5G網絡在電力高壓系統(tǒng)中的應用研究

王 亭，胡煥明，戴曉締

（北京中網華通設計咨詢有限公司，北京 100070）

0 引 言

隨著電力系統(tǒng)業(yè)務和工業(yè)互聯(lián)網的不斷發(fā)展以及通信網絡的不斷演進，整合現有頻率資源、獲取更大的網絡帶寬、引進新的技術體制以及優(yōu)化網絡架構都是未來電力無線通信網絡發(fā)展的方向。近年來，國家電網公司積極建設堅強智能電網，提升電網本質安全水平。通過實施“互聯(lián)網+”戰(zhàn)略，全面提升電網信息化和智能化水平，充分利用現代信息通信技術和控制技術實現電網發(fā)展的安全、清潔、協(xié)調以及智能，為經濟社會的發(fā)展提供可靠的電力保障[1]。

4G改變生活、5G改變社會。在助力以電網為代表的傳統(tǒng)行業(yè)向數字化轉型升級方面，5G即將擔負起重要責任。在5G時代，超大帶寬、超低時延、海量連接的三大技術特性將徹底改變傳統(tǒng)垂直行業(yè)的核心經營理念及工作方式，豐富多樣的垂直行業(yè)應用也將反向助力于移動網絡的發(fā)展，帶來更加多樣化的網絡需求，傳統(tǒng)電力行業(yè)需要全面提升其運營效率和智能化水平等，整合上下游市場資源，為不同的電力應用打造一個“專屬”的行業(yè)生態(tài)聯(lián)盟[2]。

1 5G性能指標分析

在網絡性能方面，5G將帶來10～20 Gb/s的網絡峰值速率、100 Mb/s～1 Gb/s的用戶體驗速率、100萬/km2的連接數密度、1 ms的空口時延、500 km/h的移動性支持以及10 Mb/s/m2的流量密度。相比現有的4G網絡，其頻譜效率提升了3～5倍，能效提升了近百倍[3]。IMT-2020不同應用場景下的關鍵性能指標具體如圖1所示。

圖1 IMT-2020不同應用場景下的關鍵性能指標

2014年，在IMT-2020（5G）推進組頒布的《5G愿景與需求白皮書》中，提出了5G網絡關鍵性能指標，具體如表1所示[4]。

表1 5G性能指標

2015年，在IMT-2020（5G）推進組頒布的《5G概念白皮書》中，定義了5G網絡主要場景與關鍵性能指標的目標值，如表2所示[5]。

表2 5G主要場景與關鍵性能

隨著5G業(yè)務對速率、時延、覆蓋、頻譜、移動性及容量等KPI的要求很高，具體如如圖2所示。峰值速率由1 Gb/s提高至20 Gb/s，用戶體驗速率由50 Mb/s提高至100 Mb/s，空口時延由10 ms降低至0.5 ms，連接數密度提高至100萬/km2，移動速度提升至500 km/h[6]。

圖2 5G KPI指標

2 5G網絡對業(yè)務支持程度

2.1 電網實時控制

在3G和4G時代，由于移動網絡延時較高，基礎網絡承載能力有限，因此電力系統(tǒng)信息安全保護難度較大，無法做到精準實時控制。然而5G時代，網絡低延時和連接范圍廣等特點可以有效滿足電力系統(tǒng)在差動保護、精準負荷管控等方面需求，使電網能夠實現對每一個開關精準、快速地進行控制，在遇到緊急情況是，可以選擇優(yōu)先切斷非重要負荷，最高程度的降低損失[7]。

2.2 信息即時采集

智能電網的實現需要通過大數據分析去實現。電網信息采集點多且面廣，但由于目前受限于網絡容量、帶寬以及連接數等因素，信息采集較為單一，數據收集量少且時效性不高，因此無法進行合理化的信息分析以達到準確判斷。隨著智能電網的發(fā)展，采集需求也將由“小”到“大”，采集內容向視頻化和高清化發(fā)展，采集頻次呈量級增長，由天或者小時進化為分鐘級，可以實現準實時采集。

2.3 分布式電源接入

多種分布式能源的并網，使電網從一個單電源網絡結構變成多電源網絡結構。雖然我國分布式電源發(fā)展迅速，但分布式電源存在業(yè)務節(jié)點多、海量的數據難接入以及難以有效進行分布式能源調控等問題。而5G網絡憑借高速率、高可靠、全覆蓋以及智能化的特點，可有效地解決分布式電源量大且分散的問題，同時提供雙向無線高速通道，實現數據實時交互，為分布式電源的有效接入提供了保障[8]。

2.4 智能電網大視頻應用

由于通信網絡的限制，目前采用局域網接入環(huán)境下的巡檢機器人無法實時回傳數據至遠程監(jiān)控中心。無人機因有效控制范圍限制無法遠距離作業(yè)，配電房視頻監(jiān)控和現場施工作業(yè)管控受限寬帶及時延等因素，這些都極大地限制了人工智能的應用。而5G網絡利用其技術特性可以有效解決上述問題，助推智能電網大視頻應用。

3 建設5G網絡資源需求分析

5G在組網架構、設備形態(tài)、設備參數以及技術指標等方面都有了很大的變化和提升，對天面、電源、機房以及傳輸等基礎資源需求也有了較高的要求。

3.1 天面需求

不同于4G網絡，5G時代中RRU和天線合二為一演變?yōu)锳AU，4G和5G基站架構對比如圖3所示。

目前，AAU的主要類型包括64TR、32TR以及16TR等，適用于各種不同場景。5G建設初期，主要以密集場景為主，采用64TR和192天線振子。

通過調研國內多家主流設備廠商的初期商用設備相關參數可知，各廠家的5G AAU設備差異度小，且在重量和迎風面積方面與現有4G RRU+天線基本相當。參照4G設備參數建成的天線架設物，AAU原則上可以直接掛放。國內主流廠商5G商用設備物理參數如表3所示。

圖3 4G和5G基站架構對比圖

表3 國內主流廠商5G商用設備物理參數

3.2 電源和機房需求

以64TR設備為參考。64射頻通道，每通道發(fā)射功率3 W，總發(fā)射功率200 W，預計單個AAU最大功耗約1 500 W，遠高于現網RRU（約250 W）。單站3扇區(qū)，總功耗約達4 500 W。

3.2.1 AAU供電

天面AAU供電三扇區(qū)需提供3～4.5 kW/4.5～5 kW直流供電，天面供電須滿足5G AAU設備供電要求，具體需求依據廠家設備功耗進行滿足。如果DU靠近天面，建議從DU處引電。如DU遠離天面，須就近引電。

3.2.2 CU、DU電源及機房

DU按1 kW、CU按2 kW提供直流供電，具體需求依據廠家設備功耗進行滿足。DU和DU或CU合設時一般放置在基站機房或接入網機房，采用規(guī)模集中的方式，機房面積和相應配套設施要滿足相應要求。DU和CU分設時，CU一般放置在匯聚機房或核心機房，CU云化后，硬件采用通用架構，對機房條件要求較高。

3.3 傳輸需求

5G基站設備按照功能劃分為3個實體，分別為CU、DU以及AAU，形成了兩級前傳和一級回傳的傳輸架構，傳輸架構如圖4所示。相關的接口主要包括前傳、中傳以及回傳。其中，回傳接口為CU到5GC的接口，中傳接口為DU到CU之間的接口，前傳接口為DU到AAU的接口。下面分析各階段傳輸的帶寬需求。

圖4 5G傳輸架構示意圖

3.3.1 前傳帶寬需求

5G前傳帶寬需求與采用的傳輸協(xié)議相關，按照現在4G網絡的CPRI接口協(xié)議進行測算。現網4G網絡20 MHz帶寬、2×2MIMO條件下帶寬需求為2.5 Gb/s，初步評估5G前傳帶寬需求為100 MHz帶寬提升5倍，傳輸速度需求提升5倍至12.5 Gb/s，Massive MIMO實現64T64R，數據流數提高32倍至400 Gb/s。如果只支持到16流，則帶寬需求為200 Gb/s。

5G前傳接口與現有4G網絡的CPRI接口類似。但是由于5G傳輸數據流數和帶寬的數倍提升，傳輸帶寬需求也會帶來指數級的增長，因此傳統(tǒng)的CPRI接口協(xié)議難以滿足傳輸需求，可以采用eCPRI接口協(xié)議。CPRI接口與eCPRI接口的區(qū)別主要是eCPRI接口將部分物理層功能前置到AAU側，大大降低了前傳鏈路的帶寬需求。CPRI接口與eCPRI接口的切分點示意如圖5所示。

圖5 CPRI接口與eCPRI接口切分點示意圖

CPRI和eCPRI屬于廠家內部實現方式。實施部署時，根據未來光模塊成本和光纖資源情況等確定具體方案。目前，主流廠家都支持這兩種方式，只是對于eCPRI接口物理層切分點的選擇不同。業(yè)界比較統(tǒng)一的口徑為采用CPRI接口時，前傳帶寬需求為100 Gb/s，采用eCPRI接口時，前傳帶寬需求為25 Gb/s。5G網絡引入后，無論采用CPRI接口還是eCPRI接口，前傳帶寬都在20 Gb/s以上，無法繼續(xù)實現RRU的級聯(lián)。對傳輸光纖纖芯數量的需求增大，相比單載波RRU級聯(lián)的4G基站纖芯需求增加了4～6倍，相比三載波RRU級聯(lián)的4G基站纖芯需求增加了2～3倍。

3.3.2 中、回傳帶寬需求

中傳主要是DU與CU之間的傳輸接口，傳送數據為PDCP層以上數據，數據量與回傳接口需求類似。5G建設初期，DU和CU合設，不存在這個接口。DU一般部署在綜合業(yè)務接入點，CU部署于匯聚節(jié)點。在3.5 GHz頻段，100 MHz帶寬下，不同配置的設備傳輸帶寬也不盡相同，以64TR為例，其單站峰值傳輸帶寬為6 Gp/s；單站均值傳輸帶寬為2.1 Gb/s。因此，需根據單站配置和基站規(guī)模，合理配置傳輸資源。

4 租用5G公網與自建5G專網比較

5G網絡進行電力高壓系統(tǒng)應用中主要有租用運營商5G公網和自建5G專網兩種模式。下面從組網安全性、建網成本、頻率資源需求以及業(yè)務范圍等方面進行分析。

4.1 組網安全性

電力系統(tǒng)對于網絡安全性要求極高，電網公司自建5G無線專網可以根據自身行業(yè)需求，進行個性化建設，實現專網專用，與公眾網絡相隔離，杜絕潛在隱患，從而滿足系統(tǒng)安全需求。而5G公網由運營商負責部署，電網公司只能租用其資源開展相關電力業(yè)務，期間可能存在運營商基站或后臺系統(tǒng)故障、傳輸通道阻塞以及交互數據監(jiān)管困難等問題，存在一定的安全風險[9]。

4.2 建網成本

2019年是國內5G網絡建設元年。目前，5G設備及終端產業(yè)鏈發(fā)展尚不成熟，設備造價昂貴，單獨部署一張完善的5G網絡，須考慮基站、傳輸接入、機房配套以及核心網等各環(huán)節(jié)，建網成本較高，且建設周期較長。租用5G公網資源，可利用運營商部署的完善的5G網絡，在短期內通過投入相對較低的成本而達到預期的建設效果[10]。

4.3 頻率資源需求

3GPP針對5G頻段范圍進行了定義，目前5G制式支持的頻段分成了FR1和FR2兩個范圍。FR1的頻率范圍為450～6 000 MHz，FR2的頻率范圍為24 250～52 600 MHz。2019年6月6日，工信部正式向國內運營商發(fā)放5G商用牌照。中國電信和中國聯(lián)通均獲分配3.5G頻段的100 MHz帶寬，中國移動獲分配2.6G頻段和4.9G頻段的共260 MHz帶寬，使得5G公網建設具備了最基礎的頻段資源。但目前電力無線專網主要采用230 MHz和1.8 GHz頻段。其中，230 MHz頻段尚不在3GPP定義的5G頻段范圍內，因此如需進行大規(guī)模的5G電力專網部署，頻段資源將成為瓶頸。

4.4 業(yè)務范圍

電力無線網絡主要用于高壓電力塔與控制設備間相關數據的回傳，不追求通信速度，但追求通信廣度，點多面廣。無線公網建設與用戶分布緊密相連，5G公眾網絡在較長時間內將集中部署于市區(qū)和縣城等人口聚集區(qū)。而電力無線網絡需要跟著能源走，跟著電力桿塔設備走，無論是在塔爾干沙漠還是在青藏高原，只要有電力設施的地方就需要電力無線網絡。這種地方對運營商來說不值得投入，但對電網來說既是管理的需要，也是一種開荒破土的社會責任。

5 結 論

分析得出，5G無線公網頻段資源豐富且技術標準相對成熟，因此運營商的5G網絡在全國范圍內已初具規(guī)模，并在不斷遞增中。租用5G公網在短期內的建設投入相對較低，其超低時延和高可靠性的信息傳輸，在用電信息收集和應急搶修等方面更具優(yōu)勢。但由于安全性和主動權方面的限制，更適合應用于一些不具備控制功能且要求高帶寬和低時延的配用電業(yè)務，或投資成本有限的臨時應急業(yè)務。5G無線專網在安全性和通信質量的優(yōu)勢及建設成本和頻段資源方面的劣勢，使其適用于安全性高但數據容量小的電力物聯(lián)網采集和控制業(yè)務。不論是5G電力無線專網還是5G無線公網，兩者在電力無線通信領域的應用都各有優(yōu)勢，結合兩者的特點及電力公司的實際應用需求綜合考慮，將有助于5G網絡在電力系統(tǒng)中的更好發(fā)展。