完顏紹澎，于 佳

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

0 引言

近年來，國家在信息通信產業(yè)發(fā)展及共享經濟方面提出了更高要求，明確信息通信基礎設施是各種新興產業(yè)發(fā)展的載體和基石。工信部向中國移動、中國電信、中國聯通和中國廣電4 家公司發(fā)放5G 正式商用牌照，中國5G 網絡建設進入快速部署階段，中國5G 標準與進程將引領世界5G 網絡的發(fā)展。因此，未來一段時期內運營商對5G 共享基站的需求將會呈現井噴式爆發(fā)。

在能源互聯網建設的驅動下，電網存量業(yè)務亟須優(yōu)化提升，新興業(yè)務蓬勃發(fā)展，網絡安全要求越來越高，各類業(yè)務對無線通信指標要求越來越高［1-3］。230 MHz 專網和4G 公網無法完全滿足單位面積內的海量連接、帶寬接入和低時延業(yè)務需求，無法支撐泛在電力物聯網業(yè)務發(fā)展［4-5］。而光纖專網雖然具有高帶寬、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，為應對能源生產消費變革推動電網向能源互聯網升級，迫切需要建設低時延、大連接、大帶寬的5G 網絡，以從根本上滿足能源互聯網建設與發(fā)展中各類業(yè)務需求和網絡安全要求，形成電網新業(yè)態(tài)，推動能源生態(tài)圈的質效提升和業(yè)態(tài)變革，保障電力網絡安全自主可控，推動網絡強國建設，落實國家能源安全新戰(zhàn)略［7-8］。

電力的業(yè)務能否與5G 網絡匹配，是重點研究的內容。通過對電網業(yè)務的分析與梳理，未來控制類業(yè)務連接模式將出現更多的分布式點對點連接，主站系統(tǒng)將逐步下沉，出現更多的本地就近控制，且與主網控制聯動的需求，時延需求將達到毫秒級［9-11］。電網控制類業(yè)務的時延達到毫秒級，可靠性需求將提高到99.999%［12］；采集類業(yè)務種類將激增，且在覆蓋廣度上將提高50～100 倍，達到數十億級別，接入密度將增加至約6 000 個/km2［13］；移動應用類業(yè)務單終端通信速率50 Mbit/s 帶寬，時延要求將達到數十毫秒。

1 電力業(yè)務與運營商5G網絡匹配度分析

1.1 業(yè)務性能需求與5G網絡匹配度分析

將電力業(yè)務按服務質量（Quality of Service，QoS）性能需求進行分類，電力業(yè)務與5G 網絡的匹配度，按業(yè)務性能可將電力業(yè)務分為生產控制類、信息管理類、采集類及移動應用類4 種場景。電力業(yè)務性能需求與5G網絡場景匹配度見表1。

表1 電力業(yè)務性能需求與5G網絡場景匹配度

電力業(yè)務場景與5G典型場景存在一定的匹配關系，但同時又交叉融合，由于第三代合作伙伴計劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）現有標準僅凍結了增強移動寬帶（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）場景的標準還處在研究階段，，加之電網業(yè)務場景與5G網絡場景并非一一對應關系，對5G 在電力系統(tǒng)的應用提出了更高的要求［16］。

1.2 業(yè)務判決方式與5G網絡匹配度分析

運營商建設5G 基站覆蓋次序是否與電力5G 業(yè)務的時間分布一致。根據電力業(yè)務的判決方式進行分類，主要包括本地判決類和遠端判決類。本地判決類業(yè)務是指業(yè)務終端數據本地傳輸、本地處理，業(yè)務數據不出園區(qū)，遠端判決類業(yè)務是指業(yè)務終端數據通過核心網用戶端口功能（User Port Function，UPF）經過安全接入區(qū)上傳業(yè)務主站，主站處理再下發(fā)至終端進行動作。電力業(yè)務判決方式與5G 網絡場景匹配度見表2。

表2 電力業(yè)務判決方式與5G網絡場景匹配度

電力業(yè)務與5G 網絡匹配及網絡建設流程如圖1所示，首先按業(yè)務空間分布進行5G 網絡布局，確定5G 網絡優(yōu)先需要覆蓋的區(qū)域，以明確當前網絡重點解決的業(yè)務需求，之后在重點區(qū)域內通過業(yè)務性能模型進行5G 網絡的場景匹配以確定5G 網絡需要分配的切片類型，最后根據具體業(yè)務的判決方式進行5G 網絡的部署以確定UPF 等核心網元共享模式及下沉位置。結合以上步驟完成最后的工程造價分析，包括業(yè)務開通費用、切片費用及網絡建設費用。

圖1 業(yè)務與5G網絡匹配及網絡建設流程

2 電力業(yè)務與運營商5G性能匹配度

2.1 電力業(yè)務時延需求與5G空口性能匹配

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

圖2 5G空口時延估算

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

2.2 業(yè)務時間同步需求與5G時間性能匹配

電網的電力調度和故障分析判斷對時間同步有廣泛需求［18］，尤其在實時控制領域，電力自動化設備（系統(tǒng)）直接使用時間同步系統(tǒng)實現時間同步。根據電力業(yè)務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 網絡針對eMBB 場景的時間精度需求可達到1.5 μs，同時3GPP 標準引入的時間基準參數將進一步提高時間分辨率。電力業(yè)務的時間精度需求與5G 網絡的匹配見表3，從業(yè)務時間同步需求與5G 網絡匹配的角度分析，5G 網絡eMBB 場景的時間精度可以滿足絕大多數電力業(yè)務的時間同步需求，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)務可采用5G 網絡實現授時和守時功能。

表3 電力業(yè)務時間精度需求與5G網絡的匹配

2.3 業(yè)務安全需求與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)應滿足橫向隔離、縱向認證及設備網絡容災備份的要求［19］。

電力業(yè)務安全需求與5G 網絡匹配度分析見表4，通過將電力監(jiān)控系統(tǒng)安防需求與3GPP 標準進行匹配，分析了電力5G 通信網絡在無線網、核心網及傳輸網3個層面所采取的安全技術及組網方式。

表4 業(yè)務安全需求與5G網絡匹配度分析

3 電力業(yè)務與運營商5G信號特征匹配度

3.1 采集類持續(xù)上行業(yè)務的5G信號匹配

以配網差動保護業(yè)務為例，每一個保護終端都通過通信通道將本端的電氣測量數據發(fā)送給對端，同時接收對端發(fā)送的數據并加以比較，判斷故障位置是否在保護范圍內，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)送一次數據，單次數據量為245 字節(jié)，通信帶寬需求為2.36 Mbit/s。由于配網故障發(fā)生是隨機的，配網差動保護需要持續(xù)實時通信傳遞數據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)通信也將產生大量的網絡流量，單個終端平均每月上網流量約為886 GB，對網絡的流量承載能力要求高。的隔離性要求，推薦針對電力生產控制大區(qū)業(yè)務采用基于資源預留的物理隔離方案，針對電力管理信息大區(qū)業(yè)務采用基于優(yōu)先級調度的邏輯隔離方案。

3.2 低時延高可靠業(yè)務的5G信號匹配

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

2）對連續(xù)丟包性能的需求。丟包是指一個或多個數據包無法在規(guī)定的時間內通過網絡傳輸到達目的地。連續(xù)丟包可能會影響業(yè)務的正常運行。以配網差動保護為例，為了保證業(yè)務的順利開展，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)送的數據包，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，同時產生差動保護閉鎖告警信號并上傳至配電主站；當通信恢復和數據正常保持大于40 ms后解鎖閉鎖，差動保護邏輯模塊恢復正常運行，同時產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)務的順利進行，要求連續(xù)丟包數＜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占全年總分鐘數之比，是電力客戶與運營商的主要銜接指標。以配電網差動保護為例，配電網差動保護依賴對端持續(xù)發(fā)送的電流實時測量數據以判別故障，通信通道是否可用直接影響配電網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)要求一個配電網差動保護判斷周期內（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，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)的逐步推廣應用，電力行業(yè)在利用好5G 的技術優(yōu)勢的同時應保障電力安全防護要求，實現5G 網絡對智能電網各類電力業(yè)務的靈活承載，數據的安全傳輸。電力5G 安全架構需要從終端安全、網絡設備及通道安全、接入區(qū)安全等方面考慮。電力5G總體安全防護架構如圖3所示。

圖3 電力5G專屬網絡安全防護框架

終端安全包括端到端的安全認證，5G 終端接入安全接入區(qū)需要進行芯片級加密認證，進行訪問控制和網絡攻擊檢測；內網的邊界采用公司專用的安全接入平臺實現無線業(yè)務終端到網絡邊界的加密傳輸、終端合法性認證和數據隔離交換等安全功能。

通道安全主要包括在運營商網絡中傳輸電力專網數據以實現不同類型業(yè)務之間專用網絡的相互隔離，其中，接入生產控制大區(qū)和管理信息大區(qū)的業(yè)務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)務之間，以及生產控制大區(qū)的不同業(yè)務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切片、承載網切片和核心網切片統(tǒng)一考慮，涉及切片管理安全、切片授權安全等技術。其中切片管理安全包括網絡切片控制器攻擊防范和業(yè)務配置管理面攻擊防范，切片授權安全要求能夠提供切片內認證和授權機制，防止非授權用戶訪問切片資源。

接入區(qū)安全指生產控制大區(qū)的業(yè)務系統(tǒng)在與其終端的縱向連接中使用無線通信網、電力企業(yè)其他數據網（非電力調度數據網）或者外部公用數據網的虛擬專用網絡方式等進行通信時應設立安全接入區(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絡安全接入網關。

電力系統(tǒng)中的裝置如PMU、保護終端、開閉所終端設備等都內置了時鐘，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，導致其相應的采集量也會出現時間偏差，進而影響電力業(yè)務的正確執(zhí)行。以配電網差動保護為例，線路兩端保護終端不同步將導致線路兩端差動電流IA-IB數值計算不準確，影響差動電流計算和保護邏輯判斷的準確性。因此，需要通過衛(wèi)星授時等技術來實現全網設備和采集量的同步對時。實際工程中，配網差動保護要求對時精度＜10 μs，配電網PMU要求對時精度＜1 μs。

4 電力業(yè)務的5G現場測試結果

5G 系統(tǒng)中eMBB、uRLLC、mMTC 三大通信技術將為智能電網中各典型業(yè)務提供能力。按照業(yè)務特征5G 可承載電力業(yè)務可劃分為電網控制類、信息采集類兩大典型場景。其中，電網控制類包含差動保護、配電自動化、用電負荷需求側響應、分布式能源、精準負荷控制等；信息采集類業(yè)務包括高級計量、智能電網大視頻應用、用電信息采集等，其中移動現場施工作業(yè)管控、無人機遠程巡檢、人工維護巡檢等業(yè)務有移動需求。eMBB 主要支撐智能電網的大視頻應用，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、移動現場施工作業(yè)管控、應急現場綜合自主網應用等。uRLLC 主要支撐分布式配電自動化、用電負荷需求側響應業(yè)務等。mMTC主要支撐分布式能源調控及高級計量等業(yè)務。

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)、應急通信業(yè)務均通過了5G 的現場測試，測試結果如表5 所示。通信技術匹配智能電網不同業(yè)務場景需求如表6所示。

表5 電力業(yè)務測試結果

表6 通信技術匹配智能電網不同業(yè)務場景需求

5 結語

在業(yè)務性能和5G 網絡的匹配中，生產控制類應用場景，對安全性要求比較高，要求實現與管理信息類業(yè)務應用的物理隔離，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，對網絡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。信息采集類應用場景，以視頻圖像的數據傳輸為主，如視頻等帶寬較大的業(yè)務，對時延、接入量要求不高，但數據傳輸帶寬要求較高，適配超大帶寬場景。采集類應用場景中，屬于物聯網性質的低速率、廣分布的業(yè)務，業(yè)務數據傳輸帶寬、時延要求不高，但是終端數量巨大，適配海量接入場景。移動應用類的終端具有移動性廣域性的特點，在大范圍內移動過程中存在數據傳輸，同時某些業(yè)務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)務安全需求與5G 網絡的匹配中，分析了電力5G 通信網絡在無線網、核心網及傳輸網三個層面所采取的安全技術及組網方式，能夠滿足安全需求。在時間同步需求方面，電網的電力調度和故障分析判斷對時間同步有廣泛需求，尤其在實時控制領域，電力自動化設備直接使用時間同步系統(tǒng)實現時間同步。從業(yè)務時間同步需求與5G網絡匹配的角度分析，5G 網絡eMBB 場景的時間精度可以滿足絕大多數電力業(yè)務的時間同步需求，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)務可采用5G網絡實現授時和守時功能。