智能電網(wǎng)5G網(wǎng)絡及切片應用
一、關鍵詞
智能電網(wǎng)、5G、網(wǎng)絡切片
二、發(fā)起公司和主要聯(lián)系人聯(lián)系方式
中興通訊股份有限公司 邵偉翔 shao.weixiang@zte.com.cn
國網(wǎng)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(yè)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(wǎng)絡切片實現(xiàn)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(wǎng)的多種要素（配電網(wǎng)故障、配電網(wǎng)運行狀態(tài)、分布式電源系統(tǒng)、柔性負荷系統(tǒng)、用電營銷系統(tǒng)、電動汽車接入）進行采集、分析和協(xié)調控制，并和5G系統(tǒng)相結合，實現(xiàn)基于網(wǎng)絡切片的配電自動化、智能化，增加配電網(wǎng)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(wǎng)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(guī)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(wǎng)、荷具有更強的時空不確定性，對配網(wǎng)安全可靠運行帶來更大挑戰(zhàn)。
隨著電力可靠供電要求的逐步提升，要求高可靠性供電區(qū)域能夠實現(xiàn)電力不間斷持續(xù)供電，將事故隔離時間大大縮短，減少停電區(qū)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(zhàn)，因此智能分布式配電自動化成為未來配網(wǎng)自動化發(fā)展的方向和趨勢之一。
當前配電網(wǎng)絡存在以下挑戰(zhàn)：
? 如何最大可能地減少故障停電時間和范圍，使配網(wǎng)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(wǎng)同步相量測量裝置PMU實現(xiàn)配電網(wǎng)的狀態(tài)感知和優(yōu)化控制
? 如何實現(xiàn)配電自動化和電網(wǎng)其他業(yè)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(guī)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(wǎng)運行特性的影響，重點研究適用于配合智能配電網(wǎng)同步相量測量系統(tǒng)的5G網(wǎng)絡切片技術，提供一個可復制的使用5G網(wǎng)絡切片實現(xiàn)的智能配電解決方案。
(二) 測試床重點技術
針對當前配電網(wǎng)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(wǎng)故障處理時間從分鐘級提高到秒級甚至毫秒級” 的挑戰(zhàn)，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(wǎng)，實現(xiàn)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(wǎng)絡存在的“如何利用配電網(wǎng)同步相量測量裝置PMU實現(xiàn)配電網(wǎng)的狀態(tài)感知和優(yōu)化控制” 的挑戰(zhàn)，本項目采用5G技術作為組網(wǎng)通信，構建滿足運行狀態(tài)估計和主動協(xié)調控制等應用需求的同步相量測量網(wǎng)絡。
針對當前配電網(wǎng)絡存在的“如何實現(xiàn)配電自動化和電網(wǎng)其他業(yè)務的完全隔離” 的挑戰(zhàn)，本項目采用5G網(wǎng)絡切片技術實現(xiàn)智能配電網(wǎng)的網(wǎng)絡切片，從無線接入、承載網(wǎng)、核心網(wǎng)幾個層面來實現(xiàn)配電自動化和電網(wǎng)其他業(yè)務的完全隔離。
(三) 技術創(chuàng)新性及先進性
測試床創(chuàng)新點：
ü 智能配電網(wǎng)微型同步相量測量應用技術
ü 5G無線網(wǎng)絡技術在智能配電網(wǎng)中的驗證
ü 5G網(wǎng)絡切片技術實現(xiàn)智能配電網(wǎng)的網(wǎng)絡切片
ü 5G模組應用實現(xiàn)智能電網(wǎng)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(yè)務場景中，控制區(qū)、采集區(qū)、管理區(qū)等不同的場景對網(wǎng)絡時延、帶寬、安全性等方面有著不同的要求，根據(jù)不同的需要來進行切片，技術實現(xiàn)上主要從無線接入、承載網(wǎng)、核心網(wǎng)等幾個層面來開展網(wǎng)絡切片，保障網(wǎng)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(wǎng)絡在智能配網(wǎng)通信的可行性。
驗證5G網(wǎng)絡切片技術可以保證配電自動化和電網(wǎng)其他業(yè)務的完全隔離。
(二) 商業(yè)價值
可復制的使用5G網(wǎng)絡切片實現(xiàn)的智能配電解決方案，配電網(wǎng)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(shù)據(jù)傳輸成功率達99%以上，為5G系統(tǒng)方案進入電力行業(yè)提供范式。
(三) 經(jīng)濟效益
實現(xiàn)電網(wǎng)內部多種業(yè)務切片混合組網(wǎng)、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一運維、實現(xiàn)安全完全隔離，有效解決傳統(tǒng)3G/4G無線專網(wǎng)的部分特性不支持智能配電組網(wǎng)方案；幫助電網(wǎng)客戶大幅節(jié)省成本，預期5G網(wǎng)絡切片組網(wǎng)比傳統(tǒng)3G/4G無線專網(wǎng)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(wǎng)新模式，完善智能電網(wǎng)通信相關技術標準，推動行業(yè)制造技術進步。
七、測試床技術可行性
(一) 物理平臺
一、相量數(shù)據(jù)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(guī)約和協(xié)議與PMU / PDC / 主站交換數(shù)據(jù)
3. 信息轉發(fā)：根據(jù)設置向不同主站發(fā)送不同數(shù)據(jù)；
4. 數(shù)據(jù)存貯：保存實時數(shù)據(jù)和擾動數(shù)據(jù)；
5. 狀態(tài)自檢：檢查與PMU裝置通訊狀態(tài)；
6. 參數(shù)維護和修改：可以在當?shù)睾椭髡驹O置和修改設置參數(shù)。
2、通訊考核指標：
與主站通信帶寬>10Mb/s，單臺可接入PMU數(shù)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(wǎng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(jīng)接入網(wǎng)送PDC(多媒介專用相量集中處理裝置，位于變電站)匯集后經(jīng)骨干網(wǎng)送主站W(wǎng)AMS(廣域監(jiān)測系統(tǒng))，但也可能存在PMU之間、PDC之間以及和其它監(jiān)測/控制/保護設備之間的對等通信，以滿足快速保護和協(xié)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸將達到每秒8K次，即125us要上傳1次相量數(shù)據(jù)；如此高頻度的數(shù)據(jù)并發(fā)出現(xiàn)在網(wǎng)絡，同時有命令報文、錄播文件、原來配電自動化三遙數(shù)據(jù)，將可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)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(jiān)測系統(tǒng)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(shù)據(jù)的相量數(shù)據(jù)傳輸速率要求
相量傳輸帶寬主要取決于通信速率和PMU數(shù)量，以及PMU內部的相量數(shù)量和數(shù)據(jù)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(wǎng)：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(wǎng)：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(wǎng)PMU/PDC/主站等多方通信要求
三、智能配電網(wǎng)通信組網(wǎng)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W(wǎng)AMS通信帶寬2Mbps~10Mbps ;
? 通信延時小于20ms ；
? 支持業(yè)務重要程度按預定優(yōu)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(wǎng)絡結構
網(wǎng)絡結構見下圖。無線和核心網(wǎng)的站點機房都部署在浦東臨港，上海電力的監(jiān)控中心位于浦東南路，監(jiān)控中心和核心網(wǎng)機房兩個點之間建立專用數(shù)據(jù)鏈路。
五、測試床物理部署方案
示范區(qū)為臨港南邊區(qū)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(qū)域。
六、測試床網(wǎng)絡部署模型
上海電力臨港示范區(qū)配電網(wǎng)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(wǎng)絡實現(xiàn)組網(wǎng)接入主站配網(wǎng)WAMS系統(tǒng)。
七、測試床組網(wǎng)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(tǒng)：配電網(wǎng)主站廣域相量測量系統(tǒng)、5G核心網(wǎng)平臺。
配電網(wǎng)軟件系統(tǒng)對應于“智能電網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)故障診斷及精確定位方法；配電網(wǎng)運行狀態(tài)估計方法；分布式電源、柔性負荷、用電營銷等系統(tǒng)的相關信息集成機制、多維數(shù)據(jù)分析方法與協(xié)調控制技術；
5G核心網(wǎng)平臺包括5G核心網(wǎng)軟件、虛擬化軟件、網(wǎng)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(yè)互聯(lián)網(wǎng)泛在的無線連接需求，采用5G新型網(wǎng)絡技術研究和部署來支撐工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展。
本驗證示范平臺對照滿足AII安全體系和AII數(shù)據(jù)體系目標框架。
(二) AII安全（可選）
本驗證示范平臺將遵循工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)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(wǎng)的應用，管側安全重點聚焦“網(wǎng)絡專用、橫向隔離”，5G 網(wǎng)絡將重點關注網(wǎng)絡切片安全，以及網(wǎng)絡安全的能力開放兩方面。
1、5G 核心網(wǎng)提供多層次的切片安全保障，為智能電網(wǎng)業(yè)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(wǎng)絡域安全，外網(wǎng)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(wǎng)絡的UE 是合法的。另外，可以通過PDU（分組數(shù)據(jù)單元）會話機制來防止UE 的未授權訪問。
2）網(wǎng)絡域安全：網(wǎng)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(wǎng)設備訪問安全：在切片內NF 與外網(wǎng)設備間，部署虛擬防火墻或物理防火墻，保護切片內網(wǎng)與外網(wǎng)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(wǎng)絡安全能力開放，助力智能電網(wǎng)實時更靈活的安全保障措施。體現(xiàn)5G 網(wǎng)元與外部業(yè)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(jù)業(yè)務對于數(shù)據(jù)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(xiàn)場級：
? IT網(wǎng)絡接入：智能網(wǎng)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W(wǎng)AMS廣域監(jiān)測系統(tǒng)、5G核心網(wǎng)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(chǎn)生嚴重后果。
l 控制層面，本平臺中，主站W(wǎng)AMS廣域監(jiān)測系統(tǒng)、5G核心網(wǎng)平臺，是比較脆弱的部件，可建立相對獨立的網(wǎng)絡，采用防火墻與其他網(wǎng)絡系統(tǒng)相隔離。
l 網(wǎng)絡層面，網(wǎng)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(wǎng)平臺之間等存在安全風險，如非授權訪問或對設備的網(wǎng)絡攻擊。
l 應用層面，主站W(wǎng)AMS廣域監(jiān)測系統(tǒng)存在安全風險如非授權訪問等。
(五) 安全聯(lián)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(xiàn)沒有5G網(wǎng)絡相關測試床，也沒有電力行業(yè)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(wǎng)絡切片設計方案、5G網(wǎng)絡無線基站部署方案、智能配電網(wǎng)PMU/PDC和5G終端互通方案、5G模組應用實現(xiàn)智能電網(wǎng)端到端的解決方案
l 驗證示范平臺相關實體，如5G網(wǎng)絡無線基站、 5G終端、 5G核心網(wǎng)、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(jiān)測系統(tǒng))等
l 驗證示范平臺測試文檔、評估報告和可復制的商業(yè)流程說明
十、測試床使用者
測試床初期僅限于現(xiàn)有的合作伙伴使用，示范平臺成熟后向聯(lián)盟中企業(yè)及社會開放
十一、 知識產(chǎn)權說明
中興通訊股份有限公司、國網(wǎng)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(chǎn)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(jù)情況協(xié)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(wǎng)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(wǎng)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(qū)。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(wǎng)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(tǒng)方案設計、關鍵部件選型，并進行5G網(wǎng)絡無線基站建設，覆蓋上海電力學院附近區(qū)域。
2019年6月實現(xiàn)5G網(wǎng)絡和PMU、監(jiān)控主站的對接，完成通過5G網(wǎng)絡通道傳輸PMU數(shù)據(jù)的技術驗證，并完成5G網(wǎng)絡通道的測試評估。
2020年6月完成通過5G切片實現(xiàn)電力專用通信網(wǎng)絡的可行性研究，具體包括驗證網(wǎng)絡切片對各類智能電網(wǎng)業(yè)務的支持、驗證網(wǎng)絡安全性、驗證網(wǎng)絡高可靠性、驗證組網(wǎng)結構等；2020年12月完成5G模組應用實現(xiàn)智能電網(wǎng)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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