省地协同的5G电力虚拟专网规模应用及自服务管理*

李森林，曾瑛，尹震超，吴振田，杨志花

（1.广东电力通信科技有限公司，广东 广州 510030；2.广东电网有限责任公司电力调度控制中心，广东 广州 510030）

0 引言

5G 是全球新一轮科技革命和产业变革的代表核心技术之一，随着5G 网络的快速建设和应用，5G 技术的业务升级和业务创新正在被各个领域采用，在智能电网领域，“5G+数字电网”是符合国家“两新一重”发展政策和电网融合发展的技术趋势。在国家“双碳”战略、“整县光伏”等系列政策背景下，加快构建“绿色高效、灵活开放、数字赋能”的新型电力系统是能源电力行业落实“双碳”目标的重要举措。新型电力系统源网荷储各环节业务发生变化，呈现大规模新能源接入、高比例电力电子设备接入、数字电网与电力系统融合以及供需灵活互动等特性，对电力通信系统提出了海量终端精准感知、巨量数据存储和计算分析、数据交互安全可靠等新挑战。传统无线公网通信等方式已无法满足电力传输的实时性、安全性、可靠性要求，5G 广连接、低延时、大带宽以及安全隔离等技术特点可为电网业务开展提供坚实支撑。

近年来5G 在电力行业的应用发展可以归纳为2 个阶段：2019-2020 年是5G 电力应用第一阶段，以单体场景应用验证为主；2021 年以来逐渐进入以规模化建设为主的第二阶段。在第二阶段中，5G 电力规模应用主要面临以下急、难、愁、盼问题：

急：前期5G 电力应用大多以地市独立业务验证为主，面向规模应用，缺乏适应电力集约化管理的省地协同方案。

难：5G 电力业务规模化应用，需要兼顾电力工业及互联网的复杂特性，譬如新型电力系统工业高可靠特性，数字化的互联网特性；同时需要兼顾电力业务特征及运营商网络特性，譬如不同区域电力业务发展数字化程度不一，运营商网络部署特点不一。

愁：面对电力复杂场景，适配5G 异构组网的通信终端成为5G 电力规模应用的瓶颈。而面向未来百万级的5G 卡连接，电力对5G 卡、切片及虚拟专网的管理能力也有待提升。

盼：当前5G 电力应用的成本仍有待下降，当前单卡每月成本50～450 元不等，相对于4G 仍居高不下。且应用模式较为单一，主要以电网租赁运营商切片服务为主，缺乏创新共赢的模式探索。

本文以广东电网公司5G 规模化推广应用为例，从网络、终端、管理、应用4 个角度展开省地协同的5G 电力虚拟专网规模应用及自服务管理模式的研究。在网络部署方面，本文提出省地协同的5G 电力虚拟专网部署架构，实现适配国内多运营商网络部署特点和不同地市具体需求的省地两级协同组网；在终端研究方面，本文结合电力行业的特征，开展定制化的终端研究，紧密结合5G 通信技术特点，提出可加强电网末端感知控制的功能算法；在管理模式方面，本文设计了一种面向5G 自服务的具备电力业务支撑能力的管理系统，实现对5G 网络切片、5G 电力卡以及5G 终端设备的全面管控；最后，本文全面总结了所研成果规模化应用的相关经验，以期为电网公司其他省份或其他行业领域系统性规模应用5G 提供相对中立、客观、全面的参考。

1 省地协同的5G电力虚拟专网部署方案

省地协同电力虚拟专网方案纵向按照不同地市的发展诉求建立3 种业务模型，横向结合中国移动、中国电信、中国联通的5G 技术路线及网络部署特点，对应设置3 种模式，达到安全性、经济性、兼容性和扩展性的平衡。

1.1 面向电力业务的5G网络切片划分方案

综合考虑电力业务需求特性、安全要求、管理要求以及规模成本，并结合电信运营商的5G 网络覆盖情况，构建由电力企业及运营商共同运营管理的5G 电力虚拟专网，采用电力专用UPF（User Plane Function，用户面功能）方式，通过省、地两级的协同方式部署。如图1 所示，电网企业按照电力业务安全分区，面向全省划分5 种切片类型，具体为：生产控制区（安全区I）、生产非控制区（安全区II）、生产管理区（安全区III）、信息内网区（安全区IV）、信息外网区（安全区V），通过S-NSSAI（Single Network Slice Selection Assistance Information，单一网络切片选择辅助信息）标识电力切片，DNN（Data Network Name，数据网络名称）标识切片内的不同业务。

图1 电力虚拟专网切片方案（广东）

生产控制大区部署电力专用UPF，并划分2 个逻辑独立的UPF 租户，分别承载I、II 区业务。管理信息大区在电网侧部署电力专用UPF，无需额外开通运营商至电网的专线。

1.2 面向区域发展特性的5G电力业务发展模型

根据不同区域（地市）的发展特性，如珠三角先进地市有规模发展低时延业务需求、多场景规模应用需求、珠三角部分地市初期III/IV 区业务发展需求较大，I/II 区少量拓展常规业务）、其他地市当前5G 电力业务规模较小，稳步拓展常规业务，本文匹配建立3 种业务模型，如表1 所示。

表1 匹配区域发展特性的三种业务模型（广东）

1.3 面向运营商网络部署特点的5G电力虚拟专网部署模式

针对三大运营商技术及网络部署特点，提出了3 种5G 电力虚拟专网部署模式：省集中部署、地市完全独立部署以及省地混合部署，即针对I/II 区业务采用地市独立部署，III/IV 区业务采用省集中部署，以适配不同电力业务的应用需求。

（1）面向中国电信、中国联通的组网模式

5G 电力虚拟专网UPF 分省地两级部署，省级UPF负责省集中业务，包括计量、输电线路监测、智能配电房等；地市级UPF 负责地市落地业务卸载，包括配电自动化三遥、配网差动保护、输电线路监测、配电房、变电站视频监控、无人机机巡、变电站巡检机器人等，避免流量迂回。同时，利用电力专线通道解决省集中UPF平台对大量时延非敏感业务的调度。

（2）面向广东移动的组网模式

由于在本文所举的案例中，广东移动的5G SPN（Slicing Packet Network，切片分组网）具有随着核心网UPF 直接下沉地市的网络部署特点，因此在本案例中，未考虑省内跨地市FlexE（Flexible Ethernet，灵活以太网）硬管道的部署建设，该模式可为具有相同情况的省份进行部署提供参考。面向中国移动的组网模式如图3 所示，对于地市存在I、II 区业务接入需求的，在各地市配置不同档次的电力虚拟专网UPF，同时，III、IV 区业务充分复用省会（广州）资源，以便提升资源利用率，即广州采用模式1，同时其III、IV 区业务UPF 作为省中心节点，汇聚模式2、3 地市的业务转发。各地市按业务发展需求逐步下沉UPF，I/II 区UPF 地市部署，按需配置1～10GB 不同容量档次；III/IV 区UPF 复用省会广州UPF，随业务规模发展，按需下沉到地市部署。同时，充分利用电力现有专线通道，实现III、IV 区业务省地集约分发与调度。

图2 面向电信联通的5G电力虚拟专网部署模式（广东）

图3 面向广东移动的5G电力虚拟专网部署模式（广东）

2 面向电力业务的定制化融合5G终端

针对电力业务特点，提出2 类定制化融合5G 的智能终端，实现5G 与电力异构组网通信，实现终端功能、类型与业务适配，提升数据传输的可靠性和安全性，支撑智能电网实现云边协同、边端联动、算力下沉和区域自治。

2.1 5G+载波通信智能网关

5G+载波通信智能网关集成5G 通信技术、新一代载波通信技术，具备边缘技术、协议转换等功能。智能网关研制过程中，提出一种在通信模组内集成实时空口监测的方法，实现终端对通信链路状态的动态监测，并实时录制终端无线空口信号各特征数据曲线，实现空口侧故障预测、异常事后溯源、基站-终端地理位置相互定位等功能，解决对通信过程、通信效果缺乏有效管控，业务与通信的故障运维界面模糊、效率低下的业务痛点。智能网关秉持国产化设计思路，采用国产化核心处理器、模组芯片等，以实现自主可控，可适配市场90%以上的通信模组，具有较大的推广价值。

智能网关的架构设计如图4 所示，其主要的功能包括以下4 点：

图4 5G+载波通信智能网关架构设计

1）内置5G 通信模块，支持5G 电力切片，兼容4G。

2）采用“All in One”设计理念，内置载波通信单元、视觉AI 计算、边缘计算和模拟语音输入输出单元等。

3）满足各类传感器数据接入，包括设备状态监测、环境安防监控、电气量监测、电表等数据。

4）具备边缘计算及容器功能，可接收主站平台联动策略对终端设备进行本地联动控制和将数据上传，可接收主站平台指令实现对终端设备远程控制，支持应用、容器、网关平台软件的远程安装、升级、卸载等，支持软硬件资源远程监视等。

2.2 5G智能摄像头

5G 智能摄像头应用于输电线路在线监测，融合5G、WAPI（Wireless LAN Authentication and Privacy Infrastructure，无线局域网鉴别和保密基础结构）、北斗等多种通信技术，保障输电线路全场景的数据通信。提出高效电源管理和智能策略休眠唤醒的低功耗终端运行模式，采用IP67 防护设计，适应输电线路野外严酷环境挑战。终端采用WAPI 自组网技术，解决公网覆盖不足区域的通信接续问题，同时，终端集成针对电力输电线路视频监控的11 种智能算法，包括线路本体（导线、金具、线路覆冰/弧垂/舞动状态等）、周围环境（树木、异物、山火、机械等）的实时监测和告警分析等。终端可提供小气象、杆塔倾斜等电力特色的传感能力，实现外部传感器接入和联动数据分析，极大提升输电线路在线监测水平。

智能摄像头主要的功能包括以下4 点：

1）内置1 个前视200 万像素+1 个下视500 万像素光学图像传感器；

2）内置1.5 TOPS 神经元计算AI 引擎；

3）具有5G/4G/光纤/WAPI/LORA/北斗等多种通讯能力，具备WAPI 自组网能力；

4）内置硬件国密级别认证和数据流加解密。

3 面向省地集约化管理的电力自服务5G支撑系统

5G 电力支撑系统是行业首个面向省地集约化管理的电力自服务5G 支撑系统，其基于运营商5G 能力开放，提出电网公司业务开通、台账管理、性能监视等200 余项指标，支撑电网公司对电力切片的自主管控。

3.1 系统定位及整体架构

5G 电力支撑系统实现省集中部署、地市分权分域应用，其总体架构如图5 所示。通过对接三大运营商的5G、4G 能力开放平台，实现多制式的无线公网切片、卡、流量等管理能力，实现5G 业务的线上开通；系统通过带内的方式对接电力通信终端，实现其状态的统一管理；通过对接电力内部的地图系统、计量系统等，实现通信与电力业务的数据融合。

图5 5G电力支撑系统总体架构

3.2 系统功能架构

系统包括9 个一级模块、30 个二级功能模块，实现电力5G 切片规划、切片订购、通信卡管理、通信终端管理、以及流量/ 状态/ 告警等数据分析功能，系统功能架构如图6 所示。形成涵盖通信、业务的统一资源视图，并针对基础设施共建共享数据融合方面联合运营商进行创新探索，利用AI 机器人方式辅助提升运维及流程效率。

图6 5G电力支撑系统功能架构

4 电力全业务场景验证与规模应用

本文所述案例在国内率先完成涵盖“发输变配用综合”51 类电网全业务场景验证，接入终端规模超6 000 个，形成3 大业务应用示范区，包括：广州南沙5G 全业务示范区，广泛验证了电力全业务类型；清远新马村新能源示范区，验证5G+载波异构组网，解决海量新能源灵活接入；东莞松山湖多站融合节能低碳示范区，探索5G 多站融合、低碳节能的创新模式。

4.1 广州南沙5G全业务示范区

示范区部署5G 商用电力切片，在商用环境下完成差动保护等超高性能指标要求的电力业务精准性能控制。国内首次完成无线空口资源预留比例测试和业务边界指标测试，优化无线资源利用率近80%；通过5G 网络交付测试、5G 通道端到端测试、业务系统联调测试3 个环节测试，当前已实现涵盖“发输变配用综合”51 类应用场景超6 000 台业务终端5G 改造，验证了电力5G 虚拟专网切片隔离性能、资源保障性能和“电力专网+电力5G 虚拟专网”承载电力业务的能力，充分表明5G 网络在高精度授时、超低时延、超可靠性的商用价值，形成规模示范效应。

4.2 东莞松山湖5G多站融合节能低碳示范区

5G 多站融合节能低碳示范区主要从网络融合、低碳节能、运维协同3 个方面开展5G 应用。

在网络融合方面，围绕东莞松山湖智能电网示范区，把5G 基站+边缘计算纳入多站融合的资源及能耗规划，变电站/ 配电房解决5G 基站、MEC（Mobile/Multiaccess Edge Computing，移动/ 多接入边缘计算）、低碳动力环境及末端光纤建设资源。

在低碳节能方面，联合运营商开展运营商5G 基站采用峰谷电价降低电费；5G 基站+边缘计算充分利用多站融合的光伏储能资源，促进分布式光伏消纳；进而探索5G 基站+边缘计算参与电力需求侧响应的模式，进一步探索降低5G 应用成本的新模式。

在运维协同方面，构建基础设施共建共享协同规划、公网信号覆盖、设备线上运维及可视化辅助检修、电力基础设施及用能数据线上跨域服务等管理模块，解决了跨域设施、设备的协同运维管理。

4.3 清远新马村新能源示范区

示范区应用5G+新一代电力载波技术，搭建源、网、荷、储综合能源架构，利用光伏、充电桩、智慧路灯、储能、用能数据，实现微网虚拟电厂、用户侧需求响应、计量集抄业务的有机融合，助力广东首个“碳中和”新能源示范村建设。

4.4 业务验证总结

本文所述案例通过打造特色业务示范区，在广东省充分验证了各类智能电网5G 应用场景，包含配网差动保护、自动化、配网PMU（Phasor Measurement Unit，相量测量装置）、高级计量等生产控制类业务，同时包括无人机巡检、输变电高清视频监控、变电站巡检机器人等管理信息类业务，并针对每项业务开展了5G 端到端网络测试、功能验证和试运行，完整验证电力5G 虚拟专网切片隔离性能、资源保障性能及“电力专网+电力5G 虚拟专网”承载电力业务的能力。通过业务规模应用探索，进一步提炼11 类推广应用场景。

1）发电环节的业务场景包括微能源网/ 分布式电源综合应用（风/光/热/ 水等新能源）；

2）输电环节的业务场景包括输电线路在线监测及视频监控、输电线路无人机巡检；

3）配电环节的业务场景包括配电自动化（三遥）、精准负荷控制、配网差动保护、区域保护、智能分布式FA（Feeder Automation，馈线自动化）、智能配电房、配电网微型同步相量测量PMU/配网态势感知；

4）用电环节的业务场景包括用电信息采集/ 高级计量、电动汽车充电桩。

5 总结

本文以广东电网公司5G 电力业务推广应用为案例，对5G 电力应用的体系化部署运营进行系统化的总结，提出省地协同的5G 电力虚拟专网规模应用及自服务管理模式，从电力企业自身的集约化业务发展、省地流量分布差异、区域发展差异出发，结合运营商的技术与部署差异，制定能兼容电力、运营商的方案，未来可为其他省份或其他行业领域分阶段、有节奏、高效率地部署5G 电力应用提供一个相对中立、客观的参考。