聶 鵬，谷 峰

（1.國網(wǎng)四川省電力公司，四川 成都 610000；2.四川世紀(jì)星通科技有限公司，四川 成都 610000）

1 電網(wǎng)核心網(wǎng)絡(luò)與5G技術(shù)融合概況

1.1 應(yīng)用概述

5G技術(shù)現(xiàn)已全面運(yùn)用于電網(wǎng)核心網(wǎng)絡(luò)的輸電、變（配）電、用電等環(huán)節(jié)，電網(wǎng)核心網(wǎng)絡(luò)的檢測速度因此變得更快，范圍更大，可以檢測整個配網(wǎng)運(yùn)維系統(tǒng)，能對配網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行情況實(shí)現(xiàn)實(shí)時雙向監(jiān)控，展開各種潛在性的風(fēng)險識別，超前防范并化解安全風(fēng)險。目前來看，分布式電源、毫秒級精準(zhǔn)負(fù)荷控制等則是該技術(shù)未來發(fā)展目標(biāo)，如采集監(jiān)控、實(shí)時控制類業(yè)務(wù)（配電自動化等）將成該項(xiàng)技術(shù)的主要應(yīng)用場景[1]。

1.2 配電自動化

配電自動化實(shí)質(zhì)上是一種綜合性信息管理系統(tǒng)，這種基于計算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)的系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸、控制技術(shù)、現(xiàn)代設(shè)備、現(xiàn)代管理等融于一體，其發(fā)展過程如下。

（1）以自動開關(guān)為主體的配電自動化。分段器、重合器等是本階段的主體設(shè)備，而且沒有計算機(jī)系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建需要。

（2）基于饋線終端單元、通信網(wǎng)絡(luò)和后臺計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的配電自動化。此類設(shè)備同樣可以有效遙控、監(jiān)視正處運(yùn)行狀態(tài)中的電網(wǎng)核心網(wǎng)絡(luò)。

（3）基于饋線終端單元、通信網(wǎng)絡(luò)和后臺計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)+自動控制設(shè)備的配電自動化。本階段的配電自動化系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是綜合自動化系統(tǒng)，集配電網(wǎng)管理系統(tǒng)（變電所自動化、電容器組調(diào)控等）和故障呼叫服務(wù)系統(tǒng)、需方管理（DSM）、配電網(wǎng)SCADA系統(tǒng)等于一體，具有至少140種功能，完善度更高，功能更強(qiáng)。

目前，光伏發(fā)電越來越普及，傳統(tǒng)的電力用戶同時具有發(fā)電方身份，增加了電網(wǎng)運(yùn)維任務(wù)，提高了運(yùn)維壓力。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)配電網(wǎng)并無分布式電源接入冗余設(shè)計，要完成分布式電源接入，既有單電源輻射型網(wǎng)絡(luò)則需要向雙或多電源網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換，這種接入轉(zhuǎn)換一度受困于技術(shù)。但5G技術(shù)問世后順利解決了這個難題，電網(wǎng)的效率、靈活性、可靠性有了明顯提升，網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架變化引發(fā)的問題也因此迎刃而解[2]。因此，配電自動化系統(tǒng)有助于提升供電安全可靠性、提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)、改善電能質(zhì)量、緩解員工工作壓力、節(jié)約運(yùn)行成本。

1.3 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)

從電網(wǎng)建設(shè)的趨勢來看，社會發(fā)展速度加快逐步提高了電力通信承載能力標(biāo)準(zhǔn)，比如，自愈性、安全性、經(jīng)濟(jì)性已經(jīng)成為評價電網(wǎng)質(zhì)量的基本標(biāo)準(zhǔn)，而5G技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，確保電網(wǎng)核心網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行符合用戶需要。這是因?yàn)?G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)會決定性影響電網(wǎng)配電，保障電網(wǎng)運(yùn)行安全、穩(wěn)定。電網(wǎng)電能通常以光速輸送，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性有極高的要求，需要具備按需求、分時段電網(wǎng)控制功能，5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)可以在毫秒級層面實(shí)現(xiàn)智能識別、故障定位、分析、恢復(fù)電網(wǎng)運(yùn)行等。最后1千米內(nèi)的電網(wǎng)設(shè)備接入環(huán)境管理難度更高，而且電表隔日傳輸數(shù)據(jù)約束了數(shù)據(jù)信息時效性分析，這類現(xiàn)實(shí)困境都制約了傳統(tǒng)電網(wǎng)的運(yùn)行效率。5G技術(shù)具有更高的傳輸速率，能以天、小時為單位收集、分析、上傳數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集的速度更快、效率更高，可以全面破解上述難題[3]。

2 電網(wǎng)核心網(wǎng)絡(luò)中的5G技術(shù)應(yīng)用

2.1 廣覆蓋大連接

此類場景的經(jīng)典代表之一是采集用電數(shù)據(jù)和監(jiān)督配網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，前者涵蓋主站、電表等。以用電數(shù)據(jù)流向?yàn)橐罁?jù)，我們可以將用電信息采集分成兩類：其一為上行數(shù)據(jù)信息，即居民、工業(yè)和商業(yè)等低壓側(cè)用戶電表數(shù)據(jù)，上行數(shù)據(jù)采集后通過采集設(shè)備向集中器傳輸，由集中器向主站發(fā)送（基于上行通道），主要用于上報用戶用電數(shù)據(jù)；其二為下行數(shù)據(jù)信息，即主站基于集中器、專變終端向電表發(fā)送指令信息，實(shí)現(xiàn)安全認(rèn)證和開關(guān)控制等意圖。數(shù)據(jù)采集單位通常為小時或天。國內(nèi)現(xiàn)已普遍采用電能采集、配網(wǎng)監(jiān)測技術(shù)，問題在于大部分電表僅能以天為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這給數(shù)據(jù)分析造成了一定的障礙，而這方面的制約將會因5G技術(shù)的應(yīng)用迎刃而解，因?yàn)?G技術(shù)的通信速率高，有助于電力數(shù)據(jù)采集與發(fā)送。

2.2 低延遲高可靠性

（1）配網(wǎng)自動化?！?0 kV配網(wǎng)中的自動化終端是指智能TTU、開閉所DTU、柱上開關(guān)FTU等，此類設(shè)備負(fù)責(zé)線路相關(guān)參數(shù)（溫度、電流和電壓）的收集與監(jiān)測，利用無線網(wǎng)向市級公司發(fā)送數(shù)據(jù)，且由后者向主站傳輸，由主站基于全網(wǎng)單一節(jié)點(diǎn)配網(wǎng)信息或饋線全面分析、處理，以便識別、定位用電設(shè)備或故障線路，為安全、可靠供電提供保障。

（2）差動保護(hù)。高壓電網(wǎng)通常需要用到差動保護(hù)技術(shù)，這種技術(shù)能準(zhǔn)確無誤地定位并有效隔離電網(wǎng)故障區(qū)域，顯著減少電網(wǎng)受損范圍和受損程度，全面化解分布式電源與≤35 kV配電網(wǎng)連接后面臨的多種問題。同一時刻電流為差動保護(hù)差值，這是電網(wǎng)差動保護(hù)的重點(diǎn)所在。因此，互相連接的數(shù)個差動保護(hù)終端時間應(yīng)100%同步，交互信息端到端發(fā)送延時≤12 ms，時間精度＜10 μs。截至目前，尚未形成電網(wǎng)配網(wǎng)差動保護(hù)通信標(biāo)準(zhǔn)，但從高壓差動保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)來看，配電差動保護(hù)通信帶寬≥2 Mbps，時延抖動≤±50 μs，單相端到端時延＜12 ms，具備99.999%可靠度，共享資源，并全面獨(dú)立于管理大區(qū)業(yè)務(wù)，滿足終端互相通信需要。5G配網(wǎng)差動保護(hù)終端以有線方式為支撐聯(lián)結(jié)5G客戶終端RJ-45接口，CPE則以無線空口為基礎(chǔ)和運(yùn)營方5G基站進(jìn)行聯(lián)接，5G基站則利用核心網(wǎng)、有線網(wǎng)等專網(wǎng)路由運(yùn)行，雙端差動保護(hù)數(shù)據(jù)交互至此實(shí)現(xiàn)。

（3）毫秒級荷載精準(zhǔn)控制。荷載毫秒級精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)的組成部分包括用戶側(cè)智能負(fù)荷終端、切負(fù)荷子站和切負(fù)荷安裝主站。荷載曲線控制一般利用電網(wǎng)內(nèi)的負(fù)荷控制實(shí)現(xiàn)，其意在于實(shí)現(xiàn)電力荷載平衡，為電網(wǎng)安全與應(yīng)用效率提供保障。發(fā)電設(shè)備備份缺失、省際聯(lián)絡(luò)線超載、電網(wǎng)故障伊始的頻率迅速跌落均需要通過精準(zhǔn)負(fù)荷控制來進(jìn)行處理。精準(zhǔn)負(fù)荷控制需要48.1 kbps～1.13 Mbps秒級、分鐘級通信帶寬（單一終端至主站間），99.999%可靠性，＜50 ms單向端到端時延。同時，由于精準(zhǔn)負(fù)荷控制是一種I/II生產(chǎn)大區(qū)業(yè)務(wù)，必需獨(dú)享資源，與管理大區(qū)業(yè)務(wù)全面分離，所以需要進(jìn)行物理隔離，而且系統(tǒng)必需持續(xù)在線，通信不能中斷。從現(xiàn)網(wǎng)技術(shù)的缺陷及5G技術(shù)的高可靠、低時延特征來看，通信終端選擇5G CPE能有效劃分高可靠、低時延端到端網(wǎng)絡(luò)，順利實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)負(fù)荷控制（毫秒級）。通常需要在≥330/500 kV樞紐變電站配置控制主站、控制中心；≥220 kV樞紐變電站配置控制子站；≥10 kV儲能站、配電房等控制系統(tǒng)末端處配置控制終端。

2.3 高帶寬大容量

（1）視頻監(jiān)管。開站和閉站等供電站核心節(jié)點(diǎn)、電網(wǎng)配電房等一律屬于視頻監(jiān)控的對象，之所以要進(jìn)行視頻監(jiān)控，主要是因?yàn)樾枰獙?shí)時掌握監(jiān)控對象的工作狀態(tài)。例如，電網(wǎng)配電房監(jiān)控設(shè)備部署比較靈活，這主要是因?yàn)榇祟惐O(jiān)控對象位置隱蔽，監(jiān)控的重點(diǎn)通常包括儀器儀表柜、開關(guān)柜、配電柜等，適時發(fā)送監(jiān)控圖像，由人工智能對設(shè)備工作情況做出分析判斷，特別有助于發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行安全風(fēng)險，監(jiān)控的準(zhǔn)確性極高，且能全面減輕人工監(jiān)控壓力。此類監(jiān)控設(shè)備應(yīng)具備4～10 Mbps單節(jié)點(diǎn)帶寬，同時要求流量不間斷，以此確保監(jiān)控的準(zhǔn)確性不受任何影響，保證圖片發(fā)送的質(zhì)量、速度。而且只能有最高200 ms的時延，否則，發(fā)送視頻過程中易出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象。

（2）巡檢智能化。人工巡檢是一種傳統(tǒng)的電力設(shè)備巡檢方式，這種方式在電力設(shè)備數(shù)量較少前提下基本可以滿足需要，不足之處主要表現(xiàn)在數(shù)據(jù)完整性不足、安全性低、效率不高，忘檢、漏檢比例過高等，特別是在電力行業(yè)發(fā)展加快、用電設(shè)備數(shù)量日益增多條件下，人工巡檢的缺陷更加明顯，也顯著增大了人工巡檢的難度和風(fēng)險。采用5G技術(shù)可以有效破解上述難題，因?yàn)樵摷夹g(shù)與人工智能配合，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離巡檢、室內(nèi)巡檢，而且可以準(zhǔn)確定位線路和設(shè)備故障區(qū)域。比如，配電室、固定巷道等特殊場景，可以由機(jī)器人巡檢，并且能通過5G技術(shù)完成視頻、圖片、數(shù)據(jù)發(fā)送。再比如，無人值守的≥220 kV換流站、變電站更適合通過智能巡檢完成數(shù)據(jù)收集。人工智能巡檢數(shù)據(jù)發(fā)送對象包括設(shè)備診斷數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為時延＜300 ms、數(shù)據(jù)發(fā)送速率＞2 Mbps、99.99%可靠性。此外，無人機(jī)巡檢模式未來將逐步成為一個有力的輔助手段，這也是5G技術(shù)使電網(wǎng)核心網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)升級。

3 電網(wǎng)核心網(wǎng)絡(luò)中的5G組網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)切片劃分

工作場景與5G網(wǎng)絡(luò)之間存在配套問題，也就是說，工作場景不同，需要的5G網(wǎng)絡(luò)也有明顯差異。5G技術(shù)中的CPE通常具有過渡承載功能，是5G網(wǎng)絡(luò)與各種終端設(shè)備的聯(lián)結(jié)樞紐，只要以內(nèi)置或外接為支撐把5G CPE部署在電力設(shè)備上，就能在5G網(wǎng)絡(luò)內(nèi)接入此類電力設(shè)備。這種技術(shù)顯著有助于傳統(tǒng)電力設(shè)備升級，同時也全面弱化了老舊設(shè)備的改造難度，延長了傳統(tǒng)設(shè)備的使用壽命，資源節(jié)約效果極為明顯。但是，無論是新設(shè)備還是老舊設(shè)備改造，其數(shù)據(jù)信息均能基于無線接入方式、承載網(wǎng)等途徑向5G核心網(wǎng)絡(luò)發(fā)送，由5G核心網(wǎng)接收并向主站發(fā)送。5G核心網(wǎng)則可接入NRF（網(wǎng)絡(luò)注冊單元）、AMF（管理單元），采用NSSF切片，用戶數(shù)據(jù)儲存UDM，三類切片共同控制PCF，并將用戶面管理單元UPF、專用會話管理單元SMF同時部署在三類切片中即可。5G網(wǎng)絡(luò)通常宜進(jìn)行eMBB、mMTC和uRLLC三類場景劃分：eMBB負(fù)責(zé)時延標(biāo)準(zhǔn)低、帶寬標(biāo)準(zhǔn)高的應(yīng)用，視頻監(jiān)控、機(jī)器人或無人機(jī)等智能巡檢場景宜采用eMBB應(yīng)用；接入數(shù)量大、帶寬時延標(biāo)準(zhǔn)不高的場景通常由應(yīng)用mMTC負(fù)責(zé)，如設(shè)備資產(chǎn)管理、電力數(shù)據(jù)信息收集等即宜選擇mMTC場景；對可靠性、時延要求高的場景可由應(yīng)用uRLLC負(fù)責(zé)，且可獨(dú)立部署電網(wǎng)內(nèi)的控制業(yè)務(wù)，上文提及的精準(zhǔn)負(fù)荷控制、配網(wǎng)自動化和差動保護(hù)等均宜采用uRLLC應(yīng)用。

綜上所述，5G技術(shù)在電網(wǎng)核心網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用范圍極廣，幾乎各種場景均可利用5G技術(shù)來提高業(yè)務(wù)處理的精確度，加快業(yè)務(wù)處理效率，減少人工作業(yè)的難度和壓力。

4 結(jié)束語

當(dāng)前，我國改革開放已經(jīng)進(jìn)入深水區(qū)，數(shù)量型經(jīng)濟(jì)逐步讓位于質(zhì)量型經(jīng)濟(jì)，供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革已經(jīng)全面拉開，內(nèi)外雙循環(huán)體制正在逐步形成，凡此等均決定我國電力發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入全新時代，用電量勢必會持續(xù)增長，電網(wǎng)及其核心網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行壓力也會因此而不斷增加。特別是工業(yè)用電持續(xù)增長，家庭大功率用電設(shè)備數(shù)量不斷增多，均會持續(xù)促進(jìn)電網(wǎng)規(guī)模擴(kuò)大。而信息技術(shù)、人工智能技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展則讓我國傳統(tǒng)電網(wǎng)升級、更新具備了堅實(shí)的技術(shù)支撐，這也是我國智能電網(wǎng)建設(shè)發(fā)展全面推進(jìn)的主要原因。在可預(yù)見的未來，我國電力用戶相互之間、電力用戶與電力設(shè)備之間、設(shè)備與設(shè)備相互之間的數(shù)據(jù)信息傳輸需求量勢必會持續(xù)增加，這也是公眾生活質(zhì)量改善、關(guān)注心理體驗(yàn)和生活質(zhì)量的一個基本要求。而能支撐起公眾上述需求、滿足社會持續(xù)飛速發(fā)展需要的技術(shù)非穩(wěn)定、可靠、安全、高效的通信技術(shù)莫屬。因此，從電網(wǎng)核心網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、通信技術(shù)發(fā)展角度來看，當(dāng)務(wù)之急在于進(jìn)一步提高電力系統(tǒng)的信息化、自動化、智能化水平。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)（國家電網(wǎng)公司2019）概念就此被正式提出，電網(wǎng)各環(huán)節(jié)互通互聯(lián)是泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的中心和重心，而其設(shè)計目標(biāo)能否實(shí)現(xiàn)，主要取決于通信技術(shù)。目前，我國已經(jīng)全面進(jìn)入5G通信時代，這一具有全球領(lǐng)先性的通信技術(shù)實(shí)質(zhì)性顛覆了傳統(tǒng)通信模式、技術(shù)等。無論是網(wǎng)速，還是業(yè)務(wù)范圍、兼容性等，均已具備支撐物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的功能。電網(wǎng)的未來已與具有高可靠、低時延、高容量、高速率等特征和優(yōu)勢的5G技術(shù)密不可分，萬物互聯(lián)時代正在快速到來?！?/p>