电力系列白皮书I：需求、技术及实践.pdf

5G确定性网络电力系列化白皮书I：需求、技术及实践5G确定性网络电力系列白皮书I：需求、技术及实践10 5G确定性网络电力之需求洞察前言1.1 行业数字化要求差异化、专属和可自定义的3D网络服务 1.2 电力是5G确定性网络最具代表性的行业之一 1.2.1 电力典型场景对5G确定性网络需求概览 1.2.2 电力对5GDN差异化网络的需求洞察 1.2.2.1 持续上行带宽流量需求 1.2.2.2 毫秒级的网络时延和抖动需求 1.2.2.3 对连续丢包性能的需求 1.2.2.4 微秒级的时钟同步需求 1.2.2.5 4个9的通道可用性需求 1.2.2.6 非IP化传输需求 1.2.3 电力对5GDN专属网络的需求洞察 1.2.4 电力对5GDN自助网络的需求洞察 1.2.4.1 E2E切片自助服务需求 1.2.4.2 电力专用MEC自助服务需求 11 5G确定性网络电力之关键技术方案0102020304050606070808091010111212131414151515161623242517181819192020202122272.1 5GDN电力关键支撑技术与需求匹配 2.2 无线域 2.2.1 精准时钟同步授时 2.2.2 超级上行SUL 2.2.3 灵活的无线隔离调度技术 2.2.4 Non-Slot特性缩短上下行时延 2.2.5 上行免调度传输（UL Grant-free） 2.3 承载域 2.3.1 硬隔离(Hard Isolation)技术 2.3.2 软隔离(Soft Isolation)技术2.4 核心网域 2.4.1 多路冗余传输 2.4.2 5G LAN 2.4.3 核心网隔离技术 2.4.4 电力MEC多接入边缘计算 2.5 安全域 2.5.1 5G电力终端安全解决方案 2.5.2 5G电力网络安全解决方案 2.6 管理支撑域 2.6.1 E2E电力切片自管理 2.6.2 电力MEC自管理 22 26 5G确定性网络电力之应用实践小结与展望3.1 南方电网&中国移动深圳5G智能电网应用案例3.2 国家电网&中国电信青岛5G智能电网应用案例3.3 国家电网&中国联通驻马店5G智能电网应用案例附录目录无切片，不To B。网络切片是5G区别于4G的标志性技术之一，是5G使能千行百业数字化转型升级的关键技术底座。伴随着3GPP R16标准的基线化、CCSA端到端网络切片标准以及中国三大运营商5G SA独立组网建设的有序推进，2020年将成为中国5G 2B商用的元年。而2B相比2C的最关键差异化需求在于行业需要的是一张确定性网络，也就是说能为所承载的业务提供包括时延、抖动、丢包率等关键指标在内的确定性业务保证的能力。5G确定性网络（以下简称5GDN）依托5G原生的超大带宽、超低时延超高可靠性、海量接入三大特性，结合网络切片、MEC边缘计算等关键解决方案，可以完美的匹配电网行业对于业务可用、安全可靠、可管可控的核心诉求，为电力终端接入网提供了泛在、灵活、低成本、高质量的全新技术选择，因此业界公认电力有望成为5G 2B商用的第一波行业之一。为此，5GDNA（5G确定性网络产业联盟）能源互联网小组集合了电网公司、电力终端和应用提供商、系统集成商、电信运营商、网络设备提供商等端到端产业链的力量，共同编制了本篇白皮书，一方面旨在统一产业共识、形成电力行业对5G确定性网络的需求基线，另一方面也希望能够有助于运营商提前做好网络能力准备，共同加速5G智能电网的商用进程。本白皮书作为5G确定性网络产业白皮书的系列化行业衍生白皮书之一，基于5G确定性网络的3D（Differentiat-ed-差异化网络、Dedicated-专属网络、DIY-自助网络）模型，重点针对智能电网对5G确定性网络的关键需求进行了具象化、实例化、量化的详细解读和分析，接着以原子能力的方式，针对匹配行业需求所需要的关键技术和解决方案进行了介绍，最后再辅以外场PoC的实测结果，通过理论与实践的有机结合，初步验证了5G确定性网络赋能智能电网和能源互联网行业数字化转型的可行性。5G确定性网络电力=5GDN差异化网络（确定性的带宽+时延+抖动+连续丢包率+时钟同步+通道可用性+非IP化传输）+5GDN专属网络（隔离+安全）+5GDN自助网络（切片自助服务+电力专用MEC自助服务）5G确定性网络电力的解决方案=基于网络切片+MEC的5G电力行业虚拟专网本白皮书主要参编单位（以下排名不分先后）：中国南方电网有限责任公司、广东省电信规划设计院有限公司、全球能源互联网研究院有限公司暨国家电网公司电力通信网络技术实验室、国网青岛供电公司、北京四方继保自动化股份有限公司、南京南瑞信息通信科技有限公司、中国移动通信集团有限公司、中国电信集团有限公司、中国联合网络通信集团有限公司、华为技术有限公司本白皮书主要参编人员（以下排名不分先后）：杨俊权、刘建明、张国翊、洪丹轲、王劲、杨晓华、赖剑锋、黄伟如、林柔丹、沈鹏、李炳林、郭云飞、徐群、刘明峰、李坤、徐骏、许健、胡阳、李洋、张影、吴沛+!、胡玉双、李勇、夏旭、蒋春元、梅承力、文涛、肖羽、周汉、刘奇、郝晶晶、孙磊、王维、周建勇、丘国良、付佳佳、吴赞红、林和昀、孙严智、董武、洪杰、陆国生、叶萌、黄观金、谢俊毅、徐全、杨根甜前言5G确定性网络电力之需求洞察011.1 行业数字化要求差异化、专属和可自定义的3D网络服务综合10多个行业100多个应用场景的解析和实践，行业数字化对5G网络的诉求可收敛为3个维度，即能力可编排的差异化（Differentiated）网络，数据安全有保障的专属（Dedicated）网络，以及自主管理可自助服务的DIY网络。差异化网络是行业数字化的关键诉求。不同于公众消费者用户的普遍需求，行业应用的需求天然是千差万别、多维度的。比如远程抄表，需要的网络连接很多，对带宽和时延并不敏感。而远程医疗、自动驾驶等业务对网络的确定性低时延、安全可靠提出更高的要求，甚至要达到6个9，每年的故障时间只有几秒钟。5G为行业数字化打开想象空间，缘于5G可以提供多维度的有体验保证的网络能力。专属网络保证数据安全隔离和数据隐私的保护，是行业应用的普遍要求。对于工业互联网、智能电网等行业，网络安全、分权分域管理、资源的隔离、数据及信令的保护是这类严苛类行业应用场景基本的要求。用户数据以及业务数据不出园区，要求做到公网专用，是行业应用的共性需求。可DIY的自助网络，是行业敏捷创新不可或缺的部分。响应快速变化的业务需求，行业用户希望自定义、按需设计、DIY自己的网络。以园区物联网场景为例，客户希望可以自主完成物联网络服务能力的编排/调度/管理，灵活的组网并部署创新应用，随时添加或删除设备。5G确定性网络电力之需求洞察图 1-1行业数字化对网络SLA的3D要求（来源：5G确定性网络产业白皮书） 数据来源：Huawei cLab & CAICTDifferentiated差异 化网络Dedicated专属网络DIY自助网络线上/线下购买网络自定义快速开通自管理/自维护网络自运营5G确定性网络电力之需求洞察 02基于这三个维度构筑确定性能力的网络，就是运营商推动各行业在5G时代实现数字化转型的核心资产，也就是5G确定性网络（5GDN）。5GDN所能够提供的差异化程度越高、越灵活，则5G网络就能够被应用于更多的潜在市场；5GDN可达到的SLA确定性越强，则可以进入更高端、潜在收入空间更大的细分市场（如工业自动化、能源互联网等）。1.2 电力是5G确定性网络最具代表性的行业之一2019年，5G确定性网络在全球各区域均开展了广泛的试点部署。特别在中国市场，由运营商、行业、电信设备提供商、通信服务产业多方联合，在很多领域进行了深入合作探索，并获得了显著成效。这些成果一方面论证了5GDN技术在部分行业已具备了部署应用条件，另一方面，展示出了方案所能够带来的商业价值。从下表可以看出，智能电网对于5G差异化、专属化和自助服务的需求在TOP代表行业中，都是相关度最高的，属于5G确定性网络最具代表性的行业应用之一。1.2.1 电力典型场景对5G确定性网络需求概览从电力业务的生产消费环节维度分析，主要涵盖“发、输、变、配、用”5个主要环节，随着电力电力物联网发展，对先进、可靠、高效的新兴无线通信技术提出了较大需求。以南方电网为例，其通过对发、输、变、配、用等电网全业务场景的系统性梳理，共计识别出54种5G+智能电网潜在应用场景（详见附录）。经过多年建设，电力110kV及以上变电站、大型电厂等区域已实现光纤覆盖。尤其在变电环节中，传统的电力生产控制业务，如调度电话、线路保护、安稳控制，自动化EMS、电能计量等已基于光纤实现稳定运行，随着电力物联网及智能变电站的业务发展，如输电线路视频监控、电力隧道环境及视频监控、变电站视频及环境监控、变电站巡检机器人、移动作业/巡检，以及新增的多媒体、物联网类业务（包括生产、安监、市场、物资等）逐步兴起，业务呈现出大带宽、高可靠、移动性等特点，需要考虑引入可靠的无线通信方式解决业务接入。在配用电领域，由于点多面广，现有光纤覆盖建设成本高、运维难度大，难以有效支撑其”可观、可管、可控”。随着大规模配电网自动化、低压集抄、分布式能源接入、用户双向互动等业务快速发展，各类电网设备、电力终端、用电客户的通信需求爆发式增长，传统光纤专网的建设成本高、业务开通时间长，无法满足快速灵活的广域接入需求。同时变电站机器人巡检、输配电线路无人机巡检等移动性场景也对无线通信提出了刚需，因此迫切需要构建安全可信、接入灵活、双向实时互动的通信接入网，并采用先进、可靠、稳定、高效的新兴通信技术及系统予以支撑。表 1-1四类典型行业应用与5GDN能力相关度（来源：5G确定性网络产业白皮书）5GDN维度 智慧港口 智能电网 智能制造 AR/VRifferentiatedD 差异化网络edicatedD 专属网络IYD 自助网络强相关 弱相关中相关针对上述业务发展特点，我们主要从通信的视角出发，将电力业务对5G确定性网络的诉求收敛为以下四大类型：1） 针对点多面广广域覆盖的配电、用电等业务：基于电力“安全分区、网络专用、横向隔离、纵向认证”的原则，可进一步细分为生产控制I区、生产控制II区、管理信息区三大业务类型；2） 针对特定区域有限覆盖的发电、变电等业务：从通信网络建设的视角划分独立的局域园区类型，以满足业务数据不出厂站的核心安全隔离需求。在局域园区专网内部，同样存在着生产控制区和管理信息区的多样化场景。不同类型业务对差异化网络、专属化网络和自定义网络的需求不同，如图1-2所示。图中01表示需求程度，10表示需求强烈，0表示无需求。生产控制大区控制区（安全区I）业务是电力生产的重要环节，直接实现对电力一次系统的实时监控，电力生产的重要环节主要包括配网差动保护、智能分布式配电自动化、精准负荷控制、分布式能源调控等。生产控制I区类业务对时延、抖动等网络性能要求高，同时具有严格的安全隔离和自助管控要求，对专属网络和自助服务的需求度高，传统2/3/4G网络的性能、隔离性和自助服务能力等均无法有效稳定地满足其需求。生产控制大区非控制区（安全区II）业务是电力生产的必要环节，在线运行但不具备控制功能，主要包括配网高级计量、配网PMU、应急现场自助网综合应用等。该类业务由于不具备控制功能，因此，与生产控制I区类业务相比，对差异化网络性能需求相对较低。但由于该类业务涉及电力生产过程，因此对安全隔离和自助管控需求度较高。管理信息大区是指生产控制大区以外的电力企业管理系统的业务，主要包括变电站巡检机器人、输电线路无人机巡检、配电房视频综合监视和移动式现场施工作业管控等。该类业务的主要内容是视频传输，对网络带宽要求高，传统4G网络难以满足其带宽需求。但由于该类业务的目标是辅助电力生产和管理，专属网络需求较低，但对自助服务需求度较高。局域园区类业务是指数据和服务需要就地处理的业务，如换流变电站、抽水蓄能电厂、光伏/光热/风电等新能源厂站等。该类场景一般覆盖面积较大，业务接入类型复杂，涉及室外、室内各种不同环境，需要考虑深度覆盖的同时，还包括新能源大量传感器的接入、智能巡检、智能检测与闭环优化、运维辅助等。同时，该类场景业务一般在变电站内、电厂内，或在就近的巡维中心（区县级）卸载，一般不允许进入公网。因此对专属网络需求较高。此外，不同业务可能存在差异化网络需求。5G确定性网络电力之需求洞察03图 1-2 不同类型业务的确定性网络需求差异化网络（Differentiated）自助服务（DIY）生产控制专属网络（Dedicated）生产控制管理信息 局域园区1086420值得一提的是，以上四种业务类型划分并不是一成不变的，其可能随着电力行业本身的业务发展趋势变化而更新，需要我们以发展演进的视角去拥抱变化。例如，近年来随着能源互联网的战略发展，国家电网在传统电力业务4大分区之外，又提出了新的互联网大区业务。1.2.2 电力对5GDN差异化网络的需求洞察网络差异化需求可以从持续上行带宽流量、时延抖动、丢包率、同步授时和通道可用性等维度分析，并结合电力业务应用增加非IP化传输需求。图1-3给出三种典型生产控制I区类业务（配网差动保护、智能分布式FA、配网PMU）对差异化网络需求。其中，配网差动保护通过计算线路两端的电流差值来判断故障位置并实现故障线路隔离；智能分布式FA主要通过DTU之间的协调操作实现故障隔离后停电区域的自动复电；配网PMU通过汇集分布在配电网不同位置地PMU装置测量信息实现对配网运行状态的实时监控。考虑到生产控制I区业务对差异化网络的要求最为突出，如果5G能够满足其差异化网络的需求，原则上就可以满足其他电力业务的需求，因此5GDN在差异化网络能力的设计上，重点聚焦满足该类业务。同时，通过我们对行业的需求分析，电力生产控制I区业务的差异化网络需求较高，若5GDN满足了电力的需求，在其他行业具有极高的推广价值。1.2.2.1 持续上行带宽流量需求该类需求典型的业务如：配网差动保护、配网PMU业务。以配网差动保护业务为例，每一个保护终端都通过通信通道将本端的电气测量数据发送给对端，同时接收对端发送的数据并加以比较，判断故障位置是否在保护范围内，并决定是否启动将故障切除。保护终端的典型采集频率为1200Hz，每隔0.833ms发送一次数据，单次数据量为245Byte，通信带宽需求为2.36Mbps。由于配网故障发生是随机的，配网差动保护需要持续实时通信传递数据来判断和检测线路是否发生故障，因此具有持续上行带宽流量需求，并且对对带宽资源保障要求高。此外，持续通信也将产生大量的网络流量，单个终端DOU约为886GB，对网络的流量承载能力要求高。5G确定性网络电力之需求洞察 04图 1-3 配网差动保护和PMU的差异化网络需求配网差动保护 配网PMU 智能分布式FA专属网络持续上行带宽流量需求丢包率时延抖动通道可用性授时精度10864205G确定性网络电力之需求洞察051.2.2.2 毫秒级的网络时延和抖动需求在电力业务中，网络通信时延=业务执行时间业务处理时间。其中业务执行时间取决于业务需求，业务处理时间主要取决于硬件装置。在业务执行时间确定的条件下，网络通信时延与业务处理时间强相关：网络通信时延越短，预留给业务处理的时间越长；反之亦然。通过降低网络通信时延可以为应用提供更多的裕度。在配网差动保护业务场景中，业务处理时间主要包括采样处理时间、逻辑判断时间、出口继电器时间和开关跳闸时间。不同硬件装置的业务处理时间也不相同，采样处理是保护装置与通信装置之间的转换接口设备的处理时延，一般为13ms；为避免随机误差引起保护误动作，一般连续5个采样点进行一次综合判断，一般为3ms左右。出口继电器时延是指出口继电器从接受到信号到驱动配电网开关跳闸的时间，一般为5ms。开关跳闸时间是指断路器执行跳闸执行所需时间，一般为5080ms。由于配网差动保护业务属于新兴业务，其业务执行时间要求尚未确定。现阶段，配网差动保护业务执行时间可以采用以下两种方法确定：沿用主网差动保护的技术规范和参考配网常规保护的技术规范。(一)、沿用主网差动保护的技术规范要求主网差动保护技术规范要求：当差动电流2倍整定值时，要求除开关跳闸时间外的保护动作时间（含采样处理、逻辑判断、出口继电器时间）25ms；当差动电流大于1.2倍整定值时，保护动作时间30ms。这里采用最严格的25ms作为配网差动保护的保护整组动作时间，相应的网络时延要求15ms。图 1-5 配网差动保护整组动作时间图 1-4 持续上行带宽流量需求差动保护2.36 Mbps886 GB宽带1.47 Kbps33 GBPMUDOU网络通信时延（传输时延和抖动）网络时延网络抖动业务通信时延（传输时延和抖动）或参考主网保护参考配网常规保护业务处理时间单次采样处理逻辑判断出口组电话开关流利业务处理时间(二)、参考配网常规保护的技术规范配网目前的常规保护业务处理时间（包含开关跳闸时间）要求100ms。考虑到配网自动化系统开关级联较多，因此需要考虑线路末端差动保护与变电站线路出口保护的时间配合问题，一般变电站出口保护预留给配网系统隔离故障的最大业务执行时间为300ms。为了缩小停电范围，同时考虑开关拒动的扩大化隔离故障，一般要求开关下游发生故障需要在150ms完成故障隔离，即业务执行时间为150ms。考虑预留一定的裕度，实际工程要求业务执行时间120ms，因此网络通信时间 = 业务执行时间（120ms）业务处理时间（100ms） = 20ms，考虑预留一定的裕度，要求网络延时15ms。在智能分布式FA场景中，如果配网某点发生故障后，故障点之前的开关控制器产生GOOSE信号，并向上下游DTU传递，每台DTU通过GOOSE信号和本级过流信号的比对，就地确定并执行故障区间并执行隔离策略、非故障区域自愈复电策略。全过程时延如下图所示：为避免引起客户用电闪动，要求FA全过程时间不超过100ms。因此通信传输 全过程时间100ms采集信号1msGOOSE信号生成5ms 信号比对10ms生成跳闸信号1ms出口继电器动作5ms减断路器跳闸50ms = 28ms。考虑预留一定的裕度，要求网络延时=20ms。此处应该说明，网络通信时延 = 网络传输时延 + 传输抖动。一般情况下，传输抖动较小，网络通信时延主要取决于网络传输时延。在保证业务传输可靠性的情况下，抖动越小越好。目前电网对传输抖动的要求没有量化的标准，为了适应5G网络的不确定性传输，一般通过设置缓存区本身的大小和应用层容错设计来解决此问题。1.2.2.3 对连续丢包性能的需求丢包是指一个或多个数据包无法在规定的时间内通过网络传输到达目的地。连续丢包可能会影响业务的正常运行。以配网差动保护为例，为了保证业务的顺利开展，规定如果保护终端连续3个时间间隔接收不到对端发送的数据包，该终端就会判断线路故障，并通过闭锁差动保护功能逻辑模块输出闭锁保护，同时产生差动保护闭锁告警信号并上传至配电主站；当通信恢复和数据正常保持大于40ms后解锁闭锁，差动保护逻辑模块恢复正常运行，同时产生差动保护闭锁接触信号并上传至配电主站。为了保障差动保护业务的顺利进行，要求连续丢包数3。5G确定性网络电力之需求洞察 06图 1-6 分布式FA整组动作时间通信传输通信传输X ms生成GOOSE信号5 ms采集信号1 ms信号比对10 ms生成跳闸信号1 ms出口继电器动作5 ms断路器跳开50 ms采集过流信号生成GOOSE信号信号逻辑比对故障点两侧开关跳闸DTU采集过流信号生成GOOSE信号信号逻辑比对DTU配电网发生相间短路故障5G确定性网络电力之需求洞察071.2.2.4 微秒级的时钟同步需求电力系统中的装置如PMU、保护终端、DTU等都内置了时钟，但这些时钟之间由于时钟初始值或时钟计时精度等问题难以同步，导致其相应的采集量也会出现时间偏差，进而影响电力业务的正确执行。以配网差动保护为例，如图1-7所示，线路两端保护终端不同步将导致线路两端差动电流IAIB数值计算不准确，影响差动电流计算和保护逻辑判断的准确性。因此，需要通过卫星授时等技术来实现全网设备和采集量的同步对时。实际工程中，配网差动保护要求对时精度10us；配网PMU要求对时精度1us。1.2.2.5 4个9的通道可用性需求通道可用性是通信通道全年可正常通信的分钟数占全年总分钟数之比，是电力客户与运行商的主要衔接指标。以配网差动保护为例，配网差动保护依赖对端持续发送的电流实时测量数据以判别故障，通信通道是否可用直接影响配网差动保护的正确顺利运行，因此对通道可用性要求高。电力企业要求一个配网差动保护判断周期内（连续5个采样点），通道可用率不低于99.9%，折算到单次通道可用率为99.99%。配网PMU对通道可用性的要求也相对较高，一般为99.9%。分布式FA属于事件触发类业务，对通道可用性的要求相对较低，一般为99%。图 1-7 配网差动保护同步对时需求示意图图 1-8 配网差动保护的通道可用率需求A端电流B端电流发送端 接受端连续5次通信通道可用率99.9%单次通道传输通道可用率99.99% D1 D2 D3 D4 D5D1 D2 D3 D4 D5IAIBt t+tt为A、B端终端时钟差非同步 同步IAIBt