電力5G切片在城市配電網中的應用及經濟效益研究

郁海彬，董燁，翁錦德，胡忻晨，嚴威，吳迪凡

（國網上海市北供電公司，上海 200070）

0 引言

目前，上海陸家嘴、北京金融街等核心城區配電網供電可靠率已與東京主城區及新加坡水平相當，而城市配電網中點多面廣、海量設備接入、數據實時交互的特點，亟須適用的通信技術支撐，而當前主要依靠同步數字體系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）、光 傳 送 網（Optical Transport Network，OTN）、工業以太網、以太網無源光網絡（Ethernet Passive Optical Network，EPON）、無線公網與專網等通信手段。傳統光纖無法適應城區復雜地理環境，具有敷設成本高、運維難度大、占用通道資源等局限性。5G 所具有的超高帶寬（eMBB）、高可靠超低時延（uRLLC）、超大規模連接（mMTC）場景特性，能全面提升城市配電網運營管理效率，解決接入痛點問題，網絡切片技術在此背景下應運而生，其快速、高效和定制化功能，充分滿足城市配電網業務多樣性和隔離性要求，打造“電力專屬”網絡。文獻［1］分析了5G 切片+邊緣計算在差動保護等典型場景的實踐和應用，驗證了5G 端到端（E2E）的網絡切片對電網業務隔離和保護的有效性，滿足差動保護、配電網三遙對5G授時精度及時延的指標要求，可以在電網全流程生產和運營中加以推廣。文獻［2］基于切片技術，分析E2E 的業務模型典型案例及實現切片的方法，計算了運營商成本和投資回報，驗證了5G 網絡切片的可行性。文獻［3］分析了傳統采用光纖專網、230 MHz/1.8 GHz 電力無線專網等通信技術承載饋線自動化（Feeden Automation，FA）及差動保護難以滿足配電網自愈要求，提出5G的配電網電流差動保護應用方案調整保護配置，降低配電網成本。文獻［4］提出一種基于5G網絡切片的配電網差動保護模式，提升信道的利用率和縮短差動信號傳輸的時延，試驗驗證所提策略傳輸時延的有效性和優越性。文獻［5］根據配電設備差動保護架構，以配電網業務的5G切片網絡原型為基礎，構建以分布式數據傳輸單元（Data Transfer Unit，DTU）的公共單元為節點、多DTU 聯動的快速響應系統，避免了誤差數據干擾引起的誤動作，提高了系統穩定性。

本文通過比較城市配電網中幾類通信方式的現狀及優缺點，分析了電力5G 切片技術特征、應用需求及典型應用場景。從技術實現層面說明了電力5G 切片業務組網的可行性。從經濟效益層面分析對比部署的網絡切片與其他網絡方案，結果表明部署網絡切片具有顯著的經濟效益，可以調動電網企業拓展電力5G切片業務應用積極性，為城市配電網的業務增長提供了泛在、靈活、低成本、高質量的通信技術新選擇［6-8］。

1 城市配電網通信技術類型

隨著城市配電網通信網架不斷延伸擴容、拓撲結構日益復雜、通信網覆蓋范圍變大，大量戶外終端數量增多，運行工況變得復雜。光纖線路因市政施工損壞嚴重，缺陷處理難度加大，且新投入運行的10 kV 配電網異動較大，伴隨著通信接入網頻繁變動，對網絡結構影響大，敷設難度大且成本高［9］。

城區配電網現狀具體如下。

（1）配電網通信系統大多由光纖通信系統構建，主要應用工業以太網和EPON 2種通信方式。

（2）光纜路由依附于一次系統，接入用戶數量和光纜路由受限。

（3）建設一流城市配電網，終端接入點數將呈現指數型增長，將新增更多應用系統，且各個系統對信息的采集點數和受控點的需求差異，光纖專網敷設方式存在部署和成本等弊端。

（4）工業以太網和EPON 2 種通信方式都是基于全網際互聯協議（Internet Protocol，IP），不同的業務共享帶寬資源，但沒有很好地解決電網業務需分區隔離的要求［10］。

1.1 通信方式

變配電自動化終端之間采用多種組網方式，主要有EPON 組網、無線公網及專網組網等。傳統電力系統通信組網方式如圖1所示。

圖1 傳統電力系統通信方式Fig.1 Communication mode of traditional power systems

1.1.1 EPON組網

由光線路終端（OLT）、光網絡單元（ONU）和光分配網絡（ODN）等構成一套典型的EPON 系統。OLT 為系統提供核心數據、視頻及電話接口以及長距離、高可靠、高速率、靈活部署、可管理服務；但在環形拓撲中支持性較差，需嚴格規劃各節點光功率，不利于靈活組網和未來擴容。

1.1.2 無線公網

無線公網可節約光纜敷設費用，組網靈活，適用于網絡覆蓋完整且信號優良的城市。主要通信模式有通用分組無線業務（General Packet Radio Service，GPRS）、碼分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）、3G 等［11］。不足之處是可靠性、安全性方面有待進一步提高，只能用于實時性要求不高的數據采集場合。

1.1.3 無線專網

作為電力光纖專網通信的另一補充，無線專網將克服有線通信建設難度大和GPRS 等公網通信安全隱患的弊端，為電網智能化向末端配網進一步延伸提供了可能［12］。根據智能電網終端通信接入網需求，與電力專用230 MHz頻譜有機結合，具有高帶寬、容量大、頻譜效率高等優勢，具體應用如下。

（1）配電自動化：彌補了無線公網話務擁塞、剩余容量小、安全性低的缺點，具有專網專用、容量大、接通率高、安全性高的特性。

（2）配用電側：借助自身優勢，能充分滿足電力通信網末端覆蓋和通信接入的需求。通過高寬帶、低時延的技術特性可實現多媒體信息、數據的回傳以及控制命令的下發。

（3）網絡安全：實現專網專用網絡，與互聯網隔離，杜絕外界侵入的可能，基本滿足安全接入。

1.2 多場景通信技術對比

通過對比分析常規通信技術中電力載波通信（Power Line Communication，PLC）、光纖專網、無線專網、3G/4G/長期演進（Long Term Evolution，LTE）及5G多種通信方式在帶寬、時延、可靠性等方面性能，見表1。

表1 多場景通信技術對比Table 1 Multi-scene communication technology comparison

綜上所述，5G 的整體性能優于其他網絡，在配電網業務中，對于時延、可靠性、安全性、后期低維護性的要求比較高，而對于成本要求較小，5G 可以保證配電網業務的更準確、快速及實時性，更適用于配電業務的各類場景，滿足配電網的高度自動化與精準控制，配合切片技術，具有更高的安全級別［13-15］。

2 電力5G切片技術特征及應用場景

2.1 技術特征

將物理網絡按業務需求切割成多個虛擬的E2E切片業務，各切片之間相互隔離，分成邏輯隔離的網絡資源，技術特征見表2。

表2 電力5G切片技術特征Table 2 Characteristics of 5G slicing technology in power industry

2.2 應用場景

生產控制區與管理信息區之間必須設置接近或達到物理隔離的安全隔離裝置，電力5G切片將配電網場景分為采集類、控制類及其他業務切片，電力系統5G網絡切片業務總體架構如圖2所示。

圖2 電力系統的5G切片業務總體架構Fig.2 Overall architecture of 5G slicing service for power system

從電流視角看，選取電網五大環節（發、輸、變、配、用）中未來5G 切片最具代表意義的4 類典型業務場景，具體場景指標要求見表3。

表3 典型業務場景指標要求Table 3 Indicator requirements for typical service scenarios

（1）超高可靠超低時延需求：如智能分布式配電自動化、差動保護、毫秒級精準負荷控制等Ⅰ區控制類下行業務，選取uRLLC切片。

（2）海量終端接入需求：如低壓用電信息采集、充電站/樁、分布式電源接入等電能量信息采集類上行業務，選取mMTC切片。

（3）高清視頻回傳需求：如輸變電線路狀態監控、變電站機器人巡檢等，選取eMBB切片。

（4）高清語音通信需求：如調度電話、遠程巡檢、應急通信等需要高可靠、高接通率和高清通話質量的專網場景，選取Voice語音切片。

電網Ⅰ—Ⅳ區中有調度自動化、變電站自動化、繼電保護、安全自動控制、電能量計量、繼保及故障錄波信息管理、調度生產管理、統計報表等業務；根據業務組網方式與承載業務的需求特性，電力5G 切片組網應用方案總體框架如圖3 所示。DTU-1 與DTU-2 經5G-客戶前置設備（Customer Premises Equipment，CPE）接入由城域接入、匯聚、核心組成的傳輸網絡，接入5G 網絡用戶面功能（User Plane Function，UPF）網元，進行數據包的路由和轉發相關功能，上述鏈路組成電力差動保護切片，實現E2E差動通信，其中70%～75%的數據將在變電站或區域調度控制中心多接入邊緣計算（Multi-access Edge Computing，MEC）網絡邊緣處理，經UPF2 網元的通信鏈路為電力調度切片。FlexE 硬切片1 上承載著生產控制類Ⅰ區和Ⅱ區業務，通過虛擬專用網絡（Virtual Private Network，VPN）建立專用通道VPN1 和VPN2 加密通信，分別為電力差動保護切片和電力調度切片；FlexE 硬切片2 上承載著管理信息類Ⅲ區和Ⅳ區業務，建立專用通道VPN3 和VPN 進行加密通信，分別為電力視頻監控切片和其他用戶切片；FlexE 硬切片3 上承載著公眾業務，建立專用通道VPN4 進行加密通信，承載公眾用戶切片；FlexE 通道實現硬切片隔離，為通信網絡提供高安全隔離、確定性低時延和低抖動等服務級別協議（Service Level Agreement，SLA）性能保障［16-20］。

圖3 電力5G切片組網應用方案總體框架Fig.3 Overall architecture of the 5G slicing enabled power system

2.2.1 配電自動化

FA是配電自動化的重要組成部分，包括就地式FA、集中式FA、智能分布式FA 3 種模式，在實現配電網檢測、快速隔離故障、縮短停電時間及提升可靠性等方面各有差異。

（1）就地式FA：配電終端無須通信，發生故障后利用站內開關多次重合閘與配電終端之間固有時間邏輯配合隔離故障，故障隔離效率較低，影響非故障區域用戶，須感受多次重復停電，用戶體驗感較差，應用范圍為C，D 類供電可靠性要求不高及部分B類供電區域。

（2）集中式FA：配電自動化終端監測和采集配電網絡實時狀態并傳輸至主站，主站利用饋線線路或全網絡各節點配電網信息進行綜合分析判斷和處理，從而進行故障線路或設備的定位、隔離和恢復供電，保證供電可靠性，應用范圍為A+，A 類供電區域及部分B類區域。

（3）智能分布式FA：通過分布式分析判斷或處理相鄰的配電自動化終端之間的通信數據，達到快速隔離故障，實現非故障區域不停電，主要應用于A+，A 類及部分B 類供電區域。若f 處故障，區域2，3 停電，在人工處理配電故障中，沒有通信網絡，恢復供電效率低。在集中式配電自動化中，由控制中心遠程進行定位、隔離與恢復供電，網絡延時小于100 ms，但此時所依賴的光纖專網、無線專網和公網成本高，工程復雜。在智能分布式配電自動化中，可以利用5G網絡切片的高可靠性、低時延性，在f處故障時，相關的智能傳輸終端（Smart Transmission Unit，STU）在電源斷路前完成自動故障定位、隔離與恢復，并且能夠在短時間內完成，滿足毫秒級的時間尺度，基本上能夠實現不停電。建設5G網絡切片智能分布式FA，在傳輸帶寬、時延、可靠性、安全性及5G終端需求方面的關鍵通信需求見表4。

表4 配電自動化的關鍵通信需求Table 4 Key communication requirements for distribution automation

2.2.2 差動保護

差動保護作用原理是在t時刻比較保護終端兩側或多側的電流矢量值，若差值大于整定值可判定故障、保護動作，以此來尋找故障點并隔離。

光纖差動保護適用于配電網故障處理，但光纖敷設成本高，部分地區光纖無法覆蓋，4G 網絡可傳輸帶寬有限，而5G網絡能滿足在帶寬、質量、時間同步等需求。構建10 kV 手拉手環網結構的5G 差動保護應用場景，如圖4 所示。由圖4 可知，區域1 和區域2 之間構成5G 通信差動保護，區域3 和區域4之間構成光纖通信差動保護，若區域2 與區域3 之間發生故障，通過5G 網絡交換各STU 電流信息，能快速識別故障信息，采用繼保測試儀給STU1，STU2，STU3和STU4 4臺裝置同步加入電流，模擬不同種類的區內和區外故障，利用故障錄波儀記錄動作時間，見表5。

表5 差動保護動作時間對比Table 5 Differential protection action time comparison ms

圖4 5G差動保護典型應用場景Fig.4 Typical application scenarios of 5G differential protection

結果顯示光纖差動保護和5G 通信差動保護的動作時間均小于60.00 ms，5G 通信模式較光纖通信模式動作時間長約8.00 ms，所延長的時間基本符合光纖和5G通信時延的時間差，得到E2E時延測試數據，5G 切片通信時延由4G 的接近分鐘級縮短到毫秒級。通過4G，5G 和5G 切片3 種方式進行E2E時延測試，測試數據對比如圖5 所示。在網絡延時可控下，獨立和非獨立網絡之間切換，增加的切換時延約為70.00 ms，所以5G非獨立網絡測試E2E時延平均為105.42 ms，最大為210.00 ms。而采用5G獨立切片網絡，5G 網絡獨立于4G 網絡，僅在核心網絡互通，互聯簡單，測試時延90%控制在15.00 ms以內且平穩可靠。建設滿足在帶寬、時延、可靠性、安全性及5G 終端需求方面的差動保護的關鍵通信需求見表6。

表6 差動保護關鍵通信需求Table 6 Key communication requirements of differential protection

圖5 E2E時延測試數據對比Fig.5 Comparison of end-to-end delay test data

2.2.3 精準負荷控制

傳統配網因缺少高效的通信支持，切除負荷手段相對簡單，構建5G 網絡的精準負控切片，能夠根據編排優先級順序，在各類過負荷、過載故障時，既能快速切除非重要負荷，又能實現對負荷的毫秒級控制及友好互動的秒級/分鐘級控制，靈活配置網絡資源。

從業務影響、用戶體驗等視角看，通過5G 網絡uRLLC 切片，優先切除如電動汽車充電樁、工廠內部非連續生產的電源等可中斷非重要負荷。毫秒級負荷控制對象可精準到生產企業內部的可中斷負荷，既滿足電網緊急情況下的應急處置，同時僅涉及經濟生活中的可中斷企業用戶，又將經濟損失、社會影響降至最低，其對通信網絡的要求為超低時延、高可靠性、高安全性、高設備密度。建設滿足在傳輸帶寬、時延、可靠性、安全性及5G終端需求方面的精準負控關鍵通信需求見表7。

表7 精準負控關鍵通信需求Table 7 Communication requirements of accurate negative control

3 應用實例

從業務流視角看，配網自動化業務由1 個DTU承載，DTU 通過CPE 接入5G 網絡。CPE 作為5G 網絡的接入終端，配備1張客戶識別模塊（SIM）卡。差動保護業務通過5G網絡實現在2個DTU 之間交互，而配網自動化三遙業務由DTU 經過5G 網絡流向業務主站，2 類業務對外實現物理隔離，對內實現邏輯隔離，如圖6 所示。室外塔端的有源天線單元（Active Antenna Unit，AAU）是支撐5G 移動通信的關鍵設備；5G 基站可分為2 個物理實體，分別為集中 式 單 元（Centralized Unit，CU）和分 布 式 單 元（Distributed Unit，DU），DC-CU為分布/集中單元；5G核心網對用戶面和控制面分離，采用服務化架構設計，主要有網絡功能（Network Function，NF）；在5G核心網中，接入和移動管理功能（Access and Mobility Management Function，AMF）負責大多數控制面功能，如會話管理功能（Session Management Function，SMF）、認證服務器功能（Authentication Server Function，AUSF）。

圖6 基于電力5G切片的配電自動化和差動保護業務流Fig.6 Distribution automation and differential protection service flow based on 5G slicing technology in power industry

3.1 技術實現

運營商服務器加載5G切片所承載電網業務，構建5G 切片網絡承載配電自動化和差動保護的配置步驟如下。

（1）注冊CPE到5G網絡，配置CPE，核心網分配SIM 卡IP，上電后CPE 的廣域網（WAN）口的IP 地址不變。

（2）為CPE 選擇對應的切片，CPE 中的SIM 卡簽約業務對應網絡切片標識（NSSAI），接入2 張切片，且分別建立分組數據單元（Packet Data Unit，PDU）會話連接來滿足2類業務的邏輯隔離。通過以太網口將CPE 連接DTU，專線連接到配電主站，正確配置主站側的相關參數，包括網口IP 地址、端口、子網掩碼和網關等，完成5G 無線系統注冊和PDU 會話建立過程。

（3）DTU 經2 個物理接口接入環網柜內的交換機，網口1 分配給差動保護業務，網口2 分配給配網自動化三遙業務。

（4）交換機對所述2 類業務進行虛擬局域網（Virtual Local Area Network，VLAN）劃分，實現2 類業務的邏輯隔離。實現“三遙”功能步驟如下：1）向配電終端輸出電壓和電流，主站發出遙測指令后，主站與終端顯示的電壓和電流數值相同；2）將配電終端的狀態量輸入端口接入模擬開關信號回路，主站發出遙信指令后，外顯開關狀態與實際開關狀態相同；3）主站將控制命令發送至配電終端，控制執行指示應與實際的控制對象相同，開關應準確地操作合閘/跳閘。

3.2 效益分析

以南方電網某市區打造的面向商用的智慧電力5G 切片為例，經E2E 網絡切片安全隔離測試，外場驗證了電力Ⅰ/Ⅱ區和Ⅲ/Ⅳ業務與公眾業務切片間的安全隔離，E2E 切片之間業務互不影響、可監控，部署3 種通信業務場景：單一大網絡（疊加承載所有業務類型）、多個單獨網絡（為各類業務單獨設立專屬核心網）、網絡切片（每類業務都設定網絡切片）。3 種組網方案比較得出網絡切片帶來的收入更多，利潤更大，運營成本更少?？紤]新業務部署后的主要價值驅動因素，如收入、運營成本、效益和支出因素，不同組網模式下價值驅動因素占比如圖7所示。相比其他2種網絡類型，網絡切片體現出明顯的收益優勢，在安全隔離的前提下，電網內部多類型業務切片混合組網、統一管理、運維，幫助電網大幅節約成本，提升收益，相比傳統3G/4G無線組網建設，5G 切片組網的成本節省約20%，運營成本節省約15%。

圖7 不同組網模式下價值驅動因素占比Fig.7 Proportions of value-driven elements in differentnetworking modes

3 種組網模式與收益趨勢基本呈線性關系，收益隨著業務類型的增多而增大，相同數量的業務類型，單一大網絡的收益低于多個單獨網絡，多個單獨網絡的收益低于網絡切片。網絡切片場景引入新業務帶來的增量收益比單一大網絡中引入新業務高35%左右，且比多個獨立網絡高15%左右。從接入業務數量的視角看，部署電力5G切片的業務越多，效益越顯著。不同通信組網下業務類型個數與收益關系如圖8所示。

圖8 不同通信組網下業務類型個數與收益關系Fig.8 Relationship between the number of service types and revenue in different communication networks

隨著城區配電業務類型不斷增長，部署網絡切片與上述其他2 種網絡對比時，優勢在于每年部署相同業務類型帶來的收益回報率更快，以某市5 年內推出20個業務應用類型場景為例，網絡切片從初始業務推出就可獲得收益，且收益回報增長速率隨投入年限的增長而加快，收益回報如圖9所示。

圖9 網絡切片投資收益回報Fig.9 Return of network slicing technology

綜上所述，通過對比3類網絡部署方案可知，在5G網絡上進行切片部署帶來的經濟效益更大，效益的實現基于下列2點：（1）年規劃和應用的新業務數量有新增；（2）支持網絡切片和創建規模服務需要部署與之相適應的自動化水平。以管理大量切片為前提條件，大城市建設一流城市配電網的目標與點多面廣及海量設備接入的特點相符，能夠滿足實現經濟效益的基礎條件。切片業務的數量越多，為電網增加收入并節省成本的機會就越大，電網業務將受益于可提供最大靈活性的切片網絡，不僅提升了電網經濟效益，而且隨著網架的海量設備接入，增強了業務的可擴展性，電網投資回報率可以很快提升。

4 結束語

面向城市配電網中的5G 電力切片業務，經E2E網絡切片安全隔離測試，驗證了電力Ⅰ/Ⅱ區和Ⅲ/Ⅳ業務與公眾業務切片間的安全隔離且業務互不影響、可監控，進一步提升了5G 電力切片組網的可行性。將各區業務通過5G網絡切片技術編排、精益化管理及改造，構建出多張高可靠性、互動友好、安全隔離及經濟高效的網絡切片。

技術層面上，5G 在帶寬、時延與可靠性上明顯優于其他網絡，為城市配電網提供多連接與多樣化業務提供靈活的網絡部署能力和分類管理能力。效益層面上，5G電力切片業務為運營主體的商業模式提供可靠的盈利模式，為加速建設一流城市配電網提供指導依據。