潘雅潔 黎瑞 中國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)計院有限公司 南昌市 330002

0 引言

“4G改變生活、5G改變社會”，作為新一代移動通信技術(shù)，5G把人與人的連接拓展到萬物互聯(lián)，有eMBB高速率、URLLC低時延、mMTC大連接三大業(yè)務(wù)應(yīng)用場景，而低時延和大連接場景是構(gòu)建萬物互聯(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)更好的無線解決方案；為了加速5G低時延應(yīng)用落地，江西電信聯(lián)合江西省國家電網(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)，開展了配電網(wǎng)差動保護(hù)低時延業(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低時延業(yè)務(wù)場景需求、組網(wǎng)方案、業(yè)務(wù)應(yīng)用測試等方面較深入研究5G低時延電力專網(wǎng)。

1 電力行業(yè)5G低時延業(yè)務(wù)通信需求

基于電力行業(yè)主營業(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、多樣互動的用電、智慧能源與能源互聯(lián)網(wǎng)五大發(fā)展趨勢。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線接入兩種通信接入技術(shù)，由于電力通信需求具有“點多、面廣、線長”特點，對通信網(wǎng)提出了更高速率、更低時延、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互動的“泛在化、全覆蓋”的基于5G新技術(shù)的通信接入網(wǎng)。

行業(yè)專業(yè)作為對網(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)對網(wǎng)絡(luò)的速率、時延、容量、安全等能力也有不同的要求。通過充分電力通信需求調(diào)研分析，5G低時延業(yè)務(wù)的應(yīng)用場景主要為毫秒級精準(zhǔn)負(fù)荷控制、配電自動化等方面。

1.1 配電自動化

智能配電自動化設(shè)備實現(xiàn)對配電網(wǎng)的保護(hù)控制，通過檢測配電網(wǎng)線路或設(shè)備的狀態(tài)，快速實現(xiàn)配網(wǎng)線路區(qū)段或設(shè)備的故障識別和精確定位，快速隔離故障區(qū)域或設(shè)備點，并快速恢復(fù)正常區(qū)域供電，后續(xù)將推廣應(yīng)用遙信遙測遙控、配網(wǎng)差動保護(hù)等功能，以進(jìn)一步縮短故障持續(xù)時間，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)度控制和營銷負(fù)荷節(jié)能控制兩種模式。以往在電網(wǎng)故障時，通過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)荷的方式相對簡單粗暴，易造成大面積停電損失，引起高等級的電力事故，造成較大社會不良影響?；谕ㄐ啪W(wǎng)支持的精準(zhǔn)負(fù)荷控制，可將控制對象精準(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，電動汽車充電樁、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低時延組網(wǎng)方案研究

2.1 試點覆蓋區(qū)域

基于5G低時延的國電電力配網(wǎng)差動保護(hù)試點項目是江西電信與國家電網(wǎng)合作的一個5G智慧電網(wǎng)創(chuàng)新項目。通過在電力線桿和電網(wǎng)機(jī)箱上加裝5G檢測設(shè)備，監(jiān)測所在點位電流電壓變化，監(jiān)測數(shù)據(jù)異常及時上報并啟動切換保護(hù)；通過5G網(wǎng)絡(luò)接入方案來解決傳統(tǒng)的4G監(jiān)測無法保障低時延的問題。此次試點在南昌市區(qū)有5G公網(wǎng)信號連續(xù)覆蓋區(qū)域選定5個測試樣本點，測試點位如下圖所示：

圖1 5G低時延業(yè)務(wù)測試樣本點位圖

2.2 5G低時延業(yè)務(wù)運(yùn)行機(jī)制

本次試點的配網(wǎng)差動保護(hù)終端的運(yùn)行機(jī)理：①終端每5秒鐘發(fā)送一次正常心跳報文；②當(dāng)檢測到線桿電流異常時，監(jiān)測設(shè)備會及時發(fā)送表征電流異常的報文給臨近終端，報文一共發(fā)送4次，報文間隔分別是2ms，2ms，4ms，8ms。四次報文內(nèi)容一致，對端只要在20ms傳輸時間間隔內(nèi)接收到最少一次報文，即認(rèn)為接收數(shù)據(jù)成功。異常檢測，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)開戶時，設(shè)定固定IP地址，保障任意兩個國網(wǎng)項目終端之間可以正常通信。

2.3 5G低時延業(yè)務(wù)切片需求

國網(wǎng)電力行業(yè)對切片的訴求可以總括如下：

（1）差異化的業(yè)務(wù)訴求。國網(wǎng)對網(wǎng)絡(luò)時延要求高，兩點之間，單向時延要求20ms以內(nèi)。需要做差異化運(yùn)營，保證網(wǎng)絡(luò)時延穩(wěn)定型。

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

（3）獨(dú)立運(yùn)營的訴求。國網(wǎng)行業(yè)客戶希望對其旗下的終端設(shè)備進(jìn)行管理，對運(yùn)營商承諾的時延、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、自動化。

2.4 5G低時延組網(wǎng)方案

試點采用基于SA架構(gòu)的端到端的5G切片組網(wǎng)方案，無線網(wǎng)采用公專用融合的3.5GHz 64TR 320W基站，并可劃分專門的頻段或RB資源預(yù)留給電力專用，并啟用無線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)置國網(wǎng)電力專用的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)建電力的低時延業(yè)務(wù)5G專網(wǎng)，實現(xiàn)按需定制、行業(yè)專用、安全隔離。

3 5G低時延業(yè)務(wù)應(yīng)用測試

經(jīng)過對5個樣本點的現(xiàn)場測試，5G網(wǎng)絡(luò)測試數(shù)據(jù)情況如下：

表3 5G性能測試結(jié)果表

圖3 5G低時延業(yè)務(wù)性能現(xiàn)場測試圖

最后，對5G網(wǎng)絡(luò)性能滿足度進(jìn)行分析：

（1）5G信號覆蓋：各點位的RSRP平均值達(dá)到-72.7dBm，SINR達(dá)到20.1dB，信號強(qiáng)度及信號質(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：目前站點覆蓋半徑為300-400米，每平方公里約有5個基站，容量可達(dá)500Mbps X 5=2500Mbps，可同時滿足至少2500Mbps/5Mbps=500個配電自動化差動保護(hù)終端，可滿足電網(wǎng)當(dāng)前組網(wǎng)需要。

（4）5G網(wǎng)絡(luò)時延：5G網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的端到端時延可分為無線空口時延、光纖傳輸時延、設(shè)備處理時延三部分。5G的無線空口時延很短，對于URLLC業(yè)務(wù)協(xié)議規(guī)定為1ms；地面網(wǎng)絡(luò)時延相對較長，信號在光纖中傳播每公里約5us，每經(jīng)過一個設(shè)備（傳輸設(shè)備、核心網(wǎng)、服務(wù)器等）都需要一定時間。根據(jù)5G時延預(yù)算模型的分析，可發(fā)現(xiàn)5G低時延可以滿足配電自動化等業(yè)務(wù)對時延的要求。從實際測試情況來看，平均的時延均低于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)端到端時延，以滿足未來智慧電網(wǎng)有更苛刻時延要求的場景需要。

圖4 5G端到端業(yè)務(wù)時延模型示意圖

表4 5G低時延滿足度預(yù)算分析表

4 結(jié)束語

從業(yè)界來看，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)用場景不斷豐富和落地，基于5G低時延的電力業(yè)務(wù)也將不斷走向?qū)嵺`，本案例拋磚引玉地對5G低時延在電力配電差動保護(hù)應(yīng)用中的組網(wǎng)進(jìn)行探索和試驗，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時延預(yù)算分析模型進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)性能滿足度分析評估，希望對后續(xù)工程能起到借鑒和參考作用。