陳文文 楊 晨

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司廣州供電局，廣東 廣州 510600；2.南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司，廣東 廣州 510700）

1 引言

隨著電網(wǎng)業(yè)務(wù)日益多樣化，為了解決業(yè)務(wù)接入承載問題，需要引入無線通信手段。例如面向大帶寬的業(yè)務(wù)（機器人巡檢、視頻監(jiān)控等）、面向大連接的業(yè)務(wù)（一次設(shè)備狀態(tài)信息采集、電力設(shè)備現(xiàn)場檢修和協(xié)同調(diào)試、分布式在線監(jiān)測等需求）、面向移動通信的業(yè)務(wù)（變電站移動巡檢、無人機應(yīng)用、移動作業(yè)等）對通信網(wǎng)帶寬、覆蓋、質(zhì)量、接入位置提出了更為復(fù)雜的需求。在智能配電和用電方面，5G技術(shù)為無線接入覆蓋配電通信網(wǎng)提供了更好的解決方案。今后，分布式能源接入、低壓集中讀取、智能分布式配電自動化等業(yè)務(wù)可以利用5G實現(xiàn)突破。5G網(wǎng)絡(luò)可利用其超高帶寬、超低延遲、超大連接等優(yōu)勢，滿足垂直行業(yè)更加多樣化的業(yè)務(wù)發(fā)展需求，特別是其網(wǎng)絡(luò)切片和能力開放兩項創(chuàng)新功能的應(yīng)用，將改變傳統(tǒng)的商業(yè)運作方式和作業(yè)模式，為電力行業(yè)用戶提供定制的行業(yè)專用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，與以往的移動通信技術(shù)相比，更能滿足電網(wǎng)業(yè)務(wù)靈活、可靠、安全的要求，并實現(xiàn)差異化服務(wù)保障，進(jìn)一步增強電網(wǎng)公司獨立控制自身業(yè)務(wù)的能力[1]。

2 智能電網(wǎng)業(yè)務(wù)需求分析

2.1 電網(wǎng)業(yè)務(wù)信息交互提出的需求

在配電通信網(wǎng)端，由于網(wǎng)絡(luò)點多面廣，需要實時監(jiān)控大量設(shè)備，而且雙向信息交換頻繁，現(xiàn)有的光纖覆蓋建設(shè)成本高、運維困難，對于不同的場景，需要使用無線公共網(wǎng)絡(luò)來支撐配電網(wǎng)的各種終端，以達(dá)到可觀可控的效果。例如，用戶雙向互動、分布式能源接入、低壓集中抄表、大規(guī)模配電網(wǎng)自動化等業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，以及電力客戶的通信需求、電力終端、電網(wǎng)設(shè)備爆炸式增長，急需構(gòu)建雙向?qū)崟r交互、接入靈活、安全可靠的泛在全覆蓋的配電通信接入網(wǎng)，采用高效、穩(wěn)定、可靠、先進(jìn)的新型通信技術(shù)和系統(tǒng)支撐，實現(xiàn)智能電網(wǎng)業(yè)務(wù)安全、承載、訪問和端到端的自主控制。

2.2 電力信息運維工作提出的需求

要實現(xiàn)信息通信調(diào)度管理與運營維護(hù)的一體化，就需要對電力信息的通信調(diào)度方式進(jìn)行歸納和整理，并且需要將專業(yè)的分工進(jìn)一步演進(jìn)為業(yè)務(wù)分工，與此同時調(diào)整通信系統(tǒng)的運維支撐工具，并相互適應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)一體化的建設(shè)需求，需要靈活整合現(xiàn)有的通信系統(tǒng)的運維支撐工具，形成一個高度專業(yè)化、集成化、立體化的信息通信支撐平臺。

隨著信息化建設(shè)的高速推進(jìn)，信息通信集成化也得到了迅速的發(fā)展。信息通信運維支撐平臺不僅需要滿足對業(yè)務(wù)監(jiān)控的需求，滿足能夠?qū)νㄐ旁O(shè)備調(diào)度監(jiān)控集中管理的需求；以到達(dá)到信息通信設(shè)備賬戶完整生命周期管理的目的；實現(xiàn)整個信息化業(yè)務(wù)流程的一體性。除此之外，也要將現(xiàn)存的各種運維支撐系統(tǒng)相似的功能和流程進(jìn)行整合，降低系統(tǒng)之間的耦合性，抽離出系統(tǒng)之間的接口，消除系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)壁壘，以達(dá)到共享信息運維管理數(shù)據(jù)指標(biāo)的目的，以提供更加靈活豐富的數(shù)據(jù)分析方式，分析信息與通信數(shù)據(jù)的相關(guān)性，包含故障報警、業(yè)務(wù)影響、設(shè)備分析等方面，為信息通信運維提供強有力技術(shù)支撐。

2.3 支撐平臺完善提出的需求

現(xiàn)代電力通信支撐平臺需要將移動互聯(lián)網(wǎng)與語音交互、視頻交互、人機交互相結(jié)合，營造高效安全可靠的系統(tǒng)運行環(huán)境，為智能電網(wǎng)業(yè)務(wù)提供AI服務(wù)、計算引擎、數(shù)據(jù)、模型等基礎(chǔ)技術(shù)支撐，實現(xiàn)智能電網(wǎng)各應(yīng)用系統(tǒng)的橫向協(xié)調(diào)運行，并與其他應(yīng)用系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行，實現(xiàn)智能電網(wǎng)上下控制系統(tǒng)的縱向一體化運行。因此，現(xiàn)階段急需一套全新的支撐平臺體系結(jié)構(gòu)規(guī)范，包括計算引擎、人機交互服務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)、基礎(chǔ)服務(wù)、通信總線、資源管理等方面。

基于上述智能電網(wǎng)業(yè)務(wù)需求，需要設(shè)計5G電力通信無線通信資源管理系統(tǒng)整體架構(gòu)、功能藍(lán)圖，開發(fā)連接管理、終端管理、5G切片管理、臺賬稽查等功能，對接公共網(wǎng)絡(luò)運營商的能力開放平臺，實現(xiàn)對電力終端、業(yè)務(wù)、網(wǎng)絡(luò)等狀態(tài)信息的全程管控，支撐智能電網(wǎng)運營管控、客戶服務(wù)、調(diào)度運行、電網(wǎng)管理四大平臺的業(yè)務(wù)展示。

3 智能電網(wǎng)5G通信支撐平臺設(shè)計

5G技術(shù)定義了幾大使用場景：eMBB主要為廣域覆蓋和高密度用戶區(qū)域提供解決方案，eMBB可以為使用者提供大約1Gbps的用戶體驗速率和幾十Gbits的峰值速率；uRLLC可以賦予其使用者極低的時延以保證敏捷性，因此在車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、醫(yī)療技術(shù)等對時延要求低的場景有廣闊的前景；mMTC適用于海量設(shè)備連接的場景，該技術(shù)點是5G技術(shù)拓展出的新的運用場景，因此該技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)方面將會有很好的運用空間?，F(xiàn)在電力系統(tǒng)現(xiàn)存網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋸?fù)雜，技術(shù)多樣，但其現(xiàn)存業(yè)務(wù)大致可以劃分為設(shè)備控制類業(yè)務(wù)、現(xiàn)場信息采集類業(yè)務(wù)、移動終端應(yīng)用業(yè)務(wù)類，這些業(yè)務(wù)類別分別對應(yīng)5G技術(shù)的三大應(yīng)用場景。

因此以整體性的角度來分析整個智能電網(wǎng)、整體業(yè)務(wù)安全接入和電力系統(tǒng)運行時期的管控以進(jìn)行全方位的架構(gòu)設(shè)計。使用5G切片技術(shù)的智能電網(wǎng)的整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于5G和切片技術(shù)的智能電力互聯(lián)網(wǎng)整體架構(gòu)

3.1 支撐平臺網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

基于切片技術(shù)的支撐平臺網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)總體上包含三大部分，端到端切片管理系統(tǒng)、智能分析系統(tǒng)和基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)資源（接入網(wǎng)、承載網(wǎng)、核心網(wǎng)）?；谇衅夹g(shù)的支撐平臺網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于切片技術(shù)的支撐平臺網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

（1）切片管理系統(tǒng)：切片資源的分配問題主要在切片管理系統(tǒng)中解決。在國內(nèi)核心網(wǎng)的切片的研究有較為成熟的方案，如今核心網(wǎng)的切片管理問題主要集中在切片資源的分配上。

核心網(wǎng)通過使用虛擬機以一定的方式將虛擬化的網(wǎng)絡(luò)資源分配給切片內(nèi)的VNF，以達(dá)到資源分配合理的目的，從而使服務(wù)整體達(dá)到優(yōu)化。在5G通信業(yè)務(wù)建設(shè)的起步階段，以混合的方式使用eMBB服務(wù)和URLLC服務(wù)將會是一個典型的應(yīng)用場景，這將會為電力通信建設(shè)提供有效的解決方案。資源分配在核心網(wǎng)中的體現(xiàn)就是，通過用戶設(shè)定的一些參數(shù)然后為該用戶設(shè)定優(yōu)先級，接著根據(jù)該用戶被設(shè)定的優(yōu)先級為其劃分時頻資源。因為是eMBB業(yè)務(wù)和uRLLC業(yè)務(wù)共存的應(yīng)用場景，從整體性考慮該eMBB業(yè)務(wù)和uRLLC業(yè)務(wù)的特點和內(nèi)在需求，在核心網(wǎng)處采用時延吞吐量混合比例公平調(diào)度算法。uRLLC業(yè)務(wù)的特點是對時延較為敏感，因此這種場景下的優(yōu)先級表達(dá)式應(yīng)當(dāng)包含時延參數(shù)。eMBB業(yè)務(wù)的一個較大的特性是其對時延的敏感度水平較低，但eMBB業(yè)務(wù)有超高速率的需求。因此在該場景下，速率因子應(yīng)該被考慮到優(yōu)先級表達(dá)式中。由于用戶有QoS的需求，因此在調(diào)度優(yōu)先級的計算模型中應(yīng)要加入QoS參數(shù)。通過不同用戶給定的不同參數(shù)可以計算出用戶的優(yōu)先級，接著在優(yōu)先級列表中選取優(yōu)先等級最大的用戶作為被調(diào)度的對象。通過以上的調(diào)度方式對用戶進(jìn)行調(diào)度后用戶將會被分配到一定的資源，從而使得用戶能夠傳輸信息?；谡`碼率公式，可以提高uRLLC業(yè)務(wù)的可靠性，使得在資源分配過程中的誤碼率得以有效降低。在該分配方式中對所有的資源分配成兩部分：一部分作為公共資源，一部分作為保留資源，并把保留資源分配給uRLLC用戶作為使用，這種方式可以降低誤碼率。如果在資源分配的時候沒有uRLLC業(yè)務(wù)，則eMBB業(yè)務(wù)將會獲得保留資源以提高業(yè)務(wù)的可靠性[2]。在分配公共資源塊時，其主要依據(jù)是計算出來的優(yōu)先級，將會按照優(yōu)先級為被調(diào)度的用戶分配資源。在分配額外資源塊時，重點在于用戶信道條件。當(dāng)用戶信道條件較好時，無須為其分配額外的資源。要為某一用戶分配額外資源時，需要其信道狀況參數(shù)低于某一閾值。

與核心網(wǎng)不同的是，接入網(wǎng)的切片資源管理需要對計算資源和存儲資源進(jìn)行管理，除此之外還需要對虛擬的無線資源進(jìn)行管理。接入網(wǎng)切片與前傳網(wǎng)絡(luò)的寬帶資源分配密切相關(guān)。接入網(wǎng)中有RRU的存在，RUU的作用是用于對數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。這種方式一方面與無線頻譜的分配密切相關(guān)，因此在接入網(wǎng)切片中有無線資源管理的存在，但是在核心網(wǎng)切片中不涉及該問題；另一方面，通信數(shù)據(jù)有極大可能在RRU處進(jìn)行緩存，因此需要在接入網(wǎng)切片中對資源進(jìn)行緩存。上述幾點原因使得資源管理優(yōu)化問題變得更復(fù)雜。為了解決接入網(wǎng)的資源管理問題，采用基于成本和QoS的虛擬網(wǎng)絡(luò)資源分配方式來解決底層資源的優(yōu)化分配問題。首先對無線網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行虛擬化，然后結(jié)合成本、服務(wù)隔離和回程容量約束，建立組合非凸優(yōu)化模型。該模型采用迭代自適應(yīng)啟發(fā)式概率搜索算法理論，并采用模擬退火優(yōu)化算法（SAOA）求解上述模型[3]。

（2）智能分析系統(tǒng)：該系統(tǒng)需要對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并且需要對得到的分析結(jié)果進(jìn)行上報。策略中心內(nèi)置的處理方式面對不同的場景將會執(zhí)行不同的處理方式。在數(shù)據(jù)分析結(jié)果滿足策略中心中的內(nèi)置條件時，策略中心會向動作的執(zhí)行者發(fā)送操作請求用來更新管理對象，從而達(dá)到資源重新分配的目的[4]。在3GPPR16版本中引入了具有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析功能的網(wǎng)絡(luò)單元。根據(jù)用戶對網(wǎng)絡(luò)的用戶體驗數(shù)據(jù)進(jìn)行業(yè)務(wù)模型訓(xùn)練，從而可以得到切片業(yè)務(wù)中的業(yè)務(wù)體驗數(shù)據(jù)。至于業(yè)務(wù)體驗差是來源于核心網(wǎng)還是接入網(wǎng)，當(dāng)前業(yè)務(wù)模型并不能給出標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)前業(yè)務(wù)模型主要用來分析當(dāng)前業(yè)務(wù)和預(yù)測業(yè)務(wù)體驗。目前，變電站的巡檢業(yè)務(wù)中逐步采用智能化設(shè)備代替，以提升工作效率。因此針對這類需求，可以定制專用的網(wǎng)絡(luò)切片，并引入AI技術(shù)進(jìn)行分析以形成具有特定生產(chǎn)環(huán)境特征的巡檢模型。

（3）基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)層面的接入網(wǎng)、承載網(wǎng)和核心網(wǎng)：該層面屬于基礎(chǔ)設(shè)施資源。按照對資源的編排要求和需求的組合，為通信業(yè)務(wù)實現(xiàn)端對端的隔離網(wǎng)絡(luò)。

3.2 支撐平臺框架設(shè)計

電力通信支撐平臺總體上分為管理應(yīng)用、平臺、數(shù)據(jù)采集與控制、橫向接口四個層次?？傮w框架設(shè)計如圖3所示。

圖3 電力通信支撐平臺總體框架

（1）數(shù)據(jù)采集與控制層：可通過RestFul接口與運營商的網(wǎng)絡(luò)能力開放平臺對接，或直接通過應(yīng)用層協(xié)議從無線終端采集相關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)。同時，通過運營商能力開放平臺獲取終端所屬網(wǎng)絡(luò)切片狀態(tài)的信息。該平臺需要考慮與多個運營商網(wǎng)絡(luò)能力開放平臺對接，以保障接入不同運營商網(wǎng)絡(luò)的終端均可觀、可控。數(shù)據(jù)采集層通過消息總線向上提供靈活的數(shù)據(jù)交互能力。

（2）平臺層：通過API接口為上層應(yīng)用提供數(shù)據(jù)存儲、流量引擎、負(fù)載均衡等公共服務(wù)能力，實現(xiàn)基礎(chǔ)能力的統(tǒng)一封裝，通過在平臺層處理高并發(fā)場景以及提升平臺容災(zāi)能力能更加有效支撐上層應(yīng)用的運行。

（3）應(yīng)用層：主要包括終端管理、業(yè)務(wù)管理、切片管理、統(tǒng)計分析等應(yīng)用。平臺層通過API得以和應(yīng)用層解耦，應(yīng)用層向下通過API接口調(diào)用平臺層所封裝的功能，實現(xiàn)業(yè)務(wù)靈活快速上線，可以適應(yīng)需求變化較快的業(yè)務(wù)場景，對外通過Web等方式實現(xiàn)各類管理終端的遠(yuǎn)程接入。

（4）橫向接口層：提供格式統(tǒng)一的接口適配現(xiàn)有的電力業(yè)務(wù)系統(tǒng)，如系統(tǒng)運行、計量自動化、配網(wǎng)自動化等。接口層的應(yīng)用，可以進(jìn)一步保障系統(tǒng)的兼容性和擴展性，以適應(yīng)實際生產(chǎn)環(huán)境。

3.3 支撐平臺功能模塊

5G電力通信支撐平臺主要包括平臺首頁、無線通信卡、接入設(shè)備管理、工作臺、統(tǒng)計分析、5G切片管理、高級應(yīng)用、系統(tǒng)管理共8大功能部分。功能結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 5G電力通信支撐平臺功能結(jié)構(gòu)圖

（1）平臺首頁：針對采集到的運營商卡數(shù)量統(tǒng)計、卡業(yè)務(wù)類型數(shù)量、運營商域名、服務(wù)器監(jiān)控、單據(jù)代辦、終端告警、終端品牌、終端業(yè)務(wù)類型、在線率等海量數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理，以餅圖、條形圖、柱狀圖等呈現(xiàn)方式，讓數(shù)據(jù)可視化變得平易近人，變得簡單高效，變得靈活易實現(xiàn)[5]。同時平臺管控業(yè)務(wù)包含綜合、用電、配電、變電、輸電、發(fā)電等過程，接入5G+智能電網(wǎng)業(yè)務(wù)，形成點（發(fā)電廠、變電站）、線（輸電線路）、面（電網(wǎng)系統(tǒng)）多位一體全覆蓋的示范體系。

（2）無線通信卡管理：實現(xiàn)對公網(wǎng)上所有通信資源的基本管理，資源包括用以傳輸?shù)臒o線通信卡、有線寬帶以及eSIM卡，模塊對這些資源進(jìn)行記錄和對各個關(guān)鍵字段進(jìn)行統(tǒng)計分析[6]。其中，對無線通信卡進(jìn)行更細(xì)致的管控，包括管理其資費情況、流量使用情況、IP地址管理、域名管理等等。

（3）接入設(shè)備管理主要用于管理不同的接入設(shè)備，分為終端臺賬管理、新設(shè)備入網(wǎng)檢測以及性能監(jiān)視。

（4）工作臺：實現(xiàn)企業(yè)申請更換通信資源流程的基本管理，包括無線公網(wǎng)卡的申請、領(lǐng)取、更換、銷卡。

（5）統(tǒng)計分析：統(tǒng)計分析模塊主要實現(xiàn)終端信息的統(tǒng)計，告警統(tǒng)計分析以及流量分析。其中，告警統(tǒng)計模塊可以查詢到出現(xiàn)故障或者出現(xiàn)告警信息設(shè)備的統(tǒng)計情況，進(jìn)一步，可以查看這些設(shè)備的實時詳細(xì)信息?？髁糠治瞿K可以查詢到關(guān)于流量卡的統(tǒng)計分析報表相關(guān)情況，包括0流量卡統(tǒng)計、卡總數(shù)統(tǒng)計報表以及超流量統(tǒng)計報表。終端統(tǒng)計模塊可以查詢到不同區(qū)域、不同電網(wǎng)專業(yè)的終端數(shù)量，數(shù)據(jù)以圖表或者列表展示出來，可以進(jìn)一步了解終端的數(shù)量分布情況；同時，可以查詢到不同區(qū)域、不同電網(wǎng)專業(yè)的終端的在線情況；可以對在線率進(jìn)行區(qū)間劃分，查看在線率分布情況[7]。

（6）5G切片管理：5G切片管理功能實現(xiàn)了切片狀態(tài)查詢、業(yè)務(wù)申請、業(yè)務(wù)模型管理、切片管理、切片成員配置功能。

（7）高級應(yīng)用：高級應(yīng)用模塊主要對劃分出的區(qū)域及電力重要場景區(qū)域的終端的在線狀態(tài)/流量狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，重點場景/終端發(fā)生意外導(dǎo)致離線時，監(jiān)控模塊會根據(jù)故障情況給出警報等級，全部故障都有消息彈出及文字提示。當(dāng)發(fā)生緊急報警時，監(jiān)控模塊上的紅色警報燈亮；重大報警時，監(jiān)控模塊上的黃色警報燈亮；當(dāng)沒有報警時，監(jiān)控模塊上的綠色警報燈亮，以達(dá)到直觀的報警效果展現(xiàn)。

（8）系統(tǒng)管理：系統(tǒng)管理模塊可以實現(xiàn)對系統(tǒng)用戶的登錄和使用情況的監(jiān)控，查閱接口情況并進(jìn)行簡單的接口請求，檢查SQL執(zhí)行性能等。另外，系統(tǒng)管理模塊還可以查看和編輯系統(tǒng)各個模塊的菜單信息、系統(tǒng)用戶信息，以及控制不同角色的權(quán)限[8]。系統(tǒng)管理的主要功能項有：后臺登錄、系統(tǒng)監(jiān)控和系統(tǒng)管理，其中系統(tǒng)監(jiān)控包括：系統(tǒng)日志、接口API、系統(tǒng)監(jiān)控3個功能子項；系統(tǒng)管理包括：區(qū)域管理、用戶管理、角色管理、菜單管理4個功能子項。

5G電力通信支撐平臺功能列表如表1所示。

表1 5G電力通信支撐平臺功能列表

4 結(jié)語

電力行業(yè)運營內(nèi)容管理工作較為分散，阻礙了對用戶的有效分類和協(xié)同管理。本文首先分析智能電網(wǎng)業(yè)務(wù)需求，從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、總體框架、功能結(jié)構(gòu)等方面設(shè)計了基于5G智能電網(wǎng)通信支撐平臺，能滿足與前端、外部系統(tǒng)之間的交互對接，為南方電網(wǎng)有限公司服務(wù)運營提供有效支撐。平臺在開發(fā)和使用過程中，還需要不斷優(yōu)化調(diào)整，以便適應(yīng)智能電網(wǎng)發(fā)展。