5G賦能智慧電力的探索與應(yīng)用

張 樂(lè)

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)河南有限公司，河南 鄭州 450008）

0 引言

我國(guó)“十四五”規(guī)劃指明了數(shù)字中國(guó)建設(shè)目標(biāo)，對(duì)行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型提出了具體要求。規(guī)劃提出，到2025年基本建成、2035年全面建成具有中國(guó)特色國(guó)際領(lǐng)先的能源互聯(lián)網(wǎng)。針對(duì)電力行業(yè)，規(guī)劃還提出要實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型為主線的智慧賦能，要提高智能化水平，智能采集感知能力，提供可觀可控實(shí)時(shí)交互水平，打造一體化通信網(wǎng)絡(luò)，提升自動(dòng)化水平，推進(jìn)新一代調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)，配電自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)，支撐一體化監(jiān)控預(yù)警和分析決策。全面提升信息采集、傳輸、處理、應(yīng)用等能力，推動(dòng)傳統(tǒng)電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施和新型數(shù)字化基礎(chǔ)設(shè)施融合促進(jìn)電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行智能化和運(yùn)營(yíng)管理智慧化，實(shí)現(xiàn)以數(shù)字化轉(zhuǎn)型為主線的智慧賦能。

本文圍繞“能源互聯(lián)網(wǎng)”的理念，分析了電力行業(yè)業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求，基于某省網(wǎng)絡(luò)方案及實(shí)踐應(yīng)用，研究了5G網(wǎng)絡(luò)在電力行業(yè)中的應(yīng)用，推廣在電力業(yè)務(wù)中融入新一代通信技術(shù)，提升電網(wǎng)智能化水平，構(gòu)筑智慧電力。

1 電力行業(yè)業(yè)務(wù)需求分析

電網(wǎng)業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)多，包括發(fā)電、輸電、變電、配電、用電多個(gè)環(huán)節(jié)，具體業(yè)務(wù)又分為生產(chǎn)控制類(lèi)和運(yùn)維管理類(lèi)，而在電網(wǎng)巨大的業(yè)務(wù)環(huán)中，通信網(wǎng)絡(luò)是重要基礎(chǔ)，各類(lèi)業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)提出了不同的需求[1]。

生產(chǎn)控制類(lèi)業(yè)務(wù)，比如配電環(huán)節(jié)的配電自動(dòng)化業(yè)務(wù)。配電房、開(kāi)閉所無(wú)光纜，只能采用無(wú)線通信，4G公網(wǎng)和Wi-Fi的安全性較低，配網(wǎng)缺少保護(hù)措施，一旦線路故障影響面積較大，定位及恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)，急需5G技術(shù)，提供安全可靠的新型配網(wǎng)保護(hù)。通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)狀態(tài)采集，提升線路監(jiān)視水平，降低臺(tái)區(qū)故障率，提高用戶供電服務(wù)質(zhì)量，連接海量終端，打造配電網(wǎng)全狀態(tài)感知。

運(yùn)維管理類(lèi)業(yè)務(wù)，比如發(fā)電、輸電、變電環(huán)節(jié)中都存在巡檢類(lèi)業(yè)務(wù)，如機(jī)器人+高清視頻巡檢，機(jī)器人使用Wi-Fi常出現(xiàn)視頻卡頓、實(shí)時(shí)操作性差等問(wèn)題，且安全性差，4G網(wǎng)絡(luò)帶寬不足，無(wú)法滿足高清視頻業(yè)務(wù)的需求，通過(guò)5G可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人+無(wú)人機(jī)+4K空天地巡檢模式，將巡檢視頻實(shí)時(shí)回傳至變電站主控室，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員可與后方專(zhuān)家進(jìn)行實(shí)時(shí)交互、AI現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)管控。在安全監(jiān)測(cè)類(lèi)業(yè)務(wù)中，大量的工地?cái)z像頭、智能安全帽的接入5G網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)全方位采集現(xiàn)場(chǎng)不安全行為，實(shí)時(shí)分析人體姿態(tài)行為，識(shí)別違章作業(yè)、工人抽煙等不安全行為[2，3]。

5G技術(shù)可在電力業(yè)務(wù)的各個(gè)環(huán)節(jié)中提升網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，進(jìn)而提升電網(wǎng)運(yùn)行效率。為研究5G關(guān)鍵技術(shù)在電網(wǎng)中的應(yīng)用，某省移動(dòng)公司與省電力選擇三個(gè)地區(qū)試點(diǎn)部署5G專(zhuān)網(wǎng)，研究電力業(yè)務(wù)在5G網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)際應(yīng)用[4]。主要業(yè)務(wù)如表1所示。

表1 5G專(zhuān)網(wǎng)三個(gè)區(qū)域覆蓋范圍及具體業(yè)務(wù)

以上業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求如表2所示。

表2 業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求

2 電力行業(yè)5G網(wǎng)絡(luò)方案

依據(jù)電網(wǎng)建設(shè)基本準(zhǔn)則：安全分區(qū)、業(yè)務(wù)專(zhuān)用、橫向隔離、縱向認(rèn)證，某省建立“端（電力行業(yè)專(zhuān)用）—管（公專(zhuān)網(wǎng)靈活組網(wǎng)）—邊（MEC數(shù)據(jù)處理）—云（差異化業(yè)務(wù)主站）”的5G專(zhuān)網(wǎng)，根據(jù)不同的業(yè)務(wù)，按需將MEC下沉部署至電力側(cè)，實(shí)現(xiàn)局域高可靠、高安全的業(yè)務(wù)控制[5]。結(jié)合網(wǎng)絡(luò)切片搭建電力5G專(zhuān)網(wǎng)，各類(lèi)業(yè)務(wù)就近、規(guī)范、統(tǒng)一接入，降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和回傳帶寬占用，提升業(yè)務(wù)接入效率。

圖1 整體方案架構(gòu)圖

針對(duì)電力各種業(yè)務(wù)類(lèi)型，滿足電力公司局域虛擬專(zhuān)網(wǎng)和廣域虛擬專(zhuān)網(wǎng)的建設(shè)，端到端組網(wǎng)打造5G專(zhuān)網(wǎng)，整體組網(wǎng)方案如下。

①無(wú)線建設(shè)方案：在區(qū)域A的換流站、智慧區(qū)試點(diǎn)區(qū)域部署2.6GHz33個(gè)5G宏站開(kāi)展業(yè)務(wù)測(cè)試，區(qū)域B部署4個(gè)5G基站用于電力業(yè)務(wù)測(cè)試，區(qū)域C部署4個(gè)5G基站用于電力業(yè)務(wù)測(cè)試。

②核心網(wǎng)建設(shè)方案：在區(qū)域A電力省公司和換流站機(jī)房分別建設(shè)1套入駐式UPF，區(qū)域B和區(qū)域C分別采用地市共享UPF對(duì)接電力公司地市業(yè)務(wù)系統(tǒng)。

③傳輸網(wǎng)建設(shè)方案：采用SPN系統(tǒng)承載至地市公司業(yè)務(wù)系統(tǒng)。

圍繞整體方案，在端到端網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中，采用了兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，即5G切片和MEC下沉。

（1）關(guān)鍵技術(shù)一：5G切片。5G切片技術(shù)是一種基于SA架構(gòu)的按需組網(wǎng)的技術(shù)，利用網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化，將5G的物理資源按需分配給不同的邏輯網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)一網(wǎng)多用，“網(wǎng)絡(luò)切片（Network Slice， NS）”能夠?qū)崿F(xiàn)在一張物理網(wǎng)絡(luò)上構(gòu)建多個(gè)虛擬、專(zhuān)用、隔離、按需定制邏輯網(wǎng)絡(luò)，滿足最終用戶對(duì)于帶寬、時(shí)延、連接數(shù)等不同的需求，打造差異化網(wǎng)絡(luò)。不同的網(wǎng)絡(luò)切片由S-NSSAI（Single Network Slice Selection Assistance Information，單個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片選擇輔助信息）標(biāo)識(shí)[6，7]。

為區(qū)分電力專(zhuān)網(wǎng)，本文先把5G用戶分為兩大類(lèi)，一類(lèi)是ToC手機(jī)終端用戶，一類(lèi)是ToB園區(qū)物聯(lián)網(wǎng)終端用戶，這兩類(lèi)用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)需求不同，同時(shí)在商業(yè)模式上差異也巨大，因此，先通過(guò)切片技術(shù)，將ToC和ToB網(wǎng)絡(luò)隔離，ToC用戶采用切片標(biāo)識(shí)“FFFFFF”，ToB用戶采用“03FFFF”切片標(biāo)識(shí)。同時(shí)在ToB網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，配置不同的DNN將電力業(yè)務(wù)與其他ToB業(yè)務(wù)隔離。電力采用專(zhuān)用DNN“cmiot5gdltest.ha”，其他ToB業(yè)務(wù)采用默認(rèn)DNN“cmiot5g.ha”配置切片標(biāo)識(shí)及DNN如表3所示。

表3 切片標(biāo)識(shí)及DNN配置

（2）關(guān)鍵技術(shù)二：MEC下沉。MEC（Muti-Access Edge Compting）“多接入邊緣計(jì)算”，是一種商業(yè)概念，早期定義為為Mobile Edge Compting。2016年，ETSI把MEC的概念擴(kuò)展為多接入邊緣計(jì)算，并在3GPP定義的5G UPF技術(shù)上豐富了MEC的軟件架構(gòu)、應(yīng)用場(chǎng)景和API接口。目前與5G協(xié)同，是5G ToB網(wǎng)絡(luò)的重要解決方案組成部分[8，9]。

方案根據(jù)不同需求定制不同的MEC策略，區(qū)域A的業(yè)務(wù)要求數(shù)據(jù)不出園區(qū)，同時(shí)對(duì)時(shí)延要求較高，因此在區(qū)域A的選擇電力省公司和電力換流站兩個(gè)機(jī)房分別新建2套入駐式邊緣增強(qiáng)型一體化UPF（5G模型）；區(qū)域B的業(yè)務(wù)無(wú)數(shù)據(jù)不出園區(qū)要求，且對(duì)時(shí)延不敏感，因此在區(qū)域B和C選擇將MEC選擇部署在地市核心機(jī)房的共享式邊緣UPF。MEC整體部署方案圖如圖2所示。

圖2 MEC部署方案圖

區(qū)域A建設(shè)2套入駐式MEC，下沉到園區(qū)，控制面資源池接入大區(qū)核心網(wǎng)署，打通電力MEC到園區(qū)業(yè)務(wù)平臺(tái)的物理專(zhuān)線。電力數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，直接通過(guò)入駐式UPF訪問(wèn)電力業(yè)務(wù)平臺(tái)；非電力業(yè)務(wù)，直接通過(guò)地市UPF訪問(wèn)其他業(yè)務(wù)平臺(tái)。組網(wǎng)圖如圖3所示。

圖3 區(qū)域A MEC組網(wǎng)圖

區(qū)域B和C采用地市共享邊緣UPF，新建電力專(zhuān)用DNN，通過(guò)DNN隔離無(wú)線、傳輸、核心網(wǎng)資源，實(shí)現(xiàn)與其他非電力業(yè)務(wù)的邏輯隔離。組網(wǎng)圖如圖4所示。

圖4 區(qū)域B/C MEC組網(wǎng)圖

3 測(cè)試結(jié)果

在區(qū)域A智慧區(qū)部署31個(gè)2.6GHz宏站，每個(gè)站點(diǎn)3個(gè)扇區(qū)，帶寬為100MHz。測(cè)試結(jié)果顯示全島5G覆蓋率達(dá)到100%，平均RSRP-75dBm，平均下載速率857 Mb/s，上傳速率120 Mb/s以上，滿足智慧電力使用需求。利用智慧島區(qū)域5G網(wǎng)絡(luò)全覆蓋的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)展電力業(yè)務(wù)5G承載性能測(cè)試，實(shí)現(xiàn)用電信息采集、分布式饋線自動(dòng)化、視頻監(jiān)控等8種業(yè)務(wù)場(chǎng)景。

在區(qū)域A換流站，利用現(xiàn)網(wǎng)已有基站。經(jīng)測(cè)試，換流站內(nèi)平均下載速率998Mb/s，上傳速率129Mb/s。平均RSRP達(dá)到-80dBm以上。通過(guò)RB資源預(yù)留、延長(zhǎng)預(yù)調(diào)度持續(xù)時(shí)間、增加預(yù)調(diào)度數(shù)據(jù)量等參數(shù)調(diào)整，時(shí)延降低到20 ms以內(nèi)，且時(shí)延趨于穩(wěn)定，滿足電力時(shí)延要求。

圖5 區(qū)域A智慧島和換流站無(wú)線覆蓋

在區(qū)域B，部署3個(gè)5G宏基站，RSRP均值-75.5dBm，平均上傳速率149Mb/s以上。針對(duì)該區(qū)域?qū)r(shí)延要求不高且現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維巡檢和信息監(jiān)測(cè)都是在室外的業(yè)務(wù)特點(diǎn)，采用RB資源預(yù)留的優(yōu)化措施，滿足現(xiàn)場(chǎng)倒閘操作、事故異常處理、應(yīng)急聯(lián)動(dòng)等運(yùn)維巡檢需求。結(jié)合視頻及環(huán)境監(jiān)控設(shè)備、紅外攝像機(jī)等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)信息監(jiān)測(cè)等業(yè)務(wù)需求。

圖6 區(qū)域B 5G宏基站測(cè)試參數(shù)

在區(qū)域C，對(duì)目標(biāo)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，且保障業(yè)務(wù)終端均處于中好點(diǎn)。通過(guò)RB資源預(yù)留、關(guān)閉DRX和BWP節(jié)電模式，開(kāi)啟資源預(yù)調(diào)度、同時(shí)將目標(biāo)BLER設(shè)置為1%，CCE聚合等級(jí)設(shè)置為16等參數(shù)調(diào)整，可滿足配電自動(dòng)化單向時(shí)延15 ms，漏電保護(hù)時(shí)延30 ms的業(yè)務(wù)要求。測(cè)試結(jié)果如下：

（1）測(cè)試點(diǎn)1：5G RSRP-74.47 db，SINR20.17，下載994.24Mb/s，上行139.65Mb/s。

圖7 區(qū)域C測(cè)試點(diǎn)1測(cè)試參數(shù)

（2）測(cè)試點(diǎn)2：5G RSRP-72.98db，SINR19.31，下載919.89Mb/s，上行168.71Mb/s。

圖8 區(qū)域C測(cè)試點(diǎn)2測(cè)試參數(shù)

（3）測(cè)試點(diǎn)3：5G RSRP-81.59db，SINR29，下載719.59Mb/s，上行136.47Mb/s。

圖9 區(qū)域C測(cè)試點(diǎn)3測(cè)試參數(shù)

（4）測(cè)試點(diǎn)4。5G RSRP-82.15db，SINR18.19，下載776.96Mb/s，上行111.97Mb/s。

圖10 區(qū)域C測(cè)試點(diǎn)4測(cè)試參數(shù)

4G FDD下，上行約50Mb/s，下行150Mb/s，時(shí)延25ms。本文測(cè)試結(jié)果與4G相比，在下載和上行速度上有明顯提升，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延相較之下提升并不明顯，主要原因是受制于當(dāng)前5G商用網(wǎng)絡(luò)的成熟度，目前5G商用仍主要基于R15標(biāo)準(zhǔn)，仍聚焦于eMBB業(yè)務(wù)場(chǎng)景，重點(diǎn)提升了大帶寬，對(duì)于超可靠低時(shí)延及海量連接的業(yè)務(wù)，需要基于R16、R17持續(xù)完善。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從電力行業(yè)業(yè)務(wù)需求入手，結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)特性制定了有針對(duì)性的網(wǎng)絡(luò)解決方案。通過(guò)現(xiàn)網(wǎng)試點(diǎn)測(cè)試表明，根據(jù)不同需求制定的5G網(wǎng)絡(luò)方案，可以滿足電力業(yè)務(wù)的需求。借助5G網(wǎng)絡(luò)切片，可定義差異化的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)一網(wǎng)多用；借助5G+MEC，打造電力專(zhuān)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)不出園區(qū)。但受制于當(dāng)前5G商用網(wǎng)絡(luò)的成熟度，目前商用仍聚焦于eMBB業(yè)務(wù)場(chǎng)景，對(duì)于URLLC和MMTC場(chǎng)景技術(shù)還不夠成熟，后續(xù)隨著超可靠技術(shù)的提升及海量連接的能力實(shí)現(xiàn)，對(duì)電力更加精準(zhǔn)的負(fù)荷控制及百萬(wàn)、千萬(wàn)級(jí)別的用電信息采集等業(yè)務(wù)會(huì)有更好的支撐，能夠幫助電力在發(fā)電、輸電、配電、變電、送電各個(gè)環(huán)節(jié)更加智能化，促進(jìn)智慧電力的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展[10]。