5G智能電網(wǎng)測試床項目
引言/導讀
中移（上海）產(chǎn)業(yè)研究院（以下簡稱上海產(chǎn)業(yè)研究院）是中國移動(上海)通信集團有限公司全資子公司，是中國移動(上海)面向5G和人工智能，引領工業(yè)能源、交通和金融等領域數(shù)字化服務的專業(yè)研發(fā)機構。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領域，上海產(chǎn)業(yè)研究院構建“1+N”工業(yè)云平臺體系，圍繞工業(yè)設計、生產(chǎn)和服務環(huán)節(jié)，利用5G 、AI等新技術打造面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的有競爭力的系列產(chǎn)品和解決方案。上海產(chǎn)業(yè)研究院立足于5G研發(fā)的技術優(yōu)勢，積極把握5G改變社會的時間窗口，在5G時代推出具有市場競爭力的行業(yè)產(chǎn)品和解決方案。
《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》對能源體系提出了更高的要求，其中包括推動煤礦、油氣田、電廠等智能化升級，實現(xiàn)源網(wǎng)荷儲互動、多能協(xié)同互補、用能需求智能調(diào)控，并構建基于5G的應用場景和產(chǎn)業(yè)生態(tài)，在智能交通、智慧能源、智慧醫(yī)療等重點領域開展試點示范。
一、 關鍵詞
智能電網(wǎng)、配網(wǎng)自動化、5G切片
2.1. 發(fā)起公司和主要聯(lián)系人聯(lián)系方式
上海產(chǎn)業(yè)研究院
劉博研:liuboyan@cmsr.chinamobile.com,17813166979
2.2. 合作公司
南方電網(wǎng)
三、 測試床項目目標
目前電網(wǎng)企業(yè)在35kV以上的骨干通信網(wǎng)已具備完善的全光骨干網(wǎng)絡和可靠高效數(shù)據(jù)網(wǎng)絡，光纖資源已實現(xiàn)35kV及以上廠站、自有物業(yè)辦公場所/營業(yè)所全覆蓋。在配電通信網(wǎng)側(cè)，由于點多面廣，海量設備需實時監(jiān)測或控制，信息雙向交互頻繁，且現(xiàn)有光纖覆蓋建設成本高、運維難度大。35kV以下的配電網(wǎng)點多面廣，光纖建設維護成本高，覆蓋率不足20%，傳統(tǒng)2/3/4G無法滿足安全隔離需求，迫切需要新一代通信技術解決智能電網(wǎng)末端海量數(shù)據(jù)接入的通信“卡脖子”問題。
本測試床主要驗證5G網(wǎng)絡與電網(wǎng)業(yè)務結合，5G電網(wǎng)智能化應用的可行性，從多方面提升電網(wǎng)的智能化水平，切實解決電網(wǎng)業(yè)務運行過程中低時延控制、高精度授時、大帶寬承載、高頻次采集、最后一公里光纖建設難度大等問題。
4.1. 測試床應用場景
應用在電力行業(yè)發(fā)、輸、配、變、用、綜合等各個業(yè)務環(huán)節(jié)，涉及配網(wǎng)差動保護、高級計量、智能化巡檢等5G電力應用場景。
4.2. 測試床架構
本測試床總體架構如圖1所示，依托5G網(wǎng)絡優(yōu)勢，打造智慧電力端-管-云-用一體化行業(yè)解決方案，滿足電力業(yè)務發(fā)、輸、變、配、用各個環(huán)節(jié)的安全性、可靠性和靈活性需求，實現(xiàn)差異化服務保障，進一步提升電網(wǎng)企業(yè)對自身業(yè)務的自主可控能力，促進未來智能電網(wǎng)取得更大的技術突破。
本測試床符合AII工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)總體架構2.0，本測試床架構驗證了AII總體架構中的功能架構，包括網(wǎng)絡體系架構中的網(wǎng)絡互連、數(shù)據(jù)互通，平臺體系架構中的邊緣層、PaaS 層和應用層功能組成，安全體系架構中的隱私數(shù)據(jù)保護等。
圖1.測試床總體架構
圖2.AII工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構2.0
圖3.工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)功能原理
4.3. 測試床方案
1.網(wǎng)絡方案
面向電力客戶提供電力行業(yè)切片專網(wǎng)服務，生產(chǎn)控制大區(qū)提供電力專用切片，管理控制大區(qū)提供電力通用切片。
圖4.電力行業(yè)切片專網(wǎng)方案
2.平臺方案
本測試床依托OnePOWER-智慧電力子平臺，主要包括卡、連接、終端、切片管理、統(tǒng)計分析、系統(tǒng)管理、高級應用等關鍵能力。有別于以往的移動通信網(wǎng)絡發(fā)展模式，依托5G網(wǎng)絡能力開放和切片技術，未來該平臺將為電網(wǎng)企業(yè)提供更豐富的、更多元化、更靈活的網(wǎng)絡切片服務管理能力，同時平臺自身也以更開放的架構，向電力內(nèi)部業(yè)務提供支撐服務。
3.終端方案
測試床終端采用電力定制化CPE和電力計量終端5G通信模塊。
電力定制化CPE終端支持基于3GPP R16協(xié)議的5G通信、有線數(shù)據(jù)傳輸、高精度網(wǎng)絡授時（偏差小于10us）、協(xié)議轉(zhuǎn)換和安全加密（內(nèi)置電網(wǎng)制定加密芯片）功能，借助5G網(wǎng)絡超高帶寬、低時延、超大規(guī)模連接的優(yōu)勢以及可承載垂直行業(yè)多樣化的業(yè)務需求，尤其是網(wǎng)絡切片、能力開放兩大創(chuàng)新功能的應用，可為電力行業(yè)用戶打造定制化的“行業(yè)專網(wǎng)”服務，更好的滿足電網(wǎng)業(yè)務的安全性、可靠性和靈活性需求，實現(xiàn)差異化服務保障，進一步提升電網(wǎng)企業(yè)對自身業(yè)務的自主可控能力。
電力計量終端5G通信模塊適用于三項電表和I型集中器，符合通信規(guī)約標準，支持靈活拔插，可直接替換現(xiàn)網(wǎng)中使用的2/3/4G模塊，從而實現(xiàn)5G模塊承載高級計量通信業(yè)務。
圖5. 電力計量終端5G通信模塊
4.應用方案
1）配網(wǎng)差動保護
該場景屬于配電環(huán)節(jié)，配電自動化終端(DTU)利用5G低時延及高精度網(wǎng)絡授時特性，比較兩端或多端同時刻電流值（矢量），當電流差值超過門限值時判定為故障發(fā)生，斷開其中的斷路器或開關，執(zhí)行差動保護動作，實現(xiàn)配電網(wǎng)故障的精確定位和隔離，并快速切換備用線路，停電時間由小時級縮短至秒級。
2）高級計量
通過電力計量終端5G通信模塊實現(xiàn)電表與計量主站的連接，利用5G廣覆蓋、大連接特性，可深入采集各類電器設備的用電信息，滿足智能用電和客戶個性化服務需求。
3）智能化巡檢
利用5G高速率、低時延、海量連接、快速移動特性實現(xiàn)巡檢終端遙控及數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)巡檢高清視頻實時回傳及遠程控制作業(yè)。同時結合無人機和機器人應用，擴大巡檢范圍，提升巡檢效率。
4.4. 方案重點技術
1.5G切片技術
本測試床面向電力客戶提供電力行業(yè)切片專網(wǎng)服務，無線網(wǎng)支持QOS優(yōu)先級調(diào)度、支持RB資源預留；承載網(wǎng)支持Flex E和VPN子通道隔離、支持切片隔離、支持切片管理和發(fā)放；核心網(wǎng)支持切片NSSF、支持切片移動性管理：切片選擇、接入控制、支持選擇策略定義、支持切片子網(wǎng)模板、生命周期管理及性能和告警監(jiān)控、支持切片自動化、支持根據(jù)切片標識選擇AMF。
2.5G切片端到端運營管理
本測試平臺主要包括連接管理、設備管理、切片管理、統(tǒng)計分析、高級應用等功能模塊，幫助電網(wǎng)用戶實時掌控通信網(wǎng)絡質(zhì)量、降低網(wǎng)絡運營費用，提升企業(yè)競爭力。
3.5G高精度網(wǎng)絡授時技術
電力系統(tǒng)繼電保護等應用需要獲得統(tǒng)一的時間基準來確保線路故障測距、相量和功角動態(tài)監(jiān)測、機組和電網(wǎng)參數(shù)校驗的準確性，通過時間同步系統(tǒng)進行時鐘同步，分為無線授時系統(tǒng)和有線授時系統(tǒng)。其中，無線授時系統(tǒng)存在價格昂貴、施工不便、容易受到干擾和接收系統(tǒng)復雜等問題；有線授時系統(tǒng)信號穩(wěn)定，但在城區(qū)內(nèi)敷設專線成本較高。隨著5G網(wǎng)絡發(fā)展，通過具備授時功能的電力定制化CPE，即可廣泛、快速、準確地傳遞高精度時間信號。電力定制化CPE可實現(xiàn)5G通信的同時，輸出基準網(wǎng)絡時鐘同步信號，傳輸給受控終端進行時間同步。
4.5. 方案自主研發(fā)性、創(chuàng)新性及先進性
1.自主研發(fā)性
本測試床網(wǎng)絡及平臺方案由上海產(chǎn)業(yè)研究院自主研發(fā)完成，終端部分由上海產(chǎn)業(yè)研究院與合作伙伴合作研發(fā)完成。
2.創(chuàng)新性
本測試床從頂層設計、關鍵技術、現(xiàn)網(wǎng)試點、終端模組到業(yè)務運營等方面取得突破，完成5G電力電信業(yè)務場景技術層面的深度驗證，包括SA切片運營管理、SA切片端到端外場測試、配網(wǎng)差動保護外場測試等。
3.先進性
本測試床可驗證5G網(wǎng)絡對電網(wǎng)控制類業(yè)務承載的可行性，可迅速提升配電自動化水平、數(shù)字化水平，以此打造電網(wǎng)5G生態(tài)圈，培養(yǎng)、扶持電網(wǎng)智能電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
在不同生產(chǎn)、管理大區(qū)的電力業(yè)務有不同的安全隔離要求，5G網(wǎng)絡切片技術，可為電網(wǎng)不同分區(qū)業(yè)務提供差異化的安全隔離服務，突破以往的無線通信技術安全隔離能力，滿足電網(wǎng)安全隔離要求。
5G網(wǎng)絡具備能力開放及更高效靈活的運營管理能力。電力企業(yè)可進行網(wǎng)絡切片定制設計、規(guī)劃部署來實現(xiàn)線上的快速業(yè)務開通（分鐘級）；利用切片運行監(jiān)控能力實現(xiàn)運營商網(wǎng)絡資源運行的監(jiān)控及故障定位；通過通信終端或模組采集的各類數(shù)據(jù)實現(xiàn)對終端的在線管理等，最終實現(xiàn)智能電網(wǎng)的可觀、可管、可控。
4.6. 方案安全風險控制
本測試床從終端安全、網(wǎng)絡安全、全網(wǎng)態(tài)勢感知三個方面提供安全風險控制。
1.終端安全防護
提供定制化安全芯片，并內(nèi)置安全探針，保障海量終端接入安全，同時在3GPP標準的3層認證中，增加電力側(cè)的通信安全準入認證流程，避免非法終端對電力業(yè)務主站發(fā)起網(wǎng)絡攻擊。
2.網(wǎng)絡安全防護
通過獨享SMF物理隔離、RB資源預留、邏輯切片等多種隔離技術滿足電網(wǎng)不同業(yè)務的網(wǎng)絡需求。
3.全網(wǎng)態(tài)勢感知
通過安全數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)挖掘、機器學習等技術，實現(xiàn)態(tài)勢感知監(jiān)測預警，做到全網(wǎng)安全情況的可觀、可測、可控。
五、 測試床實施部署
5.1. 測試床實施規(guī)劃
2020年12月-2021年2月：需求調(diào)研，架構設計；
2021年3月-2021年5月：搭建智能電力網(wǎng)絡環(huán)境；
2021年6月-2021年10月：項目平臺、終端等系統(tǒng)接入；
2021年11月-2021年12月：應用效果評估。
5.2. 測試床實施的技術支撐及保障措施
測試床由中移上海產(chǎn)業(yè)研究院提供技術支撐，并聯(lián)合行業(yè)客戶進行應用場景落地及驗證。
5.3. 測試床實施的自主可控性
本測試床網(wǎng)絡及平臺方案由上海產(chǎn)業(yè)研究院自主研發(fā)完成，終端部分由上海產(chǎn)業(yè)研究院與國產(chǎn)終端合作伙伴合作研發(fā)完成，具有自主可控性。
六、 測試床預期成果
本測試床預期在項目結束時驗證5G網(wǎng)絡承載電力業(yè)務的可行性，平臺實現(xiàn)連接管理、設備管理、5G切片管理、統(tǒng)計分析、高級應用等功能，實現(xiàn)配網(wǎng)差動保護、高級計量、智能化巡檢等多項應用。
6.2. 測試床的商業(yè)價值、經(jīng)濟效益
本測試床通過5G網(wǎng)絡承載電網(wǎng)業(yè)務，是5G網(wǎng)絡與電力行業(yè)的融合創(chuàng)新，通過新一代信息技術的發(fā)展，切實解決配電網(wǎng)等低時延控制、高精度授時、大帶寬承載、高頻次采集、光纖建設難度大等問題，提升電力行業(yè)智能化水平。如配網(wǎng)差動保護等可以實現(xiàn)配電網(wǎng)故障的精確定位和隔離，并快速切換備用線路，降低停電時間，由小時級降低到分鐘級。智能化巡檢等應用可以大幅減少企業(yè)人員投入、降低人力資源成本，巡檢效率提升3倍。
6.3. 測試床的社會價值
本測試床積極響應國家智能電網(wǎng)發(fā)展要求，推動電網(wǎng)企業(yè)智能化升級，實現(xiàn)用能需求智能調(diào)控、提升電能質(zhì)量，并構建基于5G的應用場景和產(chǎn)業(yè)生態(tài)，在電網(wǎng)領域開展試點示范。5G網(wǎng)絡作為支撐智能電網(wǎng)發(fā)展的重要基礎設施，承擔著各類電力業(yè)務的安全性、實時性、準確性和可靠性的要求，助力電力行業(yè)打造安全、高效、綠色的智能電網(wǎng)系統(tǒng)。
6.4. 測試床初步推廣應用案例
目前，中國移動已聯(lián)合南方電網(wǎng)打造5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)示范應用項目，計劃利用5G網(wǎng)絡承載50種智能電網(wǎng)業(yè)務，全面驗證5G承載智能電網(wǎng)業(yè)務能力，探索可落地復制的5G智能電網(wǎng)商業(yè)模式，為5G智能電網(wǎng)商用落地奠定堅實基礎。
七、 測試床成果驗證
本測試床對5G網(wǎng)絡、平臺以及應用進行測試驗證。
7.2. 測試床成果驗證方案
1.網(wǎng)絡驗證內(nèi)容
序號 | 驗證內(nèi)容 | |
1 | 業(yè)務帶寬 | 測試帶寬是否符合業(yè)務需求 |
2 | 終端與終端通信時延 | 測試終端間時延是否符合業(yè)務要求 |
2.平臺驗證方案
驗證平臺主要包括連接管理、設備管理、切片管理、統(tǒng)計分析、高級應用等模塊功能。
3.應用驗證方案
編號 | 應用 | 驗證內(nèi)容 |
1 | 配網(wǎng)差動保護 | 設備端到端網(wǎng)絡時延不大于15ms，網(wǎng)絡授時精度小于10μs，可以實現(xiàn)配電網(wǎng)故障的精確定位和隔離，并快速切換備用線路 |
2 | 高級計量 | 實現(xiàn)電力計量終端5G通信模塊實現(xiàn)電表與計量主站的連接，可深入采集各類電器設備的用電信息 |
3 | 智能化巡檢 | 能夠?qū)崿F(xiàn)巡檢終端遙控及數(shù)據(jù)采集，巡檢高清視頻實時回傳及遠程控制作業(yè) |
本測試床與之前已經(jīng)審批的測試床無任何關聯(lián)。
9.1. 測試床成果交付件
測試床的交付件包括：
1）平臺軟件一套；
2）應用場景測試報告；
3）專利若干。
9.2. 測試床可復制性
測試床可在電力行業(yè)進行推廣復制，可應用在配網(wǎng)差動保護、高級計量、智能化巡檢等應用場景。
9.3. 測試床開放性
本測試床符合電力行業(yè)方案相關要求，應用落地過程涉及多家相關企業(yè)參與。
10.1. 測試床使用者
非發(fā)起方的測試床參與者可以使用本測試床的所有操作功能，但僅限于功能的操作使用，禁止泄露給同行業(yè)的第三方。
10.2. 測試床知識產(chǎn)權說明
中國移動上海產(chǎn)業(yè)研究院擁有本測試床的建設、運營以及使用權。
10.3. 測試床運營及訪問使用
平臺部署在客戶側(cè)，由中國移動提供運營服務。
10.4. 測試床資金
測試床資金為自有資金，穩(wěn)定充足，同時也會爭取專項資金支持。
10.5. 測試床時間軸
本測試床為短期項目，測試床驗證的時間進度安排如下：
2020年12月-2021年2月：需求調(diào)研，架構設計；
2021年3月-2021年5月：搭建智能電力網(wǎng)絡環(huán)境；
2021年6月-2021年10月：項目平臺、終端等系統(tǒng)接入；
2021年11月-2021年12月：應用效果評估。
10.6. 附加信息
測試床具備良好的可復制性，可在電力行業(yè)特別是配電網(wǎng)相關場景中應用。切實解決配電網(wǎng)等各地低時延控制、高精度授時、大帶寬承載、高頻次采集、最后一公里光纖建設難度大等問題。
聲明
本報告所載的材料和信息，包括但不限于文本、圖片、數(shù)據(jù)、觀點、建議，不構成法律建議，也不應替代律師意見。本報告所有材料或內(nèi)容的知識產(chǎn)權歸工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟所有（注明是引自其他方的內(nèi)容除外），并受法律保護。如需轉(zhuǎn)載，需聯(lián)系本聯(lián)盟并獲得授權許可。未經(jīng)授權許可，任何人不得將報告的全部或部分內(nèi)容以發(fā)布、轉(zhuǎn)載、匯編、轉(zhuǎn)讓、出售等方式使用，不得將報告的全部或部分內(nèi)容通過網(wǎng)絡方式傳播，不得在任何公開場合使用報告內(nèi)相關描述及相關數(shù)據(jù)圖表。違反上述聲明者，本聯(lián)盟將追究其相關法律責任。
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