5G智能電網(wǎng)應(yīng)用場景及特點

 

結(jié)合5G的技術(shù)發(fā)展，未來5G+智能電網(wǎng)的應(yīng)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(yīng)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(wù)場景。

 

對上述業(yè)務(wù)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(wù)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(luò)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(yīng)控制時間為秒級別，線路故障影響面較大，保護、恢復(fù)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(yīng)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(yīng)、分布式能源調(diào)控等應(yīng)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(yīng)等業(yè)務(wù)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(shù)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(yīng)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(yīng)用實踐

 

自2018年以來，依托5G規(guī)模組網(wǎng)建設(shè)與應(yīng)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(shè)計、國際標準、關(guān)鍵技術(shù)、現(xiàn)網(wǎng)試點到業(yè)務(wù)運營，開展了一系列卓有成效的5G創(chuàng)新應(yīng)用合作，創(chuàng)造了多項“行業(yè)第一”，全面實現(xiàn)了技術(shù)和業(yè)務(wù)雙領(lǐng)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(lǐng)域唯一3GPP/CCSA全權(quán)會員以來，已累計向3GPP提交30余篇電力需求/技術(shù)實現(xiàn)提案，16篇被納入9項標準，內(nèi)容涉及5G網(wǎng)絡(luò)授時、5G承載配網(wǎng)差動保護、網(wǎng)絡(luò)能力開放、網(wǎng)絡(luò)切片管理等。后續(xù)將在網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)、確定性時延保障、安全可信接入、資源編排優(yōu)化、業(yè)務(wù)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(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

 

二是發(fā)布《5G助力智能電網(wǎng)應(yīng)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(yīng)用白皮書》。這是5G電網(wǎng)領(lǐng)域應(yīng)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(luò)切片總體架構(gòu)，提出了適合電力行業(yè)的基于端、管、云、安全四大領(lǐng)域的智能電網(wǎng)端到端網(wǎng)絡(luò)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(wù)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(luò)的配網(wǎng)分布式差動保護業(yè)務(wù)外場測試，首次驗證了5G網(wǎng)絡(luò)的低時延(<15毫秒)及高精度網(wǎng)絡(luò)授時能力(<10微秒)滿足電網(wǎng)控制類業(yè)務(wù)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(shù)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(luò)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(luò)切片保證了不同分區(qū)業(yè)務(wù)的安全隔離，測試指標滿足5G承載電網(wǎng)控制類業(yè)務(wù)毫秒級低時延和微秒級高精度網(wǎng)絡(luò)授時的苛刻需求。

 

四是國內(nèi)外首例5G SA網(wǎng)絡(luò)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(shè)備，改造基于FlexE的SPN承載網(wǎng)，采用5QI等級的業(yè)務(wù)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(gòu)的無線、傳輸、核心網(wǎng)端到端網(wǎng)絡(luò)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(wù)互不影響，業(yè)務(wù)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(luò)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(wù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)的實現(xiàn)及相關(guān)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(wù)的安全可靠性仍未有官方認證。對于5G技術(shù)的安全能力提升、相關(guān)的安全解決方案以及其在電力應(yīng)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(guān)權(quán)威機構(gòu)的認證測評。

 

三是面向5G的智能電網(wǎng)業(yè)務(wù)特點的技術(shù)需要持續(xù)優(yōu)化。對于電力行業(yè)，如何解決電力業(yè)務(wù)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(shù)，如適配電網(wǎng)安全分區(qū)業(yè)務(wù)的SPN/IP-RAN承載網(wǎng)技術(shù)，目前結(jié)業(yè)并沒有成熟解決方案，相關(guān)的設(shè)備功能也在不斷地改進優(yōu)化中。在業(yè)務(wù)的高性能承載方面，電網(wǎng)業(yè)務(wù)有著自己的特點，電力業(yè)務(wù)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(luò)設(shè)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(wù)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(yīng)用。2020年8月，具備網(wǎng)絡(luò)授時功能的電力5G CPE面世，并順利通過業(yè)務(wù)測試驗證，但適配電力業(yè)務(wù)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(yīng)用仍乏技術(shù)標準。5G在電力業(yè)務(wù)的多種應(yīng)用處于起步階段，尚未到達規(guī)模應(yīng)用程度，業(yè)務(wù)的接入、網(wǎng)絡(luò)承載、安全管理、業(yè)務(wù)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(gòu)建全方面的標準化體系，包括業(yè)務(wù)申請、網(wǎng)絡(luò)承載、終端接入、平臺管控、業(yè)務(wù)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(wù)規(guī)模化發(fā)展。

 

六是5G智能電網(wǎng)應(yīng)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(wù)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(shè)初期，是否可以通過與運營商通過基礎(chǔ)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(wù)驗證及應(yīng)用示范，面臨網(wǎng)絡(luò)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(wù)的網(wǎng)絡(luò)安全要求及檢測評估方法，并邀請第三方國家級權(quán)威測評機構(gòu)開展現(xiàn)網(wǎng)實測，加快推動5G承載電力業(yè)務(wù)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(wù)情況下，電網(wǎng)企業(yè)與電信運營商之間在業(yè)務(wù)運營、資費管理、安全措施、職責(zé)分工、運維保障等方面的創(chuàng)新商業(yè)合作模式。可以由專業(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(shè)，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(yīng)用產(chǎn)業(yè)方陣(5GAIA)、5G確定性網(wǎng)絡(luò)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(lǐng)域5G相關(guān)的技術(shù)研究、產(chǎn)品研制、測試驗證、標準制定等工作，共同引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，孵化5G創(chuàng)新應(yīng)用及產(chǎn)品。