5G切片技術(shù)在電力物聯(lián)網(wǎng)方面的應(yīng)用研究

袁 棟

（廣州杰賽科技股份有限公司 廣東 廣州 510000）

1 引言

近年來，物聯(lián)網(wǎng)在電力行業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用，用戶終端數(shù)量顯著增加，電力系統(tǒng)的各部門根據(jù)自身實(shí)際需求已經(jīng)研發(fā)了一些具有特色功能的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。雖然電力物聯(lián)網(wǎng)體系取得了長(zhǎng)足的發(fā)展進(jìn)步，但在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)過程中也存在很多亟待解決的問題。

傳輸時(shí)延是物聯(lián)網(wǎng)的傳輸數(shù)據(jù)過程中的時(shí)間延遲，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用對(duì)數(shù)據(jù)回傳時(shí)延的要求越來越高，這就給數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)提出了更大的挑戰(zhàn)。鑒于此，科研工作者做了大量技術(shù)研究工作，以期解決時(shí)間延遲問題，5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

2 電力物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景及通信需求分析

電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)景中，涉及到電能生產(chǎn)、輸送和使用的各個(gè)環(huán)節(jié)，還涵蓋電能產(chǎn)業(yè)經(jīng)營(yíng)管理，智能物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的成功研制對(duì)終端設(shè)備的接入提供了可能。該系統(tǒng)有三級(jí)技術(shù)架構(gòu)，分別是設(shè)備、管理平臺(tái)和主網(wǎng)站。本節(jié)將對(duì)電能生產(chǎn)和電能輸送的各個(gè)環(huán)節(jié)特點(diǎn)進(jìn)行討論，就其應(yīng)用場(chǎng)景和通信需求進(jìn)行分析。

2.1 輸電環(huán)節(jié)通信需求分析

電力物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在輸電環(huán)節(jié)的具體應(yīng)用是線路監(jiān)測(cè)，主要的線路監(jiān)測(cè)手段采取視頻實(shí)時(shí)回傳的方式進(jìn)行。除此之外，還借助各種監(jiān)測(cè)設(shè)備采集輸電線路相關(guān)硬件的數(shù)據(jù)信息，這些數(shù)據(jù)信息能夠通過物聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到主站，電力企業(yè)工作人員在進(jìn)行線路檢查時(shí)，可以調(diào)取相關(guān)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析研究。便于工作人員發(fā)現(xiàn)故障問題，及時(shí)排除安全隱患。

目前，各大電力企業(yè)對(duì)監(jiān)控視頻都有各自的要求，通常使用光纖傳輸或電纜傳輸監(jiān)控視頻信息，為保證監(jiān)控視頻圖像質(zhì)量，每路視頻的帶寬均不應(yīng)低于4Mbps，少數(shù)企業(yè)利用無線監(jiān)控視頻傳輸技術(shù)，例如通用無線分組業(yè)務(wù)或4G網(wǎng)絡(luò)傳輸業(yè)務(wù)等。

對(duì)齊進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)過程中，根據(jù)所監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)所占的帶寬不同，可以分為三類。寬帶數(shù)據(jù)的流量需求較低，通常在1～3Mbps之間，這種流量需求特點(diǎn)使其適用于視頻采集設(shè)備。中等寬帶數(shù)據(jù)流量一般不大于150Mbps，這種數(shù)據(jù)流量特點(diǎn)能夠應(yīng)用在圖像采集設(shè)備上。窄帶數(shù)據(jù)流量一般也不大于150Mbps，適用于一些導(dǎo)線的運(yùn)行參數(shù)非實(shí)時(shí)測(cè)量傳輸，例如監(jiān)測(cè)導(dǎo)線溫度。

2.2 變電環(huán)節(jié)通信需求分析

變電站是電能生產(chǎn)過程中一個(gè)重要的節(jié)點(diǎn)，對(duì)電能的順利安全生產(chǎn)具有重要意義。變電設(shè)備具有種類繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，變電站整體環(huán)境中磁場(chǎng)強(qiáng)度都比較高，有較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。其電能通信功能主要通過有線通信實(shí)現(xiàn)，無線通信應(yīng)用減少，僅在一些電力企業(yè)所配備的智能巡檢機(jī)器人通信技術(shù)中有所涉及。由于無線數(shù)據(jù)傳輸只能通過4G網(wǎng)絡(luò)和無線路由器網(wǎng)絡(luò)來完成，導(dǎo)致智能機(jī)器人的無線通信無論從速度上或是移動(dòng)范圍上都有較大的局限性。因此構(gòu)建穩(wěn)定性高、數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延小的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸體系是電力企業(yè)智能化發(fā)展過程中無法繞過的技術(shù)障礙。

2.3 配電環(huán)節(jié)通信需求

配電環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)性業(yè)務(wù)具有多樣性的特點(diǎn)，涉及到自動(dòng)化運(yùn)行、實(shí)時(shí)監(jiān)控等領(lǐng)域，進(jìn)行自動(dòng)化配電工作時(shí)需要較大的信息流量，具體信息流量如下。

配電自動(dòng)化業(yè)務(wù)分為“三遙”業(yè)務(wù)和分布式饋線自動(dòng)化業(yè)務(wù)，三遙業(yè)務(wù)設(shè)備主要有開關(guān)站、環(huán)網(wǎng)柜、箱變和柱上變/柱上開關(guān)。其中開關(guān)站終端有2個(gè)，共需要30kbps的匯總流量；環(huán)網(wǎng)柜終端數(shù)量為8個(gè)，共需要24kbps的匯總流量；相變的終端數(shù)量為30個(gè)，共需要90kbps的匯總流量；柱上變/柱上開關(guān)的終端有65個(gè)，共需要97.5kbps的匯總流量；分布式饋線自動(dòng)化終端需要400kbps的匯總流量，以上為配電自動(dòng)化業(yè)務(wù)共需要的通信流量大小。

配電自動(dòng)化通信流量需求還包括電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)流量需求、分布式能源接入流量需求、配變視頻監(jiān)控流量需求，分別為768kbps、64kbps、25600kbps?；緲I(yè)務(wù)流量共1.47Mbps，含視頻業(yè)務(wù)流量27.07Mbps。

基于城市中電纜和光纖基礎(chǔ)建設(shè)成熟的先決條件，配電自動(dòng)化業(yè)務(wù)在城市中能夠較好的開展，農(nóng)村由于傳輸線纜基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的嚴(yán)重不足導(dǎo)致“農(nóng)村用網(wǎng)最后1公里”的問題無法得到實(shí)質(zhì)性解決，無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)則能夠很好的解決農(nóng)村網(wǎng)絡(luò)通信問題。現(xiàn)階段，我國(guó)電力行業(yè)進(jìn)入全新的發(fā)展時(shí)期，逐漸發(fā)展的配電物聯(lián)網(wǎng)體系迫切需要穩(wěn)定、快速的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支撐。

2.4 電力物聯(lián)網(wǎng)通信需求

根據(jù)電力業(yè)務(wù)的特點(diǎn)及電力業(yè)務(wù)相關(guān)設(shè)備的通信需求可以看出，傳統(tǒng)的2G、3G、4G通信技術(shù)能夠在一定程度上滿足設(shè)備使用需求和業(yè)務(wù)開展需求，但也暴露出幾個(gè)方面問題。

第一方面，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備技術(shù)更新?lián)Q代速度較快，電力物聯(lián)網(wǎng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)速度的要求變高；第二方面，電纜和光纖作為主要數(shù)據(jù)傳輸載體仍然具有50～100ms的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，這種較大的網(wǎng)絡(luò)實(shí)延特點(diǎn)，使得實(shí)時(shí)智能巡檢等電力物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)無法實(shí)質(zhì)性推進(jìn)。

具備超低時(shí)延、大帶寬、海量連接和多場(chǎng)景接入多種能力的5G通信網(wǎng)絡(luò)，依托其網(wǎng)絡(luò)切片的虛擬邏輯隔離模式，更適應(yīng)新形勢(shì)下以及未來電網(wǎng)感知智能互聯(lián)式的發(fā)展，支撐云邊協(xié)同的電力物聯(lián)網(wǎng)，智能化提升。

3 電力物聯(lián)網(wǎng)中5G切片技術(shù)的應(yīng)用

3.1 切片架構(gòu)

3.1.1 感知接入側(cè)

在電力物聯(lián)網(wǎng)組成架構(gòu)中，感知接入側(cè)屬于電力物聯(lián)網(wǎng)的信息采集端，應(yīng)用場(chǎng)景中各個(gè)感知設(shè)備和物聯(lián)裝置能夠感知具體工作情況，將所獲取的信息通過5G通信模塊上傳至網(wǎng)絡(luò)中，該業(yè)務(wù)切片種類分別是輸電切片、變電切片、配電切片和用電切片四種類型。它們能夠依托電力物聯(lián)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)線路工作情況監(jiān)測(cè)、無人機(jī)巡視檢查、配電側(cè)各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸、電信息采集等用電業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸[1]。

3.1.2 無線通道側(cè)

無線通道側(cè)5G切片技術(shù)要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)墓δ?，無線通信遠(yuǎn)程終端中一個(gè)核心組件是通信模塊，該組件能夠?qū)?shù)據(jù)信息以無線方式傳輸至主網(wǎng)終端中，并能滿足各種電力通信業(yè)務(wù)需求。借助于5G無線傳輸模塊帶寬高的技術(shù)特點(diǎn)，能夠?yàn)殡娏ζ髽I(yè)提供超清視頻監(jiān)控實(shí)時(shí)回傳業(yè)務(wù)服務(wù)。高可靠性特點(diǎn)使得電力自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的高科技智能機(jī)器人可靠巡視檢查變成可能[2-3]。

不同業(yè)務(wù)切片類型能夠滿足不同的電力業(yè)需求，通道側(cè)共享無線切片包括增強(qiáng)移動(dòng)寬帶切片，海量機(jī)器類通信切片和超可靠低延時(shí)通信切片三個(gè)切片類型。第一種切片提供了較大帶寬的5G切片技術(shù)，這種切片技術(shù)為高清視頻實(shí)時(shí)回傳提供了技術(shù)基礎(chǔ)。第二種切片適用于靜態(tài)設(shè)備，例如電力生產(chǎn)環(huán)節(jié)中核心站點(diǎn)的輔助監(jiān)控、線路線纜運(yùn)行數(shù)據(jù)接入和用電數(shù)據(jù)獲取業(yè)務(wù)等。第三種切片技術(shù)則適用于精細(xì)化控制程度極高的電力物聯(lián)業(yè)務(wù)，其超低時(shí)延（低于5ms時(shí)延）的技術(shù)特點(diǎn)使自動(dòng)化配電的準(zhǔn)確實(shí)施成為可能。

3.1.3 平臺(tái)傳輸側(cè)

平臺(tái)傳輸側(cè)的平臺(tái)層分為基礎(chǔ)元和業(yè)務(wù)主站集群兩個(gè)組成部分。其中基礎(chǔ)云又分為生產(chǎn)控制云、公共服務(wù)云和企業(yè)管理云。傳輸層的核心網(wǎng)側(cè)5G核心網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳至平臺(tái)層的基礎(chǔ)云中，基礎(chǔ)云又將數(shù)據(jù)信息傳輸至。輸電線路在線監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，變電站智能輔助管理系統(tǒng)配電主站和用電信息采集主站等業(yè)務(wù)主站中，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)傳輸側(cè)5G切片功能。

3.2 5G切片的智能化管理

現(xiàn)階段電網(wǎng)業(yè)務(wù)場(chǎng)景已經(jīng)逐漸呈現(xiàn)出多樣化、復(fù)雜化的發(fā)展趨勢(shì)，電力傳輸過程也有較大的不確定性。基于這種特點(diǎn)，5G業(yè)務(wù)中對(duì)切片的管理應(yīng)該以智能化為發(fā)展目標(biāo)，智能化的切片管理對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)能力開放具有重要價(jià)值。智能化5G網(wǎng)絡(luò)開放功能模塊主要由AI支持和5G切片兩個(gè)部分組成。切片管理模塊中首先完成創(chuàng)建切片過程，而后切片實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)下的電力業(yè)務(wù)應(yīng)用，在應(yīng)用過程中5G切片可以進(jìn)行更新，最后經(jīng)歷5G切片釋放、回收與再分配的過程。再分配的5G切片與AI支持模塊相互交聯(lián)，進(jìn)行電力物聯(lián)流量收集、業(yè)務(wù)流量自學(xué)習(xí)和流量模型建立等流程，最后流量模型建立之后再用于5G切片創(chuàng)建，形成閉環(huán)。

4 結(jié)語

電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)是現(xiàn)代化電力行業(yè)建設(shè)的重點(diǎn)，對(duì)電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和終端設(shè)備進(jìn)行研究能夠保證電能生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)時(shí)高效傳輸數(shù)據(jù)信息，安全可靠穩(wěn)定運(yùn)行。5G作為電力物聯(lián)網(wǎng)體系中最重要的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)載體，擔(dān)負(fù)著完成各種電力物聯(lián)業(yè)務(wù)的重要任務(wù)。5G切片是建立高速穩(wěn)定無線傳輸通道的核心技術(shù)，從概念提出之時(shí)就受到科研學(xué)者的廣泛關(guān)注。