电力无线专网5G关键技术的应用及前景分析.pdf

第 44 卷 第 8 期2023 年 8 月自 动 化 仪 表PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATIONVol.44 No.8Aug.2023收稿日期:2022-01-28基金项目:国网河北省电力有限公司科技基金资助项目(SGHEXT00GCJS2000240)作者简介:尚立(1982),男,学士,高级工程师,主要研究方向为电力通信系统,E-mail:paiyang005 电力无线专网 5G 关键技术的应用及前景分析尚 立,李英敏,刘文昭,魏肖明(国网河北省电力有限公司信息通信分公司,河北 石家庄 050000)摘 要:为推进我国电力无线专网建设、满足配电网生产电力业务的控制要求,无线专网应从电力需求的角度出发,结合配电网建设的供电规划,因地制宜地选择通信方式。采用时分长期演进(TDD-LTE)标准中的多天线技术、图样分割多址(PDMA)技术和 5G 异构网络融合技术,使用电力专有无线频率工作。以应用于电力系统中的信息通信为切入点,介绍了无线专网的技术特点及 5G 技术在电力无线专网中的应用。分析了网络切片技术、软件定义网络和差动保护在配网系统中的实施和应用现状,并探讨了 5G 技术在未来电网中的应用前景。关键词:5G;电力;电网建设;无线专网;关键技术;异构网络融合;配电保护中图分类号:TH39 文献标志码:A DOI:10.16086/ki.issn1000-0380.2022010094Application and Prospect Analysis of 5G Key Technologies in Power Wireless Private NetworkSHANG Li,LI Yingmin,LIU Wenzhao,WEI Xiaoming(Information and Communication Branch,State Grid Hebei Electric Power Co.,Ltd.,Shijiazhuang 050000,China)Abstract:To promote the construction of Chinas electric power wireless private network and to meet the control requirements of power services for distribution network production,the wireless private network should start from the perspective of power demand,combine with the power supply planning of distribution network construction,and choose the communication mode according to local conditions.The multi-antenna technology,pattern division multiple access(PDMA)technology and 5G heterogeneous network convergence technology in time division duplex-long term evolution(TDD-LTE)standard are adopted to work with power proprietary wireless frequency.The technical characteristics of wireless private networks and the application of 5G technology in power wireless private networks are introduced with the entry point of information communication applied in power systems.The implementation and application status of network slicing technology,software-defined network and differential protection in distribution systems are analyzed,and the application prospects of 5G technology in future power grids are discussed.Keywords:5G;Power;Power grid construction;Wireless private network;Key technologies;Heterogeneous network convergence;Distribution protection0 引言进入 21 世纪以来,我国社会主义建设的步伐进一步加快。对于为我国社会发展提供重要电力的配网建设,电力无线专网是其主要发展方向。在电力无线专网的研究中,自 2008 年第一版本的长期演进(long term evolution,LTE)技术完善以来,各国都确立了未来智能电网的研究方向。2012 年,美国率先开始了电力无线专网方面的研究,并启动了 FirstNet 项目。此后,日本、欧盟等也相继开始了电力无线专网的建设。在国际电信联盟(International Telecommunication Union,ITU)主导的移动通信系统研究中,LTE 技术主要包含 2 种传输方式,分别为频分长期演进(frequency division duplex-long term evolution,FDD-LTE)和时分长期演进(time divison duplex-long term evolution,TDD-LTE)。我国主要研究 TDD-LTE。2012 年 11 月,中国通信 标 准 化 协 会(China Communications Standards Association,CCSA)制定了基于 TDD-LTE 的无线专网第 8 期电力无线专网 5G 关键技术的应用及前景分析 尚 立,等技术标准1。2015 年,工信部201559 号文的发布,为我国电力无线专网的建设提供了重要依据,并奠定了基础2。截止到 2020 年,我国已有 11 个省市实现了电力无线专网全覆盖。本文在探究电力无线专网国内外研究现状的基础上,针对无线专网技术的特点及其应用进行分析,并探讨了其应用前景,以期为相关从业者提供参考。1 无线专网技术特点及关键技术1.1 无线专网技术特点智能电网是我国电力系统的重要发展战略。在电力领域,应用于电力系统无线专网的通信技术主要有230 MHz 数传电台、微波通信技术、Wi-Fi、无线 Mesh网络等。这些技术的应用使电力系统专网真正实现了专网专用,并且专网具有容量大、接通高效、安全性能高等优点。但由于其在投资建设成本、全面覆盖等方面具有一定的缺陷,电力无线专网更多应用于电力物理系统运行环境下电力业务的控制和采集。5G 作为补充覆盖方式,主要在一些不具备控制功能的场景中应用。无线专网技术特征如下。全面覆盖性更广。作为新一代无线通信技术,无线专网技术网络涉及世界各国,并以其高质量的网络资源服务、更加安全的技术优势而受到世界各国的广泛重视。高可靠性、低时延通信。无线专网技术提供了以毫秒为单位的端到端时延,或近 100%的服务可靠性。其无线通信安全性更高。专注于环境监测、智能农业和其他传感及数据采集应用程序通信方案。电网建设采用光纤方式,传输能力强、安全性能高。无线专网具有数据包小、功耗低、成本低、连接规模大等特点,在智能电网的建设和发展中发挥着重要作用。1.2 无线专网关键技术分析在电力无线专网建设中,常用的 5G 关键技术主要包括多天线技术、新型多址接入技术和异构网络融合技术等 3。1.2.1 多天线技术多天线技术在 4G 系统中得到了广泛应用。在传输速度和系统容量方面,5G 面临着重要的技术性能挑战。天 线 数 量 的 进 一 步 扩 大 对 于 中 国 多 入 多 出(multiple-input multiple-output,MIMO)技术的可持续发展非常重要。这也表明,如果 1 个更标准化的无线天网系统在技术上具有强大的理论、实践和应用能力,它将成为未来提高无线通信系统频谱效率和能量管理效率的关键技术之一。不同于传统的 MIMO 等无线技术,多天线技术应用于提升无线专网中通信系统的性能,故优势更加明显。在未来的全球无线通信网络系统中,多天线技术要求设备的天线更加小型化,以分集发送、接收电力无线通信宽带专网的信号。多天线技术的基础研究内容,主要包括多天线发送技术和多天线接收技术。其中:多天线发送技术包括发射分集技术和波束成形技术;多天线接收技术包括最大速率比合并(maximal ratio combining,MRC)技术、干 扰 抑 制 合 并(interference rejection combining,IRC)技术等。1.2.2 新型多址接入技术多址接入技术在移动通信系统中发挥着重要作用,是系统信号的基本传输方式。在传统的正交多址方法中:频分多址(frequency division multiple access,FDMA)由 频 率 分 离 的 用 户 执 行;时 分 多 址(time division multiple access,TDMA)由时间分离的用户执行;码分多址(code division multiple access,CDMA)由从正 交 码 信 道 分 离 的 用 户 执 行;正 交 频 分 多 址(orthogonal frequency division multiple access,OFDMA)利 用 正 交 频 分 复 用(orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)技术对信道进行副载波化,在部分子载波上加载传输数据。上述传统的 1G、2G、3G、4G多址技术由于频谱利用率低,无法满足电力无线专网建设的性能要求。图样分割多址(pattern division multiple access,PDMA)技术是 1 种基于多用户通信系统整体优化的新型非正交多信道接入技术。该技术由发射端和接收端协同检测设计。发射端采用非正交特征模式在功率域、时频域和空域区分用户。接收端采用串行干扰消除技术,以最佳精度实现多用户检测。PDMA 发送端到被测设备接收端的联合设计,使用户通信系统的整体性能实现了最优化。作为 5G 新的多址技术的一种候选技术,PDMA 使用非正交功能模式来区分发送者和串行干扰消除(successive interference cancellation,SIC)的用户。为了提高接收机的检测性能,提高系统的频谱利用率和容量,设计合理有效的 PDMA 非正交特征模式尤为重要4。1.2.3 5G 异构网络融合技术作为 5G 的核心技术之一,异构网络是一种多协议网络。异构网络的构成包含不同制造商生产的网络设备和相关应用系统。在电网建设中,5G 系统要实现海量终端的高效接入、各类新业务处理以及网络的灵701自 动 化 仪 表第 44 卷活部署,同构网络与传统的正交接入技术显然无法满足上述要求5。而异构网络融合技术的应用,可以使电力无线专网的建设充分利用不同类型网络的优势,并提高其整体性能,从而为用户提供更加多元化的接入方式和网络服务。与此同时,当前电力物理系统环境下 5G 专网的网络架构中,海量分布式终端的连接,以及密集的小区部署,使小区吞吐量进一步受到了共道干扰的影响。这将导致 5G 网络的性能提升受到一定程度的限制。因此,在异构网络融合中,更先进的干扰管理是 5G 的主要动力。5G 网络朝着更智能化的方向发展,根据用户需求,可以设计不同的接入和分配方案,以及相应的资源分配。2 5G 技术的应用现状和前景2.1 网络切片技术的应用网络切片技术是将物理网络划分为多个逻辑网络,根据使用场景的不同,采用不同的逻辑网络,以实现网络资源的优化配置。在电网业务应用中,不同的业务应用场景对物理网络的安全性、可靠性、时延等的要求不同6。采用网络切片技术,将物理网络划分为逻辑上相互隔离的虚拟网络,分别应用于不同的场景,有利于电网业务数据的合理配置,并提高其安全性。网络切片技术在电网业务场景中的应用主要有智能分布式配电自动化、毫秒级精准负荷控制、采集低压用电信息和采集分布式电源信息。2.1.1 智能分布式配电自动化智能分布式配电自动化系统主要通过继电保护装置检测网络状态下的数据,以快速检测这些受影响的区域,并采取多种手段保证其稳定运行。以往的配电网建设,保护系统没有提供精确的控制,电网的稳定性和可靠性较低。而远程控制系统是目前电力智能控制的主流。采用远程控制系统,当数据处理能力下降时,系统可以执行自动稳定措施,并且将处理时间缩短至毫秒级。这意味着在处理错误时,响应时间更短。其对通信网络的技术要求如下:同步精度为 10%;可靠性为 99.999%;分 散 控 制 节 点;连 接 总 数 超 过1 000 万数据包/s;网络切片要求为端到端硬切片,独享切片资源;对返回带宽的需求通常是高支持和小流量中断7。网络切片技术的应用可以很好地满足上述配电自动化的通信要求。其超低时延、高可靠性、高安全性和高终端密度的特点,能够使智能分布式配电自动化保护具有更好的选择性、灵敏性和快速性。2.1.2 毫秒级精准负荷控制为了应对能源需求,通常采用的措施是监控非生产负荷。由于过载,应先断开不重要的负载,并降低缺陷的影响程度。同时,由于通信网络不受支持,传统的配电网只能断开整条线路。这将不可避免地阻碍对业务体验和安全控制的需求的满足。精准负荷控制对通信网络的技术要求如下:毫秒负载管理时延小于50 ms;可靠性为 99.99%;分散控制节点;连接总数超过1 000 万数据包/s;恢复带宽为 2 Mbit/s;网络切片为端到端硬切片,独享切片资源;连接高频通信。网络切片技术的应用,从用户体验的角度出发,很好地满足了上述精准负荷控制的通信要求。网络切片技术所具有的毫秒级超低时延,能够有效降低电网对重要用户的影响,可优先切除可中断的非重要负荷。2.1.3 采集低压用电信息通过对用电数据的收集和分析,可以提高用电效果。当前,电力用户的用电信息采集业务主要采用集中管理的方式,对带宽的要求不高,采集频率通常为15 min1 h。为了适应后期电力业务的发展、满足新业务中用电信息的实时上报需求,低压用电信息采集新业务的供电终端数量级将会进一步提升,使供电频率达到新的水平。低压用电信息采集业务对于通信网络的技术要求如下:时延方面为一般业务中的二次时延和某些需要密切监控的场景中的毫秒时延;可靠性方面为 99%;牵引带宽大于直线带宽;网络切片应根据实际需求,采取端到端硬切片(独享切片资源)或软切片(资源共享)。网络切片技术的应用,使电力无线专网的终端数据直接与配电主站进行交互,降低了电网边界安全防护的难度。智能交互终端给用户提供了实时的数据信息反馈。2.1.4 分布式电源信息在能源供应方面,对可靠供电的要求仍有待提高。高可靠性供电区域可实现连续供电,将事故隔离时间缩短至毫秒级,以实现区域不间断供电。分布式生产有助于提高电网的可靠性,并在特定条件下实现能源共享。然而,随着清洁能源技术的进步,各类分布式电源的分散生产将不可避免地对整个分销网络造成影响,使各类源储信息的采集难度进一步提升。分布式电源对通信网络的技术要求如下:采集数据链时延小于 3 s;断开数据链时延小于 1 s;企业类别可信度为99%;控制数据的可靠性为 99.999%;终端访问量为100 万数据包/s 或 1 000 万数据包/s;带宽设计为100 Mbit/s。801第 8 期电力无线专网 5G 关键技术的应用及前景分析 尚 立,等网络切片技术的应用,使电力无线专网的终端数据直接与用电信息采集系统交互。用户不仅是用户,还是发电机。这进一步增强了配电网的可靠性和灵活性。2.2 软件定义网络的应用5G 中,软件定义网络(software defined network,SDN)是 1 种新型的计算机网络结构体系。SDN 的核心是简化底层网络的功能,屏蔽网络内部实现细节,抽象出 1 个软件操作系统,从而为上层网络的应用提供1 个统一的控制接口。其结构主要由 SDN 的交换机、控制器、控制信道 3 部分组成。作为 1 种关键技术,SDN 具有简单化、快速部署与维护、灵活扩展和开放性的特点,且安全优势明显。SDN 对 5G 网络架构的影响非常大,可以有效解决电力企业对电网业务灵活性和敏捷度的要求。2.2.1 电网企业系统访问控制要求作为企业资源计划(enterprise resarce planning,ERP)系统在中国大型企业联网中的重要应用实例,企业应用系统具备了完善的内部网络服务平台、调度应用系统、分析服务平台、专用数据库和存储系统。国内大型企业的防火墙系统架构建立了一系列区域边界。防火墙策略通常通过企业自行设计来实施。其主要目的是将企业内部网络与外部网络分隔开,防止未经授权的访问者进入企业内部系统。然而,目前防火墙策略的灵活性有待提高,其管理范围仅限于网络互联协议和端口,并且策略的分发也是手动进行的。这种限制使得防火墙无法灵活地应对各种网络攻击方式,例如流量入侵和安全入侵,从而导致网络攻击者有可能轻易地绕过防火墙的保护,破坏企业的无线通信系统。2.2.2 模型工作流程国内大型企业中上述系统类型都根据用户的访问和控制进行设计,并通过一些改进的安全模型进行处理。安全模型通过查询和分析用户的交互日志和数据来计算用户的信任度,并划分相应的权限级别。我国电网企业中的超高压输电企业的企业内部信任等级划分如表 1 所示。表 1 企业内部信任等级划分表Tab.1 Enterprise internal trust level classification table用户级别信任等级可信一般可信弱可信不可信完全不可信系统管理员75310公司领导65310部门领导54210工程技术人员43210普通职工21000 由表 1 可知,整个可信度水平分为 8 个级别。对于用户而言,级别越高,相应的访问权限就越大。最高级别的用户(即系统管理员)拥有最大的运行权限。而如果评估值为 1,则用户只能浏览一些基本内容。2.2.3 模型特征分析动态性在前面的分析中,可以看到上述电网企业信任等级安全模型采用了基于身份的网络技术。该技术可以在用户或设备级别连续验证数据包。所有网络流量必须具有审计和调查阶段的周期数据。上述超高压输电企业信任等级安全模型的访问和控制,实际上是 1 种动态模式,分为双重管理和控制。其指在访问过程中,用户基于默认值的选择直接访问特定的应用程序,而不是直接访问整个网络8,并且用户和资源之间实行一对一网络访问的策略。由于未经授权的用户或其他非法授权人员无法看到自己的资源,因此被攻击的可能性降低。此外,访问控制将根据用户级别进行授权。2.3 在配网差动保护中的应用本文以某省级公司示范站在其所在城市组织的配电网差异安全性试点测试为例进行说明。移动 5G 站是位于距离示范站较远的 20 m 处的 110 kV 站。光纤差动保护通过位于模拟单线网络轮胎电缆之间的双向连接电缆进行配置,以解决与配电网中多个电源回路保护相关的选择性问题9。在本文的测试中,5G 是1 个 n 核的非独立组网网络。2.3.1 测试线路光纤差动保护配置在组合电缆的两侧,以及模拟单网络上的轮胎电缆之间。配电网差异安全性测试的测试原理如图 1 所示。图 1 测试原理示意图Fig.1 Test principle dragram 图 1 中,F 点出现短路故障。在传统的保护配置901自 动 化 仪 表第 44 卷中,此处出现故障,主环柜中的进线开关将跳闸,并导致线路电压损失。如果在模拟单线网络轮胎电缆之间设计了光纤保护装置,当 F 点两侧的断路器被切断时,线路运转正常,并可以减少供电。2.3.2 测试过程示范站配电网设置 5G 工业移动卡的使用模式,将互联网设置为接入点名称(access point name,APN)。2 台用户端设备也设置为 APN。通过差动保护装置计算通道中的最大时延,测得配电网 5G 通道的平均时延分别为27 184 s 和65 307 s;最大时延分别为137 379 s和65 307 s;最小时延分别为11 354 s 和12 290 s。测试采样消息的数据包丢失。测试将2 台保护装置1、保护装置2 的能量转换率设置为 80%,并相应地向保护装置添加电流采样。保护装置收集并存储采样值。经测试发现,5G 网络差动保护电流采样无异常。表2 为两侧差动保护 A 相电流的采样测试数据。表 2 两侧差动保护 A 相电流的采样测试数据Tab.2 Sampling test data of A-phase current of differential protection on both sides/A装置A 相电流对侧 A 相归算电流A 相差动电流A 相制动电流装置 10.50.60.11.1装置 20.60.50.11.12.3.3 测试结果通过以上测试,5G 网络差动保护系统显著提高了工程实用性和可行性,且促进了信息交互。通过 5G 非独立组网(non-stand along,NSA)测试,发现设备之间的数据交互正常,时延为 11 354 137 379 s。由于时延不稳定,故不具备工程应用条件。差动保护通道时延符合设计标准。其不仅可以计算通道时延,还可以采集故障时的采样值,计算其差动电流,为故障状态判断提供数据参考。总之,行动逻辑合理且符合标准。2.4 5G 的发展前景由于 5G 网络的显著优势,未来电网公司可申请新的频段用于电力 5G 无线专网建设10。频谱专用具有明显优势,可以有效避免与其他行业之间的通信干扰,从而进一步提高通信可靠性。未来电网公司可以与已拿到 5G 牌照的运营商进行合作,从而满足特定地区电力业务通信需求。5G 可以以网络切片方式对不同行业的业务进行隔离,以达到互不干扰的目的;同时,未来电网公司还可以与运营商及广电合作,共建 5G 无线网络,或以切片方式向运营商租用特定地点的特定频段,从而满足个别区域电力业务通信需求。5G 网络依据其技术特点和优势,可以与人工智能、大数据、云计算等先进技术进行融合,从而进一步提高电网业务数据处理速率,并降低时延。未来电网业务中,5G 网络还可以与卫星系统进行融合,以进一步提高电力无线专网的覆盖面积。3 结论本文研究了无线专网的技术特点及 5G 技术在电力无线专网中的应用,分析了网络切片技术、SDN 和差动保护在配网系统中的应用现状和前景。智能电网是我国电力系统的重要发展战略。在电力领域无线专网建设中,常用的 5G 技术主要包括多天线阵列、新型多址接入技术和异构网络融合技术等。5G 电力专网建设中,适合电力业务场景需求的典型电力业务场景包括 5G 网络切片专网方案、SDN 在电网企业中的应用、配网差动保护等。未来电网建设中,电网公司可申请新的频段,以达到频谱专用的目的,避免与其他行业的通信干扰;与已拿到 5G 牌照的运营商合作,满足特定地区电力业务通信需求;与人工智能、大数据、云计算等先进技术进行融合,以提高电网业务数据处理速率。参考文献:1 刘丹,魏剑嵬,赵艳领,等.从需求和要求两角度分析 5G 工业应用J.自动化仪表,2020(10):1-6.2 王佳培.5G 移动通信网缓存与计算关键技术研究J.自动化与仪器仪表,2022(3):51-54,59.3 古孝红,王海涛.5G 异构网络融合关键技术探究J.江苏通信,2021(1):29-32.4 刘志航,田宇昊,袁伟娜.5G 非正交多址技术关键问题研究J.自动化仪表,2019(8):83-88.5 李锦煊,王维.基于智能电网的 5G 网络切片资源优化分配模型构建及仿真J.自动化与仪器仪表,2021(11):36-39,44.6 LI X,WANG Y Z,SUN J,et al.Improved MLMS harmonic detection algorithm with dynamic factorJ.Proceedings of the CSU-EPSA,2013,25(4):18-21.7 HUANG Y F.Network management and decision making for 5G heterogeneous networks D.Canberra:Austraian National University,2017.8 肖洪光,杨璐,郭永鑫.基于自适应遗传算法的智能电网继电保护故障识别J.自动化仪表,2022(7):51-54.9 凌雨诗,王维.适用于 5G 网络的电力通信网分布式测量系统设计J.自动化与仪器仪表,2021(12):139-142,146.10孙舒婷.含分布式能源接入的配电网优化调度研究J.自动化与仪器仪表,2022(2):43-47.011