胡光宇，張 影，孔為為，于 佳

（南瑞集團(tuán)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

與4G 網(wǎng)絡(luò)相比，5G 網(wǎng)絡(luò)利用軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）等虛擬化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算的行業(yè)定制服務(wù)，形成針對行業(yè)租戶的切片業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)，能夠滿足差異化的行業(yè)租戶需求［1-3］。電力行業(yè)存在多種業(yè)務(wù)場景，不同場景下技術(shù)指標(biāo)要求不同，若仍依靠傳統(tǒng)公共接入方式，不能合理地與5G 接入網(wǎng)絡(luò)適配，將無法為電網(wǎng)智能化運(yùn)營新模式提供技術(shù)保障［4-6］。

電力無線專網(wǎng)可以接入的電網(wǎng)業(yè)務(wù)主要分為電網(wǎng)控制類、信息采集類、移動(dòng)應(yīng)用類3 種，包括配電自動(dòng)化、用電信息采集、分布式電源、精準(zhǔn)負(fù)荷控制、視頻監(jiān)控、移動(dòng)作業(yè)等［7］。目前，業(yè)務(wù)最低時(shí)延要求為10 ms 級，單業(yè)務(wù)帶寬低于4 Mbit／s［8］。未來，隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)將成為電網(wǎng)的基本形態(tài)，迫切需要實(shí)現(xiàn)各類負(fù)荷的精準(zhǔn)控制，適應(yīng)以特高壓為骨干、各級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的新型電網(wǎng)模式；實(shí)現(xiàn)各級電網(wǎng)重要廊道的監(jiān)視、巡檢，引入可視化、實(shí)時(shí)化、精益化的新型作業(yè)方式；實(shí)現(xiàn)用戶雙向互動(dòng)、用電精細(xì)化管理，開展基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的新型業(yè)務(wù)模式［9-12］。目前，光纖配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)采用保護(hù)專用光纜，存在敷設(shè)費(fèi)用高、地下管溝資源不足等問題［13-14］。如與現(xiàn)有配電自動(dòng)化共用光纜，則存在保護(hù)兩端站點(diǎn)之間多次跳纖、造成可靠性降低等問題。

基于5G 網(wǎng)絡(luò)的低時(shí)延高可靠關(guān)鍵技術(shù)，提出了差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)在5G 環(huán)境下的應(yīng)用，滿足差動(dòng)保護(hù)對端到端通信通道10～12 ms 的時(shí)延要求。

1 5G 關(guān)鍵技術(shù)的研究

1.1 網(wǎng)絡(luò)切片

網(wǎng)絡(luò)虛擬化是在共享底層物理網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的基礎(chǔ)上，構(gòu)建彼此隔離的多重異構(gòu)虛擬網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)資源分配［15］。而面向電力物聯(lián)網(wǎng)的5G 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)正需要這種動(dòng)態(tài)自適應(yīng)的虛擬網(wǎng)絡(luò)映射，其映射是通過底層鏈路監(jiān)測各個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)的流量狀況，并根據(jù)其承載虛擬鏈路的擁塞級別和性能指標(biāo)等局部信息，周期性地重新為虛擬鏈路分配共享的底層帶寬資源，從而提高了底層網(wǎng)絡(luò)帶寬資源的利用效率。借鑒網(wǎng)絡(luò)虛擬化的優(yōu)勢，通過將復(fù)雜的實(shí)際泛在電力物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)映射成虛擬的網(wǎng)絡(luò)，便于對業(yè)務(wù)指標(biāo)進(jìn)行分析研究［16］。

1.2 邊緣計(jì)算

移動(dòng)邊緣計(jì)算 （Mobile Edge Computing，MEC）把電力物聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)兩者技術(shù)有效融合在一起，在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)側(cè)增加了計(jì)算、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理等功能［17］；構(gòu)建開放式平臺(tái)以植入應(yīng)用，并通過無線應(yīng)用程序編程接口 （Application Programming Interface，API） 開放移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)服務(wù)器之間的信息交互，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)進(jìn)行了深度融合，將傳統(tǒng)的無線基站升級為智能化基站；MEC 的部署策略是距離用戶越近，時(shí)延越低，可以有效降低時(shí)延。MEC 也可以實(shí)時(shí)獲取移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信息和更精準(zhǔn)的位置信息來提供更加精準(zhǔn)的位置服務(wù)。

1.3 毫秒級低時(shí)延技術(shù)

控制類業(yè)務(wù)是電力無線網(wǎng)絡(luò)中重要業(yè)務(wù)類型之一，對網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延、可靠性提出了嚴(yán)苛要求。無線網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)延主要包括空口時(shí)延、排隊(duì)時(shí)延、處理時(shí)延以及重傳時(shí)延等部分。

電力物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)對可靠性、低時(shí)延有很高的要求，無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)的主要標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP 也將其劃分為一個(gè)場景。針對網(wǎng)絡(luò)端到端通信過程中的各部分時(shí)延，為實(shí)現(xiàn)端到端毫秒級低延遲，需要在明確各時(shí)延的來源之后有針對性地進(jìn)行優(yōu)化。電力物聯(lián)網(wǎng)中支持超低時(shí)延業(yè)務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)，需要通過引入移動(dòng)邊緣計(jì)算、低時(shí)延切片等技術(shù)，研究核心側(cè)低時(shí)延網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)、移動(dòng)邊緣計(jì)算部署策略、接入側(cè)無線幀結(jié)構(gòu)的定制化設(shè)計(jì)、調(diào)度策略優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)電力物聯(lián)網(wǎng)端到端毫秒級超低時(shí)延。

2 MEC 關(guān)鍵技術(shù)研究

針對電力物聯(lián)網(wǎng)中對時(shí)延要求最高的業(yè)務(wù)，可采用部署移動(dòng)邊緣計(jì)算平臺(tái)的方式降低無線側(cè)至核心側(cè)傳輸及信令處理等時(shí)延。

在配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)場景中，海量的配電終端同時(shí)要求低時(shí)延的智能電網(wǎng)通信，必然離不開5G 網(wǎng)絡(luò)切片和邊緣計(jì)算等關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用?？紤]到配網(wǎng)終端受限的緩存和計(jì)算處理能力，可在業(yè)務(wù)分布區(qū)域內(nèi)部署邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，用于承載與低時(shí)延相關(guān)的控制、管理和數(shù)據(jù)功能。通過配置下沉至本地接入網(wǎng)的用戶面虛擬網(wǎng)關(guān)，配置具備部分核心網(wǎng)控制功能的虛擬全功能基站，為配網(wǎng)終端降低傳輸時(shí)延。本文按照MEC 平臺(tái)構(gòu)架設(shè)計(jì)、低時(shí)延業(yè)務(wù)的分流機(jī)制及MEC平臺(tái)接口分3 個(gè)步驟展開研究，構(gòu)建低時(shí)延、適配電力業(yè)務(wù)特征的移動(dòng)邊緣計(jì)算平臺(tái)。

2.1 MEC 平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

在MEC 平臺(tái)構(gòu)架設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)中，采用圖1 所示的移動(dòng)邊緣計(jì)算平臺(tái)架構(gòu)，在系統(tǒng)實(shí)體之間共有3組參考點(diǎn)，分別為：關(guān)于移動(dòng)邊緣平臺(tái)功能的參考點(diǎn)Mpi（i=1，2，3）、管理相關(guān)的參考點(diǎn)Mmj（j=1，2，…，9）以及連接外部實(shí)體的參考點(diǎn)Mxk（k=1，2）。

依據(jù)MEC 架構(gòu)，應(yīng)用數(shù)據(jù)通過電力物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)傳到移動(dòng)邊緣計(jì)算平臺(tái)，平臺(tái)底層利用GPRS 隧道協(xié)議（GPRS Tunelling Protocol，GTP）解析封裝及分流技術(shù)將數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確分流，其中需要核心層處理的數(shù)據(jù)通過核心網(wǎng)傳輸至Internet，而需要在移動(dòng)邊緣計(jì)算平臺(tái)本地處理的數(shù)據(jù)則通過數(shù)據(jù)平面開發(fā)套件向平臺(tái)上面的虛擬層和應(yīng)用層進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。平臺(tái)的虛擬層將移動(dòng)邊緣計(jì)算服務(wù)器的計(jì)算存儲(chǔ)等資源進(jìn)行抽象，并通過虛擬化管理分配給網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)榷喾N對時(shí)延以及可靠性有更高要求的相關(guān)服務(wù)業(yè)務(wù)，最終通過網(wǎng)絡(luò)邊緣服務(wù)連接到應(yīng)用層。應(yīng)用層由多個(gè)虛擬機(jī)組成，通過Mp1接口從虛擬層的各個(gè)服務(wù)中獲取相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，各個(gè)虛擬機(jī)中主要實(shí)現(xiàn)一些控制管理等功能。移動(dòng)邊緣計(jì)算平臺(tái)管理器與邊緣計(jì)算平臺(tái)通過Mm5接口相連，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫管理以及一些信息管理等，并連接至云端。云端接收到來自移動(dòng)邊緣計(jì)算服務(wù)器的數(shù)據(jù)后進(jìn)行控制決策，并可對邊緣計(jì)算平臺(tái)的各個(gè)上層應(yīng)用進(jìn)行算法更新。

圖1 MEC 平臺(tái)設(shè)計(jì)架構(gòu)

2.2 低時(shí)延業(yè)務(wù)的分流機(jī)制

圖2 GTP 解析封裝流程

針對低時(shí)延場景的MEC 業(yè)務(wù)分流機(jī)制，進(jìn)一步研究物理層的Mp1和Mm5接口功能設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)低時(shí)延業(yè)務(wù)生命周期管理、服務(wù)管理和傳輸控制等功能。ToF 分流實(shí)現(xiàn)將基站和核心網(wǎng)相關(guān)GTP 數(shù)據(jù)流進(jìn)行本地分流，部分?jǐn)?shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)到MEC 服務(wù)器進(jìn)行處理，部分?jǐn)?shù)據(jù)流按照原路徑轉(zhuǎn)發(fā)。要實(shí)現(xiàn)本地分流，首先需要進(jìn)行GTP 解析封裝，流程如圖2 所示。

1）將低時(shí)延業(yè)務(wù)的IP 數(shù)據(jù)流封裝成GTP 數(shù)據(jù)流，并轉(zhuǎn)發(fā)給核心網(wǎng)和基站；

2）實(shí)時(shí)接收并解析基站轉(zhuǎn)發(fā)的GTP 數(shù)據(jù)流，以IP 包的形式轉(zhuǎn)發(fā)給電力物聯(lián)網(wǎng)低時(shí)延業(yè)務(wù)應(yīng)用；

3）實(shí)時(shí)接收并解析核心網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)的GTP 數(shù)據(jù)流，以IP 包的形式轉(zhuǎn)發(fā)給電力物聯(lián)網(wǎng)低時(shí)延業(yè)務(wù)應(yīng)用。

2.3 MEC 平臺(tái)接口實(shí)現(xiàn)

平臺(tái)設(shè)置Mp1接口運(yùn)行在移動(dòng)邊緣主機(jī)上的基于虛擬機(jī)的移動(dòng)邊緣應(yīng)用（移動(dòng)邊緣APP／移動(dòng)邊緣APP 服務(wù)），提供了接入移動(dòng)邊緣平臺(tái)上的移動(dòng)邊緣服務(wù)的能力。該接口實(shí)現(xiàn)應(yīng)用運(yùn)行指示、應(yīng)用終止指示、應(yīng)用與管理連接建立、服務(wù)激活與失活、服務(wù)數(shù)據(jù)更新、服務(wù)發(fā)現(xiàn)、服務(wù)訂閱與取消訂閱以及傳輸規(guī)則控制等功能。MEC 平臺(tái)可提供的服務(wù)類型共有4種，其各自數(shù)據(jù)流如圖3 所示。

服務(wù)類型Ⅰ：移動(dòng)邊緣平臺(tái)主機(jī)產(chǎn)生服務(wù)數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)于平臺(tái)數(shù)據(jù)庫中，并提供平臺(tái)相關(guān)服務(wù)。

服務(wù)類型Ⅱ：移動(dòng)邊緣應(yīng)用虛擬機(jī)產(chǎn)生并存儲(chǔ)服務(wù)數(shù)據(jù)，通過移動(dòng)邊緣平臺(tái)發(fā)布。

圖3 4 種服務(wù)類型各自數(shù)據(jù)流

服務(wù)類型Ⅳ： 移動(dòng)邊緣應(yīng)用虛擬機(jī)產(chǎn)生服務(wù)數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)于移動(dòng)邊緣平臺(tái)數(shù)據(jù)庫中，由平臺(tái)提供相關(guān)服務(wù)。

在部署方面，根據(jù)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的不同業(yè)務(wù)需求，MEC 服務(wù)器需要在不同場景下具備與現(xiàn)有回傳網(wǎng)融合部署的能力。在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)部署MEC的策略有3 種。

邊緣級：MEC 部署于基站與回傳網(wǎng)絡(luò)之間，這種部署貼近基站，可以部署在站點(diǎn)機(jī)房，也可隨Cloud-BBU 池部署在無線接入機(jī)房。該部署方式下，MEC覆蓋基站個(gè)數(shù)較少，對傳輸?shù)挠绊戄^小，回傳鏈路時(shí)延最短。同時(shí)這種部署方式的覆蓋性能與當(dāng)前近端的傳輸相關(guān)性較大，需要綜合評估覆蓋需求與傳輸狀況。此種場景下，MEC 服務(wù)器多為L2 組網(wǎng)方式，需要具備繞過技術(shù)能力以保證系統(tǒng)異常時(shí)不中斷業(yè)務(wù)，保證傳輸?shù)蜁r(shí)延。

區(qū)域級：MEC 部署于匯聚環(huán)和接入環(huán)之間，此時(shí)需要將MEC 部署于兩環(huán)相接的傳輸設(shè)備接口，并將需要進(jìn)行分流的基站流量疏導(dǎo)經(jīng)過MEC。在這種場景下MEC 覆蓋面積可以是一個(gè)或者多個(gè)接入環(huán)上的基站，并且可以針對環(huán)上不同的基站選擇性進(jìn)行分流。這種方式覆蓋面積較大，時(shí)延也比較低。但是需要針對待分流基站在傳輸設(shè)備上配置或者更新虛擬路由轉(zhuǎn)發(fā) （Virtual Routing Forwarding，VRF）關(guān)系。這種場景比較適合區(qū)域面積相對較大的場景。

地區(qū)級：當(dāng)MEC 部署于匯聚核心層時(shí)，這種覆蓋方式主要針對大面積分流業(yè)務(wù)，或者待覆蓋范圍存在接入環(huán)孤島的情況。這種部署方式時(shí)延比其他兩種方式大，但是能夠解決跨地域傳輸覆蓋的問題。這種方式主要部署的業(yè)務(wù)為行業(yè)性業(yè)務(wù)或公眾性業(yè)務(wù)，同時(shí)也有利于核心側(cè)的網(wǎng)絡(luò)能力的開放。此種場景下，MEC 服務(wù)器多為L3 組網(wǎng)方式，需要修改對接網(wǎng)元的傳輸配置，確保消息能夠發(fā)送到MEC 服務(wù)器，當(dāng)MEC 服務(wù)器不可達(dá)時(shí)改選其他傳輸路徑。

3 5G 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)在電力業(yè)務(wù)中的應(yīng)用

3.1 電力無線專網(wǎng)承載業(yè)務(wù)特點(diǎn)

目前，電力無線專網(wǎng)承載主要承載電網(wǎng)控制、信息采集、視頻帶寬類和移動(dòng)應(yīng)用4 大類電力業(yè)務(wù)，具體包括：配電自動(dòng)化、用電信息采集、分布式電源、精準(zhǔn)負(fù)荷控制、視頻監(jiān)控、移動(dòng)作業(yè)等。總體而言，當(dāng)前各類電力業(yè)務(wù)最低時(shí)延要求為10 ms 級，單業(yè)務(wù)帶寬低于4 Mbit／s。未來，隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，為適應(yīng)以特高壓為骨干、各級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的新型電網(wǎng)模式，“泛在物聯(lián)” 將成為電網(wǎng)的基本形態(tài)，迫切需要：建設(shè)實(shí)時(shí)、高效、安全可靠的通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)各類負(fù)荷的精準(zhǔn)控制；引入可視化、實(shí)時(shí)化、精益化的新型作業(yè)方式，實(shí)現(xiàn)各級電網(wǎng)重要廊道的監(jiān)視、巡檢；創(chuàng)新基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的新型業(yè)務(wù)模式，實(shí)現(xiàn)用戶雙向互動(dòng)、用電精細(xì)化管理。因此，未來電力系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)及寬帶業(yè)務(wù)將大量并存，并呈現(xiàn)出海量高密度終端接入、低時(shí)延、高可靠、高安全等特征，終端并發(fā)數(shù)量將達(dá)到10 萬級，時(shí)延需求為毫秒級，可靠性要求99.999%，對電力無線專網(wǎng)的業(yè)務(wù)承載能力提出了更高的要求。

經(jīng)過十多年的發(fā)展，金山第二工業(yè)區(qū)已經(jīng)形成新型表面活性劑、功能性涂料、合成新材料、生物醫(yī)藥、化工物流五大產(chǎn)業(yè)集群，并產(chǎn)生了巴斯夫、三井、朗盛、亨斯邁、東曹、科萊恩等一批具有代表性的龍頭企業(yè)，成為上海重要的化工園區(qū)。

3.2 5G 與多種電力業(yè)務(wù)應(yīng)用場景的適配模型

綜合考慮各類電力業(yè)務(wù)的帶寬、實(shí)時(shí)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：eMBB 傾向型、uRLLC 傾向型、mMTC 傾向型3 類。針對差動(dòng)保護(hù)、配電自動(dòng)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(shí)物ID、智能巡檢、視頻監(jiān)控8 種典型業(yè)務(wù)，形成適配模型如圖4 所示。

3.3 5G 電力網(wǎng)絡(luò)切片定制化方案

基于5G 網(wǎng)絡(luò)切片的軟件定義無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，主要分為3 層：底層網(wǎng)絡(luò)為物理基礎(chǔ)設(shè)施層，是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)際載體；中間層為虛擬化后的網(wǎng)絡(luò)資源，為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行提供了整體的虛擬資源池，實(shí)現(xiàn)了資源集中管理和高效分配；上層為用戶面向的實(shí)際業(yè)務(wù)層，不同類型的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)將會(huì)形成不同的網(wǎng)絡(luò)切片。各層功能的實(shí)現(xiàn)以及各層間進(jìn)行相互交互都需要通過SDN 控制器進(jìn)行管理和控制。

圖4 5G 與電力多種業(yè)務(wù)應(yīng)用場景的適配模型

圖5 基于5G 網(wǎng)絡(luò)切片的軟件定義無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

為了更好地實(shí)現(xiàn)軟件定義網(wǎng)絡(luò) （Software Defined Network，SDN） 控制器對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的有效控制和對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確轉(zhuǎn)發(fā)，參考Openflow 協(xié)議，在無線接入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)基站和基帶處理單元中引入了切片表，具體如圖6 所示。一方面，切片表可以對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行有效分流切片；另一方面，切片表中還包含各種網(wǎng)絡(luò)參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)的快速配置。并且，SDN 控制器將通過切片消息來實(shí)現(xiàn)對切片表進(jìn)行一系列操作。

圖6 基于SDN 控制器的網(wǎng)絡(luò)切片

5G 電力網(wǎng)絡(luò)切片動(dòng)態(tài)調(diào)配系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7 所示，該系統(tǒng)由信息收集模塊、虛擬化模塊、資源管理模塊、切片網(wǎng)絡(luò)管理模塊、SDN 控制器組成。其中，信息收集模塊將在物理基礎(chǔ)設(shè)施層中進(jìn)行運(yùn)行；虛擬化模塊將實(shí)現(xiàn)底層網(wǎng)絡(luò)與虛擬資源池的有效映射；資源管理模塊將對虛擬資源進(jìn)行有效的調(diào)度和管理；切片網(wǎng)絡(luò)管理模塊將對最后的切片網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理維護(hù)；SDN 控制器將實(shí)現(xiàn)對各個(gè)功能模塊的集中控制和協(xié)調(diào)管理。

圖7 5G 電力網(wǎng)絡(luò)切片動(dòng)態(tài)調(diào)配系統(tǒng)

4 基于5G 的配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)的應(yīng)用

4.1 配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)的特征

隨著堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)和泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的深入建設(shè)，配網(wǎng)的可靠性受到越來越多的重視。保護(hù)業(yè)務(wù)從高電壓等級向低電壓等級延伸。配網(wǎng)線路覆蓋范圍廣、線路長度長，保護(hù)采用分散式就地化布置，但是保護(hù)在線率普遍不高，通常采用接入DTU 上傳信號(hào)的方式，沒有專門的保護(hù)通道，要實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)差動(dòng)功能通常采用光纖復(fù)用的形式。但采用光纖復(fù)用存在幾個(gè)問題，一是光纖通道通常按照自動(dòng)化要求布置，在環(huán)網(wǎng)站間相互串聯(lián)形成回路，難以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)的直連，導(dǎo)致延遲無法把握；二是若完全采用專用光纖通信方式價(jià)格高、施工困難，甚至有些區(qū)域根本無法施工。采用無線網(wǎng)絡(luò)更經(jīng)濟(jì)、簡便，但是由于4G 無線網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)、抖動(dòng)等性能都無法滿足差動(dòng)保護(hù)通道延時(shí)的要求，通信問題成了實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)功能的瓶頸。隨著5G 網(wǎng)絡(luò)的商用，5G 網(wǎng)絡(luò)的低時(shí)延、高可靠的特性成了解決實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)的重要可行手段，而MEC 利用核心網(wǎng)下沉、數(shù)據(jù)分流、邊緣計(jì)算等技術(shù)，是5G 低延時(shí)、高可靠性能的重要技術(shù)支撐。

差動(dòng)保護(hù)跟蹤區(qū)（Tracking Area，TA），線路兩端處的終端通信采用基于HDLC 的私有協(xié)議，點(diǎn)對點(diǎn)光纖通信。保護(hù)信號(hào)通過通信網(wǎng)絡(luò)上傳主站，光纖通信。電流差動(dòng)保護(hù)，利用被保護(hù)線路兩端電流波形或電流相量之間的特征差異構(gòu)成保護(hù)。線路兩端差流，在被保護(hù)線路內(nèi)部短路時(shí)與系統(tǒng)正常運(yùn)行以及外部發(fā)生短路時(shí)相比，具有明顯的差異，保護(hù)具有絕對的選擇性，能夠無時(shí)限切除被保護(hù)線路內(nèi)部故障。終端布置與通信網(wǎng)絡(luò)如圖8 所示。

圖8 終端布置及通信網(wǎng)絡(luò)

差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)的通信速率為2 048 kbit／s，收信路由與發(fā)信路由延時(shí)一致，抖動(dòng)＜20 μs，收發(fā)信延時(shí)不大于12 ms，每個(gè)終端向?qū)?cè)發(fā)送私有報(bào)文，每幀報(bào)文長度按512 B 計(jì)算。

4.2 配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)的應(yīng)用

配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)是利用被保護(hù)線路兩端電流波形或電流相量之間的特征差異構(gòu)成保護(hù)。線路兩端差流，在被保護(hù)線路內(nèi)部短路時(shí)與系統(tǒng)正常運(yùn)行以及外部發(fā)生短路時(shí)相比，具有明顯的差異，保護(hù)具有絕對的選擇性，能夠無時(shí)限切除被保護(hù)線路內(nèi)部故障。業(yè)務(wù)部署如圖9 所示。

圖9 差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)部署

4.2.1 MEC 部署方式

目前MEC 設(shè)備的主要采購方是運(yùn)營商，運(yùn)營商根據(jù)業(yè)務(wù)需求可將MEC 部署在基站到核心網(wǎng)之間的任何地方，承擔(dān)的功能主要有本地?cái)?shù)據(jù)分流，數(shù)據(jù)可以不經(jīng)過運(yùn)營商的核心網(wǎng)，而在基站側(cè)通過MEC直接卸載進(jìn)入用戶專網(wǎng)，代替用戶的本地接入網(wǎng)同時(shí)保證數(shù)據(jù)的安全性；邊緣計(jì)算，主要是將一個(gè)或多個(gè)基站下終端采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并分析處理，并將處理結(jié)果直接返回給終端設(shè)備進(jìn)行下一次操作，從而滿足高可靠、低時(shí)延業(yè)務(wù)的傳遞；最后是業(yè)務(wù)優(yōu)化，主要是視頻業(yè)務(wù)的優(yōu)化，本質(zhì)上是內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步下沉。

4.2.2 業(yè)務(wù)承載方案

無須申請專屬頻率資源，通過與電信運(yùn)營商共建共享、資源置換方式，共同使用電信運(yùn)營商的頻譜與基站。電力公司和電信運(yùn)營商分別通過各自傳輸網(wǎng)絡(luò)將基站接入，并實(shí)現(xiàn)電力5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)及應(yīng)用。MEC 平臺(tái)部署在靠近配電站／變電站的邊緣位置，通過業(yè)務(wù)在網(wǎng)絡(luò)邊緣的本地處理，以及應(yīng)用、內(nèi)容與網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同，除了提供可保障的低時(shí)延，顯著提高用戶體驗(yàn)和數(shù)據(jù)安全性。該模式在一定程度上接近公網(wǎng)5G 的SA 模式。

以電信運(yùn)營商已有的網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，不再自建5G核心網(wǎng)，在公司機(jī)房服務(wù)器上獨(dú)立部署多接入邊緣計(jì)算（MEC）功能模塊，可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理等功能，電信運(yùn)營商通過網(wǎng)絡(luò)切片和分權(quán)分域的方式，實(shí)現(xiàn)對公司切片內(nèi)用戶管理、維護(hù)等功能，類似于虛擬核心網(wǎng)。通過公司傳輸網(wǎng)與電信運(yùn)營商基站相連，實(shí)現(xiàn)對公司切片內(nèi)5G 網(wǎng)絡(luò)的管理、監(jiān)控及應(yīng)用。

電信運(yùn)營商出資建設(shè)基站，電力公司負(fù)責(zé)提供站址資源和電源，建成后向電信運(yùn)營商租用頻率資源和切片服務(wù)，支撐電力業(yè)務(wù)運(yùn)行；同時(shí)電信運(yùn)營商租用電力公司站址資源，建成的網(wǎng)絡(luò)除滿足電力業(yè)務(wù)應(yīng)用外，還可為公眾提供5G 服務(wù)。

該模式下，通過與電信運(yùn)營商共建共享的方式，共同使用頻譜和基站資源（頻譜相互隔離）?；貍鞣矫?，雙方使用各自的傳輸網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)回傳，確保業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的隔離。電信運(yùn)營商通過光纜接入就近機(jī)房，直接將基站接入電力公司傳輸網(wǎng)，與自建的多接入邊緣計(jì)算（MEC）功能模塊聯(lián)通。

5 結(jié)語

研究了5G 網(wǎng)絡(luò)的低時(shí)延高可靠關(guān)鍵技術(shù)，并且基于5G 的網(wǎng)絡(luò)切片、邊緣計(jì)算、靈活回傳以及低時(shí)延技術(shù)等技術(shù)，對差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)進(jìn)行了研究，并設(shè)計(jì)了一套能夠應(yīng)用于配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)場景下的移動(dòng)邊緣計(jì)算平臺(tái)，使信息流無須回傳至5G 核心網(wǎng)、在網(wǎng)絡(luò)的邊緣就能完成信息的交互與傳輸，滿足配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)對端到端通信通道10～12 ms 的時(shí)延要求，取代光纖通信進(jìn)行配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)裝置之間實(shí)時(shí)通信，為泛在電力物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)低時(shí)延、高可靠應(yīng)用場景提供解決方案，研究成果也可推廣到高可靠、低時(shí)延其他場景應(yīng)用。