5G智能电网通信支撑平台设计探讨

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摘要：在信息网络和智能控制技术飞速发展的背景下，智能电网应运而生，其发展离不开稳定的通信支撑平台。新兴的5g通信网络具有超大型连接、超低时延、超高带宽等特点，可以极大地提高网络可靠性和运行效率，从而为电网智能化助力。针对目前通信支撑方式无法满足一线电力业务人员在实际工作过程中的需求现状，对智能电网进行了业务需求分析，从网络架构、总体框架、功能结构等方面进行了全面的设计研究，搭建了基于5G智能电网通信支撑平台。通过建设5G智能电网支撑平台，能够对原有分散且低效的通信系统进行整合，实现通信系统各功能模块的集中管理，为公司的通信工作提供了有效的解决方案；与此同时，为一线作业人员提供了方便、快捷、高效的通信平台。

关键词：5G；智能电网；通信支撑平台

1引言

随着电网业务日益多样化，为了解决业务接入承载问题，需要引入无线通信手段。例如面向大带宽的业务（机器人巡检、视频监控等）、面向大连接的业务（一次设备状态信息采集、电力设备现场检修和协同调试、分布式在线监测等需求）、面向移动通信的业务（变电站移动巡检、无人机应用、移动作业等）对通信网带宽、覆盖、质量、接入位置提出了更为复杂的需求。在智能配电和用电方面，5G技术为无线接入覆盖配电通信网提供了更好的解决方案。今后，分布式能源接入、低压集中读取、智能分布式配电自动化等业务可以利用5G实现突破。5G网络可利用其超高带宽、超低延迟、超大连接等优势，满足垂直行业更加多样化的业务发展需求，特别是其网络切片和能力开放两项创新功能的应用，将改变传统的商业运作方式和作业模式，为电力行业用户提供定制的行业专用网络服务，与以往的移动通信技术相比，更能满足电网业务灵活、可靠、安全的要求，并实现差异化服务保障，进一步增强电网公司独立控制自身业务的能力[1]。

2智能电网业务需求分析

2.1电网业务信息交互提出的需求

在配电通信网端，由于网络点多面广，需要实时监控大量设备，而且双向信息交换频繁，现有的光纤覆盖建设成本高、运维困难，对于不同的场景，需要使用无线公共网络来支撑配电网的各种终端，以达到可观可控的效果。例如，用户双向互动、分布式能源接入、低压集中抄表、大规模配电网自动化等业务的快速发展，以及电力客户的通信需求、电力终端、电网设备爆炸式增长，急需构建双向实时交互、接入灵活、安全可靠的泛在全覆盖的配电通信接入网，采用高效、稳定、可靠、先进的新型通信技术和系统支撑，实现智能电网业务安全、承载、访问和端到端的自主控制。

2.2电力信息运维工作提出的需求

要实现信息通信调度管理与运营维护的一体化，就需要对电力信息的通信调度方式进行归纳和整理，并且需要将专业的分工进一步演进为业务分工，与此同时调整通信系统的运维支撑工具，并相互适应根据系统一体化的建设需求，需要灵活整合现有的通信系统的运维支撑工具，形成一个高度专业化、集成化、立体化的信息通信支撑平台。随着信息化建设的高速推进，信息通信集成化也得到了迅速的发展。信息通信运维支撑平台不仅需要满足对业务监控的需求，满足能够对通信设备调度监控集中管理的需求；以到达到信息通信设备账户完整生命周期管理的目的；实现整个信息化业务流程的一体性。除此之外，也要将现存的各种运维支撑系统相似的功能和流程进行整合，降低系统之间的耦合性，抽离出系统之间的接口，消除系统之间的数据壁垒，以达到共享信息运维管理数据指标的目的，以提供更加灵活丰富的数据分析方式，分析信息与通信数据的相关性，包含故障报警、业务影响、设备分析等方面，为信息通信运维提供强有力技术支撑。

2.3支撑平台完善提出的需求

现代电力通信支撑平台需要将移动互联网与语音交互、视频交互、人机交互相结合，营造高效安全可靠的系统运行环境，为智能电网业务提供AI服务、计算引擎、数据、模型等基础技术支撑，实现智能电网各应用系统的横向协调运行，并与其他应用系统协调运行，实现智能电网上下控制系统的纵向一体化运行。因此，现阶段急需一套全新的支撑平台体系结构规范，包括计算引擎、人机交互服务、数据服务、基础服务、通信总线、资源管理等方面。基于上述智能电网业务需求，需要设计5G电力通信无线通信资源管理系统整体架构、功能蓝图，开发连接管理、终端管理、5G切片管理、台账稽查等功能，对接公共网络运营商的能力开放平台，实现对电力终端、业务、网络等状态信息的全程管控，支撑智能电网运营管控、客户服务、调度运行、电网管理四大平台的业务展示。

3智能电网5G通信支撑平台设计

5G技术定义了几大使用场景：eMBB主要为广域覆盖和高密度用户区域提供解决方案，eMBB可以为使用者提供大约1Gbps的用户体验速率和几十Gbits的峰值速率；uRLLC可以赋予其使用者极低的时延以保证敏捷性，因此在车联网、工业互联网、医疗技术等对时延要求低的场景有广阔的前景；mMTC适用于海量设备连接的场景，该技术点是5G技术拓展出的新的运用场景，因此该技术在物联网方面将会有很好的运用空间。现在电力系统现存网络拓扑复杂，技术多样，但其现存业务大致可以划分为设备控制类业务、现场信息采集类业务、移动终端应用业务类，这些业务类别分别对应5G技术的三大应用场景。因此以整体性的角度来分析整个智能电网、整体业务安全接入和电力系统运行时期的管控以进行全方位的架构设计。使用5G切片技术的智能电网的整体架构如图1所示。

3.1支撑平台网络架构

基于切片技术的支撑平台网络架构总体上包含三大部分，端到端切片管理系统、智能分析系统和基础设施网络资源（接入网、承载网、核心网）。基于切片技术的支撑平台网络架构如图2所示。（1）切片管理系统：切片资源的分配问题主要在切片管理系统中解决。在国内核心网的切片的研究有较为成熟的方案，如今核心网的切片管理问题主要集中在切片资源的分配上。核心网通过使用虚拟机以一定的方式将虚拟化的网络资源分配给切片内的VNF，以达到资源分配合理的目的，从而使服务整体达到优化。在5G通信业务建设的起步阶段，以混合的方式使用eMBB服务和URLLC服务将会是一个典型的应用场景，这将会为电力通信建设提供有效的解决方案。资源分配在核心网中的体现就是，通过用户设定的一些参数然后为该用户设定优先级，接着根据该用户被设定的优先级为其划分时频资源。因为是eMBB业务和uRLLC业务共存的应用场景，从整体性考虑该eMBB业务和uRLLC业务的特点和内在需求，在核心网处采用时延吞吐量混合比例公平调度算法。uRLLC业务的特点是对时延较为敏感，因此这种场景下的优先级表达式应当包含时延参数。eMBB业务的一个较大的特性是其对时延的敏感度水平较低，但eMBB业务有超高速率的需求。因此在该场景下，速率因子应该被考虑到优先级表达式中。由于用户有QoS的需求，因此在调度优先级的计算模型中应要加入QoS参数。通过不同用户给定的不同参数可以计算出用户的优先级，接着在优先级列表中选取优先等级最大的用户作为被调度的对象。通过以上的调度方式对用户进行调度后用户将会被分配到一定的资源，从而使得用户能够传输信息。基于误码率公式，可以提高uRLLC业务的可靠性，使得在资源分配过程中的误码率得以有效降低。在该分配方式中对所有的资源分配成两部分：一部分作为公共资源，一部分作为保留资源，并把保留资源分配给uRLLC用户作为使用，这种方式可以降低误码率。如果在资源分配的时候没有uRLLC业务，则eMBB业务将会获得保留资源以提高业务的可靠性[2]。在分配公共资源块时，其主要依据是计算出来的优先级，将会按照优先级为被调度的用户分配资源。在分配额外资源块时，重点在于用户信道条件。当用户信道条件较好时，无须为其分配额外的资源。要为某一用户分配额外资源时，需要其信道状况参数低于某一阈值。与核心网不同的是，接入网的切片资源管理需要对计算资源和存储资源进行管理，除此之外还需要对虚拟的无线资源进行管理。接入网切片与前传网络的宽带资源分配密切相关。接入网中有RRU的存在，RUU的作用是用于对数据的接收和发送。这种方式一方面与无线频谱的分配密切相关，因此在接入网切片中有无线资源管理的存在，但是在核心网切片中不涉及该问题；另一方面，通信数据有极大可能在RRU处进行缓存，因此需要在接入网切片中对资源进行缓存。上述几点原因使得资源管理优化问题变得更复杂。为了解决接入网的资源管理问题，采用基于成本和QoS的虚拟网络资源分配方式来解决底层资源的优化分配问题。首先对无线网络资源进行虚拟化，然后结合成本、服务隔离和回程容量约束，建立组合非凸优化模型。该模型采用迭代自适应启发式概率搜索算法理论，并采用模拟退火优化算法（SAOA）求解上述模型[3]。（2）智能分析系统：该系统需要对采集到的数据进行分析，并且需要对得到的分析结果进行上报。策略中心内置的处理方式面对不同的场景将会执行不同的处理方式。在数据分析结果满足策略中心中的内置条件时，策略中心会向动作的执行者发送操作请求用来更新管理对象，从而达到资源重新分配的目的[4]。在3GPPR16版本中引入了具有网络数据分析功能的网络单元。根据用户对网络的用户体验数据进行业务模型训练，从而可以得到切片业务中的业务体验数据。至于业务体验差是来源于核心网还是接入网，当前业务模型并不能给出标准，当前业务模型主要用来分析当前业务和预测业务体验。目前，变电站的巡检业务中逐步采用智能化设备代替，以提升工作效率。因此针对这类需求，可以定制专用的网络切片，并引入AI技术进行分析以形成具有特定生产环境特征的巡检模型。（3）基础网络层面的接入网、承载网和核心网：该层面属于基础设施资源。按照对资源的编排要求和需求的组合，为通信业务实现端对端的隔离网络。

3.2支撑平台框架设计

电力通信支撑平台总体上分为管理应用、平台、数据采集与控制、横向接口四个层次。总体框架设计如图3所示。（1）数据采集与控制层：可通过RestFul接口与运营商的网络能力开放平台对接，或直接通过应用层协议从无线终端采集相关状态数据。同时，通过运营商能力开放平台获取终端所属网络切片状态的信息。该平台需要考虑与多个运营商网络能力开放平台对接，以保障接入不同运营商网络的终端均可观、可控。数据采集层通过消息总线向上提供灵活的数据交互能力。（2）平台层：通过API接口为上层应用提供数据存储、流量引擎、负载均衡等公共服务能力，实现基础能力的统一封装，通过在平台层处理高并发场景以及提升平台容灾能力能更加有效支撑上层应用的运行。（3）应用层：主要包括终端管理、业务管理、切片管理、统计分析等应用。平台层通过API得以和应用层解耦，应用层向下通过API接口调用平台层所封装的功能，实现业务灵活快速上线，可以适应需求变化较快的业务场景，对外通过Web等方式实现各类管理终端的远程接入。（4）横向接口层：提供格式统一的接口适配现有的电力业务系统，如系统运行、计量自动化、配网自动化等。接口层的应用，可以进一步保障系统的兼容性和扩展性，以适应实际生产环境。

3.3支撑平台功能模块

5G电力通信支撑平台主要包括平台首页、无线通信卡、接入设备管理、工作台、统计分析、5G切片管理、高级应用、系统管理共8大功能部分。功能结构图如图4所示。（1）平台首页：针对采集到的运营商卡数量统计、卡业务类型数量、运营商域名、服务器监控、单据代办、终端告警、终端品牌、终端业务类型、在线率等海量数据，通过数据处理，以饼图、条形图、柱状图等呈现方式，让数据可视化变得平易近人，变得简单高效，变得灵活易实现[5]。同时平台管控业务包含综合、用电、配电、变电、输电、发电等过程，接入5G+智能电网业务，形成点（发电厂、变电站）、线（输电线路）、面（电网系统）多位一体全覆盖的示范体系。（2）无线通信卡管理：实现对公网上所有通信资源的基本管理，资源包括用以传输的无线通信卡、有线宽带以及eS‐IM卡，模块对这些资源进行记录和对各个关键字段进行统计分析[6]。其中，对无线通信卡进行更细致的管控，包括管理其资费情况、流量使用情况、IP地址管理、域名管理等等。（3）接入设备管理主要用于管理不同的接入设备，分为终端台账管理、新设备入网检测以及性能监视。（4）工作台：实现企业申请更换通信资源流程的基本管理，包括无线公网卡的申请、领取、更换、销卡。（5）统计分析：统计分析模块主要实现终端信息的统计，告警统计分析以及流量分析。其中，告警统计模块可以查询到出现故障或者出现告警信息设备的统计情况，进一步，可以查看这些设备的实时详细信息。卡流量分析模块可以查询到关于流量卡的统计分析报表相关情况，包括0流量卡统计、卡总数统计报表以及超流量统计报表。终端统计模块可以查询到不同区域、不同电网专业的终端数量，数据以图表或者列表展示出来，可以进一步了解终端的数量分布情况；同时，可以查询到不同区域、不同电网专业的终端的在线情况；可以对在线率进行区间划分，查看在线率分布情况[7]。（6）5G切片管理：5G切片管理功能实现了切片状态查询、业务申请、业务模型管理、切片管理、切片成员配置功能。（7）高级应用：高级应用模块主要对划分出的区域及电力重要场景区域的终端的在线状态/流量状态进行监控，重点场景/终端发生意外导致离线时，监控模块会根据故障情况给出警报等级，全部故障都有消息弹出及文字提示。当发生紧急报警时，监控模块上的红色警报灯亮；重大报警时，监控模块上的黄色警报灯亮；当没有报警时，监控模块上的绿色警报灯亮，以达到直观的报警效果展现。（8）系统管理：系统管理模块可以实现对系统用户的登录和使用情况的监控，查阅接口情况并进行简单的接口请求，检查SQL执行性能等。另外，系统管理模块还可以查看和编辑系统各个模块的菜单信息、系统用户信息，以及控制不同角色的权限[8]。系统管理的主要功能项有：后台登录、系统监控和系统管理，其中系统监控包括：系统日志、接口API、系统监控3个功能子项；系统管理包括：区域管理、用户管理、角色管理、菜单管理4个功能子项。5G电力通信支撑平台功能列表如表1所示。

4结语

电力行业运营内容管理工作较为分散，阻碍了对用户的有效分类和协同管理。本文首先分析智能电网业务需求，从网络架构、总体框架、功能结构等方面设计了基于5G智能电网通信支撑平台，能满足与前端、外部系统之间的交互对接，为南方电网有限公司服务运营提供有效支撑。平台在开发和使用过程中，还需要不断优化调整，以便适应智能电网发展。

参考文献：

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[4]叶水勇，刘军，管建超，等．信通调度一体化运行平台应用研究[J]．国网技术学院学报，2017，20(01):24-28．

[5]陈皓勇，李志豪，陈永波，等．基于5G的泛在电力物联网[J]．电力系统保护与控制，2020，48(03):1-8．

[6]王宏延，顾舒娴，完颜绍澎，等．5G技术在电力系统中的研究与应用[J]．广东电力，2019，32(11):78-85．

[7]周晓健．5G网络关键技术介绍与行业应用融合探索[J]．价值工程，2020，39(04):290-292．

[8]杨德龙，万俐，李晦龄，等．基于网络切片的能源互联网系统架构[J]．电力信息与通信技术，2020，18(01):33-38．

作者：陈文文 杨晨 单位：广东电网有限责任公司广州供电局 南方电网数字电网研究院有限公司