基于5G專網(wǎng)及MEC平臺在電網(wǎng)應(yīng)用場景的研究

摘要：針對智能電網(wǎng)發(fā)電、輸電、變電、配電、用電及綜合管理等6大環(huán)節(jié)的5G典型應(yīng)用場景以及電網(wǎng)場景下的采集及控制類場景對于5G通信性能的需求進(jìn)行具體分析，設(shè)計(jì)了5G電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通過5G專網(wǎng)平臺實(shí)現(xiàn)了無線及核心網(wǎng)元設(shè)備拓?fù)淇梢暬?、流量及狀態(tài)的在線監(jiān)測及預(yù)警，MEC邊緣計(jì)算平臺實(shí)現(xiàn)了本地網(wǎng)絡(luò)分流轉(zhuǎn)發(fā)、計(jì)算資源的分配管理確功能，確保電力通信網(wǎng)絡(luò)及專屬應(yīng)用的安全、可靠運(yùn)行。提出中國聯(lián)通自研5G專網(wǎng)平臺、MEC邊緣計(jì)算平臺在電網(wǎng)場景的功能及應(yīng)用。結(jié)合某國網(wǎng)的5G應(yīng)用實(shí)踐，該應(yīng)用對5G+ToB業(yè)務(wù)的商業(yè)化落地及智能電網(wǎng)自身發(fā)展都有著非常重要的意義。

關(guān)鍵詞：電網(wǎng);網(wǎng)絡(luò)切片;5G專網(wǎng)平臺;MEC邊緣計(jì)算

一、引言

國家和政府大力推行5G建設(shè)，帶動TO B行業(yè)率先打通5G應(yīng)用場景。電力與通信行業(yè)密切相關(guān)，5G的出現(xiàn)勢必會為現(xiàn)有的電力行業(yè)運(yùn)行帶來變革。

當(dāng)前，傳統(tǒng)無線公網(wǎng)通信等方式已無法滿足電力傳輸?shù)囊螅?G具備高速率、低時(shí)延以及廣連接等特點(diǎn)，同時(shí)具備網(wǎng)絡(luò)切片、邊緣計(jì)算等創(chuàng)新功能，能夠滿足電力業(yè)務(wù)“發(fā)、輸、變、配、用”等各環(huán)節(jié)對于安全性、可靠性和靈活性的要求，有望解決電力通信痛點(diǎn)、難點(diǎn)以及末端海量終端接入的“卡脖子”問題，提升多元化業(yè)務(wù)保障，進(jìn)而增強(qiáng)供電公司對自身業(yè)務(wù)市場發(fā)展的主動控制能力[1-3]。在2021年7月，工業(yè)和信息化部、中央網(wǎng)信辦、國家發(fā)展改革委等十部門印發(fā)《5G應(yīng)用“揚(yáng)帆”行動計(jì)劃（2021-2023年）》中，明確提出在智慧電力領(lǐng)域突破電力行業(yè)重點(diǎn)場景5G各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，利用構(gòu)建融入5G的電源通信控制支持系統(tǒng)和邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)平臺，結(jié)合配電自動化、輸電線/變電站巡檢、用電信息采集。

二、電網(wǎng)業(yè)務(wù)5G應(yīng)用場景

電力行業(yè)無線通信應(yīng)用場景總體上可分為控制、 采集兩大類。其中，控制類包含智能分布式配電自動化、用電負(fù)荷需求側(cè)響應(yīng)、分布式能源調(diào)控等；采集類主要包括高級計(jì)量、視頻監(jiān)控、配網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測等[4]。對于控制類業(yè)務(wù)場景，當(dāng)前整體通信特點(diǎn)為采用子站/主站的連接模式[5]，星形連接拓?fù)洹Ｓ捎谥腔鄯植际焦夥娬九渚W(wǎng)終端技術(shù)的應(yīng)用，鏈路方式也將產(chǎn)生越來越多的分布式點(diǎn)到點(diǎn)方式，端到端時(shí)延的增長也有望超過毫米每秒量級。而針對采集類服務(wù)情景，當(dāng)前主要以月、日、時(shí)等為單元進(jìn)行。此外，當(dāng)前采集類業(yè)務(wù)主要以基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、圖像為主。之后采集對象會擴(kuò)展至電力二次設(shè)備以及各類環(huán)境、溫度、濕度，還有物聯(lián)網(wǎng)等場景；而在產(chǎn)業(yè)驅(qū)動下，更會下沉至用戶端，采集的內(nèi)容將深入到戶內(nèi)用電設(shè)備，連接數(shù)預(yù)估會增加 50～100 倍；這些數(shù)據(jù)將從原有的簡單數(shù)據(jù)趨向于視頻化、高清化，特別在無人巡檢、視頻監(jiān)控、應(yīng)急組網(wǎng)等場景將出現(xiàn)大量高清視頻的回傳需求[7]。

三、電力5G網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)分析

現(xiàn)有的電力網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋸?fù)雜，采用的技術(shù)多樣，網(wǎng)絡(luò)分區(qū)隔離，業(yè)務(wù)類型多，涉及網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)、安全等內(nèi)容的管理。整個智能電網(wǎng)要從全方位角度設(shè)計(jì)5G架構(gòu)。基于5G技術(shù)的架構(gòu)如圖1所示。

①端的層面。這一層次主要涉及智能分布式的配電系統(tǒng)監(jiān)控端口、集中器、無人機(jī)、巡檢機(jī)器人、高清攝像頭等各式電力終端。在智能電網(wǎng)5G典型的使用環(huán)境中，終端用戶大致分為客戶前置設(shè)備和嵌入式通信模塊兩種類型，具體形態(tài)包括：生產(chǎn)控制類 CPE、工業(yè)級 CPE、無線異構(gòu)通信網(wǎng)關(guān)、局域異構(gòu)通信網(wǎng)關(guān)以及不同通信模塊等。

②管的層面。切片編排管理系統(tǒng)可以面向智能電網(wǎng)提供網(wǎng)絡(luò)切片控制和編排體系。針對接入網(wǎng)，也可通過無線資源配置、優(yōu)先級策略設(shè)置等手段進(jìn)行接入網(wǎng)切片隔離。而在核心網(wǎng)，則采用控制面和用戶面分離的模式構(gòu)建分布式核心云，用戶面根據(jù)切片的不同需求進(jìn)行獨(dú)享，并具體按照服務(wù)的需求選取適當(dāng)?shù)目刂泼媾渲茫ㄟ^微服務(wù)來快速地編排與部署不同的網(wǎng)絡(luò)功能。

③云的層面。邊緣和其基礎(chǔ)上運(yùn)行的各類軟件應(yīng)用組成了云的架構(gòu)，可以提供邊緣云的計(jì)算、存儲、網(wǎng)絡(luò)等資源統(tǒng)一的調(diào)度、編排、部署和運(yùn)維支撐。

④安全方面。覆蓋云、管、端三個層次。根據(jù)電力行業(yè)及國家相關(guān)要求，電力生產(chǎn)控制類業(yè)務(wù)。在通過5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入電力業(yè)務(wù)平臺前，將先接入到安全區(qū)，進(jìn)行必要的網(wǎng)閘隔離，并結(jié)合5G+電網(wǎng)應(yīng)用試點(diǎn)逐步推進(jìn)，5G安全解決方案將在國家權(quán)威機(jī)構(gòu)進(jìn)行安全認(rèn)證測評[7-8]。

四、5G專網(wǎng)運(yùn)營平臺

5G專網(wǎng)平臺是實(shí)現(xiàn)專網(wǎng)自運(yùn)營、自運(yùn)維及能力開放的5G 智能運(yùn)營平臺。主要有四大功能：

①網(wǎng)絡(luò)可視：支持客戶進(jìn)行專網(wǎng)信息、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)的集中可視、實(shí)時(shí)監(jiān)控。包括資源透視、性能監(jiān)控、告警監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞取?/p>

②終端管理：滿足客戶終端管理、業(yè)務(wù)卡管理、終端分組等需求。

③用戶定制可視化大屏：面向客戶提供 5G專網(wǎng)項(xiàng)目的運(yùn)行監(jiān)控大屏，實(shí)現(xiàn) 5G 專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀況和質(zhì)量的可視化展示，同時(shí)用戶可對大屏展示進(jìn)行模塊式的自主拼裝和展示內(nèi)容。

④系統(tǒng)管理：用戶可自主進(jìn)行分權(quán)分域管理、賬號開通、日志回溯、公告發(fā)布與消息管理等操作。

五、MEC邊緣計(jì)算平臺

多接入邊緣計(jì)算是應(yīng)對“海量數(shù)據(jù)、超低時(shí)延、數(shù)據(jù)安全”發(fā)展要求的關(guān)鍵。在部署方面， MEC邊緣云主要包括了三個層級，依次是全網(wǎng)核心節(jié)點(diǎn)、區(qū)域中心/省會節(jié)點(diǎn)、本地中心/邊緣節(jié)點(diǎn)。中國聯(lián)通MEC節(jié)點(diǎn)部署采用“網(wǎng)絡(luò)+平臺”的ICT融合部署模式，網(wǎng)絡(luò)側(cè)提供分流能力，平臺采用中國聯(lián)通自研CUC-MEC平臺。

多接入邊緣編排器主要承擔(dān)對UPF、MEP 的NFV 編制與管理工作，同時(shí)負(fù)責(zé) MEC 平臺的統(tǒng)一管理工作，并具有對接多接入邊緣計(jì)算平臺進(jìn)行統(tǒng)一運(yùn)維管理功能。編排與管理控制器承擔(dān)網(wǎng)元應(yīng)用層的故障、性能、配置等管理功能，并配合虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能管理器完成網(wǎng)元的生命周期管理；MEPM是多接入邊緣計(jì)算平臺管理器，負(fù)責(zé)MEP的運(yùn)維管理；VNFM 實(shí)現(xiàn)虛擬化網(wǎng)元VNF/APP的生命周期管理。采用了\"中心-邊緣\"的二層部署，以完成對上下級不同地區(qū)邊緣站點(diǎn)資源的統(tǒng)籌運(yùn)維管理工作。將在邊界節(jié)點(diǎn)上的所有虛擬機(jī)或容器實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一編排與部署，以降低因邊界云的部署、運(yùn)維所帶來的資源復(fù)雜度，在邊界云上只部署運(yùn)算與儲存節(jié)點(diǎn)，以減少管理模塊的資源浪費(fèi)，從而實(shí)現(xiàn)了對各APP業(yè)務(wù)全生命周期管控的功能。為提高M(jìn)EC管理平臺的安全防護(hù)能力，并按照電力二次系統(tǒng)安全防護(hù)規(guī)定，確保MEC平臺在終端側(cè)、網(wǎng)絡(luò)側(cè)、邊界側(cè)安全性和可靠性。MEC平臺具備電力業(yè)務(wù)安全模塊識別功能，協(xié)助業(yè)務(wù)安全接入網(wǎng)關(guān)、密碼機(jī)實(shí)現(xiàn)雙向認(rèn)證與信息加密，使得主站間“端到端”雙向認(rèn)證加密傳輸；電力業(yè)務(wù)安全區(qū)之間部署隔離裝置和硬件防火墻，對連接終端進(jìn)行認(rèn)證加密和數(shù)據(jù)安全過濾，通過技術(shù)手段和管理要求提升接入網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)管控及態(tài)勢感知、信息安全事件響應(yīng)及應(yīng)急處置能力[9-10]。

六、5G電網(wǎng)應(yīng)用成果

已為某國網(wǎng)部署了兩套MEC（UPF）利用5G切片技術(shù)和UDF設(shè)備的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)能力，打造具有高安全、大帶寬、低時(shí)延、海量連接能力的5G電力虛擬專網(wǎng)，滿足能源互聯(lián)網(wǎng)中全環(huán)節(jié)的5G電力專網(wǎng)的通信需求。預(yù)計(jì)五年內(nèi)直接經(jīng)濟(jì)收益約1億元，間接經(jīng)濟(jì)收益25.4億元，實(shí)現(xiàn)清潔能源全消納，減少二氧化碳排放約60萬噸，節(jié)省電網(wǎng)投資2.4億，設(shè)備輸送能力動態(tài)提升10%，數(shù)據(jù)資產(chǎn)共享率提升50%。

（一）5G應(yīng)用在配網(wǎng)“三遙”場景帶來的降本增效

以配網(wǎng)“三遙”為例，通過5G網(wǎng)絡(luò)承載柱上開關(guān)的遙控業(yè)務(wù)，上下時(shí)延經(jīng)測試為 5ms，可靠性達(dá)99.999%，解決了原有光纖建設(shè)周期長、成本高、難度大、通道利用率低等問題；在故障處理時(shí)，通過遙控精準(zhǔn)隔離故障等方式，真正實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)快速準(zhǔn)確隔離和非故障區(qū)域恢復(fù)，停電時(shí)戶數(shù)大幅度降低，同比下降17.1%；完成光纖覆蓋困難站點(diǎn)的配電自動化全覆蓋，實(shí)現(xiàn)配電自動化100%覆蓋，單個開關(guān)操作時(shí)間節(jié)約30分鐘，按已安裝的開關(guān)年度操作30次計(jì)算，基層班組累計(jì)節(jié)約操作時(shí)長900分鐘，班組減負(fù)成效明顯。

（二）5G應(yīng)用在差動保護(hù)場景后帶來的改變

配網(wǎng)及智能化線路自愈功能的推廣速度也大大提高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一般隔離故障狀態(tài)和修復(fù)非故障區(qū)域的送電時(shí)限已從數(shù)分鐘級減少至秒級以內(nèi)，而且較傳統(tǒng)的故障搶險(xiǎn)搶修最少六人才可進(jìn)行故障隔離和轉(zhuǎn)電的情形，自愈線路已全部獨(dú)立運(yùn)行，減少人力的損耗。配電自動化自愈占比從80%提升至100%，預(yù)計(jì)全年每戶停電時(shí)間和次數(shù)指標(biāo)從1.2小時(shí)/0.7982次降低至0.7小時(shí)/0.3891次。有利于差動保護(hù)大規(guī)模推廣，實(shí)現(xiàn)核心區(qū)域差動保護(hù)100%覆蓋，故障隔離時(shí)間從秒級降低到毫秒級，預(yù)計(jì)平均減少停電時(shí)間0.5小時(shí)。

（三）5G應(yīng)用在無人自主巡檢場景帶來的改變

基于5G賦能無人機(jī)（巡檢機(jī)器人）AI能力，真正代替人工自主巡檢，提高巡視效率，減少每天固定人次的人力支出，巡檢周期縮短為全天候巡視且極大保證運(yùn)行人員的人身安全。以某地市北區(qū)域?yàn)槔?，約有1300基輸電桿塔，因架空線路地形復(fù)雜，線路長跨越大，每輪巡視周期約半個月以上，需要投入人力約30人。而基于5G網(wǎng)絡(luò)，在該區(qū)域部署6個固定無人機(jī)庫，通過5G網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)集群協(xié)同不間斷無人機(jī)自主飛行巡檢。節(jié)約人工成本約600萬/年，輸電桿塔人工巡視率下降85%，電纜隧道人均可運(yùn)維線路長度增長70%。

（四）5G在多元融合高彈性電網(wǎng)的應(yīng)用

通過切片技術(shù)使得5G電力虛擬專網(wǎng)中的一組網(wǎng)絡(luò)資源組合，提供嚴(yán)格的網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)入認(rèn)證、安全的數(shù)據(jù)傳輸通道、全面的網(wǎng)絡(luò)邊界安全防護(hù)，建成一個融合多業(yè)務(wù)多應(yīng)用的安全可靠的無線通信平臺。在確保安全的基礎(chǔ)上打通了調(diào)控中樞與用戶末梢的雙向通訊壁壘，全面覆蓋某國網(wǎng)各級用戶和各類高彈性電網(wǎng)智能終端接入。已經(jīng)在某地市部署了兩套MEC，利用5G切片技術(shù)和UDF設(shè)備的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)能力，打造具有高安全、大帶寬、低時(shí)延、海量連接能力的5G電力虛擬專網(wǎng)，滿足能源互聯(lián)網(wǎng)中全環(huán)節(jié)的5G電力專網(wǎng)的通信需求。

七、結(jié)束語

通過業(yè)務(wù)模式及技術(shù)能力的不斷創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了對5G與MEC技術(shù)的充分整合和應(yīng)用，在電網(wǎng)的多場景進(jìn)行了試點(diǎn)及驗(yàn)證性測試，助力電力多場景的落地。采用自研5G專網(wǎng)及MEC平臺，并成功應(yīng)用到了電網(wǎng)領(lǐng)域中，實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算資源的全生命周期管理，體現(xiàn)了IT與CT的充分融合，及對網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)運(yùn)營能力及對客戶的賦能，持續(xù)向電網(wǎng)應(yīng)用場景輸出5G+MEC能力及服務(wù)。大力推進(jìn)分布式光伏發(fā)電的試點(diǎn)及普及，通過5G實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)臺區(qū)的群控群調(diào)和柔性調(diào)度，實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的升級，助力實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中的目標(biāo)。

作者單位：夏凱 顧彬 章?lián)P 李若倩 中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司杭州市分公司

參" 考" 文" 獻(xiàn)

[1]馬丹，曹廣山，王榮，等.基于5G+MEC的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)[J].技術(shù)研究，2020（03）：11-12.

[2]徐延輝，馬翔，宋強(qiáng).基于5G+MEC的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)策略[J]數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用， 2021，39（02）：142-144.

[3]李歡，薛大歡，孟凡博，等，基于5G網(wǎng)絡(luò)切片的電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究與應(yīng)用[J]郵電設(shè)計(jì)技術(shù)，2020（07）：27-32

[4]陳天超. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基本架構(gòu)綜述[J]. 林區(qū)教學(xué)，2013（03）：64-65.

[5]王毅，陳啟鑫，張寧，等．5G 通信與泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的融合：應(yīng)用分析與研究展望[J]. 電網(wǎng)技術(shù)，2019，43（05）：1575-1585．

[6]呂聰敏，熊偉.基于5G切片和MEC技術(shù)的智能電網(wǎng)總體框架設(shè)計(jì)[J].電力信息與通信技術(shù)，2020，18（08）：54-60.

[7]宋樂樂，羅威，劉暢，等，面向5G的電力MEC部署探討[J].電力信息與通信技術(shù)，2021，19（04）：38-43.

[8]黃雄，沈軍，陳思勤，等.5G專網(wǎng)在電廠標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)安全管控的應(yīng)用[J].電力安全技術(shù)，2021（07）：2-3.

[9]瞿水華，郭釗杰，許樂飛.5G技術(shù)在智能電網(wǎng)中的實(shí)踐和驗(yàn)證[J].供用電，2021，38（05）：2-9，34．

[10]衷宇清，王浩，林澤兵，等.基于5G的邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)及其在電網(wǎng)中的應(yīng)用[J].自動化應(yīng)用，2020（06）：61-63．

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（61374022）。

夏凱（1988-），男，碩士研究生，研究方向：5G通信、云計(jì)算、智能控制。