文獻標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.191131
中文引用格式： 夏旭，袁欣，梁云，等. 5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)在智能電網(wǎng)的應(yīng)用研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2020，46(1)：17-21.
英文引用格式： Xia Xu，Yuan Xin，Liang Yun，et al. Research on 5G network slicing enabling the smart grid[J]. Application of Electronic Technique，2020，46(1)：17-21.
0 引言
網(wǎng)絡(luò)切片作為5G賦能垂直行業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)，是利用虛擬專網(wǎng)技術(shù)，通過切片平臺，為智慧家庭、智能工廠、車聯(lián)網(wǎng)及公共安全等不同行業(yè)提供端到端的大帶寬、低時延、高可靠的靈活定制化5G服務(wù)，實現(xiàn)垂直行業(yè)的業(yè)務(wù)快速上線和更極致的用戶體驗[1-2]。運營商可從5G網(wǎng)絡(luò)切片減少網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入和高附加值服務(wù)收入來增加5G營收利潤。
在當(dāng)今經(jīng)濟的發(fā)展趨勢下，傳統(tǒng)電網(wǎng)已不能夠滿足電力行業(yè)的需求，智能電網(wǎng)成為發(fā)展方向。而就目前來說，電網(wǎng)已成為工業(yè)化、信息化社會發(fā)展的基礎(chǔ)和重要組成部分。智能電網(wǎng)將通信技術(shù)、計算機技術(shù)、傳感測量技術(shù)、控制技術(shù)等諸多先進技術(shù)和原有的電網(wǎng)設(shè)施進行高度融合與集成，形成新型電網(wǎng)，代表了未來電網(wǎng)的發(fā)展趨勢。近年來，電力通信需求也日益旺盛，智能電網(wǎng)建設(shè)對電力通信承載力提出更高要求。智能電網(wǎng)建設(shè)離不開電力通信，尤其進入5G時代，智能電網(wǎng)將是一個自愈、安全、經(jīng)濟、清潔，且能夠提供適應(yīng)數(shù)字時代的優(yōu)質(zhì)電力網(wǎng)絡(luò)。5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)在電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、變電、配電、用電，以及應(yīng)急通信各個環(huán)節(jié)均有不同程度的應(yīng)用，如：增強移動寬帶、大連接和低時延高可靠的切片來滿足電網(wǎng)業(yè)務(wù)的安全性、可常性和靈活性需求,實現(xiàn)差異化服務(wù)保障，進一步提升電網(wǎng)企業(yè)對自身業(yè)務(wù)的自主可控能力，實現(xiàn)行業(yè)專網(wǎng)服務(wù)[3]。
5G網(wǎng)絡(luò)切片在智能電網(wǎng)應(yīng)用處于起步階段，運營商將與電網(wǎng)企業(yè)、電力終端設(shè)備廠商和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備商共同引領(lǐng)電力5G技術(shù)研究,探索定制化的5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)在端到端電網(wǎng)的高隔離性應(yīng)用，更好地滿足電力網(wǎng)絡(luò)對“行業(yè)專網(wǎng)”的訴求，為智能電網(wǎng)不同業(yè)務(wù)提供差異化的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力，促進5G電力通信產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展。雖然5G網(wǎng)絡(luò)切片可以為智能電網(wǎng)的實現(xiàn)帶來諸多益處，但是如何利用網(wǎng)絡(luò)切片為電力企業(yè)帶來經(jīng)濟利益還不明確。5G給智能電網(wǎng)注入新動能，本文通過電力用戶的需求進行整理和分析，結(jié)合電力市場策略等角度分析5G網(wǎng)絡(luò)切片使能智能電網(wǎng)的經(jīng)濟效益，運營商與電力行業(yè)的合作模式將發(fā)生變革，給出5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)在智能電網(wǎng)的應(yīng)用研究和建議，推動雙贏的5G智能電網(wǎng)切片的高質(zhì)量的發(fā)展。
智能電網(wǎng)要求網(wǎng)絡(luò)足夠靈活，以保證提供服務(wù)的多樣化及可靠性。5G網(wǎng)絡(luò)僅使用一種類型的通信網(wǎng)絡(luò)就可以管理和控制電網(wǎng)的多個部分，從而使智能電網(wǎng)獲取對公共事業(yè)和能源消費者的成本效益，電網(wǎng)和5G網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合將為智能工業(yè)革命奠定堅實的基礎(chǔ)，對促進經(jīng)濟社會協(xié)調(diào)與可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。它為更好的生活、更清潔的環(huán)境和更和諧的社會提供了有力的支持。這有助于完善能源管理，并實現(xiàn)向清潔能源和電能的轉(zhuǎn)化[4]。
1 四大典型場景
通過對智能電網(wǎng)在發(fā)電、輸電、變電、配電及用電的環(huán)節(jié)充分的需求調(diào)研、討論和分析，本文從中識別并篩選出了對于5G具有潛在需求在智能電網(wǎng)中最具代表性的四大場景：無人機智能電網(wǎng)巡檢、AMI智能抄表、智能分布式配電自動化、毫秒級精準(zhǔn)負(fù)荷控制。
1.1 無人機的智能電網(wǎng)巡檢
輸電線路網(wǎng)絡(luò)巡檢的安全性、準(zhǔn)確性是長期困擾電力運維部門的難題。目前，電網(wǎng)主要依靠地面人員或低空飛行的直升機開展電網(wǎng)的巡檢工作。近年來，無人機作為一種高科技的巡檢利器在電網(wǎng)行業(yè)中得到迅速推廣與應(yīng)用。無人機為這種高成本、危險的工作提供了替代方案，基于無人機進行輸電線路網(wǎng)絡(luò)檢查可以避免潛在風(fēng)險，規(guī)避緊急情況，提高巡檢效率。無人機巡檢的另一優(yōu)勢在于遠(yuǎn)程圖像的高清傳輸。如圖1所示，使用無人機巡檢對5G網(wǎng)絡(luò)切片的通信要求如下：
(1)超高吞吐量(Gbit/s帶寬的高清圖像和視頻傳輸)；
(2)廣覆蓋范圍和高移動性(無人機業(yè)務(wù))；
(3)能源效率(無人機消耗的能源效率更高)。
5G網(wǎng)絡(luò)的eMBB切片可以使無人機能夠更加快捷地接受信息和任務(wù)指令、傳輸高清視頻流，5G的切片技術(shù)還能適應(yīng)無人機對上下行帶寬、時延的個性化需求，使數(shù)據(jù)傳輸更加安全可靠。
1.2 AMI智能抄表
高級量測體系(AMI)是智能電網(wǎng)的用電信息采集系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。人工上門抄表存在的問題：誤差大、效率低、人工成本高，無法實時收集和分析消費數(shù)據(jù)；無法實現(xiàn)預(yù)付費及多費率控制，繳費困難，只有單一的營業(yè)廳繳費方式，用戶體驗差，電費回收緩慢；無法預(yù)防各種竊電行為；對用采集用電信息不能進行有效的線損分析。電力消耗需要實時監(jiān)控和分析，以便為終端用戶提供高效且連續(xù)的服務(wù)。5G網(wǎng)絡(luò)切片的AMI智能電表定制化能力提供密切監(jiān)視所消耗的電能質(zhì)量，標(biāo)記分布式配電網(wǎng)中的異常測量值以及智能抄表設(shè)備數(shù)字身份信息的安全交換，對電力變壓器以及線路的運行狀態(tài)有直觀清晰的了解，可以及時發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)存在的隱患。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)異常，如變壓器過載、竊電、漏電等問題，系統(tǒng)中會及時給出告警，工作人員可以快速定位問題發(fā)生的地點，并及時趕往問題地點進行維修。
如圖2所示，AMI智能抄表用對5G網(wǎng)絡(luò)切片的通信的要求如下：
(1)大規(guī)模終端(大規(guī)模訪問，海量終端數(shù))；
(2)高密度的網(wǎng)絡(luò)連接；
(3)高安全性(用戶信息的網(wǎng)絡(luò)傳輸安全)。
使用5G網(wǎng)絡(luò)的mMTC切片可以滿足這些要求。利用海量連接實現(xiàn)可靠、安全和開放的AMI智能抄表最后一公里通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，為智能電網(wǎng)與用戶間的雙向互動提供堅實保障。
1.3 智能分布式配電自動化
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，將事故隔離時間縮短至毫秒級，實現(xiàn)區(qū)域不停電服務(wù)。這對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。其特點在于將原來主站的處理邏輯分布式下沉到智能配電化終端，通過各終端間的對等通信，實現(xiàn)智能判斷、分析、故障定位、故障隔離以及非故障區(qū)域供電恢復(fù)等操作，從而實現(xiàn)故障處理過程的全自動進行，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毫秒級。基于5G技術(shù)的智能分布式配電自動化項目將顯著提升配網(wǎng)供電可靠性，讓停電區(qū)域面積更小、居民停電次數(shù)更少、來電等待時間更短、客戶用電滿意度更高。如圖3所示，配電自動化用例對通信網(wǎng)絡(luò)的要求如下：
(1)超低延遲(電網(wǎng)控制和保護設(shè)備的快速操作)；
(2)高安全性(確保系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)攻擊后不斷電)；
(3)高終端密度(單個站點連接數(shù)千個電網(wǎng)控制和保護設(shè)備)；
(4)高可靠性。
使用5G網(wǎng)絡(luò)的uRLLC切片可以滿足配電自動化的通信要求，利用高可靠性、安全性和低時延等特點，讓智能分布式配電自動化保護具有更好的選擇性、靈敏性和快速性。
1.4 毫秒級精準(zhǔn)負(fù)荷控制
小規(guī)模的停電，通過高負(fù)載的雪崩效應(yīng)變成大規(guī)模的停電，是電力的痛點之一。隨著用電需求的增加，將有更多的發(fā)電機投入使用，智能電網(wǎng)中的精準(zhǔn)負(fù)荷控制可以幫助公用事業(yè)改善此痛點。毫秒級負(fù)荷控制可以靈活地管理用戶的可中斷負(fù)載，控制對象精準(zhǔn)到生產(chǎn)企業(yè)內(nèi)部的可中斷負(fù)荷，既滿足電網(wǎng)緊急情況下的應(yīng)急處置，同時僅涉及經(jīng)濟生活中的企業(yè)用戶，且為用戶的可中斷負(fù)荷，又將經(jīng)濟損失、社會影響降至了最低[5]。傳統(tǒng)配網(wǎng)由于缺少通信網(wǎng)絡(luò)支持，切除負(fù)荷手段相對簡單粗暴，通常只能切除整條配電線路。如圖4所示，毫秒級精準(zhǔn)負(fù)荷控制用例對通信網(wǎng)絡(luò)的要求如下：
(1)超低時延(以毫秒為單位，可以快速響應(yīng)不斷增長的需求)[6]；
(2)高網(wǎng)絡(luò)可靠性(高達(dá)99.999％，以確保在需要時可以立即操作設(shè)備和機器)[7]；
(3)高安全性；
(4)高設(shè)備密度，數(shù)十萬個設(shè)備精確負(fù)荷控制。
從業(yè)務(wù)影響、用戶體驗等角度出發(fā)，通過5G網(wǎng)絡(luò)uRLLC切片精準(zhǔn)控制，做到減少對重要用戶的影響，優(yōu)先切除可中斷非重要負(fù)荷，例如電動汽車充電樁、工廠內(nèi)部非連續(xù)生產(chǎn)的電源等。
2 端到端的5G電力切片業(yè)務(wù)模型
5G網(wǎng)絡(luò)切片是一組相互獨立的可編程資源，能夠提高網(wǎng)絡(luò)功能、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)切片具有兩大特點：可編程性、資源獨立性。5G網(wǎng)絡(luò)切片綜合軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）與其他自動技術(shù)，能夠按照不同顧客的特定需求靈活地提供服務(wù)。因此，運營商僅需一張物理網(wǎng)，便可針對不同行業(yè)的應(yīng)用場景，提供不同功能的5G網(wǎng)絡(luò)切片。5G網(wǎng)絡(luò)切片對智能電網(wǎng)發(fā)展具有深遠(yuǎn)的影響，關(guān)鍵在于運營商如何提供5G網(wǎng)絡(luò)切片的服務(wù)模型，并由此電力行業(yè)和運營商能雙方受益。
2.1 智能電網(wǎng)潛在業(yè)務(wù)模型
過去，電信運營商并未積極參與電力公共設(shè)施領(lǐng)域。電力公司更喜歡使用自己的通信方案(如PLC、Nb-IoT和eLTE網(wǎng)絡(luò))來滿足其電網(wǎng)通信的需求。部分原因是運營商公用設(shè)施的性質(zhì)不太適合不能保證服務(wù)質(zhì)量（QoS）的單一共享網(wǎng)絡(luò)。運營商需要為電力公司提供高服務(wù)質(zhì)量保證的網(wǎng)絡(luò)，將服務(wù)轉(zhuǎn)向網(wǎng)絡(luò)。5G網(wǎng)絡(luò)切片可以作為運營商的切入點，通過5G網(wǎng)絡(luò)切片滿足電力公司所有智能電網(wǎng)場景的定制要求，并通過新型業(yè)務(wù)和節(jié)約成本為電力公司和運營商創(chuàng)造服務(wù)商業(yè)價值，如圖5所示。
從歷史上看，運營商在為電力公司提供連接時，每個設(shè)備型號都有固定的租賃費用。服務(wù)定價不會因網(wǎng)絡(luò)的帶寬或其他關(guān)鍵業(yè)績指標(biāo)而變化。過去情況確實如此，因為智能電表等連接設(shè)備的當(dāng)前通信要求非常低。但是，運營商需要超越每臺設(shè)備固定租金的業(yè)務(wù)模式。這需要從提供服務(wù)認(rèn)購效率更改為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)業(yè)務(wù)模型。這意味著除了每臺設(shè)備的固定價格外，運營商還需要根據(jù)定制網(wǎng)絡(luò)切片的基于績效的關(guān)鍵業(yè)績指標(biāo)收費，實際上是對基于性能的服務(wù)水平協(xié)議(SLA)收費。由于使用了5G網(wǎng)絡(luò)切片，基于網(wǎng)絡(luò)切片提供連接的運營商演化產(chǎn)生的業(yè)務(wù)模式可以基于公用設(shè)備的增值來定價。運營商可以根據(jù)這部分總增值的收入分成收取額外費用。
提供網(wǎng)絡(luò)切片服務(wù)，運營商還可以提供額外的增值服務(wù)，如切片管理平臺，其中公用事業(yè)單位可以用易于使用的接口來接收包含所有KPI的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)運營商授權(quán)即可擁有一定程度的自運維自管理權(quán)限，根據(jù)需要管理正在使用的網(wǎng)絡(luò)切片，例如添加或者移除一個設(shè)備到已訂閱的切片，以確保滿足SLA服務(wù)水平協(xié)議的要求。
2.2 5G智能電力切片
5G網(wǎng)絡(luò)及其服務(wù)化架構(gòu)是一個統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)，具有有靈活、可靠、低延遲、高數(shù)據(jù)速率和高帶寬等特點，可滿足智能電網(wǎng)的所有關(guān)鍵通信需求。在歷史上，由于電網(wǎng)運營商廣泛使用了光纖專網(wǎng)、LTE無線專網(wǎng)等多種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，電信和運營商為電網(wǎng)提供的通信服務(wù)相對有限。另一個重要原因在于傳統(tǒng)的3G/4G公用網(wǎng)絡(luò)是一個大型的一體化管道，運營商無法為電力行業(yè)客戶提供差異化的服務(wù)質(zhì)量/服務(wù)水平維護。例如，如果在農(nóng)歷新年期間，由于普通消費者數(shù)據(jù)的大量傳輸，3G/4G通信網(wǎng)絡(luò)變得擁擠不堪，電力系統(tǒng)的高級計量的抄表業(yè)務(wù)將受到較大的影響。
5G網(wǎng)絡(luò)切片是在共享基礎(chǔ)設(shè)施上運行的多個邏輯網(wǎng)絡(luò)，提供給租戶一定的獨立運營能力的可保證的SLA 基礎(chǔ)上的定制化網(wǎng)絡(luò)。5G網(wǎng)絡(luò)切片具有三大特點：差異化加確定性的QoS/SLA保障、業(yè)務(wù)隔離性、獨立運營性。5G網(wǎng)絡(luò)切片綜合了軟件定義網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)虛擬化、服務(wù)化架構(gòu)與其他自動化技術(shù)，能夠按照不同用戶的需求提供靈活的定制化服務(wù)。因此，運營商僅需一張物理網(wǎng)，便可針對不同行業(yè)的應(yīng)用場景，提供不同功能的5G網(wǎng)絡(luò)切片，如圖6所示。
智能電網(wǎng)行業(yè)存在多種應(yīng)用場景，其通信時延需求、數(shù)據(jù)傳輸大小、設(shè)備數(shù)量多少都存在差異，從而造成信息交互也千差萬別。因此，電信和運營商需要與電網(wǎng)公司密切合作，定義網(wǎng)絡(luò)切片模板、設(shè)計網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)，為智能電網(wǎng)提供合適的網(wǎng)絡(luò)切片，同時還要能夠針對不同應(yīng)用場景對網(wǎng)絡(luò)切片進行靈活調(diào)整。通過這一方法，運營商能夠同時為一個或多個電網(wǎng)公司的不同應(yīng)用場景設(shè)計、管理并維護多張電網(wǎng)切片。
5G端到端網(wǎng)絡(luò)切片由接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、核心網(wǎng)組成，這三者與電網(wǎng)終端設(shè)備和應(yīng)用相互配合，滿足智 能電網(wǎng)不同應(yīng)用場景的需求。在將5G網(wǎng)絡(luò)切片應(yīng)用于智能電網(wǎng)的過程中，接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、核心網(wǎng)3個域的作用都十分關(guān)鍵。運營商可針對不同應(yīng)用場景的特定需求，提供不同的網(wǎng)絡(luò)切片配置組合，并提供網(wǎng)絡(luò)切片的端到端全生命周期服務(wù)，這具體取決于運營商和電網(wǎng)之間的商業(yè)模式以及服務(wù)條款，包括但不限于切片開通、KPI 監(jiān)測、運行維護、切片優(yōu)化、切片停用等。
3 運營商智能網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)切片的TCO和ROI
相比傳統(tǒng)專網(wǎng)而言，5G網(wǎng)絡(luò)切片的整體成本較低，主要原因之一便是網(wǎng)絡(luò)共享。5G網(wǎng)絡(luò)切片通過一張共 享基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，可以滿足不同垂直行業(yè)不同應(yīng)用場景的定制化需求，因此運營商可避免重復(fù)投資建設(shè)多張網(wǎng)絡(luò)。在應(yīng)用場景不斷增加的情況下，這大大降低了每一個應(yīng)用場景的硬件資本支出。使用5G網(wǎng)絡(luò)切片，運營商可使用同一基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)于不同垂直行業(yè)的應(yīng)用場景，無需增加重復(fù)基礎(chǔ)設(shè)施投資便可為每個應(yīng)用場景提供不同 QoS/SLA水平的定制化服務(wù)。這大大降低了5G網(wǎng)絡(luò)切片的總投資成本，從而幫助運營商獲得更高的投資收益。
基于運營商視角的指示性投資回報率(ROI)計算投資回報率評估該區(qū)域公用事業(yè)單位5G網(wǎng)絡(luò)切片使能智能電網(wǎng)4個典型應(yīng)用場景的投資回報率，分析使用網(wǎng)絡(luò)切片為電網(wǎng)公司創(chuàng)造的附加價值、收入增加、節(jié)約成本。
基于電網(wǎng)客戶視角的總所有成本(TCO)比較配電自動化、AMI智能抄表、基于無人機的智能巡檢和精準(zhǔn)負(fù)荷控制，評估光纖網(wǎng)絡(luò)的總擁有成本需要考慮專用光纖的建設(shè)成本和運營支出，以及通過專用光纖網(wǎng)絡(luò)連接的所有電網(wǎng)設(shè)備終端為了接入光纖網(wǎng)絡(luò)所需的接口改造成本。評估4GLTE專網(wǎng)的總擁有成本需要考慮基站、核心網(wǎng)、通信塔等相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的建設(shè)成本、運營支出，以及每個終端為了接入LTE專網(wǎng)所需的芯片/模組改造成本。評估5G網(wǎng)絡(luò)切片的總成本則主要考慮了基于不同業(yè)務(wù)場景的差異化QoS/SLA需求，而支付給電信運營商的不同等級的切片即服務(wù)(NSaaS)訂閱費用，最終可簡單折算為不同業(yè)務(wù)終端所支付的不同價格的月租費和不同ARPU。
4 結(jié)論
電網(wǎng)是國家的基礎(chǔ)設(shè)施，5G助力智能電網(wǎng)應(yīng)用研究，本文梳理了5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)在智能電網(wǎng)的4種典型應(yīng)用場景，提出了5G電力切片的挑戰(zhàn)和前景，帶來匹配智能電網(wǎng)不同業(yè)務(wù)的差異化絡(luò)切片的服務(wù)能力、靈活高效的切片運營管理能力和高可靠的安全隔離能力。同時，基于4種典型應(yīng)用場景，分析了智能電網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)切片總成本（TCO）和投資回報率（ROI），開展5G網(wǎng)絡(luò)切片在智能電網(wǎng)應(yīng)用的技術(shù)可行和商業(yè)可行性研究和探索，為5G網(wǎng)絡(luò)切片賦能智能電網(wǎng)建設(shè)打好基礎(chǔ)。
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作者信息:
夏 旭1，袁 欣2，梁 云3，張 蕾1
(1.中國電信智能網(wǎng)絡(luò)與終端研究院，北京102209；
2.中企大象金融信息服務(wù)有限公司，北京100089；3.全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司，北京102200)