5G 环境下差动保护在电力系统中的应用

胡光宇，张 影，孔为为，于 佳

（南瑞集团有限公司（国网电力科学研究院有限公司），江苏 南京 210000）

0 引言

与4G 网络相比，5G 网络利用软件定义网络（Software Defined Network，SDN）等虚拟化技术，实现边缘计算的行业定制服务，形成针对行业租户的切片业务网络，能够满足差异化的行业租户需求［1-3］。电力行业存在多种业务场景，不同场景下技术指标要求不同，若仍依靠传统公共接入方式，不能合理地与5G 接入网络适配，将无法为电网智能化运营新模式提供技术保障［4-6］。

电力无线专网可以接入的电网业务主要分为电网控制类、信息采集类、移动应用类3 种，包括配电自动化、用电信息采集、分布式电源、精准负荷控制、视频监控、移动作业等［7］。目前，业务最低时延要求为10 ms 级，单业务带宽低于4 Mbit／s［8］。未来，随着能源互联网的发展，物联网将成为电网的基本形态，迫切需要实现各类负荷的精准控制，适应以特高压为骨干、各级电网协调发展的新型电网模式；实现各级电网重要廊道的监视、巡检，引入可视化、实时化、精益化的新型作业方式；实现用户双向互动、用电精细化管理，开展基于“互联网+”的新型业务模式［9-12］。目前，光纤配网差动保护采用保护专用光缆，存在敷设费用高、地下管沟资源不足等问题［13-14］。如与现有配电自动化共用光缆，则存在保护两端站点之间多次跳纤、造成可靠性降低等问题。

基于5G 网络的低时延高可靠关键技术，提出了差动保护业务在5G 环境下的应用，满足差动保护对端到端通信通道10～12 ms 的时延要求。

1 5G 关键技术的研究

1.1 网络切片

网络虚拟化是在共享底层物理网络基础设施的基础上，构建彼此隔离的多重异构虚拟网络，能够实现动态资源分配［15］。而面向电力物联网的5G 网络切片技术正需要这种动态自适应的虚拟网络映射，其映射是通过底层链路监测各个虚拟网络的流量状况，并根据其承载虚拟链路的拥塞级别和性能指标等局部信息，周期性地重新为虚拟链路分配共享的底层带宽资源，从而提高了底层网络带宽资源的利用效率。借鉴网络虚拟化的优势，通过将复杂的实际泛在电力物联网网络映射成虚拟的网络，便于对业务指标进行分析研究［16］。

1.2 边缘计算

移动边缘计算 （Mobile Edge Computing，MEC）把电力物联网和移动网络两者技术有效融合在一起，在移动网络侧增加了计算、存储、数据处理等功能［17］；构建开放式平台以植入应用，并通过无线应用程序编程接口 （Application Programming Interface，API） 开放移动网络与业务服务器之间的信息交互，移动网络与业务进行了深度融合，将传统的无线基站升级为智能化基站；MEC 的部署策略是距离用户越近，时延越低，可以有效降低时延。MEC 也可以实时获取移动网络信息和更精准的位置信息来提供更加精准的位置服务。

1.3 毫秒级低时延技术

控制类业务是电力无线网络中重要业务类型之一，对网络传输时延、可靠性提出了严苛要求。无线网络中的时延主要包括空口时延、排队时延、处理时延以及重传时延等部分。

电力物联网业务对可靠性、低时延有很高的要求，无线蜂窝网络的主要标准化组织3GPP 也将其划分为一个场景。针对网络端到端通信过程中的各部分时延，为实现端到端毫秒级低延迟，需要在明确各时延的来源之后有针对性地进行优化。电力物联网中支持超低时延业务的关键技术，需要通过引入移动边缘计算、低时延切片等技术，研究核心侧低时延网络架构设计、移动边缘计算部署策略、接入侧无线帧结构的定制化设计、调度策略优化，从而实现电力物联网端到端毫秒级超低时延。

2 MEC 关键技术研究

针对电力物联网中对时延要求最高的业务，可采用部署移动边缘计算平台的方式降低无线侧至核心侧传输及信令处理等时延。

在配网差动保护场景中，海量的配电终端同时要求低时延的智能电网通信，必然离不开5G 网络切片和边缘计算等关键技术的应用。考虑到配网终端受限的缓存和计算处理能力，可在业务分布区域内部署边缘计算节点，用于承载与低时延相关的控制、管理和数据功能。通过配置下沉至本地接入网的用户面虚拟网关，配置具备部分核心网控制功能的虚拟全功能基站，为配网终端降低传输时延。本文按照MEC 平台构架设计、低时延业务的分流机制及MEC平台接口分3 个步骤展开研究，构建低时延、适配电力业务特征的移动边缘计算平台。

2.1 MEC 平台架构设计

在MEC 平台构架设计与实现中，采用图1 所示的移动边缘计算平台架构，在系统实体之间共有3组参考点，分别为：关于移动边缘平台功能的参考点Mpi（i=1，2，3）、管理相关的参考点Mmj（j=1，2，…，9）以及连接外部实体的参考点Mxk（k=1，2）。

依据MEC 架构，应用数据通过电力物联网接入网传到移动边缘计算平台，平台底层利用GPRS 隧道协议（GPRS Tunelling Protocol，GTP）解析封装及分流技术将数据进行准确分流，其中需要核心层处理的数据通过核心网传输至Internet，而需要在移动边缘计算平台本地处理的数据则通过数据平面开发套件向平台上面的虚拟层和应用层进行转发。平台的虚拟层将移动边缘计算服务器的计算存储等资源进行抽象，并通过虚拟化管理分配给网络传输等多种对时延以及可靠性有更高要求的相关服务业务，最终通过网络边缘服务连接到应用层。应用层由多个虚拟机组成，通过Mp1接口从虚拟层的各个服务中获取相关数据进行处理，各个虚拟机中主要实现一些控制管理等功能。移动边缘计算平台管理器与边缘计算平台通过Mm5接口相连，主要负责数据库管理以及一些信息管理等，并连接至云端。云端接收到来自移动边缘计算服务器的数据后进行控制决策，并可对边缘计算平台的各个上层应用进行算法更新。

图1 MEC 平台设计架构

2.2 低时延业务的分流机制

图2 GTP 解析封装流程

针对低时延场景的MEC 业务分流机制，进一步研究物理层的Mp1和Mm5接口功能设计，实现低时延业务生命周期管理、服务管理和传输控制等功能。ToF 分流实现将基站和核心网相关GTP 数据流进行本地分流，部分数据流转发到MEC 服务器进行处理，部分数据流按照原路径转发。要实现本地分流，首先需要进行GTP 解析封装，流程如图2 所示。

1）将低时延业务的IP 数据流封装成GTP 数据流，并转发给核心网和基站；

2）实时接收并解析基站转发的GTP 数据流，以IP 包的形式转发给电力物联网低时延业务应用；

3）实时接收并解析核心网转发的GTP 数据流，以IP 包的形式转发给电力物联网低时延业务应用。

2.3 MEC 平台接口实现

平台设置Mp1接口运行在移动边缘主机上的基于虚拟机的移动边缘应用（移动边缘APP／移动边缘APP 服务），提供了接入移动边缘平台上的移动边缘服务的能力。该接口实现应用运行指示、应用终止指示、应用与管理连接建立、服务激活与失活、服务数据更新、服务发现、服务订阅与取消订阅以及传输规则控制等功能。MEC 平台可提供的服务类型共有4种，其各自数据流如图3 所示。

服务类型Ⅰ：移动边缘平台主机产生服务数据，存储于平台数据库中，并提供平台相关服务。

服务类型Ⅱ：移动边缘应用虚拟机产生并存储服务数据，通过移动边缘平台发布。

图3 4 种服务类型各自数据流

服务类型Ⅳ： 移动边缘应用虚拟机产生服务数据，存储于移动边缘平台数据库中，由平台提供相关服务。

在部署方面，根据泛在电力物联网的不同业务需求，MEC 服务器需要在不同场景下具备与现有回传网融合部署的能力。在泛在电力物联网部署MEC的策略有3 种。

边缘级：MEC 部署于基站与回传网络之间，这种部署贴近基站，可以部署在站点机房，也可随Cloud-BBU 池部署在无线接入机房。该部署方式下，MEC覆盖基站个数较少，对传输的影响较小，回传链路时延最短。同时这种部署方式的覆盖性能与当前近端的传输相关性较大，需要综合评估覆盖需求与传输状况。此种场景下，MEC 服务器多为L2 组网方式，需要具备绕过技术能力以保证系统异常时不中断业务，保证传输低时延。

区域级：MEC 部署于汇聚环和接入环之间，此时需要将MEC 部署于两环相接的传输设备接口，并将需要进行分流的基站流量疏导经过MEC。在这种场景下MEC 覆盖面积可以是一个或者多个接入环上的基站，并且可以针对环上不同的基站选择性进行分流。这种方式覆盖面积较大，时延也比较低。但是需要针对待分流基站在传输设备上配置或者更新虚拟路由转发 （Virtual Routing Forwarding，VRF）关系。这种场景比较适合区域面积相对较大的场景。

地区级：当MEC 部署于汇聚核心层时，这种覆盖方式主要针对大面积分流业务，或者待覆盖范围存在接入环孤岛的情况。这种部署方式时延比其他两种方式大，但是能够解决跨地域传输覆盖的问题。这种方式主要部署的业务为行业性业务或公众性业务，同时也有利于核心侧的网络能力的开放。此种场景下，MEC 服务器多为L3 组网方式，需要修改对接网元的传输配置，确保消息能够发送到MEC 服务器，当MEC 服务器不可达时改选其他传输路径。

3 5G 网络切片技术在电力业务中的应用

3.1 电力无线专网承载业务特点

目前，电力无线专网承载主要承载电网控制、信息采集、视频带宽类和移动应用4 大类电力业务，具体包括：配电自动化、用电信息采集、分布式电源、精准负荷控制、视频监控、移动作业等。总体而言，当前各类电力业务最低时延要求为10 ms 级，单业务带宽低于4 Mbit／s。未来，随着能源互联网的发展，为适应以特高压为骨干、各级电网协调发展的新型电网模式，“泛在物联” 将成为电网的基本形态，迫切需要：建设实时、高效、安全可靠的通信网络，实现各类负荷的精准控制；引入可视化、实时化、精益化的新型作业方式，实现各级电网重要廊道的监视、巡检；创新基于“互联网+”的新型业务模式，实现用户双向互动、用电精细化管理。因此，未来电力系统物联网业务及宽带业务将大量并存，并呈现出海量高密度终端接入、低时延、高可靠、高安全等特征，终端并发数量将达到10 万级，时延需求为毫秒级，可靠性要求99.999%，对电力无线专网的业务承载能力提出了更高的要求。

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3.2 5G 与多种电力业务应用场景的适配模型

综合考虑各类电力业务的带宽、实时性、可靠性和大连接等维度的需求，分析不同业务需求与5G 应用场景的契合度，将业务划分为：eMBB 倾向型、uRLLC 倾向型、mMTC 倾向型3 类。针对差动保护、配电自动化、精准负荷控制、用电信息采集、配网状态监测、实物ID、智能巡检、视频监控8 种典型业务，形成适配模型如图4 所示。

3.3 5G 电力网络切片定制化方案

基于5G 网络切片的软件定义无线网络架构，主要分为3 层：底层网络为物理基础设施层，是网络数据传输的实际载体；中间层为虚拟化后的网络资源，为网络运行提供了整体的虚拟资源池，实现了资源集中管理和高效分配；上层为用户面向的实际业务层，不同类型的网络业务将会形成不同的网络切片。各层功能的实现以及各层间进行相互交互都需要通过SDN 控制器进行管理和控制。

图4 5G 与电力多种业务应用场景的适配模型

图5 基于5G 网络切片的软件定义无线网络架构

为了更好地实现软件定义网络 （Software Defined Network，SDN） 控制器对网络节点的有效控制和对网络数据的准确转发，参考Openflow 协议，在无线接入网络的节点基站和基带处理单元中引入了切片表，具体如图6 所示。一方面，切片表可以对网络数据传输进行有效分流切片；另一方面，切片表中还包含各种网络参数可以实现对网络的快速配置。并且，SDN 控制器将通过切片消息来实现对切片表进行一系列操作。

图6 基于SDN 控制器的网络切片

5G 电力网络切片动态调配系统结构如图7 所示，该系统由信息收集模块、虚拟化模块、资源管理模块、切片网络管理模块、SDN 控制器组成。其中，信息收集模块将在物理基础设施层中进行运行；虚拟化模块将实现底层网络与虚拟资源池的有效映射；资源管理模块将对虚拟资源进行有效的调度和管理；切片网络管理模块将对最后的切片网络进行管理维护；SDN 控制器将实现对各个功能模块的集中控制和协调管理。

图7 5G 电力网络切片动态调配系统

4 基于5G 的配网差动保护的应用

4.1 配网差动保护业务的特征

随着坚强智能电网和泛在电力物联网的深入建设，配网的可靠性受到越来越多的重视。保护业务从高电压等级向低电压等级延伸。配网线路覆盖范围广、线路长度长，保护采用分散式就地化布置，但是保护在线率普遍不高，通常采用接入DTU 上传信号的方式，没有专门的保护通道，要实现配网差动功能通常采用光纤复用的形式。但采用光纤复用存在几个问题，一是光纤通道通常按照自动化要求布置，在环网站间相互串联形成回路，难以实现点对点的直连，导致延迟无法把握；二是若完全采用专用光纤通信方式价格高、施工困难，甚至有些区域根本无法施工。采用无线网络更经济、简便，但是由于4G 无线网络的延时、抖动等性能都无法满足差动保护通道延时的要求，通信问题成了实现配网差动保护功能的瓶颈。随着5G 网络的商用，5G 网络的低时延、高可靠的特性成了解决实现配网差动保护业务的重要可行手段，而MEC 利用核心网下沉、数据分流、边缘计算等技术，是5G 低延时、高可靠性能的重要技术支撑。

差动保护跟踪区（Tracking Area，TA），线路两端处的终端通信采用基于HDLC 的私有协议，点对点光纤通信。保护信号通过通信网络上传主站，光纤通信。电流差动保护，利用被保护线路两端电流波形或电流相量之间的特征差异构成保护。线路两端差流，在被保护线路内部短路时与系统正常运行以及外部发生短路时相比，具有明显的差异，保护具有绝对的选择性，能够无时限切除被保护线路内部故障。终端布置与通信网络如图8 所示。

图8 终端布置及通信网络

差动保护业务的通信速率为2 048 kbit／s，收信路由与发信路由延时一致，抖动＜20 μs，收发信延时不大于12 ms，每个终端向对侧发送私有报文，每帧报文长度按512 B 计算。

4.2 配网差动保护业务的应用

配网差动保护是利用被保护线路两端电流波形或电流相量之间的特征差异构成保护。线路两端差流，在被保护线路内部短路时与系统正常运行以及外部发生短路时相比，具有明显的差异，保护具有绝对的选择性，能够无时限切除被保护线路内部故障。业务部署如图9 所示。

图9 差动保护业务部署

4.2.1 MEC 部署方式

目前MEC 设备的主要采购方是运营商，运营商根据业务需求可将MEC 部署在基站到核心网之间的任何地方，承担的功能主要有本地数据分流，数据可以不经过运营商的核心网，而在基站侧通过MEC直接卸载进入用户专网，代替用户的本地接入网同时保证数据的安全性；边缘计算，主要是将一个或多个基站下终端采集的数据进行合并分析处理，并将处理结果直接返回给终端设备进行下一次操作，从而满足高可靠、低时延业务的传递；最后是业务优化，主要是视频业务的优化，本质上是内容分发网络的进一步下沉。

4.2.2 业务承载方案

无须申请专属频率资源，通过与电信运营商共建共享、资源置换方式，共同使用电信运营商的频谱与基站。电力公司和电信运营商分别通过各自传输网络将基站接入，并实现电力5G 网络建设及应用。MEC 平台部署在靠近配电站／变电站的边缘位置，通过业务在网络边缘的本地处理，以及应用、内容与网络的协同，除了提供可保障的低时延，显著提高用户体验和数据安全性。该模式在一定程度上接近公网5G 的SA 模式。

以电信运营商已有的网络为基础，不再自建5G核心网，在公司机房服务器上独立部署多接入边缘计算（MEC）功能模块，可以实现计算、存储、数据处理等功能，电信运营商通过网络切片和分权分域的方式，实现对公司切片内用户管理、维护等功能，类似于虚拟核心网。通过公司传输网与电信运营商基站相连，实现对公司切片内5G 网络的管理、监控及应用。

电信运营商出资建设基站，电力公司负责提供站址资源和电源，建成后向电信运营商租用频率资源和切片服务，支撑电力业务运行；同时电信运营商租用电力公司站址资源，建成的网络除满足电力业务应用外，还可为公众提供5G 服务。

该模式下，通过与电信运营商共建共享的方式，共同使用频谱和基站资源（频谱相互隔离）。回传方面，双方使用各自的传输网络实现回传，确保业务数据的隔离。电信运营商通过光缆接入就近机房，直接将基站接入电力公司传输网，与自建的多接入边缘计算（MEC）功能模块联通。

5 结语

研究了5G 网络的低时延高可靠关键技术，并且基于5G 的网络切片、边缘计算、灵活回传以及低时延技术等技术，对差动保护业务进行了研究，并设计了一套能够应用于配网差动保护场景下的移动边缘计算平台，使信息流无须回传至5G 核心网、在网络的边缘就能完成信息的交互与传输，满足配网差动保护对端到端通信通道10～12 ms 的时延要求，取代光纤通信进行配网差动保护装置之间实时通信，为泛在电力物联网接入网低时延、高可靠应用场景提供解决方案，研究成果也可推广到高可靠、低时延其他场景应用。