5G技术在电力领域的应用与发展

张时炳，张臻，钟茂玲，王刚

（中国电信股份有限公司重庆分公司，重庆 401120）

0 引言

2019 年，全球5G 商用启动，正式进入5G 时代。我国于2019 年6 月发放5G 商用牌照，首次实现与全球同步商用。5G 可以提供更高的速率、更低的时延、更多的连接数、更快的移动速率、更高的安全性、更灵活的业务部署能力并结合网络切片、MEC（Mobile Edge Computing，移动边缘计算）等技术，在赋能垂直行业实现数字化转型方面具有重要意义。

到2022 年，5G 已正式商用3 年多时间，因“新基建”战略的持续推进，各行各业都摸索出5G 技术在行业场景应用中的典型案例。电力行业的大力发展是当今社会生产以及国民经济发展的重要保障。随着社会的发展和进步，电力系统迫切需要提高自身的管理和调配效率，进一步向信息化、智能化的方向发展。另外，由于电网系统庞大且复杂，存在着人为管控难度大、成本高、效率低等问题，为此需要不断引入新一代的信息通信技术，以提升电力系统的运行性能和管控效率。5G 技术的特性可以满足电力行业的数字化转型需求，因此，5G 在电力行业中的应用不断提速。

电力通信网作为支撑智能电网发展的重要基础设施，保证各类电力业务的安全性、实时性、准确性和可靠性要求。在电网配用电侧，由于点多面广，海量设备需要实时监测或控制，信息双向交互频繁，且现有光纤覆盖建设成本高、运维难度大，4G 公网承载能力有限，难以有效支撑配用电侧各类终端的可观可测可控要求。随着分布式配电自动化、高级计量、分布式能源接入、用户双向互动、精细化采集等业务的快速发展，各类电网设备、电力终端、用电客户的通信需求爆发式增长，迫切需要构建安全可信、接入灵活、双向实时互动的电力通信接入网，并采用先进、可靠、稳定、高效的新兴通信技术及系统予以支撑，这是智能电网发展对电力通信网提出的新需求[1-6]。

随着5G 在电力行业中的应用提速，针对5G 技术在电力行业应用的研究也是越来越多，目前所见研究多集中于针对业务场景提供解决方案，对具体实施及应用效果研究较少。本文重点聚焦电力行业应用中的重要场景，关注5G 在电力行业的实际应用效果。

本文介绍了5G 在电力行业中的应用进展，分析了场景应用中的典型方案，通过对实际应用过程中遭遇的挑战进行分析，研究5G 实际应用中问题的解决之道，加快推进5G 在电力行业生产和管理场景的实际应用，推动电力行业数字化转型。

1 5G在电力行业的应用需求

5G 技术的三大特点（超高带宽、超低时延、超大连接）在电力系统的发电、输电、变电、配电、用电、调度以及应急通信的各个环节均可发挥重要作用，能够深刻变革电力通信网，全面提升电力信息化水平。

现国网重庆市电力公司5G 定制网项目（后简称“国电项目”）就有着3 种场景的实际应用需求，具体如下：

（1）智能负荷调度

电网电力调度需要实时监控用电负荷，及时调整供电方案，实现精准负荷控制，对网络的实时性和可靠性要求较高。为实现精准的电力调度及负荷控制，需要网络侧提供以下能力：

带宽：50 kbps～2 Mbps

时延：小于50 ms

可靠性：要求高，99.999%

（2）新能源消纳管理

新能源消费终端数量众多，分布较为分散，是典型的大连接场景。分布式新能源波动性大，需要双向通信，对实时性有一定要求。需要网络提供以下能力：

带宽：大于2 Mbps

时延：采集类小于3 s，控制类小于1 s

可靠性：采集类要求99.9%，控制信息要求99.999%

（3）电网安全保障

为保障电网的安全运行，需要部署电网安全保障措施。5G 立体巡检，有助于提升新能源、电网安全可靠性。5G 可视化安全管控、机器人巡检、5G AR 安监和巡检，可以全方位确保电网设备运行正常。5G 安全措施对带宽要求较高，需要网络提供以下能力：

带宽：大于20 Mbps

时延：小于1 s

可靠性：要求高，99.99%

2 5G在电力行业中的应用方案

2.1 电力行业典型应用场景

国电项目主要提供的功能有智能负荷调度、新能源消纳管理、电网安全保障，并建设统一管控平台对业务和应用进行统一的监控管理及运行调度，系统组网如图1。

图1 电力5G定制网系统组网图

在系统部署时，设计开通“5G+量子”电力服务切片，适配电网遥控的技术和商业逻辑。底层运营商提供5G“硬切片传输、网络生产管理、网络安全”行业服务切片，中层电网公司构建电力5G 实体子网，整合公专跨域网络能力，二次编排，为上层遥控系统提供端到端定制化服务实例。

通过一级电信级标准化服务+二级行业级定制服务结构，从技术性能、生产关系、安全管理全方面满足电网业务需求。项目实施过程中实现了5G 大网标准化电信服务到电网端到端定制化服务的转换，形成合理的建设、运维生产关系、双方职责分工、双方安全职责边界。

2.2 电力5G定制网配置

针对国电项目的业务场景和网络需求，需要根据业务提供对应的配置，实现业务功能。5G 定制网主要通过不同的切片配置来满足不同的业务需求。

1）5G 切片系统

5G 切片系统分为切片受理、切片开通和切片管理3个部分。

5G 切片受理提供切片商品订购、切片成员添加/ 删除业务能力。根据用户的业务需求，受理对应的切片商品，并可对切片能力进行修改等操作。

5G 切片开通是将客户的业务需求转化为网络功能，实现5G 切片在网络侧的资源编排、部署、开通、监控等功能。网络侧相关资源分配，参数设置即在开通环节完成，实现5G 网络切片的开通。

5G 切片管理分为2 类：一类是状态监测型，主要包括对运营商网络的业务切片属性、切片资源视图、切片负荷运行状态的监测；另一类是控制管理型，包括根据电力企业的需求订购网络切片，选择网络切片类型、容量、性能及相关覆盖范围，可根据电力企业的需求调整切片的功能、业务属性和资源分配，调整不同业务之间切片的隔离程度（如物理隔离、逻辑隔离）。

5G 网络切片是端到端的，包含多个子域，并且涉及管理面、控制面和用户面。5G 网络端到端切片涵盖终端、无线网、承载网和核心网。

核心网切片：隔离方案主要实现网络切片在5G核心网部分的资源和组网隔离与SLA（Service Level Agreement，服务等级协议）保障。其中资源视图主要针对为切片隔离分配的5G 核心网硬件资源层、虚拟资源层和网元功能层；而组网视图则主要针对5G 核心网数据中心内的交换机/ 路由器设备的隔离性。

承载网切片：基站和网络之间的移动传输网络根据对切片安全和可靠性的不同诉求，分为硬隔离和软隔离，根据业务要求实现隔离度、时延和可靠性的不同需求。传输承载技术包括：FlexE/MTN（Flexible Ethernet，灵活以太网技术/Metro Transport Network，城域传送网）接口隔离、MTN 交叉隔离和VPN+QoS（Virtual Private Network，虚拟专用网/Quality of Service，服务质量）隔离等不同技术。

无线网切片：无线接入承载的传输隔离能力包括切片间共享传输管道和切片专用传输2 种方式。承载网可支持切片间共用传输，也支持通过VLAN（Virtual Local Area Network，虚拟局域网）对接VPN 隔离实现不同切片传输。无线网切片隔离取决于5G 无线侧对不同切片业务的资源隔离和保障能力。根据业务时延、可靠性及隔离要求，可分为切片级QoS 保障、空口软隔离、硬隔离等几个层次。实现切片隔离的无线资源包括空口资源、硬件资源和传输资源。

2）电力5G 切片的开通配置

国电项目的主要功能模块是智能负荷调度、新能源消纳管理、电网安全保障，针对不同的功能模块使用不同的切片，提供不同的网络性能。

智能负荷调度对时延及安全性要求较高，因此设置独享切片，配置定制DNN（Data Network Name，数据网络名称）。电网安全保障对带宽要求较高，同时对数据安全性有较高需求，采用与智能负荷调度不同的独享切片，实现业务的隔离。独享切片在网络侧采用硬切片方式，分配专用的基站资源，承载网资源，以及独立的UPF。通过硬切片技术满足资源独享，带宽独享的业务需求。同时业务接入靠近客户侧的边缘UPF，边缘UPF 直接对接客户专网自动化主站，最大程度减小时延。同时硬切片加独立UPF 保证了业务的隔离，定制网业务与普通业务隔离，确保客户数据的安全性。

新能源消纳管理功能下接入终端数较多，地域分布广，因此不宜设置独享切片，选择共享切片可快速部署业务，减少配置工作量。开通配置不同的定制DNN，接入新能源消纳专用UPF，通过UPF 接入客户专网应用。

5G 切片在核心网上的配置分为网络基础配置和5G切片业务配置两部分。网络基础配置主要包括全局QoS映射、用户签约模板预配置、UPF-N3 口配置等内容，根据客户开通5G 切片时的业务需求完成相应配置内容。5G切片业务配置主要包含切片配置、DNN 配置、终端地址池配置、UPF-N6 口配置、客户码号签约业务配置等内容，根据客户不同切片的需求进行配置。

5G 切片在承载侧的配置主要包含从基站到5GC UPF段的移动回传网络部分的配置。从基站到核心网之间的承载网会根据业务需求开通多个切片。其中5G 定制网业务会承载在专用切片内。业务对承载网的需求主要包括专用切片通道的端到端打通，以及QoS 的端到端映射和调度。

5G 切片专线在无线侧的配置主要涉及2 方面配置：第一，5G 切片专线所使用的5QI（5G QoS Identifier，5G 业务质量标识）参数在无线侧的策略配置和到承载网的映射；第二，每个客户所使用的切片在无线基站侧配置，以及切片与基站出口网络的绑定关联。

3）区域限制配置

对于在特定区域的终端，已划分独立的TA（Tracking Area，跟踪区）来为定制网业务服务，区分普通用户和定制网用户。因基站无线信号的特性，定制网独立TA 与现网普通TA 的边界会出现信号重叠的区域，当终端在此区域活动时，会出现终端切换到普通TA 的基站上的情况，此情况下终端无法接入定制网。

为保证终端在园区内始终使用定制网业务，5G 核心网可采用TA 限制功能。给定制网用户签约TA 限制功能，只允许用户从园区TA 接入，当用户使用普通TA 的基站接入时，网络侧会拒绝用户接入并使用户回到园区TA。

通过在网络侧部署针对定制网的优化方案，可以保障电网定制网用户更好地使用5G 定制业务，确保业务使用的持续性、稳定性。

4）4G 回落问题解决

在5G 基站无法覆盖的区域，利用现有4G 基站来完成终端的接入。终端从4G 基站接入，通过定制DNN 将用户转接至5G 核心网，数据面仍通过边缘UPF 接入到客户自有网络。此方法可满足对时延和速率要求不高的场景，如电力行业中的配电信息采集，设备负荷监控等。在实际应用中，要在4G/5G 网络同步配置用户定制DNN，并完成4G 基站到边缘UPF 的路由放通，根据实际需求放通相关地址路由，通过路由控制保障核心网络及客户网络的安全。

3 电力5G定制网应用效果

电力5G 定制网实施后，取得明显效果。应用前后，电网调度断面从高压断面精细到配网、用户断面，周期从日级计划调度到分钟/ 秒级在线调度，停电区域从区域拉负荷变为区分用户调节，很好地改变了电网的调度调节机制，形成了电网下一代调控体系结构。

项目投用后实现对风、光、储等分布式新电源的全面监控，智能管理，实现新能源电源足额消纳，同时智能调度新能源充电站作为储能设备，实现电力供应削峰填谷。5G 赋能电网智能化、数字化转型，提升了新能源消纳能力，支撑了双碳目标的实现。

5G 智能巡检的上线，实现了全天候24 小时的不间断巡查，相比之前节省约80% 的现场核查人力，巡检效率较传统人工巡检提升2.7 倍。自动流程化巡检达到了问题快速排查，即检即修的高效闭环模式。5G 技术大大提升了电网的安全保障能力，提升了电网的智能化水平。

4 5G在电力行业的发展展望

未来5G 技术还可通过保障高速、安全、可靠的综合信息通信服务，服务于远程操作、精准负荷控制、智能配电、并网优化等业务，满足电力行业的差异化需求，提升智能电网的性能水平。在国家数字经济政策顶层设计逐步完善的政策背景下，电力行业“5G ＋智能电厂”“5G＋智能电网”等行业应用逐步成熟，必将助力电力行业在发电、输电、变电、配电、用电等全流程，采集、巡检、监控、控制等各方面创新发展，助力电力行业全方位、全链条的产业升级。

电力行业新的全方位发展，对5G 网络及技术也提出了一些新的需求。需要更优的技术来达到节能增效的目的。

智能电网中，相邻配电站的设备之间通信，需要实现UE-UE（User Equipment，用户终端）的通信。需要5G 网络实现UPF 内/ 间UE-UE 间的确定性转发能力，无需UPF 的外接网络。该能力的实现需要终端和网络同时具备确定性转发能力。

智能巡检业务和定时上报终端需要进一步节能，降低功耗。5G 网络通过减少带宽，减少天线层数以及放宽下行链路调度阶数等手段，实现天线和射频组件成本和功耗降低，满足可穿戴设备、电力无线传感器终端需求[7-27]。

5 结束语

本文介绍了5G 和电力行业融合发展的相关情况，以一个实际案例来讨论现阶段5G 在电力行业中广泛应用的最新进展。通过研究实践过程中遇到的挑战，提出解决思路和措施，为进一步推动5G 行业发展提供借鉴。