賈濱誠(chéng),祁 鑫,趙樹法,劉思琪,楊懂懂
(國(guó)網(wǎng)新鄉(xiāng)供電公司,河南 新鄉(xiāng) 453000)
隨著電網(wǎng)數(shù)字化、信息化程度的不斷提高,5G通信技術(shù)逐漸應(yīng)用于發(fā)電、輸電、變電、配電、用電各個(gè)環(huán)節(jié),電力設(shè)備也與5G 通信技術(shù)深度發(fā)展融合,越來(lái)越多的設(shè)備具備了5G 網(wǎng)絡(luò)的接入能力,對(duì)于電力虛擬專網(wǎng)的業(yè)務(wù)傳輸需求也逐年呈現(xiàn)多樣化的趨勢(shì)。2022年12月5G確定性網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟全員大會(huì)發(fā)布《5G電力虛擬專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)安全白皮書》,對(duì)5G電力虛擬專網(wǎng)提供了安全性的指導(dǎo)準(zhǔn)則,進(jìn)一步推動(dòng)5G電力虛擬專網(wǎng)在更廣范圍、更多環(huán)節(jié)的落地實(shí)施[1]。
采用虛擬專網(wǎng)傳輸?shù)碾娏νㄐ艠I(yè)務(wù)主要包括生產(chǎn)控制類業(yè)務(wù)與管理信息類業(yè)務(wù),生產(chǎn)控制類業(yè)務(wù)是指包括配電自動(dòng)化、精確負(fù)荷控制、分布式能源調(diào)控等對(duì)于電力設(shè)備直接進(jìn)行控制的電力業(yè)務(wù);管理信息類業(yè)務(wù)包含設(shè)備運(yùn)行信息、工業(yè)視頻監(jiān)控等對(duì)電力設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)管理的業(yè)務(wù)。相較于其他行業(yè)通信業(yè)務(wù),電力通信業(yè)務(wù)由于行業(yè)特點(diǎn)對(duì)時(shí)延、可靠性、信息安全等方面具有較高的要求,原有4G 通信技術(shù)只能滿足部分管理信息類、采集類業(yè)務(wù)對(duì)傳輸指標(biāo)的需求,多數(shù)電力業(yè)務(wù)仍采用有線通信進(jìn)行傳輸。2020年工信部發(fā)布《關(guān)于推動(dòng)5G加快發(fā)展的通知》,提出加快5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)部署與建設(shè)進(jìn)度,組織開展5G 行業(yè)虛擬專網(wǎng)研究和試點(diǎn),5G 電力虛擬專網(wǎng)隨之應(yīng)運(yùn)而生[2]。5G 電力虛擬專網(wǎng)是指采用5G獨(dú)立組網(wǎng)模式[3],借助5G網(wǎng)絡(luò)獨(dú)有的硬切片技術(shù)手段,在運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)電力業(yè)務(wù)與其他業(yè)務(wù)有效隔離,進(jìn)而形成電力專用的網(wǎng)絡(luò)通道進(jìn)行相關(guān)業(yè)務(wù)的傳輸,相較于4G通信技術(shù)具備大帶寬、低時(shí)延、高安全性等優(yōu)勢(shì),成為傳輸電力生產(chǎn)控制類業(yè)務(wù)與新型電網(wǎng)數(shù)字化業(yè)務(wù)的先決條件[4-5]。
近年來(lái),對(duì)于5G及行業(yè)虛擬專網(wǎng)的研究應(yīng)用一直是業(yè)內(nèi)關(guān)注的重點(diǎn),5G在電力行業(yè)的研究集中于5G 傳輸?shù)目煽啃约鞍踩?,提出了跨層混合監(jiān)測(cè)、網(wǎng)絡(luò)地址管理和雙端協(xié)同通道切換等提高5G 傳輸電力業(yè)務(wù)的可靠性及安全性的舉措[6]。同時(shí),針對(duì)電力虛擬專網(wǎng)的組網(wǎng)架構(gòu)也開展了大量研究,結(jié)合電力行業(yè)對(duì)于信息安全防護(hù)要求較高的行業(yè)特點(diǎn),細(xì)化安全接入及網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)功能,有效降低了電力業(yè)務(wù)在虛擬專網(wǎng)中傳輸信息泄露的風(fēng)險(xiǎn)[7-8]。
目前,5G 電力虛擬專網(wǎng)已有大量試點(diǎn),本文結(jié)合典型業(yè)務(wù)提出5G 電力虛擬專網(wǎng)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)以及業(yè)務(wù)傳輸模式,并對(duì)其在電網(wǎng)中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析,之后結(jié)合當(dāng)前現(xiàn)狀,對(duì)5G 電力虛擬專網(wǎng)推廣應(yīng)用所面臨的問(wèn)題與挑戰(zhàn)進(jìn)行分析。
依據(jù)5G 電力虛擬專網(wǎng)在電網(wǎng)監(jiān)測(cè)與調(diào)控系統(tǒng)各部分作用的差異,將整個(gè)系統(tǒng)根據(jù)功能分為電網(wǎng)主站部分、傳輸通道部分與場(chǎng)站接入部分。
5G 電力虛擬專網(wǎng)的電網(wǎng)主站部分部署于地市級(jí)電網(wǎng)公司,通過(guò)安全接入?yún)^(qū)將數(shù)據(jù)上送至D5000系統(tǒng)或配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)等上級(jí)業(yè)務(wù)系統(tǒng),用戶面功能核心網(wǎng)元(User Plane Function,UPF)下沉至地市電力公司機(jī)房,打通與上級(jí)業(yè)務(wù)系統(tǒng)傳輸通道,保障業(yè)務(wù)通過(guò)5G 電力虛擬專網(wǎng)分發(fā)至目標(biāo)用戶。UPF信令與運(yùn)營(yíng)商5G核心網(wǎng)進(jìn)行交互,運(yùn)營(yíng)商通過(guò)核心網(wǎng)會(huì)話管理功能模塊(Session Management Function,SMF)對(duì)下沉至電力機(jī)房的UPF 進(jìn)行控制。同時(shí)上級(jí)業(yè)務(wù)系統(tǒng)應(yīng)具備對(duì)于5G 虛擬專網(wǎng)通道的監(jiān)控功能,若出現(xiàn)業(yè)務(wù)信息下發(fā)超時(shí)或信息上送超期等通道異常現(xiàn)象可及時(shí)告警。安全接入?yún)^(qū)是5G 電力虛擬專網(wǎng)與電力信息內(nèi)網(wǎng)之間的接入裝置,提供端到端加密以及網(wǎng)絡(luò)隔離等服務(wù)。應(yīng)用層建立安全接入?yún)^(qū)至5G 電力終端的加密虛擬專用網(wǎng)絡(luò)(Virtual Private Network,VPN)隧道,提供應(yīng)用至應(yīng)用的傳輸防護(hù);網(wǎng)絡(luò)層采用IPsec 防護(hù),以安全接入?yún)^(qū)下行出口為起點(diǎn),5G 電力終端接入網(wǎng)關(guān)為終點(diǎn),建立加密IP 隧道,加密隧道通常采用加密嵌套字協(xié)議。安全接入?yún)^(qū)同時(shí)阻斷移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商公網(wǎng)與電力信息內(nèi)網(wǎng)的連接,實(shí)現(xiàn)透明傳輸?shù)耐瑫r(shí)確?!皵?shù)據(jù)不出圈”,即數(shù)據(jù)連接只存在于5G電力通信終端與電力信息內(nèi)網(wǎng)之間[9],系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1 所示。
圖1 5G電力虛擬專網(wǎng)組網(wǎng)架構(gòu)Fig.1 5G Power virtual private network architecture
針對(duì)電網(wǎng)監(jiān)測(cè)和調(diào)控業(yè)務(wù)特點(diǎn),將業(yè)務(wù)劃分為電力控制類業(yè)務(wù)與管理信息類業(yè)務(wù),傳輸通道依據(jù)“安全分區(qū)、網(wǎng)絡(luò)專用、橫向隔離、縱向加密”的安全防護(hù)方針,電力控制類業(yè)務(wù)采用5G硬切片方式進(jìn)行傳輸,保證電力數(shù)據(jù)的安全可靠;管理信息類業(yè)務(wù)可采用5G軟切片方案進(jìn)行傳輸,以降低整體建設(shè)成本[10-11]??湛趥?cè)針對(duì)電網(wǎng)監(jiān)測(cè)和調(diào)控業(yè)務(wù),5G 電力虛擬專網(wǎng)采用資源塊(Resource Block,RB)預(yù)留方式,最小RB 資源預(yù)留量即可滿足電力控制類所需傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)量,并且符合物理隔離的安全防護(hù)要求。承載網(wǎng)采用靈活以太網(wǎng)(Flex Ethernet,F(xiàn)lexE)進(jìn)行傳輸,按照臺(tái)區(qū)或站點(diǎn)進(jìn)行建設(shè)覆蓋,每個(gè)臺(tái)區(qū)或站點(diǎn)采用同1 家移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的同1 個(gè)5G 硬切片。核心網(wǎng)側(cè)除部署于電力機(jī)房的UPF外,根據(jù)具體業(yè)務(wù)需求,針對(duì)低時(shí)延、高可靠性業(yè)務(wù)可追加部署邊緣計(jì)算(Mobile Edge Computing,MEC)服務(wù)器,其余核心網(wǎng)元采用移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商公共5G資源[12]。
用戶接入部分新增終端應(yīng)采用具備5G 通信模組的電力終端設(shè)備,采用工業(yè)級(jí)物聯(lián)網(wǎng)eSIM卡與移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商公網(wǎng)互聯(lián)。存量終端可采用外置5G 通信模塊,配置eSIM 卡與5G 虛擬專網(wǎng)進(jìn)行上聯(lián)。對(duì)于場(chǎng)站整站接入或智能電能表集群接入的情況,可部署用戶側(cè)前置設(shè)備(Customer Premise Equipment,CPE)進(jìn)行匯聚,之后與核心網(wǎng)進(jìn)行互聯(lián),減少接入點(diǎn)數(shù)量,降低基站接入壓力。
考慮到5G 電力虛擬專網(wǎng)的安全性以及高電壓等級(jí)場(chǎng)站均已部署電力通信光網(wǎng)絡(luò),主要應(yīng)用集中于低電壓等級(jí)、低安全接入要求的場(chǎng)景,包括分布式電源調(diào)控、配電網(wǎng)自動(dòng)化等。
1.2.1 配電網(wǎng)自動(dòng)化業(yè)務(wù)
配電網(wǎng)自動(dòng)化作為智能配電網(wǎng)的重要組成部分,傳統(tǒng)配電設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸依賴有線傳輸方式,但由于配電設(shè)備分布廣泛,敷設(shè)光纖成本較高,同時(shí)現(xiàn)有10 kV 配電線路較為老舊,大多未同步架設(shè)光纜,因此通信通道成為配電網(wǎng)自動(dòng)化業(yè)務(wù)發(fā)展的瓶頸?;?G高可靠性、低時(shí)延、高并發(fā)連接等特性,充分解決有線通信難以完成站點(diǎn)全覆蓋的問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)站所終端配電自動(dòng)化[13]。
當(dāng)前配電網(wǎng)自動(dòng)化“三遙”業(yè)務(wù)大多通過(guò)光纖將相關(guān)業(yè)務(wù)上聯(lián)至變電站,在變電站對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行匯聚,通過(guò)電力通信網(wǎng)將配電網(wǎng)自動(dòng)化業(yè)務(wù)傳輸至配電網(wǎng)自動(dòng)化機(jī)房,如圖2所示。若采用5G虛擬專網(wǎng)進(jìn)行相關(guān)業(yè)務(wù)的傳輸,配電自動(dòng)化數(shù)據(jù)傳輸單元(Data Transfer Unit,DTU)采集一次設(shè)備信息后,通過(guò)通信終端將業(yè)務(wù)信息以無(wú)線的形式傳送至運(yùn)營(yíng)商基站,空口側(cè)通過(guò)RB 預(yù)留保證業(yè)務(wù)的傳輸安全性及可靠性;運(yùn)營(yíng)商5G承載網(wǎng)及核心網(wǎng)元將配電網(wǎng)自動(dòng)化業(yè)務(wù)傳輸至電力控制類業(yè)務(wù)專用UPF;通過(guò)安全接入?yún)^(qū)與配電網(wǎng)自動(dòng)化主站互聯(lián)。其中,配電網(wǎng)自動(dòng)化數(shù)據(jù)傳輸單元、遠(yuǎn)程測(cè)控終端(RTU)等業(yè)務(wù)終端實(shí)現(xiàn)“三遙”業(yè)務(wù)上傳以及分合閘等控制類指令的下發(fā),為了提高業(yè)務(wù)傳輸?shù)陌踩?,配電網(wǎng)自動(dòng)化業(yè)務(wù)終端與通信終端建議采用一體化設(shè)計(jì)以避免設(shè)備冒用風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)配電自動(dòng)化場(chǎng)站應(yīng)配置縱向加密裝置或微型縱向加密機(jī),以保障控制類業(yè)務(wù)的傳輸安全。
圖2 5G電力虛擬專網(wǎng)在配電自動(dòng)化中的應(yīng)用Fig.2 Application of 5G power virtual private network in distribution automation
技術(shù)性能方面,5G電力虛擬專網(wǎng)傳輸配網(wǎng)自動(dòng)化業(yè)務(wù)傳輸帶寬應(yīng)大于10 Mbit/s,端到端傳輸時(shí)延小于200 ms,業(yè)務(wù)系統(tǒng)可靠性達(dá)到99.99%,同時(shí)考慮配電網(wǎng)自動(dòng)化業(yè)務(wù)終端密度,城區(qū)范圍內(nèi)需結(jié)合移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商基站RB 資源預(yù)留情況,合理分配終端接入的基站。同時(shí)配電網(wǎng)自動(dòng)化業(yè)務(wù)屬于生產(chǎn)控制大區(qū)業(yè)務(wù),需保證與管理信息大區(qū)業(yè)務(wù)完全隔離。
1.2.2 配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)
傳統(tǒng)配電網(wǎng)保護(hù)通常采用過(guò)流或過(guò)負(fù)荷保護(hù),此類保護(hù)對(duì)于接地故障靈敏性有限;同時(shí)由于配電網(wǎng)線路作為電網(wǎng)末端,分支眾多,組網(wǎng)復(fù)雜,傳統(tǒng)光纖覆蓋難度大,導(dǎo)致對(duì)于接地故障最為靈敏的光纖差動(dòng)保護(hù)難以應(yīng)用,而4G、寬帶電力線載波(HPLC)等通信方式可靠性、安全性得不到充分保證,無(wú)法承載差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)[13-14]。5G電力虛擬專網(wǎng)的應(yīng)用很好地解決了這一問(wèn)題,配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)裝置與5G CPE 設(shè)備通過(guò)有線連接或采用一體化設(shè)計(jì),結(jié)合時(shí)間戳實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)線路兩端電流差值,實(shí)現(xiàn)故障的精確定位和隔離。
圖3 為5G 電力虛擬專網(wǎng)承載差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)示意圖,正常運(yùn)行時(shí),保測(cè)一體裝置通過(guò)電流互感器對(duì)一次側(cè)電流進(jìn)行采集,并結(jié)合對(duì)時(shí)裝置將測(cè)量值與時(shí)間戳進(jìn)行封裝,通過(guò)5G電力虛擬專網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸至線路對(duì)側(cè),對(duì)側(cè)解封裝后將時(shí)間戳與對(duì)應(yīng)電流值進(jìn)行比對(duì)[14-16]。若線路出現(xiàn)接地故障,則線路兩端保護(hù)裝置向?qū)?cè)發(fā)送跳閘指令,跳開對(duì)應(yīng)間隔開關(guān),及時(shí)切除故障,同時(shí)向D5000系統(tǒng)及配電網(wǎng)自動(dòng)化主站上報(bào)保護(hù)動(dòng)作信號(hào)[17-19]。
圖3 5G電力虛擬專網(wǎng)承載差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)示意圖Fig.3 Schematic diagram of 5G power virtual private network carrying differential protection services
相較于配電網(wǎng)自動(dòng)化等業(yè)務(wù),配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)對(duì)于時(shí)延以及可靠性要求更高,5G電力虛擬專網(wǎng)傳輸配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)建議配置帶寬10 Mbit/s,但結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況,差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)配置2 Mbit/s 帶寬即可滿足業(yè)務(wù)需求,業(yè)務(wù)系統(tǒng)可靠性要求達(dá)到99.999%,端到端時(shí)延要求小于15 ms。為滿足差動(dòng)保護(hù)對(duì)于時(shí)間戳的要求,需配置支持北斗與GPS雙對(duì)時(shí)裝置。同時(shí)為了保證差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)的安全傳輸,通信終端應(yīng)支持機(jī)卡固化綁定,業(yè)務(wù)層面需配置加密裝置,同時(shí)具備向上層D5000 系統(tǒng)等業(yè)務(wù)系統(tǒng)以及線路對(duì)側(cè)保護(hù)裝置的多業(yè)務(wù)系統(tǒng)的雙向認(rèn)證能力。
1.2.3 設(shè)備智能巡檢
隨著圖像處理技術(shù)的升級(jí)迭代以及人工智能大規(guī)模推廣應(yīng)用,設(shè)備巡檢智能化水平也在不斷提高,設(shè)備智能巡檢是通過(guò)視頻圖像高速回傳和人工智能手段對(duì)圖像進(jìn)行識(shí)別分析,快速分析判斷故障源,進(jìn)而保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行,提高變電站、輸電線路的巡視效率,通信傳輸架構(gòu)如圖4所示。
圖4 5G電力虛擬專網(wǎng)通信傳輸架構(gòu)Fig.4 Communication transmission of 5G power virtual private network
目前可視化巡檢手段包括巡檢機(jī)器人、無(wú)人機(jī)以及工業(yè)視頻等,變電站內(nèi)通常采用電力通信網(wǎng)傳輸相關(guān)視頻圖像,占用大量帶寬資源[20-21];輸電線路無(wú)人機(jī)巡檢以及工業(yè)視頻攝像頭監(jiān)控采用4G 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸,導(dǎo)致視頻分辨率低、圖像采集間隔大難以實(shí)時(shí)精確反映設(shè)備運(yùn)行情況。智能巡檢業(yè)務(wù)大多屬于管理信息大區(qū)業(yè)務(wù),采用5G電力虛擬專網(wǎng)軟切片通道進(jìn)行傳輸;工業(yè)視頻攝像頭等圖像采集終端可通過(guò)內(nèi)置5G通信模組直接將視頻圖像通過(guò)5G電力虛擬專網(wǎng)上送至新一代集控系統(tǒng)主站,主站通過(guò)安全接入?yún)^(qū)將視頻圖像接入管理信息大區(qū)。針對(duì)線路巡視無(wú)人機(jī)以及變電站巡檢機(jī)器人的控制指令的傳輸尚存在爭(zhēng)議,為保證電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行安全,建議參考電網(wǎng)生產(chǎn)控制類業(yè)務(wù)采用硬切片模式進(jìn)行傳輸,同時(shí)業(yè)務(wù)層面應(yīng)具備雙向認(rèn)證等安全措施,保證控制指令不被冒用。
由于圖像傳輸業(yè)務(wù)位于電網(wǎng)管理信息大區(qū)或互聯(lián)網(wǎng)大區(qū),業(yè)務(wù)可靠性以及時(shí)延要求相對(duì)寬泛,5G電力虛擬專網(wǎng)可采用軟切片形式,業(yè)務(wù)帶寬配置150~200 Mbit/s,業(yè)務(wù)可靠性大于99.9%。對(duì)于無(wú)人機(jī)以及巡檢機(jī)器人的控制,此類業(yè)務(wù)對(duì)于時(shí)延要求較高,端到端時(shí)延小于100 ms,可靠性大于99.99%。
5G電力虛擬專網(wǎng)在相關(guān)省市已開展大量試點(diǎn),隨著運(yùn)營(yíng)商5G 基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的進(jìn)一步成熟,5G 電力虛擬專網(wǎng)將轉(zhuǎn)入推廣應(yīng)用階段,但是目前并未出臺(tái)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等指導(dǎo)性文件,現(xiàn)有電力虛擬專網(wǎng)建設(shè)部分仍參照3G、4G 無(wú)線電力專網(wǎng)的相關(guān)規(guī)范,不利于充分發(fā)揮5G 電力虛擬專網(wǎng)高密度接入、高傳輸可靠性等性能優(yōu)勢(shì)[22]。
5G 電力虛擬專網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)應(yīng)包含通用類標(biāo)準(zhǔn)、業(yè)務(wù)類標(biāo)準(zhǔn)、接口類標(biāo)準(zhǔn)、安全防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)等。通用類標(biāo)準(zhǔn)主要針對(duì)5G 電力虛擬專網(wǎng)整體組網(wǎng)架構(gòu)、主體功能等進(jìn)行明確規(guī)范,說(shuō)明電網(wǎng)公司、運(yùn)營(yíng)商設(shè)備邊界,以及電網(wǎng)公司所屬的資產(chǎn)設(shè)備基本性能要求,為5G電力虛擬專網(wǎng)的建設(shè)提供總體性的指導(dǎo)。
業(yè)務(wù)類標(biāo)準(zhǔn)即為明確業(yè)務(wù)分類,隨著電網(wǎng)智能化、數(shù)字化水平的逐年提升,越來(lái)越多的新型電力業(yè)務(wù)隨之出現(xiàn),部分業(yè)務(wù)界定并不明確,而5G 電力虛擬專網(wǎng)針對(duì)不同業(yè)務(wù)的傳輸模式、組網(wǎng)架構(gòu)等亟需明確業(yè)務(wù)劃分及其所需要的傳輸性能、安全防護(hù)要求。以智能巡檢為例,對(duì)于機(jī)器人、無(wú)人機(jī)的控制目前大多被視為生產(chǎn)控制大區(qū)業(yè)務(wù),而傳統(tǒng)生產(chǎn)控制大區(qū)業(yè)務(wù)為直接對(duì)電力生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行控制、監(jiān)測(cè)的業(yè)務(wù),巡檢機(jī)器人并不屬于電力生產(chǎn)設(shè)備,但如果有誤操作等問(wèn)題會(huì)直接威脅電網(wǎng)的安全運(yùn)行,故而將其按生產(chǎn)控制類業(yè)務(wù)進(jìn)行傳輸。
接口類標(biāo)準(zhǔn)可參考3GPP Release15 以及Release16,結(jié)合電網(wǎng)公司對(duì)于不同種類的業(yè)務(wù)需求,包含5G 電力虛擬專網(wǎng)無(wú)線接入側(cè)及核心網(wǎng)側(cè)所需的接口規(guī)范,以及與電力生產(chǎn)設(shè)備直接相連的5G CPE設(shè)備所需提供的相關(guān)接口規(guī)范。
由于電力行業(yè)的特殊性,電力業(yè)務(wù)對(duì)于安全防護(hù)有著更高的要求。安全防護(hù)類標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)規(guī)范安全接入?yún)^(qū)、加密裝置的選型要求,以及移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)傳輸電力業(yè)務(wù)必須滿足的基本安全防護(hù)條件,確保電力業(yè)務(wù)在5G 電力虛擬專網(wǎng)中傳輸?shù)陌踩⑼暾?、合?guī)、可靠。
信號(hào)增強(qiáng)主要針對(duì)可靠性要求較高的控制類業(yè)務(wù)。以配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)為例,采用5G電力虛擬專網(wǎng)傳輸?shù)牟顒?dòng)保護(hù)通道易受到傳輸信道噪聲及時(shí)延影響,導(dǎo)致保護(hù)失效。目前,采用時(shí)間戳保證差動(dòng)保護(hù)裝置兩端對(duì)時(shí)一致,避免時(shí)延抖動(dòng)造成的保護(hù)誤動(dòng)。差動(dòng)保護(hù)對(duì)于時(shí)延要求較高(通常要求傳輸時(shí)延小于20 ms),室外環(huán)網(wǎng)柜、開閉所等運(yùn)營(yíng)商提供信號(hào)較強(qiáng)的區(qū)域可以滿足這一時(shí)延要求,保證差動(dòng)保護(hù)裝置的運(yùn)行可靠。但隨著居民對(duì)于小區(qū)環(huán)境的需求逐步提高,小區(qū)配電室以及城市開閉所逐步由地上轉(zhuǎn)移至地下,小區(qū)地下室目前普遍存在信號(hào)較弱等問(wèn)題,對(duì)于無(wú)線信道傳輸提出新的考驗(yàn)。
為了提高5G 無(wú)線信道的可靠性,目前5G 信號(hào)放大技術(shù)包括分布式天線系統(tǒng)、增益天線、微重復(fù)器以及基于軟件的噪聲消除技術(shù)。對(duì)于5G 電力虛擬專網(wǎng),考慮業(yè)務(wù)終端的布放位置,通常需在地下室入口、配電室等位置增加分布式天線系統(tǒng),以保證傳輸時(shí)延以及丟包率滿足相關(guān)業(yè)務(wù)需求。
采用5G 電力虛擬專網(wǎng)接入通信系統(tǒng)的低電壓等級(jí)變電站,通常為10 kV 分布式電源接入的變電站,需要考慮提升容災(zāi)能力和傳輸可靠性。以調(diào)度專網(wǎng)業(yè)務(wù)為例,由于調(diào)度專網(wǎng)具備變電站內(nèi)重要信號(hào)上傳功能,對(duì)于傳輸可靠性同樣具有很高要求,傳統(tǒng)調(diào)度專網(wǎng)采用光纖等有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸,通常采用“1+1”主備設(shè)備可對(duì)抗N-1 故障,提高其傳輸可靠性。為降低建設(shè)成本,5G電力虛擬專網(wǎng)接入側(cè)采用無(wú)線形式進(jìn)行接入,通常接入側(cè)CPE設(shè)備只接入單個(gè)運(yùn)營(yíng)商基站,可能會(huì)出現(xiàn)N-1故障,導(dǎo)致業(yè)務(wù)傳輸中斷。為避免單節(jié)點(diǎn)故障造成的整站離線事件,在條件允許的情況下,應(yīng)采用雙設(shè)備雙運(yùn)營(yíng)商基站接入的方式,避免因某一運(yùn)營(yíng)商基礎(chǔ)設(shè)施故障造成通道中斷。
虛擬電力專網(wǎng)區(qū)別于電力專網(wǎng)的最大特征是組網(wǎng)架構(gòu)中租用運(yùn)營(yíng)商部分網(wǎng)元,相較于電力專網(wǎng)節(jié)省了大量前期建設(shè)投入以及后期維護(hù)成本,但也存在運(yùn)營(yíng)商與電網(wǎng)公司資產(chǎn)分割界限模糊、維護(hù)權(quán)限不明等問(wèn)題,給設(shè)備運(yùn)維帶來(lái)了不利影響。
目前對(duì)于傳輸網(wǎng)產(chǎn)權(quán)界限較為明確,傳輸網(wǎng)邊緣側(cè)下沉UPF 以及接入側(cè)CPE 產(chǎn)權(quán)劃分較為模糊。針對(duì)邊緣端以及接入設(shè)備,結(jié)合電網(wǎng)公司與運(yùn)營(yíng)商合作現(xiàn)狀,目前存在購(gòu)買設(shè)備和購(gòu)買服務(wù)兩種主流商業(yè)模式,如表1 所示。購(gòu)買服務(wù)模式是指電網(wǎng)公司租賃運(yùn)營(yíng)商UPF,租賃的UPF 下沉至電網(wǎng)公司機(jī)房,運(yùn)行維護(hù)由移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商負(fù)責(zé),電網(wǎng)公司按時(shí)間支付租賃及維護(hù)費(fèi)用,此種商業(yè)模式優(yōu)勢(shì)在于對(duì)于電網(wǎng)公司并未增加通信運(yùn)維壓力,同時(shí)獲取相關(guān)服務(wù)。購(gòu)買設(shè)備模式是指電網(wǎng)公司直接采購(gòu)下沉式UPF,此種商業(yè)模式產(chǎn)權(quán)分界點(diǎn)在UPF接入側(cè),產(chǎn)權(quán)分界點(diǎn)明確,電網(wǎng)公司負(fù)責(zé)下沉UPF的購(gòu)買及運(yùn)維,移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商負(fù)責(zé)電力虛擬專網(wǎng)的通信通道維護(hù),同時(shí)電網(wǎng)公司對(duì)于UPF的維護(hù)更換有較大的自主權(quán)。兩種商業(yè)模式為目前較為典型的電網(wǎng)公司與運(yùn)營(yíng)商的合作模式,除此之外還存在其他商業(yè)模式,不同商業(yè)模式適用范圍不同,亟需出臺(tái)相關(guān)通用類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)范。
表1 5G電力虛擬專網(wǎng)典型商業(yè)模式對(duì)比Tab.1 Comparison of typical business models for 5G power virtual private network
雖然5G 電力虛擬專網(wǎng)已經(jīng)結(jié)合多種電力業(yè)務(wù)進(jìn)行試點(diǎn)應(yīng)用,但從業(yè)務(wù)層面來(lái)看,業(yè)務(wù)形態(tài)較為扁平化,尚未充分利用5G 網(wǎng)絡(luò)MEC 服務(wù)器的計(jì)算能力,尚未形成多層次、多業(yè)務(wù)“云、管、邊、端”一體的數(shù)據(jù)應(yīng)用態(tài)勢(shì)[23]。目前5G 電力虛擬專網(wǎng)的主要試點(diǎn)探索依然集中于5G網(wǎng)絡(luò)本身,隨著未來(lái)電力業(yè)務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)性要求的提高,充分挖掘5G網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)的計(jì)算性能具有很高的實(shí)用價(jià)值[24]。隨著5G 電力虛擬專網(wǎng)的建設(shè)以及邊緣節(jié)點(diǎn)計(jì)算能力的提升,5G電力虛擬專網(wǎng)可根據(jù)節(jié)點(diǎn)功能劃分為核心處理層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和邊緣計(jì)算層[20]。核心處理層為數(shù)據(jù)的核心處理平臺(tái),是5G 電力虛擬專網(wǎng)的業(yè)務(wù)宿端,即電網(wǎng)數(shù)據(jù)中臺(tái)、電力調(diào)度控制云臺(tái)等具體業(yè)務(wù)系統(tǒng)[25-26]。網(wǎng)絡(luò)傳輸層為5G電力虛擬專網(wǎng)的傳輸通道,負(fù)責(zé)將業(yè)務(wù)系統(tǒng)與源端數(shù)據(jù)進(jìn)行互聯(lián)。邊緣計(jì)算層則充分利用5G 網(wǎng)絡(luò)自組網(wǎng)能力,利用機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能等技術(shù),實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的自組織、自修復(fù)、自優(yōu)化和自配置,使網(wǎng)絡(luò)更加靈活、高效和可靠。并且利用邊緣節(jié)點(diǎn)自身的計(jì)算決策以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的分析計(jì)算,減輕中心云臺(tái)的計(jì)算壓力以及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸壓力;對(duì)于實(shí)時(shí)性要求較高的業(yè)務(wù),邊緣節(jié)點(diǎn)也可利用第一手?jǐn)?shù)據(jù),對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行分析決策,從而提升整體業(yè)務(wù)系統(tǒng)的能力。
5G 電力虛擬專網(wǎng)在電網(wǎng)中應(yīng)用實(shí)踐當(dāng)前還處于初級(jí)階段,與數(shù)字孿生、邊緣計(jì)算等眾多信息通信技術(shù)尚未充分融合,先進(jìn)ICT 技術(shù)是電網(wǎng)數(shù)字化的關(guān)鍵手段,5G電力虛擬專網(wǎng)是推動(dòng)其落地的重要技術(shù)支撐,在5G電力虛擬專網(wǎng)與傳統(tǒng)電力業(yè)務(wù)深度融合的背景下,進(jìn)一步推動(dòng)其與信息通信技術(shù)有機(jī)協(xié)同將會(huì)成為未來(lái)研究和發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域。