5G网络在电力高压系统中的应用研究

王 亭，胡焕明，戴晓缔

（北京中网华通设计咨询有限公司，北京 100070）

0 引 言

随着电力系统业务和工业互联网的不断发展以及通信网络的不断演进，整合现有频率资源、获取更大的网络带宽、引进新的技术体制以及优化网络架构都是未来电力无线通信网络发展的方向。近年来，国家电网公司积极建设坚强智能电网，提升电网本质安全水平。通过实施“互联网+”战略，全面提升电网信息化和智能化水平，充分利用现代信息通信技术和控制技术实现电网发展的安全、清洁、协调以及智能，为经济社会的发展提供可靠的电力保障[1]。

4G改变生活、5G改变社会。在助力以电网为代表的传统行业向数字化转型升级方面，5G即将担负起重要责任。在5G时代，超大带宽、超低时延、海量连接的三大技术特性将彻底改变传统垂直行业的核心经营理念及工作方式，丰富多样的垂直行业应用也将反向助力于移动网络的发展，带来更加多样化的网络需求，传统电力行业需要全面提升其运营效率和智能化水平等，整合上下游市场资源，为不同的电力应用打造一个“专属”的行业生态联盟[2]。

1 5G性能指标分析

在网络性能方面，5G将带来10～20 Gb/s的网络峰值速率、100 Mb/s～1 Gb/s的用户体验速率、100万/km2的连接数密度、1 ms的空口时延、500 km/h的移动性支持以及10 Mb/s/m2的流量密度。相比现有的4G网络，其频谱效率提升了3～5倍，能效提升了近百倍[3]。IMT-2020不同应用场景下的关键性能指标具体如图1所示。

图1 IMT-2020不同应用场景下的关键性能指标

2014年，在IMT-2020（5G）推进组颁布的《5G愿景与需求白皮书》中，提出了5G网络关键性能指标，具体如表1所示[4]。

表1 5G性能指标

2015年，在IMT-2020（5G）推进组颁布的《5G概念白皮书》中，定义了5G网络主要场景与关键性能指标的目标值，如表2所示[5]。

表2 5G主要场景与关键性能

随着5G业务对速率、时延、覆盖、频谱、移动性及容量等KPI的要求很高，具体如如图2所示。峰值速率由1 Gb/s提高至20 Gb/s，用户体验速率由50 Mb/s提高至100 Mb/s，空口时延由10 ms降低至0.5 ms，连接数密度提高至100万/km2，移动速度提升至500 km/h[6]。

图2 5G KPI指标

2 5G网络对业务支持程度

2.1 电网实时控制

在3G和4G时代，由于移动网络延时较高，基础网络承载能力有限，因此电力系统信息安全保护难度较大，无法做到精准实时控制。然而5G时代，网络低延时和连接范围广等特点可以有效满足电力系统在差动保护、精准负荷管控等方面需求，使电网能够实现对每一个开关精准、快速地进行控制，在遇到紧急情况是，可以选择优先切断非重要负荷，最高程度的降低损失[7]。

2.2 信息即时采集

智能电网的实现需要通过大数据分析去实现。电网信息采集点多且面广，但由于目前受限于网络容量、带宽以及连接数等因素，信息采集较为单一，数据收集量少且时效性不高，因此无法进行合理化的信息分析以达到准确判断。随着智能电网的发展，采集需求也将由“小”到“大”，采集内容向视频化和高清化发展，采集频次呈量级增长，由天或者小时进化为分钟级，可以实现准实时采集。

2.3 分布式电源接入

多种分布式能源的并网，使电网从一个单电源网络结构变成多电源网络结构。虽然我国分布式电源发展迅速，但分布式电源存在业务节点多、海量的数据难接入以及难以有效进行分布式能源调控等问题。而5G网络凭借高速率、高可靠、全覆盖以及智能化的特点，可有效地解决分布式电源量大且分散的问题，同时提供双向无线高速通道，实现数据实时交互，为分布式电源的有效接入提供了保障[8]。

2.4 智能电网大视频应用

由于通信网络的限制，目前采用局域网接入环境下的巡检机器人无法实时回传数据至远程监控中心。无人机因有效控制范围限制无法远距离作业，配电房视频监控和现场施工作业管控受限宽带及时延等因素，这些都极大地限制了人工智能的应用。而5G网络利用其技术特性可以有效解决上述问题，助推智能电网大视频应用。

3 建设5G网络资源需求分析

5G在组网架构、设备形态、设备参数以及技术指标等方面都有了很大的变化和提升，对天面、电源、机房以及传输等基础资源需求也有了较高的要求。

3.1 天面需求

不同于4G网络，5G时代中RRU和天线合二为一演变为AAU，4G和5G基站架构对比如图3所示。

目前，AAU的主要类型包括64TR、32TR以及16TR等，适用于各种不同场景。5G建设初期，主要以密集场景为主，采用64TR和192天线振子。

通过调研国内多家主流设备厂商的初期商用设备相关参数可知，各厂家的5G AAU设备差异度小，且在重量和迎风面积方面与现有4G RRU+天线基本相当。参照4G设备参数建成的天线架设物，AAU原则上可以直接挂放。国内主流厂商5G商用设备物理参数如表3所示。

图3 4G和5G基站架构对比图

表3 国内主流厂商5G商用设备物理参数

3.2 电源和机房需求

以64TR设备为参考。64射频通道，每通道发射功率3 W，总发射功率200 W，预计单个AAU最大功耗约1 500 W，远高于现网RRU（约250 W）。单站3扇区，总功耗约达4 500 W。

3.2.1 AAU供电

天面AAU供电三扇区需提供3～4.5 kW/4.5～5 kW直流供电，天面供电须满足5G AAU设备供电要求，具体需求依据厂家设备功耗进行满足。如果DU靠近天面，建议从DU处引电。如DU远离天面，须就近引电。

3.2.2 CU、DU电源及机房

DU按1 kW、CU按2 kW提供直流供电，具体需求依据厂家设备功耗进行满足。DU和DU或CU合设时一般放置在基站机房或接入网机房，采用规模集中的方式，机房面积和相应配套设施要满足相应要求。DU和CU分设时，CU一般放置在汇聚机房或核心机房，CU云化后，硬件采用通用架构，对机房条件要求较高。

3.3 传输需求

5G基站设备按照功能划分为3个实体，分别为CU、DU以及AAU，形成了两级前传和一级回传的传输架构，传输架构如图4所示。相关的接口主要包括前传、中传以及回传。其中，回传接口为CU到5GC的接口，中传接口为DU到CU之间的接口，前传接口为DU到AAU的接口。下面分析各阶段传输的带宽需求。

图4 5G传输架构示意图

3.3.1 前传带宽需求

5G前传带宽需求与采用的传输协议相关，按照现在4G网络的CPRI接口协议进行测算。现网4G网络20 MHz带宽、2×2MIMO条件下带宽需求为2.5 Gb/s，初步评估5G前传带宽需求为100 MHz带宽提升5倍，传输速度需求提升5倍至12.5 Gb/s，Massive MIMO实现64T64R，数据流数提高32倍至400 Gb/s。如果只支持到16流，则带宽需求为200 Gb/s。

5G前传接口与现有4G网络的CPRI接口类似。但是由于5G传输数据流数和带宽的数倍提升，传输带宽需求也会带来指数级的增长，因此传统的CPRI接口协议难以满足传输需求，可以采用eCPRI接口协议。CPRI接口与eCPRI接口的区别主要是eCPRI接口将部分物理层功能前置到AAU侧，大大降低了前传链路的带宽需求。CPRI接口与eCPRI接口的切分点示意如图5所示。

图5 CPRI接口与eCPRI接口切分点示意图

CPRI和eCPRI属于厂家内部实现方式。实施部署时，根据未来光模块成本和光纤资源情况等确定具体方案。目前，主流厂家都支持这两种方式，只是对于eCPRI接口物理层切分点的选择不同。业界比较统一的口径为采用CPRI接口时，前传带宽需求为100 Gb/s，采用eCPRI接口时，前传带宽需求为25 Gb/s。5G网络引入后，无论采用CPRI接口还是eCPRI接口，前传带宽都在20 Gb/s以上，无法继续实现RRU的级联。对传输光纤纤芯数量的需求增大，相比单载波RRU级联的4G基站纤芯需求增加了4～6倍，相比三载波RRU级联的4G基站纤芯需求增加了2～3倍。

3.3.2 中、回传带宽需求

中传主要是DU与CU之间的传输接口，传送数据为PDCP层以上数据，数据量与回传接口需求类似。5G建设初期，DU和CU合设，不存在这个接口。DU一般部署在综合业务接入点，CU部署于汇聚节点。在3.5 GHz频段，100 MHz带宽下，不同配置的设备传输带宽也不尽相同，以64TR为例，其单站峰值传输带宽为6 Gp/s；单站均值传输带宽为2.1 Gb/s。因此，需根据单站配置和基站规模，合理配置传输资源。

4 租用5G公网与自建5G专网比较

5G网络进行电力高压系统应用中主要有租用运营商5G公网和自建5G专网两种模式。下面从组网安全性、建网成本、频率资源需求以及业务范围等方面进行分析。

4.1 组网安全性

电力系统对于网络安全性要求极高，电网公司自建5G无线专网可以根据自身行业需求，进行个性化建设，实现专网专用，与公众网络相隔离，杜绝潜在隐患，从而满足系统安全需求。而5G公网由运营商负责部署，电网公司只能租用其资源开展相关电力业务，期间可能存在运营商基站或后台系统故障、传输通道阻塞以及交互数据监管困难等问题，存在一定的安全风险[9]。

4.2 建网成本

2019年是国内5G网络建设元年。目前，5G设备及终端产业链发展尚不成熟，设备造价昂贵，单独部署一张完善的5G网络，须考虑基站、传输接入、机房配套以及核心网等各环节，建网成本较高，且建设周期较长。租用5G公网资源，可利用运营商部署的完善的5G网络，在短期内通过投入相对较低的成本而达到预期的建设效果[10]。

4.3 频率资源需求

3GPP针对5G频段范围进行了定义，目前5G制式支持的频段分成了FR1和FR2两个范围。FR1的频率范围为450～6 000 MHz，FR2的频率范围为24 250～52 600 MHz。2019年6月6日，工信部正式向国内运营商发放5G商用牌照。中国电信和中国联通均获分配3.5G频段的100 MHz带宽，中国移动获分配2.6G频段和4.9G频段的共260 MHz带宽，使得5G公网建设具备了最基础的频段资源。但目前电力无线专网主要采用230 MHz和1.8 GHz频段。其中，230 MHz频段尚不在3GPP定义的5G频段范围内，因此如需进行大规模的5G电力专网部署，频段资源将成为瓶颈。

4.4 业务范围

电力无线网络主要用于高压电力塔与控制设备间相关数据的回传，不追求通信速度，但追求通信广度，点多面广。无线公网建设与用户分布紧密相连，5G公众网络在较长时间内将集中部署于市区和县城等人口聚集区。而电力无线网络需要跟着能源走，跟着电力杆塔设备走，无论是在塔尔干沙漠还是在青藏高原，只要有电力设施的地方就需要电力无线网络。这种地方对运营商来说不值得投入，但对电网来说既是管理的需要，也是一种开荒破土的社会责任。

5 结 论

分析得出，5G无线公网频段资源丰富且技术标准相对成熟，因此运营商的5G网络在全国范围内已初具规模，并在不断递增中。租用5G公网在短期内的建设投入相对较低，其超低时延和高可靠性的信息传输，在用电信息收集和应急抢修等方面更具优势。但由于安全性和主动权方面的限制，更适合应用于一些不具备控制功能且要求高带宽和低时延的配用电业务，或投资成本有限的临时应急业务。5G无线专网在安全性和通信质量的优势及建设成本和频段资源方面的劣势，使其适用于安全性高但数据容量小的电力物联网采集和控制业务。不论是5G电力无线专网还是5G无线公网，两者在电力无线通信领域的应用都各有优势，结合两者的特点及电力公司的实际应用需求综合考虑，将有助于5G网络在电力系统中的更好发展。