5G技术性能与电力业务的匹配性分析

完颜绍澎，于 佳

（1.南瑞集团有限公司，江苏 南京 210000；2.国网电力科学研究院有限公司，江苏 南京 210000）

0 引言

近年来，国家在信息通信产业发展及共享经济方面提出了更高要求，明确信息通信基础设施是各种新兴产业发展的载体和基石。工信部向中国移动、中国电信、中国联通和中国广电4 家公司发放5G 正式商用牌照，中国5G 网络建设进入快速部署阶段，中国5G 标准与进程将引领世界5G 网络的发展。因此，未来一段时期内运营商对5G 共享基站的需求将会呈现井喷式爆发。

在能源互联网建设的驱动下，电网存量业务亟须优化提升，新兴业务蓬勃发展，网络安全要求越来越高，各类业务对无线通信指标要求越来越高［1-3］。230 MHz 专网和4G 公网无法完全满足单位面积内的海量连接、带宽接入和低时延业务需求，无法支撑泛在电力物联网业务发展［4-5］。而光纤专网虽然具有高带宽、低时延、高可靠等优势，但无法满足泛在、灵活、移动接入需求［6］。此外，为应对能源生产消费变革推动电网向能源互联网升级，迫切需要建设低时延、大连接、大带宽的5G 网络，以从根本上满足能源互联网建设与发展中各类业务需求和网络安全要求，形成电网新业态，推动能源生态圈的质效提升和业态变革，保障电力网络安全自主可控，推动网络强国建设，落实国家能源安全新战略［7-8］。

电力的业务能否与5G 网络匹配，是重点研究的内容。通过对电网业务的分析与梳理，未来控制类业务连接模式将出现更多的分布式点对点连接，主站系统将逐步下沉，出现更多的本地就近控制，且与主网控制联动的需求，时延需求将达到毫秒级［9-11］。电网控制类业务的时延达到毫秒级，可靠性需求将提高到99.999%［12］；采集类业务种类将激增，且在覆盖广度上将提高50～100 倍，达到数十亿级别，接入密度将增加至约6 000 个/km2［13］；移动应用类业务单终端通信速率50 Mbit/s 带宽，时延要求将达到数十毫秒。

1 电力业务与运营商5G网络匹配度分析

1.1 业务性能需求与5G网络匹配度分析

将电力业务按服务质量（Quality of Service，QoS）性能需求进行分类，电力业务与5G 网络的匹配度，按业务性能可将电力业务分为生产控制类、信息管理类、采集类及移动应用类4 种场景。电力业务性能需求与5G网络场景匹配度见表1。

表1 电力业务性能需求与5G网络场景匹配度

电力业务场景与5G典型场景存在一定的匹配关系，但同时又交叉融合，由于第三代合作伙伴计划（3rd Generation Partnership Project，3GPP）现有标准仅冻结了增强移动宽带（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）及低时延高可靠，（Ultra Reliable &LowLatency Communication，uRLLC）场景［14-15］，针对海量机器类通信（Massive Machine Type Communications，mMTC）场景的标准还处在研究阶段，，加之电网业务场景与5G网络场景并非一一对应关系，对5G 在电力系统的应用提出了更高的要求［16］。

1.2 业务判决方式与5G网络匹配度分析

运营商建设5G 基站覆盖次序是否与电力5G 业务的时间分布一致。根据电力业务的判决方式进行分类，主要包括本地判决类和远端判决类。本地判决类业务是指业务终端数据本地传输、本地处理，业务数据不出园区，远端判决类业务是指业务终端数据通过核心网用户端口功能（User Port Function，UPF）经过安全接入区上传业务主站，主站处理再下发至终端进行动作。电力业务判决方式与5G 网络场景匹配度见表2。

表2 电力业务判决方式与5G网络场景匹配度

电力业务与5G 网络匹配及网络建设流程如图1所示，首先按业务空间分布进行5G 网络布局，确定5G 网络优先需要覆盖的区域，以明确当前网络重点解决的业务需求，之后在重点区域内通过业务性能模型进行5G 网络的场景匹配以确定5G 网络需要分配的切片类型，最后根据具体业务的判决方式进行5G 网络的部署以确定UPF 等核心网元共享模式及下沉位置。结合以上步骤完成最后的工程造价分析，包括业务开通费用、切片费用及网络建设费用。

图1 业务与5G网络匹配及网络建设流程

2 电力业务与运营商5G性能匹配度

2.1 电力业务时延需求与5G空口性能匹配

空口时延估算的流程如图2 所示，业务速率及可靠性指标与空口时延存在一定的逻辑关系，在确定业务速率及可靠性指标后，可进行空口混合自动重传请求（Hybrid Automatic Repeat reQuest，HARQ）时延的估算。5G 空口参数包括时序参数、调度模式、帧结构、载波模式及发射模式［17］，在确定空口参数及业务调制与编码策略（Modulation and Coding Scheme，MCS）要求的情况下结合5G 传播模型即可估计HARQ的重传次数，最终确定空口HARQ时延。

图2 5G空口时延估算

采用运营商帧结构分析了频分双工模式（Frequency-division Duplex，FDD）/时分双工模式（Time-division Duplex，TDD）免调度和调度模式最大3 次重传的空口时延，经过3 次重传可靠性可保证约99.99%，通过比较发现FDD 免调度模式的时延最低，TDD调度的时延最高。

2.2 业务时间同步需求与5G时间性能匹配

电网的电力调度和故障分析判断对时间同步有广泛需求［18］，尤其在实时控制领域，电力自动化设备（系统）直接使用时间同步系统实现时间同步。根据电力业务的时间同步精确度要求可分为1 μs、1 ms、10 ms 和1 s 4 个等级，目前5G 网络针对eMBB 场景的时间精度需求可达到1.5 μs，同时3GPP 标准引入的时间基准参数将进一步提高时间分辨率。电力业务的时间精度需求与5G 网络的匹配见表3，从业务时间同步需求与5G 网络匹配的角度分析，5G 网络eMBB 场景的时间精度可以满足绝大多数电力业务的时间同步需求，随着5G 场景进一步发展和授时方案的不断成熟，未来电力业务可采用5G 网络实现授时和守时功能。

表3 电力业务时间精度需求与5G网络的匹配

2.3 业务安全需求与5G安全性能匹配

按《电力监控系统安全防护总体方案》的要求，电力监控系统应满足横向隔离、纵向认证及设备网络容灾备份的要求［19］。

电力业务安全需求与5G 网络匹配度分析见表4，通过将电力监控系统安防需求与3GPP 标准进行匹配，分析了电力5G 通信网络在无线网、核心网及传输网3个层面所采取的安全技术及组网方式。

表4 业务安全需求与5G网络匹配度分析

3 电力业务与运营商5G信号特征匹配度

3.1 采集类持续上行业务的5G信号匹配

以配网差动保护业务为例，每一个保护终端都通过通信通道将本端的电气测量数据发送给对端，同时接收对端发送的数据并加以比较，判断故障位置是否在保护范围内，并决定是否启动将故障切除。保护终端的典型采集频率为1 200 Hz，每隔0.833 ms发送一次数据，单次数据量为245 字节，通信带宽需求为2.36 Mbit/s。由于配网故障发生是随机的，配网差动保护需要持续实时通信传递数据来判断和检测线路是否发生故障，因此具有持续上行带宽流量需求，并且对带宽资源保障要求高。此外，持续通信也将产生大量的网络流量，单个终端平均每月上网流量约为886 GB，对网络的流量承载能力要求高。的隔离性要求，推荐针对电力生产控制大区业务采用基于资源预留的物理隔离方案，针对电力管理信息大区业务采用基于优先级调度的逻辑隔离方案。

3.2 低时延高可靠业务的5G信号匹配

1）毫秒级的网络时延和抖动需求。在电力业务中，网络通信时延即为业务执行与业务处理的时间之差。其中业务执行时间取决于业务需求，业务处理时间主要取决于硬件装置。在业务执行时间确定的条件下，网络通信时延与业务处理时间强相关：网络通信时延越短，预留给业务处理的时间越长；反之亦然。通过降低网络通信时延可以为应用提供更多的裕度。

2）对连续丢包性能的需求。丢包是指一个或多个数据包无法在规定的时间内通过网络传输到达目的地。连续丢包可能会影响业务的正常运行。以配网差动保护为例，为了保证业务的顺利开展，规定如果保护终端连续3 个时间间隔接收不到对端发送的数据包，该终端就会判断线路故障，并通过闭锁差动保护功能逻辑模块输出闭锁保护，同时产生差动保护闭锁告警信号并上传至配电主站；当通信恢复和数据正常保持大于40 ms后解锁闭锁，差动保护逻辑模块恢复正常运行，同时产生差动保护闭锁接触信号并上传至配电主站。为了保障差动保护业务的顺利进行，要求连续丢包数＜3。

3）通道可用性需求。通道可用性是通信通道全年可正常通信的分钟数占全年总分钟数之比，是电力客户与运营商的主要衔接指标。以配电网差动保护为例，配电网差动保护依赖对端持续发送的电流实时测量数据以判别故障，通信通道是否可用直接影响配电网差动保护的正确顺利运行，因此对通道可用性要求高。电力企业要求一个配电网差动保护判断周期内（连续5 个采样点），通道可用率不低于99.9%，折算到单次通道可用率为99.99%。配电网电源管理单元（Power Management Unit，PMU）对通道可用性的要求也相对较高，一般为99.9%。分布式馈线自动化属于事件触发类业务，对通道可用性的要求相对较低，一般为99%。

3.3 安全隔离及时间同步需求

随着5G 在电力行业的逐步推广应用，电力行业在利用好5G 的技术优势的同时应保障电力安全防护要求，实现5G 网络对智能电网各类电力业务的灵活承载，数据的安全传输。电力5G 安全架构需要从终端安全、网络设备及通道安全、接入区安全等方面考虑。电力5G总体安全防护架构如图3所示。

图3 电力5G专属网络安全防护框架

终端安全包括端到端的安全认证，5G 终端接入安全接入区需要进行芯片级加密认证，进行访问控制和网络攻击检测；内网的边界采用公司专用的安全接入平台实现无线业务终端到网络边界的加密传输、终端合法性认证和数据隔离交换等安全功能。

通道安全主要包括在运营商网络中传输电力专网数据以实现不同类型业务之间专用网络的相互隔离，其中，接入生产控制大区和管理信息大区的业务之间需要采用物理隔离等措施，而接入管理信息大区的不同业务之间，以及生产控制大区的不同业务之间需要采用逻辑隔离等措施。电力切片安全需要对接入网切片、承载网切片和核心网切片统一考虑，涉及切片管理安全、切片授权安全等技术。其中切片管理安全包括网络切片控制器攻击防范和业务配置管理面攻击防范，切片授权安全要求能够提供切片内认证和授权机制，防止非授权用户访问切片资源。

接入区安全指生产控制大区的业务系统在与其终端的纵向连接中使用无线通信网、电力企业其他数据网（非电力调度数据网）或者外部公用数据网的虚拟专用网络方式等进行通信时应设立安全接入区。此外，上述终端如果接入管理信息大区要求通过专用的信息网络安全接入网关。

电力系统中的装置如PMU、保护终端、开闭所终端设备等都内置了时钟，但这些时钟之间由于时钟初始值或时钟计时精度等问题难以同步，导致其相应的采集量也会出现时间偏差，进而影响电力业务的正确执行。以配电网差动保护为例，线路两端保护终端不同步将导致线路两端差动电流IA-IB数值计算不准确，影响差动电流计算和保护逻辑判断的准确性。因此，需要通过卫星授时等技术来实现全网设备和采集量的同步对时。实际工程中，配网差动保护要求对时精度＜10 μs，配电网PMU要求对时精度＜1 μs。

4 电力业务的5G现场测试结果

5G 系统中eMBB、uRLLC、mMTC 三大通信技术将为智能电网中各典型业务提供能力。按照业务特征5G 可承载电力业务可划分为电网控制类、信息采集类两大典型场景。其中，电网控制类包含差动保护、配电自动化、用电负荷需求侧响应、分布式能源、精准负荷控制等；信息采集类业务包括高级计量、智能电网大视频应用、用电信息采集等，其中移动现场施工作业管控、无人机远程巡检、人工维护巡检等业务有移动需求。eMBB 主要支撑智能电网的大视频应用，包括了变电站巡检机器人、输电线路无人机巡检、配电房视频综合监控、移动现场施工作业管控、应急现场综合自主网应用等。uRLLC 主要支撑分布式配电自动化、用电负荷需求侧响应业务等。mMTC主要支撑分布式能源调控及高级计量等业务。

目前，配电自动化、用电信息采集、巡检机器人、视频监控、环境监控、电动汽车充电桩、混合显示移动作业、应急通信业务均通过了5G 的现场测试，测试结果如表5 所示。通信技术匹配智能电网不同业务场景需求如表6所示。

表5 电力业务测试结果

表6 通信技术匹配智能电网不同业务场景需求

5 结语

在业务性能和5G 网络的匹配中，生产控制类应用场景，对安全性要求比较高，要求实现与管理信息类业务应用的物理隔离，对时延有较高的要求，但速率不高，同时还存在海量终端接入的情况，对网络接入存在一定的需求，适配于低时延高可靠场景和海量接入场景。信息采集类应用场景，以视频图像的数据传输为主，如视频等带宽较大的业务，对时延、接入量要求不高，但数据传输带宽要求较高，适配超大带宽场景。采集类应用场景中，属于物联网性质的低速率、广分布的业务，业务数据传输带宽、时延要求不高，但是终端数量巨大，适配海量接入场景。移动应用类的终端具有移动性广域性的特点，在大范围内移动过程中存在数据传输，同时某些业务还具有采集类场景海量接入的需求，适配于广域移动接入场景和海量接入场景。在业务安全需求与5G 网络的匹配中，分析了电力5G 通信网络在无线网、核心网及传输网三个层面所采取的安全技术及组网方式，能够满足安全需求。在时间同步需求方面，电网的电力调度和故障分析判断对时间同步有广泛需求，尤其在实时控制领域，电力自动化设备直接使用时间同步系统实现时间同步。从业务时间同步需求与5G网络匹配的角度分析，5G 网络eMBB 场景的时间精度可以满足绝大多数电力业务的时间同步需求，随着5G 场景进一步发展和授时方案的不断成熟，未来电力业务可采用5G网络实现授时和守时功能。