5G低時(shí)延業(yè)務(wù)在智能電網(wǎng)的組網(wǎng)應(yīng)用研究

潘雅潔 黎瑞 中國(guó)電信股份有限公司江西分公司 南昌市 330029

鐘翠明 范石勇 江西省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司 南昌市 330002

0 引言

“4G改變生活、5G改變社會(huì)”，作為新一代移動(dòng)通信技術(shù)，5G把人與人的連接拓展到萬(wàn)物互聯(lián)，有eMBB高速率、URLLC低時(shí)延、mMTC大連接三大業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景，而低時(shí)延和大連接場(chǎng)景是構(gòu)建萬(wàn)物互聯(lián)網(wǎng)的重要方向和基礎(chǔ)。當(dāng)前5G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)初具規(guī)模，但5G的成功不僅僅在于網(wǎng)絡(luò)覆蓋建設(shè)成功，更在于垂直行業(yè)應(yīng)用成功；當(dāng)前我國(guó)正在加速構(gòu)建安全泛在的能源互聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)，5G則為智能電網(wǎng)發(fā)展提供了一種更優(yōu)更好的無(wú)線解決方案；為了加速5G低時(shí)延應(yīng)用落地，江西電信聯(lián)合江西省國(guó)家電網(wǎng)公司，運(yùn)用5G的SA獨(dú)立組網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)切片等關(guān)鍵技術(shù)，開(kāi)展了配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)低時(shí)延業(yè)務(wù)5G組網(wǎng)和應(yīng)用研究，為打造定制化的“5G電力專(zhuān)網(wǎng)”進(jìn)行先行先試，積累了成功應(yīng)用案例；本文將從5G低時(shí)延業(yè)務(wù)場(chǎng)景需求、組網(wǎng)方案、業(yè)務(wù)應(yīng)用測(cè)試等方面較深入研究5G低時(shí)延電力專(zhuān)網(wǎng)。

1 電力行業(yè)5G低時(shí)延業(yè)務(wù)通信需求

基于電力行業(yè)主營(yíng)業(yè)務(wù)的發(fā)電、輸電、配電、用電四大環(huán)節(jié)，智能電網(wǎng)發(fā)展呈現(xiàn)出清潔友好的發(fā)電、安全高效的輸變電、靈活可靠的配電、多樣互動(dòng)的用電、智慧能源與能源互聯(lián)網(wǎng)五大發(fā)展趨勢(shì)。電力通信網(wǎng)作為智能電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，可采用有線光纖和無(wú)線接入兩種通信接入技術(shù)，由于電力通信需求具有“點(diǎn)多、面廣、線長(zhǎng)”特點(diǎn)，對(duì)通信網(wǎng)提出了更高速率、更低時(shí)延、更大容量、安全隔離等新的能力要求，現(xiàn)有的有線或4G技術(shù)將難以滿足，需要構(gòu)建安全可信、接入靈活、雙向?qū)崟r(shí)互動(dòng)的“泛在化、全覆蓋”的基于5G新技術(shù)的通信接入網(wǎng)。

行業(yè)專(zhuān)業(yè)作為對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能有明確指標(biāo)的確定性網(wǎng)絡(luò)，不同的業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的速率、時(shí)延、容量、安全等能力也有不同的要求。通過(guò)充分電力通信需求調(diào)研分析，5G低時(shí)延業(yè)務(wù)的應(yīng)用場(chǎng)景主要為毫秒級(jí)精準(zhǔn)負(fù)荷控制、配電自動(dòng)化等方面。

1.1 配電自動(dòng)化

智能配電自動(dòng)化設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)的保護(hù)控制，通過(guò)檢測(cè)配電網(wǎng)線路或設(shè)備的狀態(tài)，快速實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)線路區(qū)段或設(shè)備的故障識(shí)別和精確定位，快速隔離故障區(qū)域或設(shè)備點(diǎn)，并快速恢復(fù)正常區(qū)域供電，后續(xù)將推廣應(yīng)用遙信遙測(cè)遙控、配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)等功能，以進(jìn)一步縮短故障持續(xù)時(shí)間，提高電網(wǎng)安全可靠性。主要的通信需求如下表：

表1 配電自動(dòng)化業(yè)務(wù)的通信需求

1.2 精準(zhǔn)負(fù)荷控制

電網(wǎng)負(fù)荷控制分為批量負(fù)荷調(diào)度控制和營(yíng)銷(xiāo)負(fù)荷節(jié)能控制兩種模式。以往在電網(wǎng)故障時(shí)，通過(guò)切斷整條線路或低頻低壓減載裝置負(fù)荷減載，避免電網(wǎng)崩潰維護(hù)電網(wǎng)穩(wěn)定，這種集中切換負(fù)荷的方式相對(duì)簡(jiǎn)單粗暴，易造成大面積停電損失，引起高等級(jí)的電力事故，造成較大社會(huì)不良影響。基于通信網(wǎng)支持的精準(zhǔn)負(fù)荷控制，可將控制對(duì)象精準(zhǔn)到生產(chǎn)企業(yè)內(nèi)部的可中斷負(fù)荷，如非生產(chǎn)性空調(diào)負(fù)荷、工業(yè)負(fù)荷等柔性負(fù)荷，電動(dòng)汽車(chē)充電樁、工廠內(nèi)部非連續(xù)生產(chǎn)的電源等；既滿足電網(wǎng)應(yīng)急處置，只切斷可中斷負(fù)荷，又不影響重要用戶，同時(shí)解決電網(wǎng)故障初期頻率快速跌落、功率超用、備電不足等問(wèn)題。主要的通信需求如下表：

表2 精準(zhǔn)負(fù)荷控制業(yè)務(wù)的通信需求

2 5G低時(shí)延組網(wǎng)方案研究

2.1 試點(diǎn)覆蓋區(qū)域

基于5G低時(shí)延的國(guó)電電力配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)試點(diǎn)項(xiàng)目是江西電信與國(guó)家電網(wǎng)合作的一個(gè)5G智慧電網(wǎng)創(chuàng)新項(xiàng)目。通過(guò)在電力線桿和電網(wǎng)機(jī)箱上加裝5G檢測(cè)設(shè)備，監(jiān)測(cè)所在點(diǎn)位電流電壓變化，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常及時(shí)上報(bào)并啟動(dòng)切換保護(hù)；通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)接入方案來(lái)解決傳統(tǒng)的4G監(jiān)測(cè)無(wú)法保障低時(shí)延的問(wèn)題。此次試點(diǎn)在南昌市區(qū)有5G公網(wǎng)信號(hào)連續(xù)覆蓋區(qū)域選定5個(gè)測(cè)試樣本點(diǎn)，測(cè)試點(diǎn)位如下圖所示：

圖1 5G低時(shí)延業(yè)務(wù)測(cè)試樣本點(diǎn)位圖

2.2 5G低時(shí)延業(yè)務(wù)運(yùn)行機(jī)制

本次試點(diǎn)的配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)終端的運(yùn)行機(jī)理：①終端每5秒鐘發(fā)送一次正常心跳報(bào)文；②當(dāng)檢測(cè)到線桿電流異常時(shí)，監(jiān)測(cè)設(shè)備會(huì)及時(shí)發(fā)送表征電流異常的報(bào)文給臨近終端，報(bào)文一共發(fā)送4次，報(bào)文間隔分別是2ms，2ms，4ms，8ms。四次報(bào)文內(nèi)容一致，對(duì)端只要在20ms傳輸時(shí)間間隔內(nèi)接收到最少一次報(bào)文，即認(rèn)為接收數(shù)據(jù)成功。異常檢測(cè)，在單次數(shù)據(jù)接收成功率（20ms以內(nèi)接收到）為99%情形下，至少一次接收到異常報(bào)文的成功率為99.999999%。③終端之間要保證通信，因此需要終端SIM卡在核心網(wǎng)開(kāi)戶時(shí)，設(shè)定固定IP地址，保障任意兩個(gè)國(guó)網(wǎng)項(xiàng)目終端之間可以正常通信。

2.3 5G低時(shí)延業(yè)務(wù)切片需求

國(guó)網(wǎng)電力行業(yè)對(duì)切片的訴求可以總括如下：

（1）差異化的業(yè)務(wù)訴求。國(guó)網(wǎng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延要求高，兩點(diǎn)之間，單向時(shí)延要求20ms以內(nèi)。需要做差異化運(yùn)營(yíng)，保證網(wǎng)絡(luò)時(shí)延穩(wěn)定型。

（2）網(wǎng)絡(luò)隔離及額外安全性訴求。電力行業(yè)對(duì)于安全性和可靠性要求極高，需要一張類(lèi)似專(zhuān)網(wǎng)的邏輯網(wǎng)絡(luò)，其他業(yè)務(wù)導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)沖擊不能對(duì)電力切片造成影響。

（3）獨(dú)立運(yùn)營(yíng)的訴求。國(guó)網(wǎng)行業(yè)客戶希望對(duì)其旗下的終端設(shè)備進(jìn)行管理，對(duì)運(yùn)營(yíng)商承諾的時(shí)延、帶寬等KPI進(jìn)行監(jiān)控，并將這些信息嵌入到行業(yè)客戶業(yè)務(wù)系統(tǒng)，支持其業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)一步智能化、自動(dòng)化。

2.4 5G低時(shí)延組網(wǎng)方案

試點(diǎn)采用基于SA架構(gòu)的端到端的5G切片組網(wǎng)方案，無(wú)線網(wǎng)采用公專(zhuān)用融合的3.5GHz 64TR 320W基站，并可劃分專(zhuān)門(mén)的頻段或RB資源預(yù)留給電力專(zhuān)用，并啟用無(wú)線QoS保障機(jī)制；承載網(wǎng)采用FlexE（靈活以太網(wǎng)）方案配置專(zhuān)用的傳輸子接口；核心網(wǎng)用戶數(shù)據(jù)面獨(dú)立設(shè)置國(guó)網(wǎng)電力專(zhuān)用的UPF，而控制面（AMF及SMF等）可共用或單設(shè)；并按需下沉設(shè)置MEC設(shè)備，以構(gòu)建電力的低時(shí)延業(yè)務(wù)5G專(zhuān)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)按需定制、行業(yè)專(zhuān)用、安全隔離。

3 5G低時(shí)延業(yè)務(wù)應(yīng)用測(cè)試

經(jīng)過(guò)對(duì)5個(gè)樣本點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，5G網(wǎng)絡(luò)測(cè)試數(shù)據(jù)情況如下：

表3 5G性能測(cè)試結(jié)果表

圖3 5G低時(shí)延業(yè)務(wù)性能現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖

最后，對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)性能滿足度進(jìn)行分析：

（1）5G信號(hào)覆蓋：各點(diǎn)位的RSRP平均值達(dá)到-72.7dBm，SINR達(dá)到20.1dB，信號(hào)強(qiáng)度及信號(hào)質(zhì)量均能滿足室內(nèi)外連續(xù)覆蓋要求。

（2）5G網(wǎng)絡(luò)速率：采用3.5GHz頻段100MHz帶寬的64TR基站設(shè)備，平均下行速率達(dá)到514.5Mbps，遠(yuǎn)能滿足業(yè)務(wù)的2Mbps業(yè)務(wù)速率需求。

（3）5G網(wǎng)絡(luò)容量：目前站點(diǎn)覆蓋半徑為300-400米，每平方公里約有5個(gè)基站，容量可達(dá)500Mbps X 5=2500Mbps，可同時(shí)滿足至少2500Mbps/5Mbps=500個(gè)配電自動(dòng)化差動(dòng)保護(hù)終端，可滿足電網(wǎng)當(dāng)前組網(wǎng)需要。

（4）5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)延：5G網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的端到端時(shí)延可分為無(wú)線空口時(shí)延、光纖傳輸時(shí)延、設(shè)備處理時(shí)延三部分。5G的無(wú)線空口時(shí)延很短，對(duì)于URLLC業(yè)務(wù)協(xié)議規(guī)定為1ms；地面網(wǎng)絡(luò)時(shí)延相對(duì)較長(zhǎng)，信號(hào)在光纖中傳播每公里約5us，每經(jīng)過(guò)一個(gè)設(shè)備（傳輸設(shè)備、核心網(wǎng)、服務(wù)器等）都需要一定時(shí)間。根據(jù)5G時(shí)延預(yù)算模型的分析，可發(fā)現(xiàn)5G低時(shí)延可以滿足配電自動(dòng)化等業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延的要求。從實(shí)際測(cè)試情況來(lái)看，平均的時(shí)延均低于15ms，另外后續(xù)也可結(jié)合傳輸設(shè)備采用10us更低時(shí)延芯片技術(shù)、MEC/UPF下沉、網(wǎng)路優(yōu)化等技術(shù)應(yīng)用，進(jìn)一步降低業(yè)務(wù)端到端時(shí)延，以滿足未來(lái)智慧電網(wǎng)有更苛刻時(shí)延要求的場(chǎng)景需要。

圖4 5G端到端業(yè)務(wù)時(shí)延模型示意圖

表4 5G低時(shí)延滿足度預(yù)算分析表

4 結(jié)束語(yǔ)

從業(yè)界來(lái)看，5G技術(shù)已成為首選的智能配用電通信網(wǎng)“最后一公里”無(wú)線接入通信覆蓋解決方案。隨著5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋不斷完善和智能電網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景不斷豐富和落地，基于5G低時(shí)延的電力業(yè)務(wù)也將不斷走向?qū)嵺`，本案例拋磚引玉地對(duì)5G低時(shí)延在電力配電差動(dòng)保護(hù)應(yīng)用中的組網(wǎng)進(jìn)行探索和試驗(yàn)，運(yùn)用5G技術(shù)助力配電網(wǎng)絡(luò)更加安全、精準(zhǔn)、智能，并建立了5G時(shí)延預(yù)算分析模型進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)性能滿足度分析評(píng)估，希望對(duì)后續(xù)工程能起到借鑒和參考作用。