5G智能電網應用場景及特點

 

結合5G的技術發展，未來5G+智能電網的應用可歸納為十大愿景，分別為配電網控制保護、電網狀態感知、多無人跡協同作業、智能機器人、智慧用能、應急通信、遠程診斷、云VR/AR、現場AI輔助、移動辦公。圍繞十大愿景，南方電網總結了約50類具體的業務場景。

 

對上述業務場景，目前采用了多種方式進行通信，主要包括光纖、無線公網(2G/4G)、NB-IoT、Wi-Fi等。隨著智能電網的發展，后續業務呈現出分布式部署、實時感知、精準控制、海量連接等特點，隨之對網絡帶寬容量、端到端時延、安全保障、靈活接入等提出了更大挑戰。

 

在分布式部署、精準控制方面，目前配電網的保護主要為線路級，響應控制時間為秒級別，線路故障影響面較大，保護、恢復等大多需要人工操作。未來隨著智能分布式配網終端的廣泛應用，連接模式將出現更多的分布式點到點連接，隨著用電負荷需求側響應、分布式能源調控等應用，主站系統將逐步下沉，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。

 

在實時感知、海量連接方面，目前計量數據采集頻次較低，一般為天級，控制能力相對粗放，一般為秒級、線路級；未來隨著新能源并網、分布式能源調控、用電負荷需求側響應等業務發展，逐步實現電表直抄，連接數將大幅增長，數據采集頻次將提升至分鐘級，精準控制能力將提升至毫秒級、節點級。此外，結合物聯網、AI等新技術發展，衍生出機器人、無人機、基于物聯網的融合狀態監測、智能家居等應用，呈現出連接大幅增長、帶寬需求爆發，融合采集與工業控制相結合等發展趨勢。

 

5G智能電網應用實踐

 

自2018年以來，依托5G規模組網建設與應用示范工程，南方電網聯合中國移動、華為等單位，從頂層設計、國際標準、關鍵技術、現網試點到業務運營，開展了一系列卓有成效的5G創新應用合作，創造了多項“行業第一”，全面實現了技術和業務雙領先。

 

一是3GPP國際標準制定。

 

自2018年2月南方電網公司成為國內能源領域唯一3GPP/CCSA全權會員以來，已累計向3GPP提交30余篇電力需求/技術實現提案，16篇被納入9項標準，內容涉及5G網絡授時、5G承載配網差動保護、網絡能力開放、網絡切片管理等。后續將在網絡體系架構、確定性時延保障、安全可信接入、資源編排優化、業務性能測量等方面提交更多的電力需求/實現提案，為今后大規模應用奠定基礎。

 

二是發布《5G助力智能電網應用白皮書》。

 

2018年6月27日，在上海世界移動大會期間，南方電網公司與中國移動、華為公司聯合對外正式發布《5G助力智能電網應用白皮書》。這是5G電網領域應用的第一份正式宣告，將電網特色需求融入5G解決方案，表達了南南方電網訴求和立場。白皮書首次給出了5G端到端網絡切片總體架構，提出了適合電力行業的基于端、管、云、安全四大領域的智能電網端到端網絡切片解決方案。

 

三是國內外首例5G承載電網控制業務現場測試驗證。

 

2019年1月，在深圳完成了國內外首例基于5G網絡的配網分布式差動保護業務外場測試，首次驗證了5G網絡的低時延(<15毫秒)及高精度網絡授時能力(<10微秒)滿足電網控制類業務需求；2019年5月，在深圳完成了國內外首例基于5G的配電網同步相量測量外場綜合測試，解決了裝置間絕對時間難以同步和通信時延這兩個技術痛點；2020年1月9日，選取深圳局2條站內10kV饋線和4個站外環網柜，完成了國內外首條基于5G SA網絡的配網分布式差動保護跨基站承載現場測試，同時利用網絡切片保證了不同分區業務的安全隔離，測試指標滿足5G承載電網控制類業務毫秒級低時延和微秒級高精度網絡授時的苛刻需求。

 

四是國內外首例5G SA網絡切片功能驗證及運營管理全流程拉通。

 

2019年6月，通過部署電力專用核心網設備，改造基于FlexE的SPN承載網，采用5QI等級的業務優先調度機制，在深圳坂田測試驗證了國內外首例基于5G SA架構的無線、傳輸、核心網端到端網絡切片的基本功能(如切片配置、發布、實例化、性能監測等)，實現了不同分區電力切片間業務互不影響，業務QoS可保障。2019年9月，在深圳實現了國內外首例5G SA網絡切片從切片定購、切片配置、切片部署到切片監控的全流程拉通，切片運行狀態及業務性能全程可監測，初步驗證了切片全生命周期管理流程和手段。

 

直面多方面挑戰

 

電力行業采用5G技術提升自身生產水平，還需要迎接多方面挑戰。

 

一是5G的技術標準仍未完全凍結，尤其在R18中針對智能電網的專項標準才剛起步，后續技術實現上仍有一定的不確定性。3GPP在2020年上半年完成R16版本后，對uRLLC的標準基本完成，但對mMTC的標準仍在制定中，針對智能電網的R18標準僅處于起步階段，技術的實現及相關解決方案仍有一定的不確定性和可塑性。

 

二是5G承載智能電網業務的安全可靠性仍未有官方認證。對于5G技術的安全能力提升、相關的安全解決方案以及其在電力應用中是否能達到電力安全隔離的要求，目前尚未得到國家相關權威機構的認證測評。

 

三是面向5G的智能電網業務特點的技術需要持續優化。對于電力行業，如何解決電力業務接入進行有效規劃、以及解決電力小顆粒帶寬的高效承載技術，如適配電網安全分區業務的SPN/IP-RAN承載網技術，目前結業并沒有成熟解決方案，相關的設備功能也在不斷地改進優化中。在業務的高性能承載方面，電網業務有著自己的特點，電力業務有高精度授時(如差動保護、PMU等)、小顆粒帶寬持續傳輸(自動化、計量、差動保護等)、確定性時延(如差動保)、多協議適配(如基于L3的104規約、L2的Goose規約等)，均需要5G在網絡設計實現上，引入優化措施才能更好地滿足上述需求。

 

四是適配電力業務的通信終端、通信模塊的僅處于起步階段，需要拉通產業進一步降低終端成本，促進5G智能電網規模應用。2020年8月，具備網絡授時功能的電力5G CPE面世，并順利通過業務測試驗證，但適配電力業務的通信終端成本仍然較高，缺乏標準，需要進一步拉通產業進行孵化推廣。

 

五是目前5G智能電網應用仍乏技術標準。5G在電力業務的多種應用處于起步階段，尚未到達規模應用程度，業務的接入、網絡承載、安全管理、業務運營等方面標準相對空白，需要面向5G智能電網規模商用，構建全方面的標準化體系，包括業務申請、網絡承載、終端接入、平臺管控、業務保障、運營維護、安全保障等方面，以促進產業標準化，支撐后續業務規模化發展。

 

六是5G智能電網應用尚未有明確的商業管理模式需要進一步探索。運營商與電網的5G商業模式仍未明朗。未來可能有多種模式，按流量資費、按SLA服務能力收費(帶寬、確定性時延保障等)、按照切片模式收費等仍未明確，同時電網在5G建設初期，是否可以通過與運營商通過基礎資源互換的方式來降低使用成本，等問題均仍待討論。

 

三步走實現融合發展

 

未來，南方電網將從以下三個方面發力，推動5G與電力產業融合發展。

 

一是積極開展試點，并推動安全測評認證。南方電網將積極開展5G業務驗證及應用示范，面臨網絡安全威脅及安全隔離性等不確定問題，盡快形成5G承載電網不同分區業務的網絡安全要求及檢測評估方法，并邀請第三方國家級權威測評機構開展現網實測，加快推動5G承載電力業務的安全認證測評工作。

 

二是加快電網與運營商之間跨行業5G創新商業模式和資源共建共享合作方式的探索進程。在集團層面加速推進未來5G大規模承載電網業務情況下，電網企業與電信運營商之間在業務運營、資費管理、安全措施、職責分工、運維保障等方面的創新商業合作模式。可以由專業部門成立專業團隊，結合電網內部資源特點及政策，盡快開展面向5G規模商用的跨產業資源共建共享合作模式研究。

 

三是與產業各方共同推動5G智能電網標準化體系建設，營造良好生態圈，加快產業進展。南方電網將持續跟進5G標準，尤其積極參與3GPP R18的標準制定，通過5G應用產業方陣(5GAIA)、5G確定性網絡聯盟(5GDN)等組織，與產業各方進一步推動智能電網領域5G相關的技術研究、產品研制、測試驗證、標準制定等工作，共同引領產業鏈發展，孵化5G創新應用及產品。