成聿倫，朱晨鳴（1.南京郵電大學，江蘇南京 10003；.中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇南京 10019）

0 前言

電力通信網(wǎng)絡是保障電網(wǎng)安全運行的重要手段，隨著經濟社會的不斷發(fā)展，迫切需要現(xiàn)有電力通信網(wǎng)絡向泛在電力物聯(lián)網(wǎng)演進，以支撐我國電網(wǎng)實現(xiàn)信息化、智能化。同時，隨著綠色發(fā)展理念在電力領域的不斷推進，電力生產對于通信網(wǎng)絡提出了新的需求。

a）海量分布式接入。

b）設備連接種類與數(shù)量爆炸式增長。

c）時延、可靠性要求提升。

1 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)技術在電力領域的一種具體應用形式，通過將所有和電相關的事物和設備進行互聯(lián)互通，實現(xiàn)電力和信息的高效交互。

1.1 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡架構

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡架構包括感知層、網(wǎng)絡層、平臺層和應用層（見圖1）。感知層通過海量且種類繁多的傳感器，實現(xiàn)對發(fā)電、輸電、配電、變電、用電等各個環(huán)節(jié)中的實物和設備狀態(tài)數(shù)據(jù)的同源采集。比如現(xiàn)在的智能電表，就屬于配電環(huán)節(jié)的一種傳感器，能夠采集感知用戶的用電數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡層通過中間件、適配等技術，將各種不同類型、不同技術制式、不同協(xié)議的傳感器接入，從而實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的上傳。網(wǎng)絡層通常具有強大的異構網(wǎng)絡融合接入和適配能力，比如4G/5G、Wi-Fi、Bluetooth、ZigBee、LoRa、NB-IoT 等傳感器接入技術。平臺層主要利用大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等技術，通過標準化的數(shù)據(jù)中心服務模式和虛擬網(wǎng)絡切片對網(wǎng)絡層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行存儲、處理以及資源分配。應用層通過電力和信息的互聯(lián)互通，為電網(wǎng)運行、資源匹配、用戶交互等提供各種智慧服務接口。

圖1 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡架構

1.2 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的特性

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的特性主要有以下4點。

a）泛在性。泛在性體現(xiàn)在2 方面，一是指泛在電力物聯(lián)網(wǎng)連接著海量電力相關設備和實體，使得連接無處不在。二是指現(xiàn)有的電力網(wǎng)、通信網(wǎng)、業(yè)務支撐網(wǎng)等網(wǎng)絡均屬于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的一部分，同時也是其服務對象。

b）異構性。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)連接了電力萬物，這其中不僅包含發(fā)電、輸電、配電等生產設備，還包括家庭電器設備、環(huán)境感知設備，這些設備遍及了專用與通用、強電與弱電、有線與無線、可靠性高與低等等，差異極大。

c）開放性。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的平臺層基于數(shù)據(jù)中心服務模式和軟件定義架構，向外提供服務接口，因此服務對象不僅包含電網(wǎng)企業(yè)，還能面向政府、用戶、用電主體等提供定制服務，從而創(chuàng)造新的價值。

d）創(chuàng)新性。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)首次實現(xiàn)了全流程、大規(guī)模、細顆粒度的數(shù)據(jù)采集，可以提供精確全面的網(wǎng)絡與用戶狀態(tài)信息，能夠支撐所有參與者進行全新的業(yè)務、運營模式以及商業(yè)生態(tài)創(chuàng)新。

2 與泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設需求高度契合

5G 的通信特點是高速率、廣連接、高可靠性、低延時以及低功耗，這些特點不僅僅取決于物理層技術的飛躍，比如大規(guī)模MIMO、NOMA 的應用，而是以可軟件定義、以網(wǎng)絡切片的形式結合應用場景來展現(xiàn)。5G通信特點與泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設需求高度契合。

a）電力網(wǎng)絡規(guī)模不斷擴大，產生海量實時測量和監(jiān)測數(shù)據(jù)，而5G的高速率可以為其提供傳輸能力。

b）現(xiàn)網(wǎng)擁有超大規(guī)模的電力智能終端和設備，5G的廣連接可以有效滿足上述大連接、窄帶的互聯(lián)需求。

c）電力系統(tǒng)的可靠性要求較高，而5G 的高可靠性對提高電網(wǎng)可靠性具有重要意義。

d）電力系統(tǒng)中的控制和調度對時延極其敏感，而5G 的時延可控制到毫秒級，能夠滿足電網(wǎng)的技術指標。

e）泛在電力物聯(lián)網(wǎng)需要大量無源傳感器收集數(shù)據(jù)，而5G的低功耗可以有效解決設備能源供應。

電力網(wǎng)絡不同于通信網(wǎng)絡，具有業(yè)務多、雜，顆粒小，隔離性差異大等特點，不同的業(yè)務對通信時延、可靠性、帶寬、業(yè)務隔離的要求差異非常大，傳統(tǒng)單一的通信網(wǎng)絡無法滿足。而5G 的一大特點是核心網(wǎng)的軟件可編程、可定義，根據(jù)應用場景，將資源整合成具有不同通信能力組合的虛擬網(wǎng)絡切片，每個切片可按需定制獨立的生命周期，面向不同業(yè)務特點按需構建相互隔離的網(wǎng)絡實例。5G切片具有以下特點。

a）端到端的服務等級保障?？商峁┎煌耐ㄐ拍芰M合。

b）業(yè)務隔離?？梢詫崿F(xiàn)不同業(yè)務與不同層級間的有效隔離。

c）功能按需定制、動態(tài)編排。有效提升網(wǎng)絡資源效率。

由此可見，5G 通過切片的方式可滿足泛在電力物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務多樣性的需求。

5G切片根據(jù)應用場景主要分為三大類。

a）增強移動帶寬切片（eMBB）。主要針對大流量、高帶寬需求。典型電網(wǎng)應用主要是數(shù)據(jù)采集類業(yè)務，包括配電房視頻綜合監(jiān)控、變電站機器人巡檢、輸電線路無人機巡檢等。

b）大規(guī)模機器通信類切片（mMTC）。主要針對物聯(lián)網(wǎng)中的海量設備與實體間的連接和通信需求。典型電網(wǎng)應用主要是控制類業(yè)務，包括分布式能源調控、充電樁接入與監(jiān)測、用電量感知等。

c）超高可靠性超低時延切片（uRLLC）。主要滿足對時延和可靠性都特別敏感的業(yè)務。典型電網(wǎng)應用主要是控制類業(yè)務，包括分布式配電自動化、精準負荷控制、用電負荷響應等。

3 融合設計：助力5G賦能泛在電力物聯(lián)網(wǎng)

電力網(wǎng)絡具有覆蓋范圍廣袤、新興能源站點分散等特點，而受頻段制式所限，5G 單基站覆蓋范圍遠小于4G，因此，利用5G 大規(guī)模地建設泛在電力物聯(lián)網(wǎng)，需要解決巨大的建設和維護成本問題。融合設計旨在最大限度地在電力行業(yè)和通信行業(yè)實施跨行業(yè)基礎設施的共享共建，通過在5G 網(wǎng)絡的基站、供電、線路、傳輸、交換等工程環(huán)節(jié)中，充分利用電力塔桿、站點、新興能源供電等豐富的存量資源，來因地制宜地建設泛在電力物聯(lián)網(wǎng)，能夠有效減少對土地、通信鐵塔等重資產的消耗，避免重復投資、重復建設。

3.1 融合設計賦予電力資源的新價值

通過融合設計將5G建設融合到存量電力資源上，會為其賦予以下新價值。

a）資源復用價值。通過在電力塔桿、站點增加5G通信資源，可以大大提升站點的空間復用價值，通過電力設備和通信設備的空間融合化建設，實現(xiàn)資源優(yōu)化配置，并為跨行業(yè)業(yè)務融合提供支持。

b）高速信息價值。將5G 天線、分布式邊緣計算中心等網(wǎng)元融入電力站點，將賦予站點高速雙向交互、計算等能力，可以實現(xiàn)工業(yè)級的精準控制、細微感知等新興應用。

c）效益價值。電力站點通過融合設計，利用5G可以實現(xiàn)對海量分布式新能源發(fā)電站的能源接入和控制，提高新能源吸收率，從而降低電網(wǎng)企業(yè)擴容成本。

3.2 融合設計實例

融合設計在5G 與泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設實踐中已得到初步應用和實踐。比如2019年7月16日，國內首個聯(lián)網(wǎng)運營的多站融合站點在重慶沙溝變電站建成投產。該站點采用融合設計理念，利用變電站的空間資源，配置了多種定制機柜，并充分改造了已有的電池儲能設備，將變電站、數(shù)據(jù)中心、5G NR DU等功能集于一身，實現(xiàn)了電力站點和通信站點的初步融合，有效提升了站點資源效率。

4 融合設計策略

融合設計不僅是將5G 通信設備與電力站點簡單疊加，未來將要在架構、硬件、軟件以及業(yè)務設計上實現(xiàn)高度統(tǒng)一、高度適配、實用高效的融合。

a）架構融合。由于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)具有極強的行業(yè)屬性，其5G 網(wǎng)絡的建設不同于傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡。要在能源電力行業(yè)屬性的基礎上，將5G架構和服務模式進行改造和適配，使其融合到泛在電力物聯(lián)網(wǎng)架構中。

b）硬件融合。電力站點分布多種多樣，特別是新興能源站點，這與通信網(wǎng)絡成環(huán)、網(wǎng)狀網(wǎng)的特點不同。在設計時，需要基于電力站點的拓撲結構來設計相應的5G網(wǎng)絡結構，以有效平衡性能與成本。

c）軟件融合。5G的切片編排、組合需要根據(jù)特定的電力應用場景對通信各個指標的需求以及站點資源情況進行融合設計，以提高資源效率。

d）業(yè)務融合。隨著5G 和泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的融合，供電方和用電方雙向數(shù)據(jù)交換和感應成為可能，因此需要在業(yè)務流程設計上將電力與通信進行融合，以培育相應的新興業(yè)務。