智能電網(wǎng)5G網(wǎng)絡(luò)及切片應(yīng)用

1、智能電網(wǎng) 5G 網(wǎng)絡(luò)及切片應(yīng)用一、關(guān)鍵詞智能電網(wǎng)、5G、網(wǎng)絡(luò)切片四、測試床項目目標(biāo)和概述本測試床旨在提供一個可復(fù)制的使用 5G 網(wǎng)絡(luò)切片實現(xiàn)的智能配電解決方案。該方案應(yīng)用微型同步相量測量技術(shù)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(fù)荷系統(tǒng)、用電營銷系統(tǒng)、電動汽車接入）進(jìn)行采集、分析和協(xié)調(diào)控制，并和 5G 系統(tǒng)相結(jié)合，實現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)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(gòu)(一)測試床應(yīng)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(xí)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

2、電負(fù)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?qū)崿F(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(yán)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(dāng)前配電網(wǎng)絡(luò)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(wù)的完全隔離除了同步

3、相量測量、差動保護(hù)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(fù)荷側(cè)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(luò)切片技術(shù)，提供一個可復(fù)制的使用 5G 網(wǎng)絡(luò)切片實現(xiàn)的智能配電解決方案。(二)測試床重點技術(shù)針對當(dāng)前配電網(wǎng)絡(luò)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(shù)應(yīng)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(zhǔn)負(fù)荷控制。針對當(dāng)

4、前配電網(wǎng)絡(luò)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(shù)作為組網(wǎng)通信，構(gòu)建滿足運行狀態(tài)估計和主動協(xié)調(diào)控制等應(yīng)用需求的同步相量測量網(wǎng)絡(luò)。針對當(dāng)前配電網(wǎng)絡(luò)存在的“如何實現(xiàn)配電自動化和電網(wǎng)其他業(yè)務(wù)的完全隔離” 的挑戰(zhàn)， 本項目采用 5G 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)實現(xiàn)智能配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)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(wù)的完全隔離。(三)技術(shù)創(chuàng)新性及先進(jìn)性測試床創(chuàng)新點：智能配電網(wǎng)微型同步相量測量應(yīng)用技術(shù)5G 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在智能配電網(wǎng)中的驗證5G 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)實現(xiàn)智能配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)切片5G 模組應(yīng)用實現(xiàn)智能電網(wǎng)端到端的解

5、決方案(四)測試床解決方案架構(gòu)總體方案組網(wǎng)方案5GNetworkPMUPMUPMUServerConnectionSychronization Requirement5G 切片安全方案：切片間采用完全隔離。在業(yè)務(wù)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(luò)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(jìn)行切片，技術(shù)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(luò)切片，保障網(wǎng)絡(luò)安全。六、預(yù)期成果(一)測試床的預(yù)期測試結(jié)果，針對測試項驗證 5G 網(wǎng)絡(luò)在智能配網(wǎng)通信的可行性。驗證 5G 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)可以保證配電自動化和電網(wǎng)其他業(yè)務(wù)的完全隔離。(二)商業(yè)價值可復(fù)制的使用 5G 網(wǎng)

6、絡(luò)切片實現(xiàn)的智能配電解決方案，配電網(wǎng)故障檢測準(zhǔn)確率達(dá) 99% 以上，綜合故障測距精度達(dá)到 150m，無線廣域覆蓋范圍達(dá) 99%以上，測量裝置上線率達(dá)99%以上，高密度實時數(shù)據(jù)傳輸成功率達(dá) 99%以上，為 5G 系統(tǒng)方案進(jìn)入電力行業(yè)提供范式。(三)經(jīng)濟(jì)效益實現(xiàn)電網(wǎng)內(nèi)部多種業(yè)務(wù)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(yù)期 5G 網(wǎng)絡(luò)切片組網(wǎng)比傳統(tǒng) 3G/4G 無線專網(wǎng)建設(shè)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(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，推動行業(yè)制造技術(shù)進(jìn)步

7、。七、測試床技術(shù)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：信息采集： 接收、處理和解釋 PMU 報文通訊功能： 按照規(guī)約和協(xié)議與 PMU / PDC / 主站交換數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)發(fā)：根據(jù)設(shè)置向不同主站發(fā)送不同數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)存貯：保存實時數(shù)據(jù)和擾動數(shù)據(jù)；狀態(tài)自檢：檢查與 PMU 裝置通訊狀態(tài)；參數(shù)維護(hù)和修改：可以在當(dāng)?shù)睾椭髡驹O(shè)置和修改設(shè)置參數(shù)。2、通訊考核指標(biāo)：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(diào)，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

8、， 相量數(shù)據(jù)傳輸要求 100 次/s延時要求?。簩崟r控制、保護(hù)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(hù)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 WAMS(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(hù)設(shè)備之間的對等通信，以滿足快速保護(hù)和協(xié)調(diào)控制等要求。本方案中 5G 通信不通過PDC 中轉(zhuǎn)。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

9、 計算，變電站 8 條線路， 只是相量數(shù)據(jù)傳輸將達(dá)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(dá)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(luò)，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(dǎo)致通信質(zhì)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(yīng)用類型的典型通信傳輸需求參數(shù)離線（研究， 操作驗證，模型驗證）操作可視化（圖形顯示）操作報警狀態(tài)估計運行狀態(tài)估計實時控 制、保 護(hù)、運行狀態(tài)數(shù)據(jù)速率（最?。?5-50 幀/秒10 幀/秒10 幀/

10、秒1 幀/秒10-100 幀/秒10-100 幀/秒通信延遲（最大）無要求2 秒2 秒10 秒0.05-1 秒0.05-1 秒測量響應(yīng)時間中等，5- 300ms低，150- 500ms低，150- 500ms低，150- 500ms高，100- 1000ms高，20- 500ms4、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)傳輸速率要求傳輸數(shù)據(jù)速率（比特數(shù)每秒）10/s，整型25/s，整型50/s，整型100/s，整型1 個 PMU,10 個相量10080252005040010080010 個 PMU,6 個相量/PMU26080652001304002608

11、00100 個 PMU,12個相量/PMU39088097720019544003908800相量傳輸帶寬主要取決于通信速率和 PMU 數(shù)量，以及 PMU 內(nèi)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

12、播文件）。5、配電網(wǎng) PMU/PDC/主站等多方通信要求序號通信各方特點規(guī)約1PDC-主站毫秒級，大幀結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)量大GB/T 26865.2-2011 電力系統(tǒng)實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)第 2 部分： 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議TCP+UDP相量配置幀，頭幀，命令幀離線動態(tài)文件+離線暫態(tài)文件（COMTRADE 數(shù)據(jù)格式）2PMU-主站毫秒級，小幀結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)量中等3PMU-PDC毫秒級，小幀結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)量中等4PMU 和PMU、控制裝置之間PDC 之間事件傳輸（保護(hù)，合閘，控制）對等通信三、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

13、 接入主站W(wǎng)AMS 通信帶寬 2Mbps10Mbps ;通信延時小于 20ms ；支持業(yè)務(wù)重要程度按預(yù)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(jié)構(gòu)）和 UDP 組播通信方式。四、測試床網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(shè) 2-3 個 5G 基站，覆蓋上海電力學(xué)院附近區(qū)域。六

14、、測試床網(wǎng)絡(luò)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(luò)實現(xiàn)組網(wǎng)接入主站配網(wǎng) WAMS 系統(tǒng)。Relay1CPE FEPMU3CPE FERRU-48V以太網(wǎng)光纖PMU2BBU天線CPE FE饋線安全網(wǎng)關(guān)PDC基站側(cè)設(shè)備安裝示意圖PMU1CPEFE以太網(wǎng)七、測試床組網(wǎng)方案PMU13PMU5CPE PMU12 FE RRU-48VPMU11光纖BBU天線FE CPE安全網(wǎng)關(guān) PDC1以太網(wǎng)PDC1 VPN饋線主站基站側(cè)設(shè)備安裝示意圖PMU4CPEFE以太網(wǎng)(二)軟件平臺本驗證示范平臺的軟件平臺主要包括兩

15、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(yīng)于“智能電網(wǎng)技術(shù)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(yīng)用技術(shù)（共性關(guān)鍵技術(shù)類）”，包括具體技術(shù)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(fù)荷、用電營銷等系統(tǒng)的相關(guān)信息集成機制、多維數(shù)據(jù)分析方法與協(xié)調(diào)控制技術(shù)；5G 核心網(wǎng)平臺包括 5G 核心網(wǎng)軟件、虛擬化軟件、網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)等。八、和AII 技術(shù)的關(guān)系(一)與 AII 總體架構(gòu)的關(guān)系參考 AII 總體架構(gòu)設(shè)計，本驗證示范平臺對照符合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)泛在的

16、無線連接需求， 采用 5G 新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(biāo)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(yīng)用，管側(cè)安全重點聚焦“網(wǎng)絡(luò)專用、橫向隔離”，5G 網(wǎng)絡(luò)將重點關(guān)注網(wǎng)絡(luò)切片安全，以及網(wǎng)絡(luò)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(wù)提供差異化的隔離服務(wù)。5G 切片安全機制主要包含三個方面：UE 接入安全、網(wǎng)絡(luò)域安全，外網(wǎng)設(shè)備訪

17、問安全。UE 接入安全：通過接入策略控制來應(yīng)對訪問類的風(fēng)險，由 AMF 對 UE 進(jìn)行鑒權(quán)， 從而保證接入網(wǎng)絡(luò)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(quán)訪問。網(wǎng)絡(luò)域安全：網(wǎng)絡(luò)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(nèi)的 NF 間安全三種情況。外網(wǎng)設(shè)備訪問安全：在切片內(nèi) NF 與外網(wǎng)設(shè)備間，部署虛擬防火墻或物理防火墻， 保護(hù)切片內(nèi)網(wǎng)與外網(wǎng)的安全。如果在切片內(nèi)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(luò)安全能力開放，助力智能電

18、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(wù)提供方的安全能力開放，包括開放認(rèn)證與密鑰管理。也可以根據(jù)業(yè)務(wù)對于數(shù)據(jù)保護(hù)的安全需求，提供按需的用戶面保護(hù)。(三) 詳細(xì)清單（可選）驗證示范平臺中設(shè)計的組件：現(xiàn)場級：IT 網(wǎng)絡(luò)接入：智能網(wǎng)關(guān)/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)平臺層：主站 WAMS 廣域監(jiān)測系統(tǒng)、5G 核心網(wǎng)平臺(四)風(fēng)險模型（可選）本平臺面臨的風(fēng)險如下：設(shè)備層面，本平臺中使用的 PMU、PDC、5G 基站、5G 終端是最關(guān)鍵部件，如果受到內(nèi)外部攻擊或操作錯誤影響，會產(chǎn)生嚴(yán)重后果?？刂茖用?，本平

19、臺中，主站 WAMS 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(luò)，采用防火墻與其他網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相隔離。網(wǎng)絡(luò)層面，網(wǎng)絡(luò)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(fēng)險，如非授權(quán)訪問或?qū)υO(shè)備的網(wǎng)絡(luò)攻擊。應(yīng)用層面，主站 WAMS 廣域監(jiān)測系統(tǒng)存在安全風(fēng)險如非授權(quán)訪問等。(五)安全聯(lián)系人中興通訊股份有限公司林兆驥 HYPERLINK mailto:lin.zhaoji lin.zhaoji(六)與已存在 AII 測試床的關(guān)系A(chǔ)II 現(xiàn)沒有 5G 網(wǎng)

20、絡(luò)相關(guān)測試床，也沒有電力行業(yè)相關(guān)測試床。九、交付件本測試床交付件包括下列方面：驗證示范平臺技術(shù)框架方案、5G 網(wǎng)絡(luò)切片設(shè)計方案、5G 網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用實現(xiàn)智能電網(wǎng)端到端的 解決方案驗證示范平臺相關(guān)實體，如 5G 網(wǎng)絡(luò)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))等驗證示范平臺測試文檔、評估報告和可復(fù)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(quán)說明中興通訊股份有限公

21、司、國網(wǎng)上海市電力公司、中國移動通信集團(tuán)有限公司上海公司對本測試床的建設(shè)、運營以及使用擁有產(chǎn)權(quán)。本測試床相關(guān)的專利、軟件著作權(quán)等在測試建設(shè)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(shù)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(yīng)用技術(shù)（共性關(guān)鍵技術(shù)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(shù)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(shù)與裝備” 重點專項已有的財政資金參與建設(shè)，不需要另外籌集資金。十四、時間軸本驗證平臺建設(shè)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(shè)計、關(guān)鍵部件選型，并進(jìn)行 5G 網(wǎng)絡(luò)無線基站建設(shè)，覆蓋上海電力學(xué)院附近區(qū)域。2019 年 6 月實現(xiàn) 5G 網(wǎng)絡(luò)和 PMU、監(jiān)控主站的對接，完成通過 5G 網(wǎng)絡(luò)通道傳輸