準負荷控制50 ms的端到端平均時延要求。

在配電、用電環(huán)節(jié)，5G網(wǎng)絡(luò)切片能在現(xiàn)有的光纖專網(wǎng)的基礎(chǔ)上形成低成本、高質(zhì)量的補充解決方案，在智能分布式配電自動化、毫秒級電網(wǎng)負荷控制、低壓用電信息采集等典型的應(yīng)用場景下發(fā)揮重要作用。

3 5G在能源互聯(lián)網(wǎng)商業(yè)可行性思考

5G電力切片的研究，從能源互聯(lián)網(wǎng)的新型作業(yè)方式和服務(wù)模式出發(fā)，立足新型業(yè)務(wù)需求，尋求更加實時可靠、高效安全的通信網(wǎng)絡(luò)支撐，從而使得能源通信運營更智能、能源企業(yè)更智慧、能源用戶更便捷。馬斯洛模式給出了不同的行業(yè)對于5G網(wǎng)絡(luò)切片存在著3層不同的需求。具體以智能堅強電網(wǎng)客戶的業(yè)務(wù)需求而言[2]。

（1）第1層是針對服務(wù)質(zhì)量（QoS）和SLA的保障需求。例如，電力行業(yè)的要求是希望哪怕在春節(jié)搶紅包的流量高峰期也能保證電力業(yè)務(wù)百分之百地按照所承諾的QoS和SLA運作。為了匹配這個需求，就要求提供端到端跨接入、傳輸、核心網(wǎng)的端到端質(zhì)量協(xié)同和保障方案。

（2）第2層是業(yè)務(wù)隔離需求。電網(wǎng)對業(yè)務(wù)隔離要求非常高，在內(nèi)部劃分了一二區(qū)、三四區(qū)，橫向要做到雙向隔離。因此在接入側(cè)，可以提供基于區(qū)域/時域/頻域的隔離方案；在傳輸側(cè)，可以提供類似于靈活以太網(wǎng)（FlexE）、軟件定義分組傳送網(wǎng)（SPTN）、軟硬交叉、專有通道等不同的隔離方式；在核心網(wǎng)側(cè)，基于全虛擬化的架構(gòu)，可以靈活地實現(xiàn)基于虛機容器等不同層級和顆粒的隔離體制。

（3）第3層是獨立運維管理的需求。這是電網(wǎng)作為一個大型的代表性行業(yè)所具有的典型差異化客戶需求。電網(wǎng)客戶認為購買了運營商對應(yīng)的切片資源，能對所購買的切片資源做到可視化的透明管理，對運營商提供的切片資源能夠依據(jù)所承諾的關(guān)鍵性能指標（KPI）核實和驗證。

因此，運營商針對電網(wǎng)的需求，對切片模板進行了獨特設(shè)計：一鍵式的網(wǎng)元實現(xiàn)和應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)端到端網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)質(zhì)量KPI實時監(jiān)測控制。在這3層需求之外，電網(wǎng)客戶對5G安全和可靠也提出了等同于準軍事級別的要求，在5G安全和可靠性方面進行了定制開發(fā)和增強。

未來，影響5G網(wǎng)絡(luò)成功的因素，不僅有技術(shù)還有商業(yè)模式。根據(jù)案例，我們總結(jié)了未來3種潛在的商業(yè)模式。而未來到底哪一種模式可行，又或會不會產(chǎn)生新的商業(yè)模式，也將是后續(xù)持續(xù)探索的焦點[7]。

（1）標準模式，即運營商統(tǒng)一建設(shè)端到端的5G網(wǎng)絡(luò)，電力企業(yè)或其他垂直行業(yè)根據(jù)業(yè)務(wù)需求租用其中的一片或是多片，并由運營商提供管道和增值服務(wù)。

（2）混合租賃模式，即公網(wǎng)和專網(wǎng)結(jié)合的模式。電力企業(yè)會從成本考慮，選擇租用最復(fù)雜、投入最大、維護最困難的運營商基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，包含基站和核心網(wǎng)。同時，為了滿足對網(wǎng)絡(luò)切片資源的可視化透明管理訴求，電力企業(yè)將自新建獨立的管理面。電力企業(yè)已經(jīng)具有了良好的光纖傳輸專網(wǎng)覆蓋；因此從成本節(jié)約的角度，會考慮盡可能地利用現(xiàn)有的傳輸專網(wǎng)的資源，形成與運營商的5G切片混合組的網(wǎng)模式。

（3）托管模式，即電力企業(yè)在拿到5G頻譜資源的前提下，出資自建獨立專用、資源專享的5G專網(wǎng)，同時為了節(jié)省運營成本（OPEX），也充分利用運營商在網(wǎng)絡(luò)運營方面的經(jīng)驗和優(yōu)勢，把5G專網(wǎng)切片托管給運營商進行運維管理。

當前，全球電信運營商正在加大試驗5G賦能行業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的力度?？紤]到當前的商業(yè)模式以及現(xiàn)行的技術(shù)瓶頸，大型的公用設(shè)施企業(yè)常采用專有長期演進（LTE）網(wǎng)絡(luò)，利用5G及網(wǎng)絡(luò)切片來解決和滿足大型的公用設(shè)施企業(yè)對于通信的急切需求；但是挑戰(zhàn)在于5G切片只能在5G獨立組網(wǎng)（SA）下才能支持。除能源互聯(lián)網(wǎng)，5G也可能徹底改革智慧城市、無人駕駛和工業(yè)自動化。5G和垂直行業(yè)應(yīng)用相結(jié)合后，將在運營商和不同的垂直行業(yè)間創(chuàng)造雙贏的關(guān)系，產(chǎn)生巨大的商業(yè)價值。

4 結(jié)束語

在全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的背景下，從5G在能源互聯(lián)網(wǎng)實踐中的分析可見：各種場景的業(yè)務(wù)差異體現(xiàn)在不同的5G網(wǎng)絡(luò)指標要求上。運營商和設(shè)備商應(yīng)針對行業(yè)客戶的特定指標要求，進一步量化5G網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)指標和架構(gòu)設(shè)計，包括使用確定化的高質(zhì)量5G行業(yè)網(wǎng)絡(luò)解決方案來進一步增強5G網(wǎng)絡(luò)切片，以滿足安全性、業(yè)務(wù)隔離、端到端業(yè)務(wù)時延的嚴格要求，提供以能源電力行業(yè)為代表的完整5G網(wǎng)絡(luò)解決方案。通過進行聯(lián)合5G技術(shù)驗證和示范，在可信的5G網(wǎng)絡(luò)（切片）安全、行業(yè)模組、安全卡等實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)突破，通過建設(shè)5G應(yīng)用示范區(qū)共同探討商業(yè)合作模式，充分釋放5G及網(wǎng)絡(luò)切片的盈利能力，讓運營商和諸多行業(yè)都能夠從5G中受益。