徐 溯，胡光宇，完顏紹澎，于 佳

（1.江蘇省電力有限公司鎮(zhèn)江供電分公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；2.南瑞集團有限公司（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司），江蘇 南京 210000）

0 引言

5G作為面向2020年后的新一代移動通信技術(shù)，是未來無線技術(shù)的發(fā)展方向［1-2］。5G 能夠帶來超高帶寬、超低時延以及超大規(guī)模連接的用戶體驗，其基于軟件定義、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化等技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)能夠支持網(wǎng)絡(luò)資源的按需定制、高動態(tài)擴展與自動化部署，支持從接入網(wǎng)、核心網(wǎng)到承載網(wǎng)的端到端網(wǎng)絡(luò)切片，從而為電力行業(yè)用戶打造定制化的“行業(yè)專網(wǎng)”服務(wù)，從而更好地適應(yīng)未來電力多場景，滿足差異化業(yè)務(wù)靈活承載的需求，有力促進能源互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用創(chuàng)新［3-8］。

毫秒級精準(zhǔn)負(fù)荷控制對通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵需求是毫秒級的超低時延，精準(zhǔn)負(fù)荷控制屬于電網(wǎng)I/II生產(chǎn)大區(qū)業(yè)務(wù)，要求和其他III/IV 管理大區(qū)業(yè)務(wù)完全隔離。5G 的低時延、高可靠性理論上能夠滿足精準(zhǔn)負(fù)荷控制的要求。因此緊密圍繞接入需求，開展精準(zhǔn)負(fù)荷控制業(yè)務(wù)在5G 環(huán)境中的應(yīng)用研究以及精準(zhǔn)負(fù)荷控制業(yè)務(wù)在5G環(huán)境中的試點驗證研究。

1 5G與電力業(yè)務(wù)應(yīng)用場景的適配模型

5G 作為新一代移動通信技術(shù)，3GPP 定義了5G的增強移動寬帶eMBB、大連接物聯(lián)網(wǎng)mMTC 和超高可靠超低時延通信uRLLC 三大場景［9］。其中，eMBB指3D/超高清視頻等大流量移動寬帶業(yè)務(wù)，mMTC 指大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，URLLC 指如無人駕駛、工業(yè)自動化等需要低時延、高可靠連接的業(yè)務(wù)［10］。5G 技術(shù)具有超高帶寬、超低時延以及超大規(guī)模連接等特征，其基于軟件定義、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化等技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)能夠支持網(wǎng)絡(luò)資源的按需定制、高動態(tài)擴展與自動化部署，支持從接入網(wǎng)、核心網(wǎng)到承載網(wǎng)的端到端網(wǎng)絡(luò)切片，可為電力系統(tǒng)打造定制化的“行業(yè)專網(wǎng)”服務(wù)，滿足未來電力多場景、差異化業(yè)務(wù)靈活承載需求［11-17］。

綜合考慮各類電力業(yè)務(wù)的帶寬、實時性、可靠性和大連接等維度的需求，分析不同業(yè)務(wù)需求與5G 應(yīng)用場景的契合度，將業(yè)務(wù)劃分為3 類，即eMBB 傾向型、uRLLC 傾向型和mMTC 傾向型。針對差動保護、配電自動化、精準(zhǔn)負(fù)荷控制、用電信息采集、配網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測、實物ID、智能巡檢、視頻監(jiān)控8類典型業(yè)務(wù)，形成適配模型如圖1所示。

圖1 5G與多種業(yè)務(wù)應(yīng)用場景的適配模型

2 基于5G的精準(zhǔn)負(fù)荷控制應(yīng)用的技術(shù)研究

精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)由切負(fù)荷主站、切負(fù)荷子站及用戶側(cè)智能網(wǎng)荷互動終端構(gòu)成，毫秒級控制系統(tǒng)控制指令等數(shù)據(jù)信息在智能網(wǎng)荷互動終端與切負(fù)荷子站、切負(fù)荷主站之間交互［11］。

精準(zhǔn)負(fù)荷控制通信系統(tǒng)的通信對象包括接入層電力大用戶、燃煤電廠、翻水站、儲能電站的負(fù)荷分路開關(guān)，以及骨干匯聚層各級上聯(lián)匯聚站點。精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)由切負(fù)荷主站、切負(fù)荷子站及用戶側(cè)智能網(wǎng)荷互動終端構(gòu)成，毫秒級控制系統(tǒng)控制指令等數(shù)據(jù)信息在智能網(wǎng)荷互動終端與切負(fù)荷子站、切負(fù)荷主站之間交互。

通過5G 低時延技術(shù)實現(xiàn)源網(wǎng)側(cè)與負(fù)荷側(cè)良性互動，有效指導(dǎo)電力用戶根據(jù)價格信號或激勵措施，優(yōu)化其用電行為，從而促進電力供需平衡、保障電網(wǎng)穩(wěn)定運行。同時，需求側(cè)響應(yīng)資源也可以提供電力系統(tǒng)輔助服務(wù)，作為電力系統(tǒng)的調(diào)頻備用、旋轉(zhuǎn)備用、非旋轉(zhuǎn)備用等，確保能源網(wǎng)側(cè)正常的電力供應(yīng)。

2.1 通信需求

毫秒級負(fù)荷控制業(yè)務(wù)通信要求包括以下方面：

端到端時延要求：毫秒級控制系統(tǒng)時延包含故障信息采集及決策時間、通道傳輸時間、用戶站點轉(zhuǎn)接裝置延時時間、分路開關(guān)跳開時間等，總體時延要求不超過650 ms［12］，其中，從穩(wěn)控裝置故障判別所需條件全部滿足開始，直至用戶負(fù)控終端控制命令出口時延要求不超過200 ms，無線通信通道端到端時延不超過50 ms。

業(yè)務(wù)工作周期：業(yè)務(wù)采集周期遙測80 ms。

業(yè)務(wù)帶寬：單個負(fù)控終端至控制子站間上下行業(yè)務(wù)速率不低于280 kbit/s。

業(yè)務(wù)終端工作環(huán)境特征：終端固定，室內(nèi)環(huán)境。

無線通信質(zhì)量等級要求：符合3GPP TS 23.203中QCI5、優(yōu)先級1等級服務(wù)質(zhì)量要求。

2.2 建設(shè)方案

建設(shè)方案如圖2 所示。通過無線5G 網(wǎng)絡(luò)側(cè)將負(fù)荷信息上傳至市公司，市公司精準(zhǔn)負(fù)荷控制業(yè)務(wù)接入交換機分別采用2 塊以太網(wǎng)板卡的以太網(wǎng)接口與地區(qū)核心層主環(huán)A、B 網(wǎng)SDH 設(shè)備以太網(wǎng)接口互聯(lián)，通過地區(qū)核心層主環(huán)A、B 網(wǎng)至500 kV 控制子站，控制子站側(cè)地區(qū)核心層主環(huán)A、B 網(wǎng)SDH 設(shè)備分別采用GE/FE 接口與控制子站光纖交換機以太網(wǎng)接口互聯(lián)，形成用戶至500 kV控制子站的傳輸通道。

3 精準(zhǔn)負(fù)控業(yè)務(wù)的試驗網(wǎng)搭建與測試驗證

3.1 4G無線專網(wǎng)的測試方案

根據(jù)現(xiàn)有4G 無線專網(wǎng)，在實驗室搭建源網(wǎng)荷毫秒級控制業(yè)務(wù)測試網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3 所示?？紤]到SDH線路時延很小，本次測試中不部署SDH設(shè)備。

根據(jù)圖3可知，網(wǎng)絡(luò)承載的時延Δt為

式中：t0為中心站收到上級協(xié)控切負(fù)荷指令的時刻，可在中心站讀??；ti為終端i收到指令的時刻，用測試儀讀取，i=1，2，3，4。

測試步驟如下。

步驟1）：按圖3網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌罱ㄔ囼灜h(huán)境。

圖3 源網(wǎng)荷毫秒級控制業(yè)務(wù)實驗室測試網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

步驟2）：切斷斷點1，光纖/以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換裝置與終端之間用網(wǎng)線直連，測試未接入無線專網(wǎng)的時延，計算t1-t0。

步驟3）：切斷斷點2，光纖/以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換裝置與終端之間用無線網(wǎng)絡(luò)連接，測試接入無線專網(wǎng)后的時延。按照CPE 與基站距離遠近開展測試，測試CPE終端在離基站約5 m 的實驗室內(nèi)的時延差t2-t0；測試CPE終端在離基站約400 m的工程1號樓4樓辦公室的時延差t3-t0；測試CPE 終端在離基站約1 000 m 的公司內(nèi)遮擋嚴(yán)重的1樓會議的時延差t4-t0。

步驟4）：通過計算（t2-t0）-（t1-t0）、（t3-t0）-（t1-t0）、（t4-t0）-（t1-t0）得出接入無線網(wǎng)絡(luò)引入的時延。

3.2 4G無線專網(wǎng)的測試項目和結(jié)果

測試項目包括機房中心站與終端的直連測試、機房內(nèi)無線測試、就近無線測試和遮擋嚴(yán)重情況下的無線測試。4種情況的測試統(tǒng)計如表1所示。

表1 4種情況的測試統(tǒng)計

3.3 5G的測試方案

按照國家電網(wǎng)有限公司電力精控業(yè)務(wù)切片驗證工作方案，以保證現(xiàn)網(wǎng)在運業(yè)務(wù)安全穩(wěn)定運行為原則，以“安全可靠、實施高效、測試全面”為指導(dǎo)思想，采用實際環(huán)境與測試終端相結(jié)合的方式，搭建精控5G 驗證測試環(huán)境，檢測精控業(yè)務(wù)在5G 網(wǎng)絡(luò)下的時延。重點驗證現(xiàn)實環(huán)境下5G 核心網(wǎng)切片的應(yīng)用可行性，測試承載精準(zhǔn)負(fù)荷控制業(yè)務(wù)的端到端時延。

利用現(xiàn)有的5G 網(wǎng)絡(luò)，在機房搭建精控主站、精控子站，采用CPE接入負(fù)控終端，進行精準(zhǔn)負(fù)荷控制時延測試，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D4所示。

圖4 5G測試方案的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

無線終端采用5G eMBB 家庭寬帶CPE，基站部署在室外，基于3 400～3 500 MHz頻段，帶寬100 MHz，天線數(shù)量為2 根，基站空口調(diào)度周期為0.5 ms。核心網(wǎng)部署在電信側(cè)，采用網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，基于網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化NFV技術(shù)利用虛擬機實現(xiàn)軟隔離。精控業(yè)務(wù)系統(tǒng)部署在供電公司。

測試環(huán)境包括室內(nèi)環(huán)境和戶外環(huán)境。網(wǎng)絡(luò)信號強度RSRP 大于-95 dBm，信噪比SINR 大于25 dB。測試步驟如下。

步驟1）：無線終端通過以太網(wǎng)口連接配電終端，無線終端插入USIM卡，并開機進入空閑狀態(tài)。

步驟2）：正確配置UE 和系統(tǒng)側(cè)的相關(guān)參數(shù)，完成EPS承載激活過程。

步驟3）：源網(wǎng)荷模擬主站（子站）與SOE 高精度時間測試儀（部署在精準(zhǔn)切負(fù)荷終端，檢測終端端子跳變，并記錄時間）通過GPS對時。

步驟4）：模擬下發(fā)切負(fù)荷命令（無時標(biāo)）到源網(wǎng)荷模擬主站，源網(wǎng)荷模擬主站分析后下發(fā)控制命令到源網(wǎng)荷模擬子站并記錄下發(fā)時間為T1，源網(wǎng)荷模擬子站通過網(wǎng)絡(luò)下發(fā)控制命令到精準(zhǔn)切負(fù)荷終端并記錄下發(fā)時間為T2。

3.4 5G的測試內(nèi)容和結(jié)果

測試項目包括機房中心站與終端的直連測試、機房內(nèi)無線測試、就近無線測試和遮擋嚴(yán)重情況下的無線測試。

1）機房中心站與終端的直連測試。該測試作為無線測試的對比。將終端放置于機柜旁，用網(wǎng)線將終端與光纖/以太轉(zhuǎn)換器直連。測試儀與終端連接。由一臺筆記本模擬主站向中心站—子站發(fā)送命令，在中心站上讀取收到指令的時刻t0。在測試儀上讀取終端收到指令的時刻t1。重復(fù)10次。

2）機房內(nèi)無線測試。在機房將終端與CPE 通過網(wǎng)線連接，測試儀與終端連接。由一臺筆記本模擬主站向中心站—子站發(fā)送命令，在中心站上讀取收到指令的時刻t0。在測試儀上讀取終端收到指令的時刻t2。重復(fù)10 次。此時，CPE 信號強度RSRP為-55 dB，信噪比SINR為28 dB。

3）就近無線測試。在面向基站的靠窗辦公桌上將終端與CPE 通過網(wǎng)線連接，測試儀與終端連接。由一臺筆記本模擬主站向中心站—子站發(fā)送命令，在中心站上讀取收到指令的時刻t0。在測試儀上讀取終端收到指令的時刻t3。重復(fù)10次。此時CPE 信號強度RSRP為-114 dB，信噪比SINR為2 dB。

4）遮擋嚴(yán)重?zé)o線測試。與就近無線測試采用同樣的方式在會議室進行測試。由一臺筆記本模擬主站向中心站—子站發(fā)送命令，在中心站上讀取收到指令的時刻t0。在測試儀上讀取方天終端收到指令的時刻t4。重復(fù)10 次。此時，CPE 信號強度RSRP為-127 dB，信噪比SINR 為-6 dB。無線信號已經(jīng)微弱到稍微移動天線就斷線，可認(rèn)為在無線網(wǎng)絡(luò)邊界測試。

4種情況下的測試結(jié)果如表2所示。

表2 測試結(jié)果 單位：ms

本次測試初步驗證了核心網(wǎng)切片應(yīng)用可行性，經(jīng)實測，端到端平均時延為37 ms。5G CPE 終端至核心網(wǎng)通信時延為4.5 ms，核心網(wǎng)至精控業(yè)務(wù)子站通信時延為0.5 ms，其余為子站下發(fā)控制命令、負(fù)控終端接收控制命令的處理時延。如圖7所示。

圖5 測試時延示意圖

圖6 4G與5G測試對比

結(jié)合蘇州電力無線專網(wǎng)掛網(wǎng)測試情況，對本次5G 測試結(jié)果進行分析。蘇州1 800 MHz 電力專網(wǎng)端到端時延平均為33 ms，其中可對比分析部分（無線CPE終端與核心網(wǎng)之間）時延與本次測試對比如圖8所示。本次測試CPE 終端與5G 核心網(wǎng)通信時延為4.5 ms；4G 測試中CPE 終端至專網(wǎng)4G 核心網(wǎng)時延為12 ms，本次測試提升約7.5 ms。主要是因為5G 基站采用更為靈活的調(diào)度算法，對空口的時延進一步進行了優(yōu)化。

4 結(jié)語

5G 技術(shù)滿足負(fù)荷控制業(yè)務(wù)對端到端通信通道的時延要求，取代光纖通信進行負(fù)荷終端之間實時通信，為電力物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)低時延、高可靠應(yīng)用場景提供解決方案。

初步完成5G 切片可行性測試，后續(xù)將推進5G端到端切片測試，全面研究面向電力行業(yè)端到端的“可視、可管”能力，為基于5G 網(wǎng)絡(luò)的電力業(yè)務(wù)應(yīng)用拓展提供參考。研究成果也可推廣到高可靠、低時延其他場景應(yīng)用，為其他電力業(yè)務(wù)在5G 場景下的應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。