5G智能電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)分析與無線網(wǎng)切片方案研究

1 背景

智能電網(wǎng)是在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)基礎(chǔ)上，通過集成新能源、新材料、新設(shè)備和先進(jìn)傳感技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)、儲能技術(shù)等新技術(shù)，形成的新一代電力系統(tǒng)，具有高度信息化、自動化、互動化等特征，可以更好地實現(xiàn)電網(wǎng)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、高效運行[1]。5G網(wǎng)絡(luò)具有高速率、低時延、大連接的特點，能契合智能電網(wǎng)發(fā)、輸、變、配、用各個環(huán)節(jié)對通信安全性、可靠性和靈活性的要求。開展面向智能電網(wǎng)的5G專網(wǎng)方案研究，能推動5G智能電網(wǎng)應(yīng)用的實現(xiàn)，加快智能電網(wǎng)的部署進(jìn)程。

2017底，發(fā)改委委托中國移動開展5G智能電網(wǎng)應(yīng)用示范，中國移動聯(lián)合南方電網(wǎng)和華為公司在深圳成功開展5G智能電網(wǎng)業(yè)務(wù)能力測試。2020年，中國移動再度聯(lián)手南方電網(wǎng)開展5G智能電網(wǎng)二期試驗，驗證在5G商用網(wǎng)絡(luò)下5G智能電網(wǎng)應(yīng)用方案。

2 5G智慧電網(wǎng)通信需求分析

智能電網(wǎng)包括發(fā)電、輸電、變電、配電、用電及綜合管理等6大環(huán)節(jié)[2,3]，應(yīng)用主要可分為控制、采集、移動應(yīng)用3大類業(yè)務(wù)，下面將對6個環(huán)節(jié)的應(yīng)用場景與通信需求進(jìn)行分析。

2.1 發(fā)電環(huán)節(jié)通信需求

發(fā)電環(huán)節(jié)主要是滿足發(fā)電廠生產(chǎn)、管理與運維需求，實現(xiàn)生產(chǎn)管理全流程的智能化，同時支撐分布式發(fā)電的接入。主要應(yīng)用場景有：微能源網(wǎng)（光伏、微風(fēng)發(fā)電、光熱供能）綜合應(yīng)用；小水電廠接入；智慧電廠生產(chǎn)、管理與運維系統(tǒng)等。應(yīng)用涵蓋發(fā)電自動化三遙、生產(chǎn)監(jiān)控、電能計量與質(zhì)量檢測、精確定位與位置感知、VR/AR檢修、教學(xué)培訓(xùn)等。發(fā)電場景應(yīng)用目前主要使用光纖或4G通信。由于應(yīng)用集中在發(fā)電廠特定區(qū)域，且保障性與隔離度要求較高，適合采用5G專網(wǎng)覆蓋。發(fā)電環(huán)節(jié)通信指標(biāo)需求如表1所示。

表1 發(fā)電環(huán)節(jié)通信指標(biāo)需求

2.2 輸電環(huán)節(jié)通信需求

輸電環(huán)節(jié)有輸電線路狀態(tài)在線監(jiān)測、輸電線路視頻監(jiān)控以及輸電線路無人機(jī)巡檢三大類應(yīng)用。輸電線路狀態(tài)在線監(jiān)控多為傳感類監(jiān)測，包括對架空輸電線路設(shè)備本體、氣象環(huán)境、通道狀況等進(jìn)行監(jiān)測，以及在地質(zhì)不穩(wěn)定區(qū)、大跨越線檔、關(guān)鍵送電通道等區(qū)域?qū)U塔傾斜位移、基礎(chǔ)沉降、線路振動、導(dǎo)線及金具溫度等線路狀態(tài)參數(shù)的狀態(tài)監(jiān)測。輸電線路視頻監(jiān)控主要采用攝像設(shè)備進(jìn)行圖像或視頻監(jiān)測，包括導(dǎo)線覆冰監(jiān)測、環(huán)境山火監(jiān)測、外力破壞監(jiān)測、絕緣子導(dǎo)線污穢監(jiān)測等。輸電線路無人機(jī)巡檢為采用無人機(jī)對架空輸電線路本體、附屬設(shè)施、線路通道等進(jìn)行檢查。輸電場景應(yīng)用目前主要使用2G/4G通信。輸電環(huán)節(jié)應(yīng)用集中在電力線路沿線，適合采用5G公網(wǎng)覆蓋。輸電環(huán)節(jié)通信指標(biāo)需求如表2所示。

表2 輸電環(huán)節(jié)通信指標(biāo)需求

2.3 變電環(huán)節(jié)通信需求

變電環(huán)節(jié)有變電設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測、變電站視頻及環(huán)境監(jiān)控以及變電站移動巡檢機(jī)器人三大類應(yīng)用。變電設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測包括變電線路狀態(tài)在線監(jiān)控、變壓器設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、GIS設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、110 kV以上戶外敞開式變電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、開關(guān)柜設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控等內(nèi)容。變電站視頻及環(huán)境監(jiān)控主要包括變電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)及機(jī)房環(huán)境狀態(tài)監(jiān)控。變電場景應(yīng)用目前主要使用網(wǎng)線/光纖等形式接入，部分應(yīng)用（如機(jī)械人巡檢等）采用WiFi接入。由于應(yīng)用集中在變電站內(nèi)，且保障性與隔離度要求較高，適合采用5G專網(wǎng)覆蓋。變電環(huán)節(jié)通信指標(biāo)需求如表3所示。

表3 變電環(huán)節(jié)通信指標(biāo)需求

2.4 配電環(huán)節(jié)通信需求

配電環(huán)節(jié)主要有配電自動化（三遙）以及計量自動化兩大類應(yīng)用。配電自動化（三遙）是通過配電自動化主站、配電自動化終端、開關(guān)設(shè)備等相關(guān)設(shè)備，經(jīng)配電通信通道連接組成，實現(xiàn)配電網(wǎng)的運行監(jiān)視、協(xié)調(diào)和控制的自動化系統(tǒng)。計量自動化通過計量裝置對發(fā)、輸、配、用各環(huán)節(jié)的電能量數(shù)據(jù)集中采集、統(tǒng)計、分析、發(fā)布及數(shù)據(jù)異常管理。目前主要通過光纖、2G/4G公網(wǎng)進(jìn)行通信。由于應(yīng)用分布較廣，適合采用5G公網(wǎng)覆蓋。配電環(huán)節(jié)通信指標(biāo)需求如表4所示。

表4 配電環(huán)節(jié)通信指標(biāo)需求

2.5 用電環(huán)節(jié)通信需求

用電環(huán)節(jié)主要為用電信息采集、分布式儲能以及面向不同用電客戶的智能供電服務(wù)。目前主要通過光纖、2G/4G公網(wǎng)等方式進(jìn)行通信。由于應(yīng)用分布較廣，適合采用5G公網(wǎng)覆蓋。用電環(huán)節(jié)通信指標(biāo)需求如表5所示。

表5 用電環(huán)節(jié)通信指標(biāo)需求

2.6 綜合管理環(huán)節(jié)通信需求

綜合管理環(huán)節(jié)5G應(yīng)用是電力運營企業(yè)為了提高綜合管理效率并保障電力網(wǎng)絡(luò)管理安全而引入的應(yīng)用，大體包括安監(jiān)、基建、辦公、信息、物資4個方面。其具體需求如表6所示。

表6 綜合管理環(huán)節(jié)通信指標(biāo)需求

3 5G智慧電網(wǎng)無線網(wǎng)切片方案

從第2節(jié)內(nèi)容可以看出，智慧電網(wǎng)應(yīng)用場景復(fù)雜多樣，既包括發(fā)電廠、變電站等局部封閉區(qū)域，也包括城區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)及農(nóng)村郊外等開闊場景。如獨立新建一張無線專網(wǎng)承載電網(wǎng)業(yè)務(wù)，其巨大的建網(wǎng)成本將使電力企業(yè)無法承受。電信運營商通過引入5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，可以充分利用5G公網(wǎng)資源為電力企業(yè)打造定制化的“行業(yè)專網(wǎng)”服務(wù)。[4]

3.1 無線基站安全隔離建設(shè)方案

結(jié)合電力企業(yè)在不同場景下對網(wǎng)絡(luò)隔離度的不同需求，無線網(wǎng)絡(luò)可以采用以下方式開展建設(shè)。

（1）軟隔離建設(shè)：基站硬件資源與公網(wǎng)共享，在同一小區(qū)中進(jìn)行切片的邏輯切分，無線資源采用切片化保障方案。由于資源共享，基站建設(shè)成本較低。適用于輸電、配電、用電等廣覆蓋且隔離要求相對較低場景。

（2）部分硬隔離建設(shè)：基站部分硬件資源專用（如：獨立AAU，共基帶板/BBU；共AAU/BBU，獨立基帶板）。數(shù)據(jù)實現(xiàn)部分硬件隔離，也可實現(xiàn)在不同小區(qū)中切片的邏輯切分。由于部分硬件專用，建設(shè)成本較高。適用于發(fā)電廠、變電站等局部區(qū)域覆蓋、隔離度要求較高且多個應(yīng)用集中的場景。

（3）完全硬隔離建設(shè)：運營商提供專用的BBU和AAU建設(shè)電力專網(wǎng)。數(shù)據(jù)實現(xiàn)完全硬件隔離，資源配置可以靈活編排，頻率專用，但成本最高。適用于隔離度要求最高、保障度最高的電力核心場景。

3.2 無線網(wǎng)絡(luò)切片保障方案

結(jié)合目前設(shè)備的技術(shù)支持情況，無線網(wǎng)絡(luò)的切片保障方案包括如下3種模式：

模式一：切片級優(yōu)先級調(diào)度

通過優(yōu)化調(diào)度的方法，網(wǎng)絡(luò)為不同的切片用戶設(shè)置不同的調(diào)度優(yōu)先級，使智能電網(wǎng)終端在接入時獲得比一般的用戶更高的優(yōu)先等級，從而保障資源的占用。根據(jù)目前設(shè)備的支持程度，5G網(wǎng)絡(luò)可采用設(shè)置5QI以及預(yù)調(diào)度等方式實現(xiàn)切片優(yōu)先調(diào)度。

（1）5QI

5QI是5G QoS配置的一個參數(shù)，用于索引一個5G QoS特性。目前3GPP已定義27個5QI值，以提供不同業(yè)務(wù)參考使用，具體如表7所示。

表7 3GPP定義5QI值對應(yīng)QoS特性表[5]

從表7可以看出，3GPP已為智能電網(wǎng)的中壓配電與高壓配電應(yīng)用設(shè)計了5QI建議值（中壓配電5QI=3，高壓配電5QI=85），在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)時建議承載此業(yè)務(wù)的相應(yīng)切片5QI按照3GPP標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行配置。對于其他業(yè)務(wù)場景，相應(yīng)切片的5QI值可參考服務(wù)示例進(jìn)行配置。

利用行業(yè)專網(wǎng)試點對不同5QI設(shè)置下時延和帶寬的影響進(jìn)行測試，其結(jié)果如表8所示。

表8 5QI保障性能測試結(jié)果

*注：① 以上帶寬測試中5QI=3時GBR=100 Mbit/s（上行）/600 Mbit/s（下行）② 時延測試采用小包測試，且未開啟預(yù)調(diào)度

從表8可以看出，5QI設(shè)置為3時其時延及帶寬保障性均比5QI設(shè)置為9時好。

（2）上行預(yù)調(diào)度

上行預(yù)調(diào)度是為了消除上行數(shù)據(jù)傳輸時信道資源請求與指派流程的時延而提出的技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)為UE預(yù)先配置PUSCH資源，終端在發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸前不需要向基站發(fā)送SR進(jìn)行資源請求，而是在預(yù)先配置的PUSCH上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從而消除調(diào)度請求時延。上行免調(diào)度流程如圖1所示。

圖1 上行免調(diào)度流程示意圖

利用行業(yè)專網(wǎng)試點對上行預(yù)調(diào)度性能進(jìn)行測試，其結(jié)果如表9所示。

表9 上行預(yù)調(diào)度時延保障性能測試結(jié)果

從表9可以看出，開啟上行預(yù)調(diào)度后端到端時延明顯下降，說明開啟上行預(yù)調(diào)度能大大降低空口側(cè)時延。對于差動保護(hù)、三遙、配網(wǎng)PMU等對時延要求高的應(yīng)用場景需在覆蓋區(qū)域內(nèi)打開上行預(yù)調(diào)度功能。

模式二：空口資源預(yù)留

空口資源預(yù)留是對空口PRB資源進(jìn)行策略設(shè)置，可實現(xiàn)為某些特定網(wǎng)絡(luò)切片在特定區(qū)域內(nèi)分配專用的無線PRB資源，以實現(xiàn)無線資源的隔離，同時保障在基站業(yè)務(wù)繁忙時切片用戶業(yè)務(wù)體驗。

空口資源預(yù)留分Strict模式和Float模式。Strict模式為完全獨占模式，預(yù)留的PRB資源為切片專用，其它切片不能使用。Float類型為某切片設(shè)定預(yù)留資源最大比例，在預(yù)留比例之內(nèi)的PRB資源由該切片用戶優(yōu)先占用，未被占用資源可與其它切片共享，但必須保證該切片用戶的隨時接入?？湛谫Y源預(yù)留原理如圖2所示。

由于電網(wǎng)生產(chǎn)1、2區(qū)的安全、隔離、時延及保障性要求較高，建議在生產(chǎn)1、2區(qū)切片作空口資源的預(yù)留。

模式三：劃分獨立專用頻段

部分應(yīng)用由于隔離度要求極高，可在其業(yè)務(wù)發(fā)生區(qū)域規(guī)劃滿足性能的頻段或者分割一定的頻率資源進(jìn)行組網(wǎng)，實現(xiàn)無線資源隔離，其原理如圖3所示。

由于電廠、變電站等場景隔離度要求較高，對于特定的電廠和變電站可以采用“基站設(shè)備硬隔離+獨立頻段”的方式進(jìn)行建設(shè)，以確保高度隔離。

4 總結(jié)與展望

本文分析了智能電網(wǎng)發(fā)電、輸電、變電、配電、用電及綜合管理等6大環(huán)節(jié)5G典型應(yīng)用的通信需求，并結(jié)合目前設(shè)備技術(shù)情況，提出了5G智能電網(wǎng)的無線網(wǎng)切片方案，為5G智能電網(wǎng)的下一步試點提供參考。

圖2 空口資源預(yù)留原理示意圖

圖3 劃分獨立頻段的硬切片

5G智能電網(wǎng)技術(shù)目前仍處于探索階段，其技術(shù)成熟度仍不能完全滿足電網(wǎng)的全部應(yīng)用場景的需求，5G智能電網(wǎng)的應(yīng)用場景也有待進(jìn)一步的挖掘。隨著5G智能電網(wǎng)研究項目在3GPP R18中成功立項，5G智能電網(wǎng)技術(shù)將加快邁向成熟，具有高度信息化、自動化、互動化的5G智能電網(wǎng)將會在不久的將來得以實現(xiàn)。