5G智能電網(wǎng)應用場景及特點

 

結(jié)合5G的技術發(fā)展，未來5G+智能電網(wǎng)的應用可歸納為十大愿景，分別為配電網(wǎng)控制保護、電網(wǎng)狀態(tài)感知、多無人跡協(xié)同作業(yè)、智能機器人、智慧用能、應急通信、遠程診斷、云VR/AR、現(xiàn)場AI輔助、移動辦公。圍繞十大愿景，南方電網(wǎng)總結(jié)了約50類具體的業(yè)務場景。

 

對上述業(yè)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(wǎng)(2G/4G)、NB-IoT、Wi-Fi等。隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，后續(xù)業(yè)務呈現(xiàn)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(wǎng)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(zhàn)。

 

在分布式部署、精準控制方面，目前配電網(wǎng)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(wǎng)終端的廣泛應用，連接模式將出現(xiàn)更多的分布式點到點連接，隨著用電負荷需求側(cè)響應、分布式能源調(diào)控等應用，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，時延需求將達到毫秒級。

 

在實時感知、海量連接方面，目前計量數(shù)據(jù)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(wǎng)、分布式能源調(diào)控、用電負荷需求側(cè)響應等業(yè)務發(fā)展，逐步實現(xiàn)電表直抄，連接數(shù)將大幅增長，數(shù)據(jù)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(jié)點級。此外，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、AI等新技術發(fā)展，衍生出機器人、無人機、基于物聯(lián)網(wǎng)的融合狀態(tài)監(jiān)測、智能家居等應用，呈現(xiàn)出連接大幅增長、帶寬需求爆發(fā)，融合采集與工業(yè)控制相結(jié)合等發(fā)展趨勢。

 

5G智能電網(wǎng)應用實踐

 

自2018年以來，依托5G規(guī)模組網(wǎng)建設與應用示范工程，南方電網(wǎng)聯(lián)合中國移動、華為等單位，從頂層設計、國際標準、關鍵技術、現(xiàn)網(wǎng)試點到業(yè)務運營，開展了一系列卓有成效的5G創(chuàng)新應用合作，創(chuàng)造了多項“行業(yè)第一”，全面實現(xiàn)了技術和業(yè)務雙領先。

 

一是3GPP國際標準制定。

 

自2018年2月南方電網(wǎng)公司成為國內(nèi)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(xiàn)提案，16篇被納入9項標準，內(nèi)容涉及5G網(wǎng)絡授時、5G承載配網(wǎng)差動保護、網(wǎng)絡能力開放、網(wǎng)絡切片管理等。后續(xù)將在網(wǎng)絡體系架構、確定性時延保障、安全可信接入、資源編排優(yōu)化、業(yè)務性能測量等方面提交更多的電力需求/實現(xiàn)提案，為今后大規(guī)模應用奠定基礎。

 

二是發(fā)布《5G助力智能電網(wǎng)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(wǎng)公司與中國移動、華為公司聯(lián)合對外正式發(fā)布《5G助力智能電網(wǎng)應用白皮書》。這是5G電網(wǎng)領域應用的第一份正式宣告，將電網(wǎng)特色需求融入5G解決方案，表達了南南方電網(wǎng)訴求和立場。白皮書首次給出了5G端到端網(wǎng)絡切片總體架構，提出了適合電力行業(yè)的基于端、管、云、安全四大領域的智能電網(wǎng)端到端網(wǎng)絡切片解決方案。

 

三是國內(nèi)外首例5G承載電網(wǎng)控制業(yè)務現(xiàn)場測試驗證。

 

2019年1月，在深圳完成了國內(nèi)外首例基于5G網(wǎng)絡的配網(wǎng)分布式差動保護業(yè)務外場測試，首次驗證了5G網(wǎng)絡的低時延(<15毫秒)及高精度網(wǎng)絡授時能力(<10微秒)滿足電網(wǎng)控制類業(yè)務需求；2019年5月，在深圳完成了國內(nèi)外首例基于5G的配電網(wǎng)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(nèi)10kV饋線和4個站外環(huán)網(wǎng)柜，完成了國內(nèi)外首條基于5G SA網(wǎng)絡的配網(wǎng)分布式差動保護跨基站承載現(xiàn)場測試，同時利用網(wǎng)絡切片保證了不同分區(qū)業(yè)務的安全隔離，測試指標滿足5G承載電網(wǎng)控制類業(yè)務毫秒級低時延和微秒級高精度網(wǎng)絡授時的苛刻需求。

 

四是國內(nèi)外首例5G SA網(wǎng)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(wǎng)設備，改造基于FlexE的SPN承載網(wǎng)，采用5QI等級的業(yè)務優(yōu)先調(diào)度機制，在深圳坂田測試驗證了國內(nèi)外首例基于5G SA架構的無線、傳輸、核心網(wǎng)端到端網(wǎng)絡切片的基本功能(如切片配置、發(fā)布、實例化、性能監(jiān)測等)，實現(xiàn)了不同分區(qū)電力切片間業(yè)務互不影響，業(yè)務QoS可保障。2019年9月，在深圳實現(xiàn)了國內(nèi)外首例5G SA網(wǎng)絡切片從切片定購、切片配置、切片部署到切片監(jiān)控的全流程拉通，切片運行狀態(tài)及業(yè)務性能全程可監(jiān)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(zhàn)

 

電力行業(yè)采用5G技術提升自身生產(chǎn)水平，還需要迎接多方面挑戰(zhàn)。

 

一是5G的技術標準仍未完全凍結(jié)，尤其在R18中針對智能電網(wǎng)的專項標準才剛起步，后續(xù)技術實現(xiàn)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(wǎng)的R18標準僅處于起步階段，技術的實現(xiàn)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(wǎng)業(yè)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(wǎng)業(yè)務特點的技術需要持續(xù)優(yōu)化。對于電力行業(yè)，如何解決電力業(yè)務接入進行有效規(guī)劃、以及解決電力小顆粒帶寬的高效承載技術，如適配電網(wǎng)安全分區(qū)業(yè)務的SPN/IP-RAN承載網(wǎng)技術，目前結(jié)業(yè)并沒有成熟解決方案，相關的設備功能也在不斷地改進優(yōu)化中。在業(yè)務的高性能承載方面，電網(wǎng)業(yè)務有著自己的特點，電力業(yè)務有高精度授時(如差動保護、PMU等)、小顆粒帶寬持續(xù)傳輸(自動化、計量、差動保護等)、確定性時延(如差動保)、多協(xié)議適配(如基于L3的104規(guī)約、L2的Goose規(guī)約等)，均需要5G在網(wǎng)絡設計實現(xiàn)上，引入優(yōu)化措施才能更好地滿足上述需求。

 

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

 

五是目前5G智能電網(wǎng)應用仍乏技術標準。5G在電力業(yè)務的多種應用處于起步階段，尚未到達規(guī)模應用程度，業(yè)務的接入、網(wǎng)絡承載、安全管理、業(yè)務運營等方面標準相對空白，需要面向5G智能電網(wǎng)規(guī)模商用，構建全方面的標準化體系，包括業(yè)務申請、網(wǎng)絡承載、終端接入、平臺管控、業(yè)務保障、運營維護、安全保障等方面，以促進產(chǎn)業(yè)標準化，支撐后續(xù)業(yè)務規(guī)?；l(fā)展。

 

六是5G智能電網(wǎng)應用尚未有明確的商業(yè)管理模式需要進一步探索。運營商與電網(wǎng)的5G商業(yè)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(wǎng)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(xiàn)融合發(fā)展

 

未來，南方電網(wǎng)將從以下三個方面發(fā)力，推動5G與電力產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展。

 

一是積極開展試點，并推動安全測評認證。南方電網(wǎng)將積極開展5G業(yè)務驗證及應用示范，面臨網(wǎng)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(wǎng)不同分區(qū)業(yè)務的網(wǎng)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(xiàn)網(wǎng)實測，加快推動5G承載電力業(yè)務的安全認證測評工作。

 

二是加快電網(wǎng)與運營商之間跨行業(yè)5G創(chuàng)新商業(yè)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(guī)模承載電網(wǎng)業(yè)務情況下，電網(wǎng)企業(yè)與電信運營商之間在業(yè)務運營、資費管理、安全措施、職責分工、運維保障等方面的創(chuàng)新商業(yè)合作模式?？梢杂蓪I(yè)部門成立專業(yè)團隊，結(jié)合電網(wǎng)內(nèi)部資源特點及政策，盡快開展面向5G規(guī)模商用的跨產(chǎn)業(yè)資源共建共享合作模式研究。

 

三是與產(chǎn)業(yè)各方共同推動5G智能電網(wǎng)標準化體系建設，營造良好生態(tài)圈，加快產(chǎn)業(yè)進展。南方電網(wǎng)將持續(xù)跟進5G標準，尤其積極參與3GPP R18的標準制定，通過5G應用產(chǎn)業(yè)方陣(5GAIA)、5G確定性網(wǎng)絡聯(lián)盟(5GDN)等組織，與產(chǎn)業(yè)各方進一步推動智能電網(wǎng)領域5G相關的技術研究、產(chǎn)品研制、測試驗證、標準制定等工作，共同引領產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，孵化5G創(chuàng)新應用及產(chǎn)品。