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。
關鍵詞
智能電網(wǎng)、配網(wǎng)自動化、5G切片
測試床項目承接主體
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
張翠柳:zhangcuiliu@cmsr.chinamobile.com,15201614921
合作公司
南方電網(wǎng)
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，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。
測試床方案架構
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。
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
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
在所管轄的區(qū)域內(nèi)（主要指省/市）劃分4張電力切片，分別對應安全區(qū)I、II、III、IV。1個切片可對應多個業(yè)務，每個業(yè)務分配一個DNN，根據(jù) S-NSSAI+DNN 選擇切片和UPF。
在生產(chǎn)控制大區(qū) ，無線網(wǎng)側采用RB資源預留實現(xiàn)硬隔離，不同5QI優(yōu)先級調(diào)度實現(xiàn)安全區(qū)I和II之間邏輯隔離；承載網(wǎng)側采用FlexE進行硬隔離，并劃分不同的VLAN實現(xiàn)安全區(qū)I和II之間的邏輯隔離；核心網(wǎng)側每個省/市部署物理獨立的UPF，并劃分兩個邏輯獨立的UPF租戶
在管理信息大區(qū)，無線網(wǎng)側采用不同5QI優(yōu)先級調(diào)度實現(xiàn)安全區(qū)III和IV間邏輯隔離；承載網(wǎng)側采用VLAN實現(xiàn)邏輯隔離；核心網(wǎng)側共用運營商ToB專用UPF，與ToB其他業(yè)務邏輯隔離，需額外開通N6接口專線至電力企業(yè)。
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、告警管理等關鍵能力。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
傳統(tǒng)配電網(wǎng)故障依靠過流保護或者距離保護的定位、隔離，從啟動故障隔離和供電恢復，整個過程持續(xù)幾分鐘至幾十分鐘，嚴重影響用戶正常用電。配網(wǎng)差動保護場景能夠實現(xiàn)故障區(qū)段的快速定位與隔離，提高配電網(wǎng)的供電可靠性，業(yè)務上要求保護裝置間實現(xiàn)實時快速通信及時鐘同步，光纖可滿足場景要求，但存在鋪設困難、成本高昂的問題。5G信技術具有高帶寬、低時延、網(wǎng)絡高精度授時及安全可靠的特點，為差動保護提供了新的無線通信方式。
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
目前所采用集中抄表方式多以配變臺區(qū)為基本單元進行集中抄表，集中器下掛幾十或上百臺電表或計量終端，一般以天、小時為頻次采集上報基本電力數(shù)據(jù)至集中器，再由集中器通過運營商無線公網(wǎng)回傳至電力計量主站系統(tǒng)，采集頻次低，采集內(nèi)容單一，無法有效支撐用戶行為分析。5G的大連接能力為電力計量業(yè)務提供了全新的無線解決方案。
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
人工巡檢需配備專業(yè)巡檢人員，巡檢效率低，范圍有限，易因操作不當引發(fā)各類安全事故隱患。同時，當前智能化巡檢設備多依托WiFi組網(wǎng)接入，WiFi網(wǎng)絡使用公網(wǎng)頻段，無法滿足電力行業(yè)安全性要求且WiFi網(wǎng)絡不穩(wěn)定，覆蓋范圍小。5G網(wǎng)絡安全性高、覆蓋范圍廣，可滿足智能化巡檢業(yè)務需求。
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。
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。
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
1）在產(chǎn)、學、研、用方面打造多項行業(yè)突破：中國移動聯(lián)合南網(wǎng)基于發(fā)改委項目自2018年起在深圳開展5G+智能電網(wǎng)試點，共同發(fā)布行業(yè)首個《5G智能電網(wǎng)白皮書》、首個差動保護線路外場測試，首個SA網(wǎng)絡切片端到端運營管理，對5G承載承載電力業(yè)務的可行性進行了充分驗證。
2）定制化網(wǎng)絡方案：根據(jù)電力行業(yè)業(yè)務分區(qū)及安全隔離特性需求，打造電力行業(yè)切片專網(wǎng)方案，制定無線側、傳輸側、核心網(wǎng)側網(wǎng)絡方案，滿足生產(chǎn)控制大區(qū)和信息管理大區(qū)業(yè)務的安全性、可靠性、隔離性要求。
3）首創(chuàng)電力定制化CPE：差動保護等應用需獲取精準時鐘信息，傳統(tǒng)方案需要單獨授時系統(tǒng)進行時鐘同步，無線授時系統(tǒng)存在價格昂貴、施工不便、容易受到干擾等問題；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。本項目研發(fā)電力定制化CPE，除具備基礎5G通信功能外，還具備高精度網(wǎng)絡授時功能，實現(xiàn)5G通信與授時功能的完美結合；并在國際首次提出5G空口高精度授時技術，納入3GPP R16標準。
4）實現(xiàn)切片端到端管理：基于OnePower-智慧電力子平臺，底層對接各省5G專網(wǎng)運營平臺，上層對接電網(wǎng)主站系統(tǒng)，實現(xiàn)切片模板定制、切片下單、切片實時查詢等端到端管理功能。
3.先進性
1）提升智能化水平：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。
2）滿足隔離需求：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。
3）實現(xiàn)智能電網(wǎng)可觀、可管、可控：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。
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。
測試床實施部署
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。
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。
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。
測試床預期成果
測試床的預期可量化實施結果
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。
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。
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)。
測試床初步推廣應用案例
中國移動將聯(lián)合南方電網(wǎng)將在廣州南沙103平方公里范圍內(nèi)，開展5G智能電網(wǎng)全業(yè)務應用場景示范項目建設，預計落地涵蓋發(fā)、輸、變、配、用各環(huán)節(jié)50+5G智能電網(wǎng)應用場景。
推廣計劃主要為以南沙全業(yè)務場景示范項目為標桿，面向南方電網(wǎng)五省進行規(guī)模復制和推廣； 針對國家電網(wǎng)5G需求迫切省份，如山東、福建、浙江、寧夏、安徽等開展項目復制推廣。
測試床成果驗證
測試床成果驗證計劃
本測試床對5G網(wǎng)絡、平臺以及應用進行測試驗證。
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 | 驗證標準 |
|---|---|---|
1 | 配網(wǎng)差動保護 | 帶寬>2M，時延≤15ms，網(wǎng)絡授時精度<10μs |
2 | 高級計量 | 帶寬>2M，時延≤3s，通信可靠性達到99.99% |
3 | 智能化巡檢 | 帶寬要求20-100M，時延≤100ms，通信可靠性達到99.999% |
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 | 應用場景 | 驗證標準 |
|---|---|---|
1 | 配網(wǎng)差動保護 | 基于電力定制化CPE實現(xiàn)對配網(wǎng)差動保護終端的網(wǎng)絡授時功能，實現(xiàn)保護裝置之間實時快速通信，精確定位配電網(wǎng)故障并隔離，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 | 能夠實現(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) |
與已存在AII測試床的關系
本測試床與之前已經(jīng)審批的測試床無任何關聯(lián)。
測試床成果交付
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。
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。
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。
其他信息
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。
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。
測試床運營及訪問使用
平臺部署在客戶側，由中國移動提供運營服務。
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。
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。
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。