完顏紹澎，于 佳

（1.南瑞集團有限公司，江蘇 南京 210000；2.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

近年來，國家在信息通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展及共享經(jīng)濟方面提出了更高要求，明確信息通信基礎(chǔ)設(shè)施是各種新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的載體和基石。工信部向中國移動、中國電信、中國聯(lián)通和中國廣電4 家公司發(fā)放5G 正式商用牌照，中國5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)進入快速部署階段，中國5G 標(biāo)準(zhǔn)與進程將引領(lǐng)世界5G 網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。因此，未來一段時期內(nèi)運營商對5G 共享基站的需求將會呈現(xiàn)井噴式爆發(fā)。

在能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的驅(qū)動下，電網(wǎng)存量業(yè)務(wù)亟須優(yōu)化提升，新興業(yè)務(wù)蓬勃發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)安全要求越來越高，各類業(yè)務(wù)對無線通信指標(biāo)要求越來越高［1-3］。230 MHz 專網(wǎng)和4G 公網(wǎng)無法完全滿足單位面積內(nèi)的海量連接、帶寬接入和低時延業(yè)務(wù)需求，無法支撐泛在電力物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)發(fā)展［4-5］。而光纖專網(wǎng)雖然具有高帶寬、低時延、高可靠等優(yōu)勢，但無法滿足泛在、靈活、移動接入需求［6］。此外，為應(yīng)對能源生產(chǎn)消費變革推動電網(wǎng)向能源互聯(lián)網(wǎng)升級，迫切需要建設(shè)低時延、大連接、大帶寬的5G 網(wǎng)絡(luò)，以從根本上滿足能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)與發(fā)展中各類業(yè)務(wù)需求和網(wǎng)絡(luò)安全要求，形成電網(wǎng)新業(yè)態(tài)，推動能源生態(tài)圈的質(zhì)效提升和業(yè)態(tài)變革，保障電力網(wǎng)絡(luò)安全自主可控，推動網(wǎng)絡(luò)強國建設(shè)，落實國家能源安全新戰(zhàn)略［7-8］。

電力的業(yè)務(wù)能否與5G 網(wǎng)絡(luò)匹配，是重點研究的內(nèi)容。通過對電網(wǎng)業(yè)務(wù)的分析與梳理，未來控制類業(yè)務(wù)連接模式將出現(xiàn)更多的分布式點對點連接，主站系統(tǒng)將逐步下沉，出現(xiàn)更多的本地就近控制，且與主網(wǎng)控制聯(lián)動的需求，時延需求將達(dá)到毫秒級［9-11］。電網(wǎng)控制類業(yè)務(wù)的時延達(dá)到毫秒級，可靠性需求將提高到99.999%［12］；采集類業(yè)務(wù)種類將激增，且在覆蓋廣度上將提高50～100 倍，達(dá)到數(shù)十億級別，接入密度將增加至約6 000 個/km2［13］；移動應(yīng)用類業(yè)務(wù)單終端通信速率50 Mbit/s 帶寬，時延要求將達(dá)到數(shù)十毫秒。

1 電力業(yè)務(wù)與運營商5G網(wǎng)絡(luò)匹配度分析

1.1 業(yè)務(wù)性能需求與5G網(wǎng)絡(luò)匹配度分析

將電力業(yè)務(wù)按服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）性能需求進行分類，電力業(yè)務(wù)與5G 網(wǎng)絡(luò)的匹配度，按業(yè)務(wù)性能可將電力業(yè)務(wù)分為生產(chǎn)控制類、信息管理類、采集類及移動應(yīng)用類4 種場景。電力業(yè)務(wù)性能需求與5G網(wǎng)絡(luò)場景匹配度見表1。

表1 電力業(yè)務(wù)性能需求與5G網(wǎng)絡(luò)場景匹配度

電力業(yè)務(wù)場景與5G典型場景存在一定的匹配關(guān)系，但同時又交叉融合，由于第三代合作伙伴計劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)僅凍結(jié)了增強移動寬帶（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）及低時延高可靠，（Ultra Reliable &LowLatency Communication，uRLLC）場景［14-15］，針對海量機器類通信（Massive Machine Type Communications，mMTC）場景的標(biāo)準(zhǔn)還處在研究階段，，加之電網(wǎng)業(yè)務(wù)場景與5G網(wǎng)絡(luò)場景并非一一對應(yīng)關(guān)系，對5G 在電力系統(tǒng)的應(yīng)用提出了更高的要求［16］。

1.2 業(yè)務(wù)判決方式與5G網(wǎng)絡(luò)匹配度分析

運營商建設(shè)5G 基站覆蓋次序是否與電力5G 業(yè)務(wù)的時間分布一致。根據(jù)電力業(yè)務(wù)的判決方式進行分類，主要包括本地判決類和遠(yuǎn)端判決類。本地判決類業(yè)務(wù)是指業(yè)務(wù)終端數(shù)據(jù)本地傳輸、本地處理，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)不出園區(qū)，遠(yuǎn)端判決類業(yè)務(wù)是指業(yè)務(wù)終端數(shù)據(jù)通過核心網(wǎng)用戶端口功能（User Port Function，UPF）經(jīng)過安全接入?yún)^(qū)上傳業(yè)務(wù)主站，主站處理再下發(fā)至終端進行動作。電力業(yè)務(wù)判決方式與5G 網(wǎng)絡(luò)場景匹配度見表2。

表2 電力業(yè)務(wù)判決方式與5G網(wǎng)絡(luò)場景匹配度

電力業(yè)務(wù)與5G 網(wǎng)絡(luò)匹配及網(wǎng)絡(luò)建設(shè)流程如圖1所示，首先按業(yè)務(wù)空間分布進行5G 網(wǎng)絡(luò)布局，確定5G 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先需要覆蓋的區(qū)域，以明確當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)重點解決的業(yè)務(wù)需求，之后在重點區(qū)域內(nèi)通過業(yè)務(wù)性能模型進行5G 網(wǎng)絡(luò)的場景匹配以確定5G 網(wǎng)絡(luò)需要分配的切片類型，最后根據(jù)具體業(yè)務(wù)的判決方式進行5G 網(wǎng)絡(luò)的部署以確定UPF 等核心網(wǎng)元共享模式及下沉位置。結(jié)合以上步驟完成最后的工程造價分析，包括業(yè)務(wù)開通費用、切片費用及網(wǎng)絡(luò)建設(shè)費用。

圖1 業(yè)務(wù)與5G網(wǎng)絡(luò)匹配及網(wǎng)絡(luò)建設(shè)流程

2 電力業(yè)務(wù)與運營商5G性能匹配度

2.1 電力業(yè)務(wù)時延需求與5G空口性能匹配

空口時延估算的流程如圖2 所示，業(yè)務(wù)速率及可靠性指標(biāo)與空口時延存在一定的邏輯關(guān)系，在確定業(yè)務(wù)速率及可靠性指標(biāo)后，可進行空口混合自動重傳請求（Hybrid Automatic Repeat reQuest，HARQ）時延的估算。5G 空口參數(shù)包括時序參數(shù)、調(diào)度模式、幀結(jié)構(gòu)、載波模式及發(fā)射模式［17］，在確定空口參數(shù)及業(yè)務(wù)調(diào)制與編碼策略（Modulation and Coding Scheme，MCS）要求的情況下結(jié)合5G 傳播模型即可估計HARQ的重傳次數(shù)，最終確定空口HARQ時延。

圖2 5G空口時延估算

采用運營商幀結(jié)構(gòu)分析了頻分雙工模式（Frequency-division Duplex，F(xiàn)DD）/時分雙工模式（Time-division Duplex，TDD）免調(diào)度和調(diào)度模式最大3 次重傳的空口時延，經(jīng)過3 次重傳可靠性可保證約99.99%，通過比較發(fā)現(xiàn)FDD 免調(diào)度模式的時延最低，TDD調(diào)度的時延最高。

2.2 業(yè)務(wù)時間同步需求與5G時間性能匹配

電網(wǎng)的電力調(diào)度和故障分析判斷對時間同步有廣泛需求［18］，尤其在實時控制領(lǐng)域，電力自動化設(shè)備（系統(tǒng)）直接使用時間同步系統(tǒng)實現(xiàn)時間同步。根據(jù)電力業(yè)務(wù)的時間同步精確度要求可分為1 μs、1 ms、10 ms 和1 s 4 個等級，目前5G 網(wǎng)絡(luò)針對eMBB 場景的時間精度需求可達(dá)到1.5 μs，同時3GPP 標(biāo)準(zhǔn)引入的時間基準(zhǔn)參數(shù)將進一步提高時間分辨率。電力業(yè)務(wù)的時間精度需求與5G 網(wǎng)絡(luò)的匹配見表3，從業(yè)務(wù)時間同步需求與5G 網(wǎng)絡(luò)匹配的角度分析，5G 網(wǎng)絡(luò)eMBB 場景的時間精度可以滿足絕大多數(shù)電力業(yè)務(wù)的時間同步需求，隨著5G 場景進一步發(fā)展和授時方案的不斷成熟，未來電力業(yè)務(wù)可采用5G 網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)授時和守時功能。

表3 電力業(yè)務(wù)時間精度需求與5G網(wǎng)絡(luò)的匹配

2.3 業(yè)務(wù)安全需求與5G安全性能匹配

按《電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護總體方案》的要求，電力監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)滿足橫向隔離、縱向認(rèn)證及設(shè)備網(wǎng)絡(luò)容災(zāi)備份的要求［19］。

電力業(yè)務(wù)安全需求與5G 網(wǎng)絡(luò)匹配度分析見表4，通過將電力監(jiān)控系統(tǒng)安防需求與3GPP 標(biāo)準(zhǔn)進行匹配，分析了電力5G 通信網(wǎng)絡(luò)在無線網(wǎng)、核心網(wǎng)及傳輸網(wǎng)3個層面所采取的安全技術(shù)及組網(wǎng)方式。

表4 業(yè)務(wù)安全需求與5G網(wǎng)絡(luò)匹配度分析

3 電力業(yè)務(wù)與運營商5G信號特征匹配度

3.1 采集類持續(xù)上行業(yè)務(wù)的5G信號匹配

以配網(wǎng)差動保護業(yè)務(wù)為例，每一個保護終端都通過通信通道將本端的電氣測量數(shù)據(jù)發(fā)送給對端，同時接收對端發(fā)送的數(shù)據(jù)并加以比較，判斷故障位置是否在保護范圍內(nèi)，并決定是否啟動將故障切除。保護終端的典型采集頻率為1 200 Hz，每隔0.833 ms發(fā)送一次數(shù)據(jù)，單次數(shù)據(jù)量為245 字節(jié)，通信帶寬需求為2.36 Mbit/s。由于配網(wǎng)故障發(fā)生是隨機的，配網(wǎng)差動保護需要持續(xù)實時通信傳遞數(shù)據(jù)來判斷和檢測線路是否發(fā)生故障，因此具有持續(xù)上行帶寬流量需求，并且對帶寬資源保障要求高。此外，持續(xù)通信也將產(chǎn)生大量的網(wǎng)絡(luò)流量，單個終端平均每月上網(wǎng)流量約為886 GB，對網(wǎng)絡(luò)的流量承載能力要求高。的隔離性要求，推薦針對電力生產(chǎn)控制大區(qū)業(yè)務(wù)采用基于資源預(yù)留的物理隔離方案，針對電力管理信息大區(qū)業(yè)務(wù)采用基于優(yōu)先級調(diào)度的邏輯隔離方案。

3.2 低時延高可靠業(yè)務(wù)的5G信號匹配

1）毫秒級的網(wǎng)絡(luò)時延和抖動需求。在電力業(yè)務(wù)中，網(wǎng)絡(luò)通信時延即為業(yè)務(wù)執(zhí)行與業(yè)務(wù)處理的時間之差。其中業(yè)務(wù)執(zhí)行時間取決于業(yè)務(wù)需求，業(yè)務(wù)處理時間主要取決于硬件裝置。在業(yè)務(wù)執(zhí)行時間確定的條件下，網(wǎng)絡(luò)通信時延與業(yè)務(wù)處理時間強相關(guān)：網(wǎng)絡(luò)通信時延越短，預(yù)留給業(yè)務(wù)處理的時間越長；反之亦然。通過降低網(wǎng)絡(luò)通信時延可以為應(yīng)用提供更多的裕度。

2）對連續(xù)丟包性能的需求。丟包是指一個或多個數(shù)據(jù)包無法在規(guī)定的時間內(nèi)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭_(dá)目的地。連續(xù)丟包可能會影響業(yè)務(wù)的正常運行。以配網(wǎng)差動保護為例，為了保證業(yè)務(wù)的順利開展，規(guī)定如果保護終端連續(xù)3 個時間間隔接收不到對端發(fā)送的數(shù)據(jù)包，該終端就會判斷線路故障，并通過閉鎖差動保護功能邏輯模塊輸出閉鎖保護，同時產(chǎn)生差動保護閉鎖告警信號并上傳至配電主站；當(dāng)通信恢復(fù)和數(shù)據(jù)正常保持大于40 ms后解鎖閉鎖，差動保護邏輯模塊恢復(fù)正常運行，同時產(chǎn)生差動保護閉鎖接觸信號并上傳至配電主站。為了保障差動保護業(yè)務(wù)的順利進行，要求連續(xù)丟包數(shù)＜3。

3）通道可用性需求。通道可用性是通信通道全年可正常通信的分鐘數(shù)占全年總分鐘數(shù)之比，是電力客戶與運營商的主要銜接指標(biāo)。以配電網(wǎng)差動保護為例，配電網(wǎng)差動保護依賴對端持續(xù)發(fā)送的電流實時測量數(shù)據(jù)以判別故障，通信通道是否可用直接影響配電網(wǎng)差動保護的正確順利運行，因此對通道可用性要求高。電力企業(yè)要求一個配電網(wǎng)差動保護判斷周期內(nèi)（連續(xù)5 個采樣點），通道可用率不低于99.9%，折算到單次通道可用率為99.99%。配電網(wǎng)電源管理單元（Power Management Unit，PMU）對通道可用性的要求也相對較高，一般為99.9%。分布式饋線自動化屬于事件觸發(fā)類業(yè)務(wù)，對通道可用性的要求相對較低，一般為99%。

3.3 安全隔離及時間同步需求

隨著5G 在電力行業(yè)的逐步推廣應(yīng)用，電力行業(yè)在利用好5G 的技術(shù)優(yōu)勢的同時應(yīng)保障電力安全防護要求，實現(xiàn)5G 網(wǎng)絡(luò)對智能電網(wǎng)各類電力業(yè)務(wù)的靈活承載，數(shù)據(jù)的安全傳輸。電力5G 安全架構(gòu)需要從終端安全、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及通道安全、接入?yún)^(qū)安全等方面考慮。電力5G總體安全防護架構(gòu)如圖3所示。

圖3 電力5G專屬網(wǎng)絡(luò)安全防護框架

終端安全包括端到端的安全認(rèn)證，5G 終端接入安全接入?yún)^(qū)需要進行芯片級加密認(rèn)證，進行訪問控制和網(wǎng)絡(luò)攻擊檢測；內(nèi)網(wǎng)的邊界采用公司專用的安全接入平臺實現(xiàn)無線業(yè)務(wù)終端到網(wǎng)絡(luò)邊界的加密傳輸、終端合法性認(rèn)證和數(shù)據(jù)隔離交換等安全功能。

通道安全主要包括在運營商網(wǎng)絡(luò)中傳輸電力專網(wǎng)數(shù)據(jù)以實現(xiàn)不同類型業(yè)務(wù)之間專用網(wǎng)絡(luò)的相互隔離，其中，接入生產(chǎn)控制大區(qū)和管理信息大區(qū)的業(yè)務(wù)之間需要采用物理隔離等措施，而接入管理信息大區(qū)的不同業(yè)務(wù)之間，以及生產(chǎn)控制大區(qū)的不同業(yè)務(wù)之間需要采用邏輯隔離等措施。電力切片安全需要對接入網(wǎng)切片、承載網(wǎng)切片和核心網(wǎng)切片統(tǒng)一考慮，涉及切片管理安全、切片授權(quán)安全等技術(shù)。其中切片管理安全包括網(wǎng)絡(luò)切片控制器攻擊防范和業(yè)務(wù)配置管理面攻擊防范，切片授權(quán)安全要求能夠提供切片內(nèi)認(rèn)證和授權(quán)機制，防止非授權(quán)用戶訪問切片資源。

接入?yún)^(qū)安全指生產(chǎn)控制大區(qū)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)在與其終端的縱向連接中使用無線通信網(wǎng)、電力企業(yè)其他數(shù)據(jù)網(wǎng)（非電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)）或者外部公用數(shù)據(jù)網(wǎng)的虛擬專用網(wǎng)絡(luò)方式等進行通信時應(yīng)設(shè)立安全接入?yún)^(qū)。此外，上述終端如果接入管理信息大區(qū)要求通過專用的信息網(wǎng)絡(luò)安全接入網(wǎng)關(guān)。

電力系統(tǒng)中的裝置如PMU、保護終端、開閉所終端設(shè)備等都內(nèi)置了時鐘，但這些時鐘之間由于時鐘初始值或時鐘計時精度等問題難以同步，導(dǎo)致其相應(yīng)的采集量也會出現(xiàn)時間偏差，進而影響電力業(yè)務(wù)的正確執(zhí)行。以配電網(wǎng)差動保護為例，線路兩端保護終端不同步將導(dǎo)致線路兩端差動電流IA-IB數(shù)值計算不準(zhǔn)確，影響差動電流計算和保護邏輯判斷的準(zhǔn)確性。因此，需要通過衛(wèi)星授時等技術(shù)來實現(xiàn)全網(wǎng)設(shè)備和采集量的同步對時。實際工程中，配網(wǎng)差動保護要求對時精度＜10 μs，配電網(wǎng)PMU要求對時精度＜1 μs。

4 電力業(yè)務(wù)的5G現(xiàn)場測試結(jié)果

5G 系統(tǒng)中eMBB、uRLLC、mMTC 三大通信技術(shù)將為智能電網(wǎng)中各典型業(yè)務(wù)提供能力。按照業(yè)務(wù)特征5G 可承載電力業(yè)務(wù)可劃分為電網(wǎng)控制類、信息采集類兩大典型場景。其中，電網(wǎng)控制類包含差動保護、配電自動化、用電負(fù)荷需求側(cè)響應(yīng)、分布式能源、精準(zhǔn)負(fù)荷控制等；信息采集類業(yè)務(wù)包括高級計量、智能電網(wǎng)大視頻應(yīng)用、用電信息采集等，其中移動現(xiàn)場施工作業(yè)管控、無人機遠(yuǎn)程巡檢、人工維護巡檢等業(yè)務(wù)有移動需求。eMBB 主要支撐智能電網(wǎng)的大視頻應(yīng)用，包括了變電站巡檢機器人、輸電線路無人機巡檢、配電房視頻綜合監(jiān)控、移動現(xiàn)場施工作業(yè)管控、應(yīng)急現(xiàn)場綜合自主網(wǎng)應(yīng)用等。uRLLC 主要支撐分布式配電自動化、用電負(fù)荷需求側(cè)響應(yīng)業(yè)務(wù)等。mMTC主要支撐分布式能源調(diào)控及高級計量等業(yè)務(wù)。

目前，配電自動化、用電信息采集、巡檢機器人、視頻監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)控、電動汽車充電樁、混合顯示移動作業(yè)、應(yīng)急通信業(yè)務(wù)均通過了5G 的現(xiàn)場測試，測試結(jié)果如表5 所示。通信技術(shù)匹配智能電網(wǎng)不同業(yè)務(wù)場景需求如表6所示。

表5 電力業(yè)務(wù)測試結(jié)果

表6 通信技術(shù)匹配智能電網(wǎng)不同業(yè)務(wù)場景需求

5 結(jié)語

在業(yè)務(wù)性能和5G 網(wǎng)絡(luò)的匹配中，生產(chǎn)控制類應(yīng)用場景，對安全性要求比較高，要求實現(xiàn)與管理信息類業(yè)務(wù)應(yīng)用的物理隔離，對時延有較高的要求，但速率不高，同時還存在海量終端接入的情況，對網(wǎng)絡(luò)接入存在一定的需求，適配于低時延高可靠場景和海量接入場景。信息采集類應(yīng)用場景，以視頻圖像的數(shù)據(jù)傳輸為主，如視頻等帶寬較大的業(yè)務(wù)，對時延、接入量要求不高，但數(shù)據(jù)傳輸帶寬要求較高，適配超大帶寬場景。采集類應(yīng)用場景中，屬于物聯(lián)網(wǎng)性質(zhì)的低速率、廣分布的業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸帶寬、時延要求不高，但是終端數(shù)量巨大，適配海量接入場景。移動應(yīng)用類的終端具有移動性廣域性的特點，在大范圍內(nèi)移動過程中存在數(shù)據(jù)傳輸，同時某些業(yè)務(wù)還具有采集類場景海量接入的需求，適配于廣域移動接入場景和海量接入場景。在業(yè)務(wù)安全需求與5G 網(wǎng)絡(luò)的匹配中，分析了電力5G 通信網(wǎng)絡(luò)在無線網(wǎng)、核心網(wǎng)及傳輸網(wǎng)三個層面所采取的安全技術(shù)及組網(wǎng)方式，能夠滿足安全需求。在時間同步需求方面，電網(wǎng)的電力調(diào)度和故障分析判斷對時間同步有廣泛需求，尤其在實時控制領(lǐng)域，電力自動化設(shè)備直接使用時間同步系統(tǒng)實現(xiàn)時間同步。從業(yè)務(wù)時間同步需求與5G網(wǎng)絡(luò)匹配的角度分析，5G 網(wǎng)絡(luò)eMBB 場景的時間精度可以滿足絕大多數(shù)電力業(yè)務(wù)的時間同步需求，隨著5G 場景進一步發(fā)展和授時方案的不斷成熟，未來電力業(yè)務(wù)可采用5G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)授時和守時功能。