（2020年度“華蘇杯”獲獎(jiǎng)?wù)撐囊坏泉?jiǎng)）基于5G電力專網(wǎng)的大規(guī)模源網(wǎng)荷精準(zhǔn)控制系統(tǒng)

呂艷艷 陳永波 任祖怡

1.中國(guó)移動(dòng)集團(tuán)江蘇有限公司南京分公司；

2.中興通訊股份有限公司；

3.南瑞繼保電氣有限公司

0 引言

隨著我國(guó)特高壓交直流電網(wǎng)快速發(fā)展，風(fēng)電和光伏等新能源大量并網(wǎng)，遠(yuǎn)距離跨區(qū)輸電規(guī)模持續(xù)增長(zhǎng)，特別是在電網(wǎng)“強(qiáng)直弱交”的過(guò)渡期內(nèi)，一旦特高壓直流閉鎖或交流電網(wǎng)故障，受端電網(wǎng)必須在200ms內(nèi)切除大量負(fù)荷才能保住電網(wǎng)穩(wěn)定。但傳統(tǒng)的電網(wǎng)穩(wěn)定控制技術(shù)只能直接切除變電站饋線，這將導(dǎo)致許多工廠和居民小區(qū)直接停電，會(huì)對(duì)停電地區(qū)的居民生活和社會(huì)生產(chǎn)帶來(lái)影響，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)損失。解決的可行辦法是對(duì)生產(chǎn)生活電力負(fù)荷進(jìn)行區(qū)分，對(duì)部分電力用戶可中斷負(fù)荷，如非生產(chǎn)制冷或供熱、普通照明、非關(guān)鍵輔助性設(shè)備等可中斷負(fù)荷進(jìn)行定點(diǎn)定量的精確切除，在電網(wǎng)發(fā)生事故后，做到切負(fù)荷量的“精確”和對(duì)象的“準(zhǔn)確”。而在用電負(fù)荷密集的受端電網(wǎng)，分布式新能源接入了大量光伏電站、儲(chǔ)能電站，電網(wǎng)發(fā)生事故后也需要緊急對(duì)各種可控資源進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。

因此有必要建設(shè)大規(guī)模源-網(wǎng)-荷精準(zhǔn)控制系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“精準(zhǔn)控制系統(tǒng)”），這樣既能保證大電網(wǎng)的穩(wěn)定，又能將停電影響降至可容忍級(jí)別，最大限度減少電網(wǎng)事故帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失，降低對(duì)生產(chǎn)生活的影響。但是我國(guó)電力系統(tǒng)的電力通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)遍布500kV～110/35kV變電站，卻并沒(méi)有連接各個(gè)工業(yè)企業(yè)用戶的變電站。一個(gè)大型城市需要控制的用戶終端數(shù)量高達(dá)數(shù)萬(wàn)，鋪設(shè)光纜的投資巨大，需要考慮部署靈活、成本較低、可靠性高、安全性高的通信方式。

針對(duì)此問(wèn)題，中國(guó)移動(dòng)通信江蘇有限公司南京分公司（以下簡(jiǎn)稱“江蘇移動(dòng)”）、南瑞繼保電氣工程有限公司（以下簡(jiǎn)稱“南瑞繼?！保?、中興通訊股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱“中興通訊”）、東南大學(xué)等單位進(jìn)行聯(lián)合創(chuàng)新，立項(xiàng)開(kāi)發(fā)“基于5G電力專網(wǎng)的大規(guī)模源網(wǎng)荷精準(zhǔn)控制系統(tǒng)”解決方案。

需求分析：由于精準(zhǔn)控制系統(tǒng)需快速恢復(fù)大電網(wǎng)供需平衡、確保電網(wǎng)頻率在直流閉鎖故障發(fā)生后約200毫秒內(nèi)恢復(fù)至正常值（電網(wǎng)頻率50Hz），除去用戶變電站10kV/380V斷路器的動(dòng)作延時(shí)以及其他必要的處理時(shí)間，留給最后一級(jí)通信環(huán)節(jié)的延時(shí)必須控制在20ms以內(nèi)。對(duì)通信的需求中，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)時(shí)延、可用性、安全性、可靠性。

具體通信需求如下：（1）帶寬＜2Mbps；（2）時(shí)延：控制主（子）站到終端時(shí)延≤20ms，抖動(dòng)＜5ms；（3）可靠性：通信可靠性＞99.999%；（4）連接密度＜1000/百km2；（5）網(wǎng)絡(luò)切片：端到端硬切片，獨(dú)享切片資源；（6）安全：強(qiáng)安全需求，要求資源獨(dú)享，物理隔離，數(shù)據(jù)加密；（7）精度：授時(shí)精度＜10us；（8）通信方式：主從方式，永久在線，連續(xù)高頻通信；（9）接入5G網(wǎng)絡(luò)方式：通過(guò)專用CPE連接，通信協(xié)議適配。

1 基于5G電力專網(wǎng)的大規(guī)模源網(wǎng)荷精準(zhǔn)控制系統(tǒng)解決方案

1.1 方案設(shè)計(jì)理念

資源靈活管控：在電力系統(tǒng)方面，對(duì)各類發(fā)電資源、電網(wǎng)資源、負(fù)荷資源進(jìn)行靈活化處理，通過(guò)采用一系列智能電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)和先進(jìn)ICT技術(shù)，實(shí)現(xiàn)軟件定義電網(wǎng)，使得電網(wǎng)運(yùn)行更靈活，調(diào)控能力大幅提升。對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)，特別是5G網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)切片、VLAN、VPN、SDN、NFV、AI、虛擬化、轉(zhuǎn)控分離等資源靈活化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)軟件定義網(wǎng)絡(luò)，使得5G網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行運(yùn)營(yíng)更靈活。

定制化服務(wù)：供電服務(wù)能夠?qū)崿F(xiàn)個(gè)性化，實(shí)現(xiàn)源網(wǎng)荷友好雙向互動(dòng)，在應(yīng)對(duì)電網(wǎng)故障、提供供電服務(wù)時(shí)，可以做到對(duì)用戶的不同用電設(shè)備、系統(tǒng)，以及不同的電力用戶實(shí)現(xiàn)區(qū)別對(duì)待，實(shí)現(xiàn)差異化個(gè)性化的供電服務(wù)。5G網(wǎng)絡(luò)通過(guò)切片、MEC、UPF下沉等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)通信連接服務(wù)的個(gè)性化，滿足特定業(yè)務(wù)場(chǎng)景的特殊定制化通信連接需求，保證服務(wù)質(zhì)量。

切片分區(qū)隔離：對(duì)負(fù)荷進(jìn)行精細(xì)區(qū)別分類，在傳統(tǒng)負(fù)荷分級(jí)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步在用戶區(qū)域內(nèi)進(jìn)行類別區(qū)分，區(qū)分出可中斷負(fù)荷、連續(xù)供電不可中斷負(fù)荷等類別。在此基礎(chǔ)上，對(duì)用戶用電負(fù)荷進(jìn)行精確精準(zhǔn)調(diào)控，既可應(yīng)對(duì)電網(wǎng)調(diào)控需求，也能保證用戶生產(chǎn)安全。通信網(wǎng)絡(luò)資源縱向通過(guò)切片技術(shù)分割，專項(xiàng)專用。就近分流轉(zhuǎn)發(fā)，減少路由轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)節(jié)，降低時(shí)延，實(shí)現(xiàn)橫向區(qū)域隔離，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流“圍墻”，控制故障或破壞的影響范圍。

系統(tǒng)效率優(yōu)化：對(duì)各類傳統(tǒng)發(fā)電、新能源發(fā)電、各種儲(chǔ)能、各環(huán)節(jié)各類別電網(wǎng)、各種負(fù)荷等電力資源進(jìn)行整體調(diào)控優(yōu)化，減少故障造成的大范圍影響，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行效率的最大化。對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行整體優(yōu)化，通過(guò)切片技術(shù)、MEC+UPF、時(shí)延控制、安全增強(qiáng)等，實(shí)現(xiàn)差異化個(gè)性化服務(wù)，既能保證質(zhì)量，又能最大程度優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)效率。

1.2 整體方案介紹

1.2.1 總體架構(gòu)

方案設(shè)置雙控制主站，控制主站下設(shè)置若干個(gè)切控制子站（500kV變電站或220kV變電站），該子站通過(guò)高速通信網(wǎng)直接控制大量控制終端。系統(tǒng)組成架構(gòu)如圖1所示。

圖1 大規(guī)模源網(wǎng)荷精準(zhǔn)控制系統(tǒng)架構(gòu)圖

控制主站分別與各個(gè)控制子站通信，匯集全網(wǎng)的可中斷負(fù)荷量和可調(diào)控分布式能源量的信息，統(tǒng)計(jì)本地區(qū)可調(diào)控資源總量?？刂浦髡竞椭绷魇芏穗娋W(wǎng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)的主站通信，在直流閉鎖等故障發(fā)生后接收后者發(fā)來(lái)的切負(fù)荷或調(diào)控分布式能源的命令后，按照一定策略分配給各個(gè)控制子站，控制子站再根據(jù)優(yōu)先級(jí)順序和調(diào)控對(duì)象類別將切負(fù)荷或調(diào)控的分布式能源量匹配到安裝在各個(gè)工業(yè)企業(yè)用戶變電站或配電房的精準(zhǔn)控制終端所控制的可中斷負(fù)荷開(kāi)關(guān)。子站也會(huì)通過(guò)向電網(wǎng)內(nèi)所有儲(chǔ)能電站發(fā)送控制命令讓處于充電狀態(tài)的儲(chǔ)能設(shè)備快速切換為最大放電狀態(tài)。精準(zhǔn)控制系統(tǒng)功能流程如圖2所示。

圖2 精準(zhǔn)控制系統(tǒng)功能執(zhí)行流程圖

1.2.2 通信方案

根據(jù)大規(guī)模源網(wǎng)荷精準(zhǔn)控制系統(tǒng)組成架構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)部署在電力生產(chǎn)控制區(qū)，屬于安全生產(chǎn)I區(qū)，通信鏈路需要物理隔離?？刂浦髡九c子站之間采用電力光纖專用通信網(wǎng)，保證安全隔離、可靠性和時(shí)延的要求。子站與精準(zhǔn)控制終端之間，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，在不具備光纖覆蓋的區(qū)域使用5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行承載。

5G網(wǎng)絡(luò)用于此業(yè)務(wù)部署時(shí)，由5G網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商提供強(qiáng)隔離的電網(wǎng)專用切片，一方面，5G網(wǎng)絡(luò)切片基于PRB資源預(yù)留、FlexE硬切片、UPF下沉技術(shù)可提供端到端物理級(jí)別隔離強(qiáng)度，滿足電力業(yè)務(wù)物理隔離要求；另一方面，通過(guò)MEC+UPF下沉，以及5G的電力精準(zhǔn)控制業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在本地轉(zhuǎn)發(fā)接入電力專用光纖通信網(wǎng)，通過(guò)數(shù)據(jù)分流就近轉(zhuǎn)發(fā)，降低通信時(shí)延，滿足超低時(shí)延要求。下面介紹5G網(wǎng)絡(luò)端到端切片及MEC邊緣計(jì)算方案。

1.2.2.1 5G切片專網(wǎng)方案

5G智能電網(wǎng)切片電力專網(wǎng)精準(zhǔn)控制系統(tǒng)“最后一公里”智能終端的連接問(wèn)題，通過(guò)切片提供差異化的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)大量終端的靈活、安全、可靠、實(shí)時(shí)接入?；?G網(wǎng)絡(luò)切片及多接入邊緣計(jì)算MEC等技術(shù)的發(fā)展和完善，為電網(wǎng)用戶體驗(yàn)、業(yè)務(wù)高可靠的安全隔離提供服務(wù)能力，實(shí)現(xiàn)電力專網(wǎng)運(yùn)營(yíng)。每個(gè)端到端切片均由核心網(wǎng)、無(wú)線網(wǎng)、傳輸網(wǎng)等子切片組合而成，并通過(guò)端到端切片管理系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理。

圖3 顯示了通過(guò)5G切片技術(shù)實(shí)現(xiàn)電力專網(wǎng)功能。該方案可為電力等行業(yè)部署電力專網(wǎng)切片，包括5G空口、網(wǎng)絡(luò)切片以及MEC等多個(gè)新特性，滿足智能電網(wǎng)各種不同的業(yè)務(wù)需求，具備以下能力和特點(diǎn)：①端到端超低時(shí)延通信，時(shí)延＜20ms；②電力終端設(shè)備對(duì)設(shè)備通信；③5G電力切片為不同電網(wǎng)業(yè)務(wù)提供差異化的服務(wù)，對(duì)控制業(yè)務(wù)提供強(qiáng)安全隔離服務(wù)；④部署在網(wǎng)絡(luò)邊緣的MEC提供網(wǎng)絡(luò)能力開(kāi)放、超低時(shí)延、數(shù)據(jù)就地分流和用戶就近計(jì)算資源的服務(wù)。

圖3 5G切片專網(wǎng)實(shí)現(xiàn)方案

（1）核心網(wǎng)子切片

核心網(wǎng)采用云原生和微服務(wù)等虛擬化技術(shù)，進(jìn)行各種類型切片的構(gòu)建和部屬，包括eMBB（Enhance Mobile Broadband，增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶）、uRLLC（Ultra Reliable & Low Latency Communication，低時(shí)延高可靠通信）、mMTC（Massive Machine Type Communication，海量物聯(lián)網(wǎng)通信）等各種類型切片的構(gòu)建、簽約和選擇。網(wǎng)絡(luò)切片組網(wǎng)如圖4所示。

圖4 5G核心網(wǎng)切片組網(wǎng)方案

NSSF和NRF作為5GC公共網(wǎng)元，以PLMN或者大區(qū)為單位部署；AMF、PCF、UDM等NF可以共享為多個(gè)切片提供服務(wù)；SMF、UPF等可以基于切片對(duì)時(shí)延、帶寬、安全等的不同需求，為每個(gè)切片單獨(dú)部署不同的NF。對(duì)于本項(xiàng)目，電網(wǎng)安全生產(chǎn)控制區(qū)，部署專用切片。專用切片媒體面和控制面網(wǎng)元在各切片之間都不共享，可以為智能電網(wǎng)的生產(chǎn)控制業(yè)務(wù)單獨(dú)部署，可用于差動(dòng)保護(hù)、同步相量測(cè)量、精準(zhǔn)控制、電力應(yīng)急通信等隔離度高的應(yīng)用場(chǎng)景。

本項(xiàng)目5G電力專網(wǎng)方案中，為精準(zhǔn)控制業(yè)務(wù)提供專用切片，采用專用虛擬核心網(wǎng)網(wǎng)元，與5G公網(wǎng)及其它行業(yè)業(yè)務(wù)進(jìn)行高度隔離方案。

（2）無(wú)線網(wǎng)子切片

無(wú)線接入網(wǎng)為終端提供無(wú)線覆蓋，并通過(guò)承載網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與核心網(wǎng)的連接。在切片支持上，RAN支持對(duì)核心網(wǎng)切片的選擇。接入側(cè)的切片能力更多的體現(xiàn)在不同的參數(shù)配置和調(diào)度上。參數(shù)配置包括無(wú)線資源配置、策略配置、協(xié)議棧功能配置等。本項(xiàng)目為精準(zhǔn)控制業(yè)務(wù)提供專用無(wú)線覆蓋，采用室內(nèi)QCell，在智能控制終端的區(qū)域?qū)Ｓ?，?shí)現(xiàn)無(wú)線覆蓋的物理隔離。

（3）承載網(wǎng)子切片

承載通過(guò)物理網(wǎng)絡(luò)虛擬化實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片，不同網(wǎng)絡(luò)切片間的隔離性取決于采用的切片技術(shù)，例如，F(xiàn)lexE、FlexO等技術(shù)具備構(gòu)建剛性管道的能力，在滿足更高安全隔離要求的同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)底層快速轉(zhuǎn)發(fā)，可以進(jìn)行靈活選擇，滿足不同類型業(yè)務(wù)對(duì)承載網(wǎng)絡(luò)的要求。

（4）切片運(yùn)維

5G端到端的切片涉及到接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)和核心網(wǎng)等多個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，因此切片的部署和管理都面臨著巨大的挑戰(zhàn)。切片的運(yùn)維管理需要支持如下關(guān)鍵技術(shù)：

①切片的按需定制：系統(tǒng)需要根據(jù)用戶需求進(jìn)行定制化的網(wǎng)絡(luò)切片設(shè)計(jì)，快速滿足應(yīng)用場(chǎng)景和多樣化的客戶需求；

②自動(dòng)化切片部署：根據(jù)用戶的業(yè)務(wù)和訂購(gòu)以及SLA（Service-Level Agreement）要求，自動(dòng)完成網(wǎng)絡(luò)切片的部署，實(shí)現(xiàn)用戶業(yè)務(wù)的快速交付；

③SLA的監(jiān)控與保障：在切片的運(yùn)行過(guò)程中，搜集并監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)切片的SLA，以確保網(wǎng)絡(luò)切片的性能；

④自動(dòng)業(yè)務(wù)開(kāi)通與激活：從切片的訂購(gòu)、編排、部署到激活采用全自動(dòng)化技術(shù)；

⑤智能化與自動(dòng)化：系統(tǒng)可以通過(guò)引入自動(dòng)化閉環(huán)保障、根因分析、AI等技術(shù)實(shí)現(xiàn)切片運(yùn)維的智能化和自動(dòng)化。

1.2.2.2 MEC+UPF下沉

多接入邊緣計(jì)算（MEC）技術(shù)是把云計(jì)算平臺(tái)從移動(dòng)核心網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部遷移到移動(dòng)接入網(wǎng)邊緣，實(shí)現(xiàn)計(jì)算及存儲(chǔ)資源的彈性利用。MEC系統(tǒng)位于無(wú)線接入點(diǎn)及有線網(wǎng)絡(luò)之間。在電信無(wú)線蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，MEC系統(tǒng)可部署于無(wú)線接入網(wǎng)與移動(dòng)核心網(wǎng)之間。

MEC應(yīng)用于5G電力專網(wǎng)，可帶來(lái)如下便利：

（1）MEC運(yùn)行于網(wǎng)絡(luò)邊緣，邏輯上并不依賴于網(wǎng)絡(luò)的其他部分，這對(duì)于安全性要求較高的應(yīng)用來(lái)說(shuō)非常重要，適用于差動(dòng)保護(hù)、精準(zhǔn)控制等電網(wǎng)業(yè)務(wù)場(chǎng)景。

（2）MEC距離用戶或信息源在地理上鄰近，使得網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)用戶請(qǐng)求的時(shí)延大大減小，也降低了傳輸網(wǎng)和核心網(wǎng)部分發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁塞的可能性。用戶數(shù)據(jù)通過(guò)部署在就近的UPF網(wǎng)元進(jìn)行就近分流轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)僅在用戶區(qū)域進(jìn)行傳輸和接入，不通過(guò)廣域網(wǎng)絡(luò)多次轉(zhuǎn)發(fā)路由，降低被截獲、泄露和被惡意攻擊的可能性。通過(guò)部署在各地園區(qū)、局部區(qū)域的UPF，同類用戶在多個(gè)區(qū)域之間實(shí)現(xiàn)隔離，避免在5G網(wǎng)絡(luò)中互聯(lián)互通，一定程度上也規(guī)避了出現(xiàn)安全隱患對(duì)全局產(chǎn)生影響。

（3）位于網(wǎng)絡(luò)邊緣的MEC能夠?qū)崟r(shí)獲取例如基站ID、可用帶寬等網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，以及與用戶位置相關(guān)的信息，從而進(jìn)行鏈路感知自適應(yīng)，并且為基于位置的應(yīng)用提供部署的可能性，可以極大地改善用戶的服務(wù)質(zhì)量體驗(yàn)。

2 方案成效

基于5G電力專網(wǎng)的大規(guī)模源網(wǎng)荷精準(zhǔn)控制系統(tǒng)解決方案，采用5G切片專網(wǎng)連接用戶終端、用戶變電站，具備以下優(yōu)勢(shì)：（1）基于5G的精準(zhǔn)控制業(yè)務(wù)，可更加靈活方便部署，大幅提升電網(wǎng)調(diào)控的靈活性，提升電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行水平，促進(jìn)新能源消納；（2）基于5G切片網(wǎng)絡(luò)，可為不同電力業(yè)務(wù)提供差異化的5G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，為末端智能控制終端提供靈活方便的連接支撐；（3）通過(guò)區(qū)分用戶負(fù)荷種類，對(duì)可中斷的靈活負(fù)荷進(jìn)行調(diào)控，保障關(guān)鍵業(yè)務(wù)供電的連續(xù)性，為電力用戶提供高質(zhì)量供電服務(wù)；（4）終端通過(guò)5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入，減少用戶區(qū)域電纜、光纖部署施工，減少業(yè)務(wù)部署的用戶干擾，同時(shí)基于5G網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)電力終端通信的可管可控，包括連接管理、設(shè)備管理、業(yè)務(wù)管理、專用網(wǎng)絡(luò)切片管理、認(rèn)證和授權(quán)管理等創(chuàng)新業(yè)務(wù)。

3 結(jié)束語(yǔ)

5G已成為全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的代表核心技術(shù)之一，是實(shí)現(xiàn)國(guó)家數(shù)字化、“萬(wàn)物互聯(lián)”、人機(jī)交互的戰(zhàn)略性通信基礎(chǔ)設(shè)施。本文介紹了基于5G電力專網(wǎng)的大規(guī)模源網(wǎng)荷精準(zhǔn)控制系統(tǒng)解決方案，未來(lái)5G將進(jìn)一步與電力行業(yè)結(jié)合，促進(jìn)智能電網(wǎng)業(yè)務(wù)創(chuàng)新，有效支撐智能電網(wǎng)長(zhǎng)足發(fā)展，助力電力行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和。