智能電網5G網絡及切片應用
一、關鍵詞
智能電網、5G、網絡切片
二、發起公司和主要聯系人聯系方式
中興通訊股份有限公司 邵偉翔 shao.weixiang@zte.com.cn
國網上海市電力公司 柳勁松 liujinsong1888@126.com
中國移動通信集團有限公司上海公司 杜艷艷 duyy@sh.chinamobile.cm
三、合作公司
設備廠商和科研機構，提供相關技術支持，包括：
? 許繼集團
? 南瑞集團
? 清華大學
? 合肥工業大學
四、測試床項目目標和概述
本測試床旨在提供一個可復制的使用5G網絡切片實現的智能配電解決方案。該方案應用微型同步相量測量技術對智能配電網的多種要素（配電網故障、配電網運行狀態、分布式電源系統、柔性負荷系統、用電營銷系統、電動汽車接入）進行采集、分析和協調控制，并和5G系統相結合，實現基于網絡切片的配電自動化、智能化，增加配電網的可靠性、靈活性及效率。
五、測試床解決方案架構
(一) 測試床應用場景
配電網直接面向電力用戶，其性能對用戶的供電可靠性有重要影響，也受到用戶用電行為習慣的影響，隨著大規模隨機波動分布式能源的接入，電動汽車充電負荷快速增長，用戶供需互動日益頻繁，使源、網、荷具有更強的時空不確定性，對配網安全可靠運行帶來更大挑戰。
隨著電力可靠供電要求的逐步提升，要求高可靠性供電區域能夠實現電力不間斷持續供電，將事故隔離時間大大縮短，減少停電區域和時間，對目前的集中式配電自動化中的主站集中處理能力和時延等提出了更加嚴峻的挑戰，因此智能分布式配電自動化成為未來配網自動化發展的方向和趨勢之一。
當前配電網絡存在以下挑戰：
? 如何最大可能地減少故障停電時間和范圍，使配網故障處理時間從分鐘級提高到秒級甚至毫秒級
? 如何利用配電網同步相量測量裝置PMU實現配電網的狀態感知和優化控制
? 如何實現配電自動化和電網其他業務的完全隔離
除了同步相量測量、差動保護等對時延有著高要求外，無人機、智能機器人巡檢對帶寬有著明確的需求，分布式能源接入、高級計量接入等場景大連接有明確的需求。本項目主要針對大規模分布式電源、電動汽車接入和負荷側用戶供需互動對配電網運行特性的影響，重點研究適用于配合智能配電網同步相量測量系統的5G網絡切片技術，提供一個可復制的使用5G網絡切片實現的智能配電解決方案。
(二) 測試床重點技術
針對當前配電網絡存在的“如何最大可能地減少故障停電時間和范圍，使配網故障處理時間從分鐘級提高到秒級甚至毫秒級” 的挑戰，本項目采用高精度微型同步相量測量裝置技術應用在配電網，實現智能分布式配電自動化和毫秒級精準負荷控制。
針對當前配電網絡存在的“如何利用配電網同步相量測量裝置PMU實現配電網的狀態感知和優化控制” 的挑戰，本項目采用5G技術作為組網通信，構建滿足運行狀態估計和主動協調控制等應用需求的同步相量測量網絡。
針對當前配電網絡存在的“如何實現配電自動化和電網其他業務的完全隔離” 的挑戰，本項目采用5G網絡切片技術實現智能配電網的網絡切片，從無線接入、承載網、核心網幾個層面來實現配電自動化和電網其他業務的完全隔離。
(三) 技術創新性及先進性
測試床創新點：
ü 智能配電網微型同步相量測量應用技術
ü 5G無線網絡技術在智能配電網中的驗證
ü 5G網絡切片技術實現智能配電網的網絡切片
ü 5G模組應用實現智能電網端到端的解決方案
(四) 測試床解決方案架構
總體方案
5G切片安全方案：切片間采用完全隔離。在業務場景中，控制區、采集區、管理區等不同的場景對網絡時延、帶寬、安全性等方面有著不同的要求，根據不同的需要來進行切片，技術實現上主要從無線接入、承載網、核心網等幾個層面來開展網絡切片，保障網絡安全。
六、預期成果
(一) 測試床的預期測試結果，針對測試項
驗證5G網絡在智能配網通信的可行性。
驗證5G網絡切片技術可以保證配電自動化和電網其他業務的完全隔離。
(二) 商業價值
可復制的使用5G網絡切片實現的智能配電解決方案，配電網故障檢測準確率達99%以上，綜合故障測距精度達到150m，無線廣域覆蓋范圍達99%以上，測量裝置上線率達99%以上，高密度實時數據傳輸成功率達99%以上，為5G系統方案進入電力行業提供范式。
(三) 經濟效益
實現電網內部多種業務切片混合組網、統一管理、統一運維、實現安全完全隔離，有效解決傳統3G/4G無線專網的部分特性不支持智能配電組網方案；幫助電網客戶大幅節省成本，預期5G網絡切片組網比傳統3G/4G無線專網建設成本降低20%，運營成本降低15%。
(四) 社會價值
探索出智能電網新模式，完善智能電網通信相關技術標準，推動行業制造技術進步。
七、測試床技術可行性
(一) 物理平臺
一、相量數據集中裝置PDC
1、功能要求：
1. 信息采集： 接收、處理和解釋PMU報文
2. 通訊功能： 按照規約和協議與PMU / PDC / 主站交換數據
3. 信息轉發：根據設置向不同主站發送不同數據；
4. 數據存貯：保存實時數據和擾動數據；
5. 狀態自檢：檢查與PMU裝置通訊狀態；
6. 參數維護和修改：可以在當地和主站設置和修改設置參數。
2、通訊考核指標：
與主站通信帶寬>10Mb/s，單臺可接入PMU數量不低于20臺，相量傳輸速率1、5、10、25、50、100幀/s可調，支持多種接入方式。
二、配電網同步相量測量裝置PMU
1、通信特點
? 測量點多：大量終端
? 通信頻次高， 相量數據傳輸要求100次/s
? 延時要求小：實時控制、保護等要求延時越小越好；毫秒級
? 數據多樣性： 報文有大（錄播文件）有小（相量/三遙信息）、實時性有高（相量保護等在線信息）有低（離線文件）
? 通信形式多樣：主要信息流為PMU經接入網送PDC(多媒介專用相量集中處理裝置，位于變電站)匯集后經骨干網送主站WAMS(廣域監測系統)，但也可能存在PMU之間、PDC之間以及和其它監測/控制/保護設備之間的對等通信，以滿足快速保護和協調控制等要求。本方案中5G通信不通過PDC中轉。
2、通信頻次要求：頻次高，易碰撞
PMU相量數據按100幀/s主動上傳，按一條線路5臺PMU計算，變電站8條線路，只是相量數據傳輸將達到每秒4K次，即250us要上傳1次；變電站16線路，只是相量數據傳輸將達到每秒8K次，即125us要上傳1次相量數據；如此高頻度的數據并發出現在網絡，同時有命令報文、錄播文件、原來配電自動化三遙數據，將可能出現數據碰撞問題、導致通信質量下降，可靠性低，實時性差，誤差率高。
3、延時要求：毫秒級
不同WAMS廣域監測系統應用類型的典型通信傳輸需求
4、通信速率要求
基于TCP的26865.2-2011格式數據的相量數據傳輸速率要求
相量傳輸帶寬主要取決于通信速率和PMU數量，以及PMU內部的相量數量和數據類型。TCP比UDP方式稍有增加，整形和浮點型相比明顯減少。
主干網：按變電站一個PDC匯集100臺PMU，每臺PMU接入12個相量，使用TCP方式，100 幀/s通信速率，PDC上行通道需要3.9Mb/s的通信帶寬（未考慮快速錄播文件）。
接入網：1個PMU,10個相量，使用TCP方式，100 幀/ s通信速率，PMU上行通道需要100.8Kb/s的通信帶寬（未考慮快速錄播文件）。
5、配電網PMU/PDC/主站等多方通信要求
三、智能配電網通信組網要求
? 同步相量測量裝置PMU接入變電站PDC通信帶寬在100kbps ~ 200kbps 之間;
? 變電站PDC 接入主站WAMS通信帶寬2Mbps~10Mbps ;
? 通信延時小于20ms ；
? 支持業務重要程度按預定優先級傳輸；
? 支持終端之間直接對等通信方式；
? 支持TCP/UDP混合通信方式；
? 支持點對點通信（C/S結構）和UDP組播通信方式。
四、測試床網絡結構
網絡結構見下圖。無線和核心網的站點機房都部署在浦東臨港，上海電力的監控中心位于浦東南路，監控中心和核心網機房兩個點之間建立專用數據鏈路。
五、測試床物理部署方案
示范區為臨港南邊區域，西邊靠近奉賢，南邊為杭州灣，東臨東海，北邊到興旺變電站，面積約100平方公里，如下圖所示。初期項目要求建設2-3個5G基站，覆蓋上海電力學院附近區域。
六、測試床網絡部署模型
上海電力臨港示范區配電網的PMU(同步相量測量裝置)/ PDC(多媒介專用相量集中處理裝置)和5G終端互通，通過5G網絡實現組網接入主站配網WAMS系統。
七、測試床組網方案
(二) 軟件平臺
本驗證示范平臺的軟件平臺主要包括兩大系統：配電網主站廣域相量測量系統、5G核心網平臺。
配電網軟件系統對應于“智能電網技術與裝備”重點專項 2017 年度項目申報指南第三大部分“多元用戶供需互動用電”第1個項目“智能配電網微型同步相量測量應用技術（共性關鍵技術類）”，包括具體技術方案：基于該裝置的配電網故障診斷及精確定位方法；配電網運行狀態估計方法；分布式電源、柔性負荷、用電營銷等系統的相關信息集成機制、多維數據分析方法與協調控制技術；
5G核心網平臺包括5G核心網軟件、虛擬化軟件、網絡切片技術等。
八、和AII技術的關系
(一) 與AII總體架構的關系
參考AII總體架構設計，本驗證示范平臺對照符合工業互聯網泛在的無線連接需求，采用5G新型網絡技術研究和部署來支撐工業互聯網發展。
本驗證示范平臺對照滿足AII安全體系和AII數據體系目標框架。
(二) AII安全（可選）
本驗證示范平臺將遵循工業互聯網產業聯盟提供的安全體系, 將和AII安全組密切合作，邀請安全組成員參加驗證示范平臺項目評審。
本驗證示范平臺的安全機制：
對于智能電網的應用，管側安全重點聚焦“網絡專用、橫向隔離”，5G 網絡將重點關注網絡切片安全，以及網絡安全的能力開放兩方面。
1、5G 核心網提供多層次的切片安全保障，為智能電網業務提供差異化的隔離服務。5G 切片安全機制主要包含三個方面：UE 接入安全、網絡域安全，外網設備訪問安全。
1）UE 接入安全：通過接入策略控制來應對訪問類的風險，由AMF 對UE 進行鑒權，從而保證接入網絡的UE 是合法的。另外，可以通過PDU（分組數據單元）會話機制來防止UE 的未授權訪問。
2）網絡域安全：網絡域通信安全可以分為NF 間互訪安全、不同切片間NF 的隔離和切片內的NF 間安全三種情況。
3）外網設備訪問安全：在切片內NF 與外網設備間，部署虛擬防火墻或物理防火墻，保護切片內網與外網的安全。如果在切片內部署防火墻則可以使用虛擬防火墻，不同的切片按需編排；如果在切片外部署防火墻則可以使用物理防火墻，一個防火墻可以保障多個切片的安全。
2、5G 網絡安全能力開放，助力智能電網實時更靈活的安全保障措施。體現5G 網元與外部業務提供方的安全能力開放，包括開放認證與密鑰管理。也可以根據業務對于數據保護的安全需求，提供按需的用戶面保護。
(三) 詳細清單（可選）
驗證示范平臺中設計的組件：
l 現場級：
? IT網絡接入：智能網關/交換機/路由器；
? 無線接入：5G基站、5G終端；
? PMU(同步相量測量裝置)/ PDC(多媒介專用相量集中處理裝置)
l 平臺層：主站WAMS廣域監測系統、5G核心網平臺
(四) 風險模型（可選）
本平臺面臨的風險如下：
l 設備層面，本平臺中使用的PMU、PDC、5G基站、5G終端是最關鍵部件，如果受到內外部攻擊或操作錯誤影響，會產生嚴重后果。
l 控制層面，本平臺中，主站WAMS廣域監測系統、5G核心網平臺，是比較脆弱的部件，可建立相對獨立的網絡，采用防火墻與其他網絡系統相隔離。
l 網絡層面，網絡通信過程包括PMU/PDC與5G終端CPE、5G終端CPE與5G RRU、5G RRU與5G BBU、5G BBU平臺與5G核心網平臺之間等存在安全風險，如非授權訪問或對設備的網絡攻擊。
l 應用層面，主站WAMS廣域監測系統存在安全風險如非授權訪問等。
(五) 安全聯系人
中興通訊股份有限公司 林兆驥 lin.zhaoji@zte.com.cn
(六) 與已存在AII測試床的關系
AII現沒有5G網絡相關測試床，也沒有電力行業相關測試床。
九、交付件
本測試床交付件包括下列方面：
l 驗證示范平臺技術框架方案、5G網絡切片設計方案、5G網絡無線基站部署方案、智能配電網PMU/PDC和5G終端互通方案、5G模組應用實現智能電網端到端的解決方案
l 驗證示范平臺相關實體，如5G網絡無線基站、 5G終端、 5G核心網、PMU(同步相量測量裝置)、 PDC(多媒介專用相量集中處理裝置)、 WAMS(廣域監測系統)等
l 驗證示范平臺測試文檔、評估報告和可復制的商業流程說明
十、測試床使用者
測試床初期僅限于現有的合作伙伴使用，示范平臺成熟后向聯盟中企業及社會開放
十一、 知識產權說明
中興通訊股份有限公司、國網上海市電力公司、中國移動通信集團有限公司上海公司對本測試床的建設、運營以及使用擁有產權。本測試床相關的專利、軟件著作權等在測試建設合作單位中根據情況協商確定。
十二、 部署，操作和訪問使用
本測試床依托國家項目：智能電網技術與裝備重點專項 2017 年度項目申報指南第三大部分“多元用戶供需互動用電”第1個項目“智能配電網微型同步相量測量應用技術（共性關鍵技術類）”
驗證示范平臺部署在上海電力臨港示范區。初期將開放給項目參與單位開展技術試驗，待成熟后向更多的合作伙伴開放。
十三、 資金
本測試床驗證示范平臺將利用中興通訊自有資金和上海電力“智能電網技術與裝備”重點專項已有的財政資金參與建設，不需要另外籌集資金。
十四、 時間軸
本驗證平臺建設周期擬為三年
2018年12月完成實驗驗證平臺需求分析、系統方案設計、關鍵部件選型，并進行5G網絡無線基站建設，覆蓋上海電力學院附近區域。
2019年6月實現5G網絡和PMU、監控主站的對接，完成通過5G網絡通道傳輸PMU數據的技術驗證，并完成5G網絡通道的測試評估。
2020年6月完成通過5G切片實現電力專用通信網絡的可行性研究，具體包括驗證網絡切片對各類智能電網業務的支持、驗證網絡安全性、驗證網絡高可靠性、驗證組網結構等；2020年12月完成5G模組應用實現智能電網端到端的解決方案。
十五、 附加信息
英文詞匯表
聲明
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