5GDN配电网应用关键技术及组网架构研究_崔俊彬.pdf

电网技术GRID TECHNOLOGY5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5GDNGDNGDNGDNGDNGDNGDNGDNGDNGDNGDNGDNGDNGDNGDNGDNGDNGDNGDNGDNGDNGDNGDNGDNGDNGDNGDNGDNGDNGDNGDN配电网应用关键技术及组网架构研究配电网应用关键技术及组网架构研究配电网应用关键技术及组网架构研究配电网应用关键技术及组网架构研究配电网应用关键技术及组网架构研究配电网应用关键技术及组网架构研究配电网应用关键技术及组网架构研究配电网应用关键技术及组网架构研究配电网应用关键技术及组网架构研究配电网应用关键技术及组网架构研究配电网应用关键技术及组网架构研究配电网应用关键技术及组网架构研究配电网应用关键技术及组网架构研究配电网应用关键技术及组网架构研究配电网应用关键技术及组网架构研究配电网应用关键技术及组网架构研究配电网应用关键技术及组网架构研究配电网应用关键技术及组网架构研究配电网应用关键技术及组网架构研究配电网应用关键技术及组网架构研究配电网应用关键技术及组网架构研究配电网应用关键技术及组网架构研究配电网应用关键技术及组网架构研究配电网应用关键技术及组网架构研究配电网应用关键技术及组网架构研究配电网应用关键技术及组网架构研究配电网应用关键技术及组网架构研究配电网应用关键技术及组网架构研究配电网应用关键技术及组网架构研究配电网应用关键技术及组网架构研究配电网应用关键技术及组网架构研究崔俊彬1，王天祥2，张家驹1，纪春华1（1.国网河北省电力有限公司信息通信分公司，河北 石家庄 050000；2.国网河北综合能源服务有限公司，河北 石家庄 050000）摘要：目前我国配电网通信主要采用有线通信技术，有线通信存在扩展性差、覆盖率低、建设成本高等问题，随着新型电力系统建设工作推进，无线通信在配电网中的大规模应用已成为必然，5G网络作为最新一代的移动通信技术，其通道安全确定，同时兼具大带宽、低时延、广连接等特点，这些特点与现有配电网及未来规划中的配电网都具备十分高的契合度，文中首先对配电网特点进行了分析，结合配电通信网络现状与发展趋势，讨论和阐述了 5G 技术在配电网应用可行性和主要优势，指出 5G 技术在配电网应用中涉及的关键技术和组网架构。关键词：配电网；5G关键技术；5G组网架构中图分类号：TM 64文献标志码：B文章编号：1006-348X（2023）03-0046-050引言配电网是我国城市供电的最主要部分，是中国城市规划内连接供电企业与终端用户之间的最主要结点，其安全和可靠性与城市主网比，配电网仍显脆弱和经济发展水平比较落后。但由于城市供电系统的智能化技术发展目前重点仍集中在城市核心区，大规模、系统化还做不到，应用性较强的能力也亟须进一步提高。同时，随着应用侧分布式网络架构等新能源技术的逐步并网，再加上城市供电系统网络中缺乏内部资源和外部环境间的有效互动与联系，使得新能源吸收到技术发展和城市供电的平稳运转之间的矛盾也日益突出1。在配电网潮流计算业务“最后一公里”的安全可靠接入上，无线技术成为了快捷、灵活部署的最好方式。而 5G 是新型无线通信技术，具有高带宽、低时延、强连接的特性，与配电网潮流计算通信要求高度结合，5G技术对于新型电力系统下的智能配电网建设具有积极的推动作用。1配电网通信技术需求分析随着新型电力系统建设，我国电力系统逐渐向科技性、智能化将得到长足发展，提升配电网系统的时效性、互动性是其中的关键步骤。配电网系统运行中对各种数据与信号传输利用十分重视，提升数据与信息传送的时效精准，是提升配电网稳定运行的核心所在。目前，电力系统配电网典型业务场景可分为控制、采集两大类2，分别包括以下场景：1）控制类。典型应用场景包括分布式配电自动化、用电负荷需求侧响应、分布式能源调节等。随着精确控制、分布式能源接入等业务的发展，主站系统逐渐下沉，更多地本地就近控制，与主网需要控制联动，时延需求将达到毫秒级；2）采集类。典型应用涉及低压集中读取、智能电网大型视频站内外应用等，未来采集对象将更加多媒体和深入的用户行为分析；收集的内容将倾向于视频和高清；采集频率也会趋于准确和实时，从单向往收稿日期：2022-11-17基金项目：国2021年到2022年国网河北省电力有限公司科技项目（5204XA20004K）。作者简介：崔俊彬（1989），男，硕士，工程师，主要研究方向为电力通信规划、建设运维及新技术应用。462023年 第3期 总第261期江西电力 2023JIANGXI DIANLI 2023双向交互发展。各类型配电网典型应用场景通信需求如表 1所示。表1配电网业务通信技术需求指标表业务名称控制类采集类业务类型智能分布式配电自动化精准负荷分布式能源调控低压集抄电站巡检机器人配电线路无人机巡检配电房视频综合监控移动作业施工现场作业管控应急现场自组网综合应用通信需求时延15ms200ms采集类3s控制类1s3s200ms带宽2Mbps10Kbps2Mbps2Mbps1 Mbps2Mbps4 Mbps10Mbps20 Mbps100Mbps可靠性99.999%99.999%99.999%99.999%视频200ms控制100ms99.9%安全隔离生产控制大区I区生产控制大区I区综合包括I、II、III区业务管理信息大区III区管理信息大区III区连接数X10个/km2百万千万级集抄模式X100个/km2下沉至用户后增长50100倍集中在局部区域12个局部区域510个随着新型电力系统概念的提出，现有配电网通信技术可扩展性受限、覆盖面积不足、接入能力有限、建设陈本高昂等问题日益凸显，无线通信在配电网中的应用日益迫切。电网公司作为大型的行业无线网络应用者，已完成大量电力物联终端通过自建专网与租用公网接入，但受限于无线通信安全、时延、带宽等方面的不确定性，无线通信在配电网中的应用范围十分有限。25G技术配电网应用可行性分析目前配电网通信技术研究主要包括通信网络自主管理、安全承载与灵活接入等方面3。伴随网络通信技术不断升级，相较之前的通信技术，以5G技术为代表的移动网络通信技术，表现出对于多场景配电网业务的适配性，见图1。基于配电网通信现状与未来通信需求，5G技术天然的大带宽、低时延、广连接优势，以及5G技术安全隔离、QoS保障等特征，为5G技术在配电网中应用提供了可能，其在配电网中的应用可行性主要表现在以下方面。图15G与4G-LTE技术性能指标对比2.1通道安全确定配电系统是负责对电力供给与配置的科学规划、精准配送，在配电系统整体运行中安全稳定十分关键。针对业务开展的网络通信是负责对配电各个区域的综合数据采集、处理与传输，在安全方面传统无线通信技术无法满足安全时效性。5G技术在配电网通信应用中主要体现其灵活机动性，其自身的安全网隔离网络切片技术可完成逻辑隔离，并具有一定的环境适应性，核心网、无线网中均可应用安全网隔离网络切片技术，其特点如下：1）网络功能自主制定，通过其虚拟技术应用对网络功能进行灵活设定，可实现与应用场景与实际需求的整体配合。2）资源全动态配置，待完成切片网络后，可进行全面网络资源释放，在调整方面具有较强的灵活效应，对相关网络资源的科学利用具有价值性推动作用。3）通道资源隔离，经分析后发现，5G技术自身的切片技术具有隔离效果，即安全隔离。在网络资源隔离中可对其不同切片的网络资源进行壁垒构建，也包括对私有数据的有效隔离，通过安全隔离全面巩固整个网络系统的稳定性。同时5G技术的安全效能还体现在多方面，如电力终端保护、密钥保护等。2.2网络低时延配电网运行控制过程中所需的通道时延要求低于 15 ms，4G 网络在轻负荷下的理想延时只能达到40 ms，不能满足配电网运行中纵向差动保护和区域保护的延时要求。相对来说，5G网络中所采用的边47电网技术GRID TECHNOLOGY缘计算技术促使网络系统中的网关得到下沉式部署，缩短了用户与边缘计算之间的距离，提高本地流量处理和逻辑运算效率，进而将端对端之间的通信时延控制在10 ms以内，满足配电网运行控制的实际需求。2.3网络大带宽根据现行规定中要求配电网低压采集每帧采样长度应控制在169226 bit，基于每周波80点的采样值进行计算分析，可以最终确定具体配电网运行过程中的单终端数据传输速率约为5.47.2 Mbps，以4G技术为例，最佳传输速率可达20100 Mbps，目前尚能满足通信需求，然而随着新型电力系统建设，配电网低压采集将下沉到户，采集数据量将上涨50100倍，带宽需求将飙升至100 Mbps甚至1000 Mbps，4G技术已经无法满足带宽需求。5G技术的最高数据传输速率可达可20 Gbps，对于未来配电网具有天然带宽适配性。2.4低速率海量连接配电网具有点多面广、海量设备实时监控、信息双向交互频的特点，现有4G单位面积终端接入能力为10级，5G技术的单位面积用户容量提升了10倍，未来分布式能源调度的终端接入需求将达到单位面积100万级，根据现行统计分析，5G技术可以支持单位面积100万级的设备连接数量，该特征为未来新型电力系统中给配电网海量物联终端的接入夯实了基础。35G技术配电网应用关键技术及组网架构3.15G技术配电网应用关键技术5G技术相较于之前的移动通信技术，在带宽、时延、容量、安全等方面都有了极大地提升，关键技术包括网络切片技术、移动边缘计算、大规模天线、同时同频全双工等4。5G确定性网络（5GDN：5G DeterminisTIc Networking），是指利用 5G 网络资源打造可预期、可规划、可验证，有确定性能力的移动专网，提供差异化的业务体验。1）网络切片技术。即把几个相互隔离的虚拟局域网分割到一个物理的局域网上。网络切片是完全分离的，所有片中的错误和障碍不会影响到其他片。针对不同的客户需要建立不同虚拟网络平台，就可以灵活处理不同的场景。网络切片采用互联网业务的技术手段，把互联网上的所有物理网络资源都抽象成虚拟网络资源，再通过专门的网关模块和专门的接入互联网设备，按需要建立从端到端的逻辑网络平台，以实现一个或多个网络服务。该技术可以分配专用的网络资源用于分配网络通信，是实现各类配电网业务通道安全确定的关键技术。2）边缘计算技术。将边界计算技术有效融入了移动网络与互联网信息技术中，在移动互联网终端增加了运算、储存、大数据分析等新功能；搭建开放平台植入应用，通过无线 api 开放移动互联网与业务服务器之间的信息交换。移动互联网与服务深度融合，将传统的无线基站提升为智慧基站；移动边缘计算模块的部署策略，尤其是根据用户的相对地理位置，能够更高效地做到低延时等。对配电网而言，该技术也可以达到有效控制各类服务的低时延、高安全保证。3）大规模天线。该技术是5G中提高系统容量和频谱利用率的关键技术，大规模天线通过大规模增加发射端天线数量，使得系统频谱效率和功率效率得到了极大提高，并且大规模的基站侧天线数量也会提升系统容量，通过波束成形技术，天线能量得到了很好的利用，用户侧的信道环境也得到了改善。该技术为 5G技术的大带宽和广连接创造了条件，为 5G 技术在点多面广的配电网采集类业务应用提供了可能。4）同时同频全双工。该技术是能够让两台无线设备在同一时刻的频段下实现同步接收信息的技术。正常而言，这种方法能够使发射机和接收机的数据业务在同样的时刻采用同样的频段完成信息的接受和传输，原理上能够使其信号质量在原有的基础上增加一倍。并且可以节省系统资源，提高频谱效率或系统吞吐量，减少频带资源浪费。此外，还可消除信号发射机的干扰信号，保障通信的稳定性。该技术是 5G 持续可靠大带宽通道的关键。3.25G技术配电网应用组网架构配电网通信包含大量的用户数据和敏感数据，其通信通道的安全可靠，需要建立在5G通道安全可信482023年 第3期 总第261期江西电力 2023JIANGXI DIANLI 2023的基础上。考虑到国家战略和建设成本，根据运营商现有的运营模式，5G混合组网5预计将成为5G技术配电网应用的典型组网架构。5G混合组网基于5G数据引流。通过对无线设备和控制平面网元的灵活定制，为工业应用搭建了基础接入网，增加带宽，降低延迟，保证数据不离开园区。同时利用5G专网核心网和用户平面网元UPF，部署电力应用民营化。无线设备基地台和核心网的控制平面网元可以按照客户要求灵活部署，为应用者提供了一个物理专属的5G专网。5G混合组网方案，如图2所示，实现了在电力行业使用时带宽大、延迟小、工作范围可控的特点。该方案将所有电力用户网的业务数据从本地删除，并利用功能定制技术进行优化，以降低故障对生产的危害。图25G混合组网方式网络结构示意图3.2.1多路冗余传输从电力行业来看，可靠性指标有两种含义：1）设备连续正常工作的可靠性（=可用性）：比如5个9，意味着年平均故障时间5分钟；2）通信正确传输的可靠性（=丢包率）：比如5个9，意味着10万个包允许错误/丢失一个包。为了达成电力行业的上述两种可靠性指标，需要从两个方面进行保障，一方面是设备本身的可靠性，需要能达到稳定的连续正常工作的可用性标准；另一方面是通信链路上需要能满足业务正确的传输可靠性需求，做到丢包率、时延和抖动等指标的可控。为了达成上述两个目标，当前电网中采用的方式一般是采用双网双宿的方式进行可靠性保障。如图3所示毫秒级精准控制模式传输系统/组网，主要的网络中心节点和处理节点均采用双网双宿的方式部署。图3多路冗余传输示意图3.2.2 5G LAN在工业能源领域，仍有大量非IP化的业务形态，如针对智能分布式配电自动化业务，其使用的是Goose/SV 协议，为了支持工业协议的消息转发，基于R16标准定了5G LAN解决方案，需要核心网、无线、终端共同配合实现。其中核心网是5GLAN的核心，主要在核心网5GC上提供了5G LAN组的管理和二层广播组内的终端管理，并实现了终端间L2的通信交换能力，包括支持广播、组播等。终端CPE等主要支持以太会话的创建，如图4所示。图45G LAN3.2.3核心网隔离技术核心网隔离技术是指5G切片在核心网部分的资源分配与SLA保障，主要可以分为资源视图、组网视图两部分。核心网资源视图可以分为硬件资源、虚拟49电网技术GRID TECHNOLOGY资源和网元功能；而网络视图主要指5G核心网数据中心内数通网络的隔离性。基于5G核心网的资源和组网两个视图，结合不同业务场景的需求，可分为以下3种技术方案：1）完全共享模式：能力等同于2/3/4G网络的“一条跑道、尽力而为”，通常适用于公众网的普通消费者业务，对于安全隔离性无任何特殊需求；2）部分独占模式：结合行业实际需求，通过共享大部分网元功能+少量网元功能独占专享的方式，在安全隔离性需求和成本之间做到最佳平衡，从而能够满足大多数通用行业的网络切片分级需求。3）完全独占模式：能力等同于建设一张完整的行业专用核心网，安全隔离性最好、但建设和运营成本也最高。因此仅适用于极个别需要超高安全隔离性而对成本不敏感的特需行业。4结语综上所述，5GDN 技术在配网中有着广阔的应用前景，5G 混合组网方式预计将成为未来 5G 在配电网应用的典型组网方式，随着网络切片技术、移动边缘计算、大规模天线、同时同频全双工等关键技术进一步深入研究，5GDN 技术在配电网中应用的安全性、可靠性等方面将得到更为有效的保障。参考文献：1 赵晨旭，崔子倜，蔡舒，等.配电网标准化设计综合评价研究J.中国电力企业管理，2019（24）26-27.2 姚晓勇.面向泛在电力物联网的通信与业务适配研究J.通信电源技术，2019，36（10）5-7.3 王晓勇.配电自动化系统中通信网络的规划与组建D.南京：南京邮电大学，2013.4 钱权智.面向5G与LTE混合组网的无线网络规划研究D.重庆：重庆邮电大学，2020.5 许浩，张儒申.5G组网架构对比与演进方案J.电信科学，2020，36（S1）1-6.6 LouzazniMohamed，MosalamHeba，Cotfas Daniel Tudor.Forecasting of Photovoltaic Power by Means of Non-LinearAuto-Regressive Exogenous Artificial Neural Network andTime Series AnalysisJ.Electronics，2021，10（16）：7 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