5G智能電網測試床
引言導讀
中移（上海）產業研究院（以下簡稱上海產業研究院）是中國移動(上海)通信集團有限公司全資子公司，是中國移動(上海)面向5G和人工智能，引領工業能源、交通和金融等領域數字化服務的專業研發機構。在工業互聯網領域，上海產業研究院構建“1+N”工業云平臺體系，圍繞工業設計、生產和服務環節，利用5G 、AI等新技術打造面向工業互聯網的有競爭力的系列產品和解決方案。上海產業研究院立足于5G研發的技術優勢，積極把握5G改變社會的時間窗口，在5G時代推出具有市場競爭力的行業產品和解決方案。
《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》對能源體系提出了更高的要求，其中包括推動煤礦、油氣田、電廠等智能化升級，實現源網荷儲互動、多能協同互補、用能需求智能調控，并構建基于5G的應用場景和產業生態，在智能交通、智慧能源、智慧醫療等重點領域開展試點示范。
關鍵詞
智能電網、配網自動化、5G切片
測試床項目承接主體
發起公司和主要聯系人聯系方式
上海產業研究院
張翠柳:zhangcuiliu@cmsr.chinamobile.com,15201614921
合作公司
南方電網
測試床項目目標
目前電網企業在35kV以上的骨干通信網已具備完善的全光骨干網絡和可靠高效數據網絡，光纖資源已實現35kV及以上廠站、自有物業辦公場所/營業所全覆蓋。在配電通信網側，由于點多面廣，海量設備需實時監測或控制，信息雙向交互頻繁，且現有光纖覆蓋建設成本高、運維難度大。35kV以下的配電網點多面廣，光纖建設維護成本高，覆蓋率不足20%，傳統2/3/4G無法滿足安全隔離需求，迫切需要新一代通信技術解決智能電網末端海量數據接入的通信“卡脖子”問題。
本測試床主要驗證5G網絡與電網業務結合，5G電網智能化應用的可行性，從多方面提升電網的智能化水平，切實解決電網業務運行過程中低時延控制、高精度授時、大帶寬承載、高頻次采集、最后一公里光纖建設難度大等問題。
測試床方案架構
測試床應用場景
應用在電力行業發、輸、配、變、用、綜合等各個業務環節，涉及配網差動保護、高級計量、智能化巡檢等5G電力應用場景。
測試床架構
本測試床總體架構如圖1所示，依托5G網絡優勢，打造智慧電力端-管-云-用一體化行業解決方案，滿足電力業務發、輸、變、配、用各個環節的安全性、可靠性和靈活性需求，實現差異化服務保障，進一步提升電網企業對自身業務的自主可控能力，促進未來智能電網取得更大的技術突破。
本測試床符合AII工業互聯網總體架構2.0，本測試床架構驗證了AII總體架構中的功能架構，包括網絡體系架構中的網絡互連、數據互通，平臺體系架構中的邊緣層、PaaS 層和應用層功能組成，安全體系架構中的隱私數據保護等。
圖1.測試床總體架構
圖2.AII工業互聯網體系架構2.0
圖3.工業互聯網功能原理
測試床方案
1.網絡方案
面向電力客戶提供電力行業切片專網服務，生產控制大區提供電力專用切片，管理控制大區提供電力通用切片。
圖4.電力行業切片專網方案
在所管轄的區域內（主要指省/市）劃分4張電力切片，分別對應安全區I、II、III、IV。1個切片可對應多個業務，每個業務分配一個DNN，根據 S-NSSAI+DNN 選擇切片和UPF。
在生產控制大區 ，無線網側采用RB資源預留實現硬隔離，不同5QI優先級調度實現安全區I和II之間邏輯隔離；承載網側采用FlexE進行硬隔離，并劃分不同的VLAN實現安全區I和II之間的邏輯隔離；核心網側每個省/市部署物理獨立的UPF，并劃分兩個邏輯獨立的UPF租戶
在管理信息大區，無線網側采用不同5QI優先級調度實現安全區III和IV間邏輯隔離；承載網側采用VLAN實現邏輯隔離；核心網側共用運營商ToB專用UPF，與ToB其他業務邏輯隔離，需額外開通N6接口專線至電力企業。
2.平臺方案
本測試床依托OnePower-智慧電力子平臺，主要包括卡、連接、終端、切片管理、統計分析、系統管理、告警管理等關鍵能力。有別于以往的移動通信網絡發展模式，依托5G網絡能力開放和切片技術，未來該平臺將為電網企業提供更豐富的、更多元化、更靈活的網絡切片服務管理能力，同時平臺自身也以更開放的架構，向電力內部業務提供支撐服務。
3.終端方案
測試床終端采用電力定制化CPE和電力計量終端5G通信模塊。
電力定制化CPE終端支持基于3GPP R16協議的5G通信、有線數據傳輸、高精度網絡授時（偏差小于10us）、協議轉換和安全加密（內置電網制定加密芯片）功能，借助5G網絡超高帶寬、低時延、超大規模連接的優勢以及可承載垂直行業多樣化的業務需求，尤其是網絡切片、能力開放兩大創新功能的應用，可為電力行業用戶打造定制化的“行業專網”服務，更好的滿足電網業務的安全性、可靠性和靈活性需求，實現差異化服務保障，進一步提升電網企業對自身業務的自主可控能力。
電力計量終端5G通信模塊適用于三項電表和I型集中器，符合通信規約標準，支持靈活拔插，可直接替換現網中使用的2/3/4G模塊，從而實現5G模塊承載高級計量通信業務。
圖5. 電力計量終端5G通信模塊
4.應用方案
1）配網差動保護
傳統配電網故障依靠過流保護或者距離保護的定位、隔離，從啟動故障隔離和供電恢復，整個過程持續幾分鐘至幾十分鐘，嚴重影響用戶正常用電。配網差動保護場景能夠實現故障區段的快速定位與隔離，提高配電網的供電可靠性，業務上要求保護裝置間實現實時快速通信及時鐘同步，光纖可滿足場景要求，但存在鋪設困難、成本高昂的問題。5G信技術具有高帶寬、低時延、網絡高精度授時及安全可靠的特點，為差動保護提供了新的無線通信方式。
該場景屬于配電環節，配電自動化終端(DTU)利用5G低時延及高精度網絡授時特性，比較兩端或多端同時刻電流值（矢量），當電流差值超過門限值時判定為故障發生，斷開其中的斷路器或開關，執行差動保護動作，實現配電網故障的精確定位和隔離，并快速切換備用線路，停電時間由小時級縮短至秒級。
2）高級計量
目前所采用集中抄表方式多以配變臺區為基本單元進行集中抄表，集中器下掛幾十或上百臺電表或計量終端，一般以天、小時為頻次采集上報基本電力數據至集中器，再由集中器通過運營商無線公網回傳至電力計量主站系統，采集頻次低，采集內容單一，無法有效支撐用戶行為分析。5G的大連接能力為電力計量業務提供了全新的無線解決方案。
通過電力計量終端5G通信模塊實現電表與計量主站的連接，利用5G廣覆蓋、大連接特性，可深入采集各類電器設備的用電信息，滿足智能用電和客戶個性化服務需求。
3）智能化巡檢
人工巡檢需配備專業巡檢人員，巡檢效率低，范圍有限，易因操作不當引發各類安全事故隱患。同時，當前智能化巡檢設備多依托WiFi組網接入，WiFi網絡使用公網頻段，無法滿足電力行業安全性要求且WiFi網絡不穩定，覆蓋范圍小。5G網絡安全性高、覆蓋范圍廣，可滿足智能化巡檢業務需求。
利用5G高速率、低時延、海量連接、快速移動特性實現巡檢終端遙控及數據采集，實現巡檢高清視頻實時回傳及遠程控制作業。同時結合無人機和機器人應用，擴大巡檢范圍，提升巡檢效率。
方案重點技術
1.5G切片技術
本測試床面向電力客戶提供電力行業切片專網服務，無線網支持QOS優先級調度、支持RB資源預留；承載網支持Flex E和VPN子通道隔離、支持切片隔離、支持切片管理和發放；核心網支持切片NSSF、支持切片移動性管理：切片選擇、接入控制、支持選擇策略定義、支持切片子網模板、生命周期管理及性能和告警監控、支持切片自動化、支持根據切片標識選擇AMF。
2.5G切片端到端運營管理
本測試平臺主要包括連接管理、設備管理、切片管理、統計分析、高級應用等功能模塊，幫助電網用戶實時掌控通信網絡質量、降低網絡運營費用，提升企業競爭力。
3.5G高精度網絡授時技術
電力系統繼電保護等應用需要獲得統一的時間基準來確保線路故障測距、相量和功角動態監測、機組和電網參數校驗的準確性，通過時間同步系統進行時鐘同步，分為無線授時系統和有線授時系統。其中，無線授時系統存在價格昂貴、施工不便、容易受到干擾和接收系統復雜等問題；有線授時系統信號穩定，但在城區內敷設專線成本較高。隨著5G網絡發展，通過具備授時功能的電力定制化CPE，即可廣泛、快速、準確地傳遞高精度時間信號。電力定制化CPE可實現5G通信的同時，輸出基準網絡時鐘同步信號，傳輸給受控終端進行時間同步。
方案自主研發性、創新性及先進性
1.自主研發性
本測試床網絡及平臺方案由上海產業研究院自主研發完成，終端部分由上海產業研究院與合作伙伴合作研發完成。
2.創新性
1）在產、學、研、用方面打造多項行業突破：中國移動聯合南網基于發改委項目自2018年起在深圳開展5G+智能電網試點，共同發布行業首個《5G智能電網白皮書》、首個差動保護線路外場測試，首個SA網絡切片端到端運營管理，對5G承載承載電力業務的可行性進行了充分驗證。
2）定制化網絡方案：根據電力行業業務分區及安全隔離特性需求，打造電力行業切片專網方案，制定無線側、傳輸側、核心網側網絡方案，滿足生產控制大區和信息管理大區業務的安全性、可靠性、隔離性要求。
3）首創電力定制化CPE：差動保護等應用需獲取精準時鐘信息，傳統方案需要單獨授時系統進行時鐘同步，無線授時系統存在價格昂貴、施工不便、容易受到干擾等問題；有線授時系統信號穩定，但在城區內敷設專線成本較高。本項目研發電力定制化CPE，除具備基礎5G通信功能外，還具備高精度網絡授時功能，實現5G通信與授時功能的完美結合；并在國際首次提出5G空口高精度授時技術，納入3GPP R16標準。
4）實現切片端到端管理：基于OnePower-智慧電力子平臺，底層對接各省5G專網運營平臺，上層對接電網主站系統，實現切片模板定制、切片下單、切片實時查詢等端到端管理功能。
3.先進性
1）提升智能化水平：可驗證5G網絡對電網控制類業務承載的可行性，可迅速提升配電自動化水平、數字化水平，以此打造電網5G生態圈，培養、扶持電網智能電網產業發展。
2）滿足隔離需求：在不同生產、管理大區的電力業務有不同的安全隔離要求，5G網絡切片技術，可為電網不同分區業務提供差異化的安全隔離服務，突破以往的無線通信技術安全隔離能力，滿足電網安全隔離要求。
3）實現智能電網可觀、可管、可控：5G網絡具備能力開放及更高效靈活的運營管理能力。電力企業可進行網絡切片定制設計、規劃部署來實現線上的快速業務開通（分鐘級）；利用切片運行監控能力實現運營商網絡資源運行的監控及故障定位；通過通信終端或模組采集的各類數據實現對終端的在線管理等，最終實現智能電網的可觀、可管、可控。
方案安全風險控制
本測試床從終端安全、網絡安全、全網態勢感知三個方面提供安全風險控制。
1.終端安全防護
提供定制化安全芯片，并內置安全探針，保障海量終端接入安全，同時在3GPP標準的3層認證中，增加電力側的通信安全準入認證流程，避免非法終端對電力業務主站發起網絡攻擊。
2.網絡安全防護
通過獨享SMF物理隔離、RB資源預留、邏輯切片等多種隔離技術滿足電網不同業務的網絡需求。
3.全網態勢感知
通過安全數據采集，數據挖掘、機器學習等技術，實現態勢感知監測預警，做到全網安全情況的可觀、可測、可控。
測試床實施部署
測試床實施規劃
2020年12月-2021年2月：需求調研，架構設計；
2021年3月-2021年5月：搭建智能電力網絡環境；
2021年6月-2021年10月：項目平臺、終端等系統接入；
2021年11月-2021年12月：應用效果評估。
測試床實施的技術支撐及保障措施
測試床由中移上海產業研究院提供技術支撐，并聯合行業客戶進行應用場景落地及驗證。
測試床實施的自主可控性
本測試床網絡及平臺方案由上海產業研究院自主研發完成，終端部分由上海產業研究院與國產終端合作伙伴合作研發完成，具有自主可控性。
測試床預期成果
測試床的預期可量化實施結果
本測試床預期在項目結束時驗證5G網絡承載電力業務的可行性，平臺實現連接管理、設備管理、5G切片管理、統計分析、高級應用等功能，實現配網差動保護、高級計量、智能化巡檢等多項應用。
測試床的商業價值、經濟效益
本測試床通過5G網絡承載電網業務，是5G網絡與電力行業的融合創新，通過新一代信息技術的發展，切實解決配電網等低時延控制、高精度授時、大帶寬承載、高頻次采集、光纖建設難度大等問題，提升電力行業智能化水平。如配網差動保護等可以實現配電網故障的精確定位和隔離，并快速切換備用線路，降低停電時間，由小時級降低到分鐘級。智能化巡檢等應用可以大幅減少企業人員投入、降低人力資源成本，巡檢效率提升3倍。
測試床的社會價值
本測試床積極響應國家智能電網發展要求，推動電網企業智能化升級，實現用能需求智能調控、提升電能質量，并構建基于5G的應用場景和產業生態，在電網領域開展試點示范。5G網絡作為支撐智能電網發展的重要基礎設施，承擔著各類電力業務的安全性、實時性、準確性和可靠性的要求，助力電力行業打造安全、高效、綠色的智能電網系統。
測試床初步推廣應用案例
中國移動將聯合南方電網將在廣州南沙103平方公里范圍內，開展5G智能電網全業務應用場景示范項目建設，預計落地涵蓋發、輸、變、配、用各環節50+5G智能電網應用場景。
推廣計劃主要為以南沙全業務場景示范項目為標桿，面向南方電網五省進行規模復制和推廣； 針對國家電網5G需求迫切省份，如山東、福建、浙江、寧夏、安徽等開展項目復制推廣。
測試床成果驗證
測試床成果驗證計劃
本測試床對5G網絡、平臺以及應用進行測試驗證。
測試床成果驗證方案
1.網絡驗證內容
序號 | 驗證內容 | 驗證標準 |
|---|---|---|
1 | 配網差動保護 | 帶寬>2M，時延≤15ms，網絡授時精度<10μs |
2 | 高級計量 | 帶寬>2M，時延≤3s，通信可靠性達到99.99% |
3 | 智能化巡檢 | 帶寬要求20-100M，時延≤100ms，通信可靠性達到99.999% |
2.平臺驗證方案
驗證平臺主要包括連接管理、設備管理、切片管理、統計分析、高級應用等模塊功能。
3.應用驗證方案
編號 | 應用場景 | 驗證標準 |
|---|---|---|
1 | 配網差動保護 | 基于電力定制化CPE實現對配網差動保護終端的網絡授時功能，實現保護裝置之間實時快速通信，精確定位配電網故障并隔離，快速切換備用線路 |
2 | 高級計量 | 實現電力計量終端5G通信模塊實現電表與計量主站的連接，可深入采集各類電器設備的用電信息 |
3 | 智能化巡檢 | 能夠實現巡檢終端遙控及數據采集，巡檢高清視頻實時回傳及遠程控制作業 |
與已存在AII測試床的關系
本測試床與之前已經審批的測試床無任何關聯。
測試床成果交付
測試床成果交付件
測試床的交付件包括：
1）平臺軟件一套；
2）應用場景測試報告；
3）專利若干。
測試床可復制性
測試床可在電力行業進行推廣復制，可應用在配網差動保護、高級計量、智能化巡檢等應用場景。
測試床開放性
本測試床符合電力行業方案相關要求，應用落地過程涉及多家相關企業參與。
其他信息
測試床使用者
非發起方的測試床參與者可以使用本測試床的所有操作功能，但僅限于功能的操作使用，禁止泄露給同行業的第三方。
測試床知識產權說明
中國移動上海產業研究院擁有本測試床的建設、運營以及使用權。
測試床運營及訪問使用
平臺部署在客戶側，由中國移動提供運營服務。
測試床資金
測試床資金為自有資金，穩定充足，同時也會爭取專項資金支持。
測試床時間軸
本測試床為短期項目，測試床驗證的時間進度安排如下：
2020年12月-2021年2月：需求調研，架構設計；
2021年3月-2021年5月：搭建智能電力網絡環境；
2021年6月-2021年10月：項目平臺、終端等系統接入；
2021年11月-2021年12月：應用效果評估。
附加信息
測試床具備良好的可復制性，可在電力行業特別是配電網相關場景中應用。切實解決配電網等各地低時延控制、高精度授時、大帶寬承載、高頻次采集、最后一公里光纖建設難度大等問題。
聲明
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