2019.05.28

智能电网5G网络及切片应用

一、关键词

智能电网、5G、网络切片

二、发起公司和主要联系人联系方式

中兴通讯股份有限公司   邵伟翔   shao.weixiang@zte.com.cn
 国网上海市电力公司  柳劲松  liujinsong1888@126.com
中国移动通信集团有限公司上海公司 杜艳艳  duyy@sh.chinamobile.cm


三、合作公司

设备厂商和科研机构,提供相关技术支持,包括:
Ø  许继集团
Ø  南瑞集团
Ø  清华大学
Ø  合肥工业大学


四、测试床项目目标和概述

本测试床旨在提供一个可复制的使用5G网络切片实现的智能配电解决方案。该方案应用微型同步相量测量技术对智能配电网的多种要素(配电网故障、配电网运行状态、分布式电源系统、柔性负荷系统、用电营销系统、电动汽车接入)进行采集、分析和协调控制,并和5G系统相结合,实现基于网络切片的配电自动化、智能化,增加配电网的可靠性、灵活性及效率。

五、测试床解决方案架构

(一)      测试床应用场景
配电网直接面向电力用户,其性能对用户的供电可靠性有重要影响,也受到用户用电行为习惯的影响,随着大规模随机波动分布式能源的接入,电动汽车充电负荷快速增长,用户供需互动日益频繁,使源、网、荷具有更强的时空不确定性,对配网安全可靠运行带来更大挑战。
随着电力可靠供电要求的逐步提升,要求高可靠性供电区域能够实现电力不间断持续供电,将事故隔离时间大大缩短,减少停电区域和时间,对目前的集中式配电自动化中的主站集中处理能力和时延等提出了更加严峻的挑战,因此智能分布式配电自动化成为未来配网自动化发展的方向和趋势之一。
 
当前配电网络存在以下挑战:
Ø  如何最大可能地减少故障停电时间和范围,使配网故障处理时间从分钟级提高到秒级甚至毫秒级
Ø  如何利用配电网同步相量测量装置PMU实现配电网的状态感知和优化控制
Ø  如何实现配电自动化和电网其他业务的完全隔离
除了同步相量测量、差动保护等对时延有着高要求外,无人机、智能机器人巡检对带宽有着明确的需求,分布式能源接入、高级计量接入等场景大连接有明确的需求。本项目主要针对大规模分布式电源、电动汽车接入和负荷侧用户供需互动对配电网运行特性的影响,重点研究适用于配合智能配电网同步相量测量系统的5G网络切片技术,提供一个可复制的使用5G网络切片实现的智能配电解决方案。

(二)     测试床重点技术
针对当前配电网络存在的“如何最大可能地减少故障停电时间和范围,使配网故障处理时间从分钟级提高到秒级甚至毫秒级” 的挑战,本项目采用高精度微型同步相量测量装置技术应用在配电网,实现智能分布式配电自动化和毫秒级精准负荷控制。
针对当前配电网络存在的“如何利用配电网同步相量测量装置PMU实现配电网的状态感知和优化控制” 的挑战,本项目采用5G技术作为组网通信,构建满足运行状态估计和主动协调控制等应用需求的同步相量测量网络。
针对当前配电网络存在的“如何实现配电自动化和电网其他业务的完全隔离” 的挑战,本项目采用5G网络切片技术实现智能配电网的网络切片,从无线接入、承载网、核心网几个层面来实现配电自动化和电网其他业务的完全隔离。

(三)    技术创新性及先进性
测试床创新点:
ü  智能配电网微型同步相量测量应用技术
ü  5G无线网络技术在智能配电网中的验证
ü  5G网络切片技术实现智能配电网的网络切片
ü  5G模组应用实现智能电网端到端的解决方案

(四)     测试床解决方案架构
总体方案

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5G切片安全方案:切片间采用完全隔离。在业务场景中,控制区、采集区、管理区等不同的场景对网络时延、带宽、安全性等方面有着不同的要求,根据不同的需要来进行切片,技术实现上主要从无线接入、承载网、核心网等几个层面来开展网络切片,保障网络安全。

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六、预期成果

(一)     测试床的预期测试结果,针对测试项
验证5G网络在智能配网通信的可行性。
验证5G网络切片技术可以保证配电自动化和电网其他业务的完全隔离。

(二)     商业价值
可复制的使用5G网络切片实现的智能配电解决方案,配电网故障检测准确率达99%以上,综合故障测距精度达到150m,无线广域覆盖范围达99%以上,测量装置上线率达99%以上,高密度实时数据传输成功率达99%以上,为5G系统方案进入电力行业提供范式。

(三)     经济效益
实现电网内部多种业务切片混合组网、统一管理、统一运维、实现安全完全隔离,有效解决传统3G/4G无线专网的部分特性不支持智能配电组网方案;帮助电网客户大幅节省成本,预期5G网络切片组网比传统3G/4G无线专网建设成本降低20%,运营成本降低15%。

(四)     社会价值
探索出智能电网新模式,完善智能电网通信相关技术标准,推动行业制造技术进步。


七、测试床技术可行性

(一)     物理平台
一、相量数据集中装置PDC
1、功能要求:
1.          信息采集: 接收、处理和解释PMU报文
2.          通讯功能: 按照规约和协议与PMU / PDC / 主站交换数据
3.          信息转发:根据设置向不同主站发送不同数据;
4.          数据存贮:保存实时数据和扰动数据;
5.          状态自检:检查与PMU装置通讯状态;
6.          参数维护和修改:可以在当地和主站设置和修改设置参数。
2、通讯考核指标:
与主站通信带宽>10Mb/s,单台可接入PMU数量不低于20台,相量传输速率1、5、10、25、50、100帧/s可调,支持多种接入方式。
 
二、配电网同步相量测量装置PMU
1、通信特点
Ø  测量点多:大量终端
Ø  通信频次高, 相量数据传输要求100次/s
Ø  延时要求小:实时控制、保护等要求延时越小越好;毫秒级
Ø  数据多样性: 报文有大(录播文件)有小(相量/三遥信息)、实时性有高(相量保护等在线信息)有低(离线文件)
Ø  通信形式多样:主要信息流为PMU经接入网送PDC(多媒介专用相量集中处理装置,位于变电站)汇集后经骨干网送主站WAMS(广域监测系统),但也可能存在PMU之间、PDC之间以及和其它监测/控制/保护设备之间的对等通信,以满足快速保护和协调控制等要求。本方案中5G通信不通过PDC中转。

2、通信频次要求:频次高,易碰撞
PMU相量数据按100帧/s主动上传,按一条线路5台PMU计算,变电站8条线路,只是相量数据传输将达到每秒4K次,即250us要上传1次;变电站16线路,只是相量数据传输将达到每秒8K次,即125us要上传1次相量数据;如此高频度的数据并发出现在网络,同时有命令报文、录播文件、原来配电自动化三遥数据,将可能出现数据碰撞问题、导致通信质量下降,可靠性低,实时性差,误差率高。

3、延时要求:毫秒级
不同WAMS广域监测系统应用类型的典型通信传输需求

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4、通信速率要求
 
基于TCP的26865.2-2011格式数据的相量数据传输速率要求image.png

相量传输带宽主要取决于通信速率和PMU数量,以及PMU内部的相量数量和数据类型。TCP比UDP方式稍有增加,整形和浮点型相比明显减少。
主干网:按变电站一个PDC汇集100台PMU,每台PMU接入12个相量,使用TCP方式,100 帧/s通信速率,PDC上行通道需要3.9Mb/s的通信带宽(未考虑快速录播文件)。
接入网:1个PMU,10个相量,使用TCP方式,100 帧/ s通信速率,PMU上行通道需要100.8Kb/s的通信带宽(未考虑快速录播文件)。

5、配电网PMU/PDC/主站等多方通信要求

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三、智能配电网通信组网要求
Ø  同步相量测量装置PMU接入变电站PDC通信带宽在100kbps ~ 200kbps 之间;
Ø  变电站PDC 接入主站WAMS通信带宽2Mbps~10Mbps ;
Ø  通信延时小于20ms ;
Ø  支持业务重要程度按预定优先级传输;
Ø  支持终端之间直接对等通信方式;
Ø  支持TCP/UDP混合通信方式;
Ø  支持点对点通信(C/S结构)和UDP组播通信方式。
 
四、测试床网络结构
网络结构见下图。无线和核心网的站点机房都部署在浦东临港,上海电力的监控中心位于浦东南路,监控中心和核心网机房两个点之间建立专用数据链路。

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五、测试床物理部署方案
示范区为临港南边区域,西边靠近奉贤,南边为杭州湾,东临东海,北边到兴旺变电站,面积约100平方公里,如下图所示。初期项目要求建设2-3个5G基站,覆盖上海电力学院附近区域。

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六、测试床网络部署模型

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上海电力临港示范区配电网的PMU(同步相量测量装置)/ PDC(多媒介专用相量集中处理装置)和5G终端互通,通过5G网络实现组网接入主站配网WAMS系统。
 
七、测试床组网方案

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(二)          软件平台
本验证示范平台的软件平台主要包括两大系统:配电网主站广域相量测量系统、5G核心网平台。
配电网软件系统对应于“智能电网技术与装备”重点专项 2017 年度项目申报指南第三大部分“多元用户供需互动用电”第1个项目“智能配电网微型同步相量测量应用技术(共性关键技术类)”,包括具体技术方案:基于该装置的配电网故障诊断及精确定位方法;配电网运行状态估计方法;分布式电源、柔性负荷、用电营销等系统的相关信息集成机制、多维数据分析方法与协调控制技术;
5G核心网平台包括5G核心网软件、虚拟化软件、网络切片技术等。
 

八、和AII技术的关系

(一)          与AII总体架构的关系
参考AII总体架构设计,本验证示范平台对照符合工业互联网泛在的无线连接需求,采用5G新型网络技术研究和部署来支撑工业互联网发展。
本验证示范平台对照满足AII安全体系和AII数据体系目标框架。

(二)          AII安全(可选)
本验证示范平台将遵循工业互联网产业联盟提供的安全体系, 将和AII安全组密切合作,邀请安全组成员参加验证示范平台项目评审。
本验证示范平台的安全机制:
对于智能电网的应用,管侧安全重点聚焦“网络专用、横向隔离”,5G 网络将重点关注网络切片安全,以及网络安全的能力开放两方面。
1、5G 核心网提供多层次的切片安全保障,为智能电网业务提供差异化的隔离服务。5G 切片安全机制主要包含三个方面:UE 接入安全、网络域安全,外网设备访问安全。
1)UE 接入安全:通过接入策略控制来应对访问类的风险,由AMF 对UE 进行鉴权,从而保证接入网络的UE 是合法的。另外,可以通过PDU(分组数据单元)会话机制来防止UE 的未授权访问。
2)网络域安全:网络域通信安全可以分为NF 间互访安全、不同切片间NF 的隔离和切片内的NF 间安全三种情况。
3)外网设备访问安全:在切片内NF 与外网设备间,部署虚拟防火墙或物理防火墙,保护切片内网与外网的安全。如果在切片内部署防火墙则可以使用虚拟防火墙,不同的切片按需编排;如果在切片外部署防火墙则可以使用物理防火墙,一个防火墙可以保障多个切片的安全。
2、5G 网络安全能力开放,助力智能电网实时更灵活的安全保障措施。体现5G 网元与外部业务提供方的安全能力开放,包括开放认证与密钥管理。也可以根据业务对于数据保护的安全需求,提供按需的用户面保护。
 
(三)          详细清单(可选)
验证示范平台中设计的组件:
l  现场级:
Ø  IT网络接入:智能网关/交换机/路由器;
Ø  无线接入:5G基站、5G终端;
Ø  PMU(同步相量测量装置)/ PDC(多媒介专用相量集中处理装置)
l  平台层:主站WAMS广域监测系统、5G核心网平台
 
(四)          风险模型(可选)
本平台面临的风险如下:
l  设备层面,本平台中使用的PMU、PDC、5G基站、5G终端是最关键部件,如果受到内外部攻击或操作错误影响,会产生严重后果。
l  控制层面,本平台中,主站WAMS广域监测系统、5G核心网平台,是比较脆弱的部件,可建立相对独立的网络,采用防火墙与其他网络系统相隔离。
l  网络层面,网络通信过程包括PMU/PDC与5G终端CPE、5G终端CPE与5G RRU、5G RRU与5G BBU、5G BBU平台与5G核心网平台之间等存在安全风险,如非授权访问或对设备的网络攻击。
l  应用层面,主站WAMS广域监测系统存在安全风险如非授权访问等。
 
(五)          安全联系人
中兴通讯股份有限公司 林兆骥 lin.zhaoji@zte.com.cn

(六)          与已存在AII测试床的关系
AII现没有5G网络相关测试床,也没有电力行业相关测试床。


九、交付件

本测试床交付件包括下列方面:
l  验证示范平台技术框架方案、5G网络切片设计方案、5G网络无线基站部署方案、智能配电网PMU/PDC和5G终端互通方案、5G模组应用实现智能电网端到端的解决方案
l  验证示范平台相关实体,如5G网络无线基站、 5G终端、 5G核心网、PMU(同步相量测量装置)、 PDC(多媒介专用相量集中处理装置)、 WAMS(广域监测系统)等
l  验证示范平台测试文档、评估报告和可复制的商业流程说明


十、测试床使用者

测试床初期仅限于现有的合作伙伴使用,示范平台成熟后向联盟中企业及社会开放

十一、     知识产权说明

中兴通讯股份有限公司、国网上海市电力公司、中国移动通信集团有限公司上海公司对本测试床的建设、运营以及使用拥有产权。本测试床相关的专利、软件著作权等在测试建设合作单位中根据情况协商确定。

十二、     部署,操作和访问使用

本测试床依托国家项目:智能电网技术与装备重点专项 2017 年度项目申报指南第三大部分“多元用户供需互动用电”第1个项目“智能配电网微型同步相量测量应用技术(共性关键技术类)”
验证示范平台部署在上海电力临港示范区。初期将开放给项目参与单位开展技术试验,待成熟后向更多的合作伙伴开放。


十三、     资金

本测试床验证示范平台将利用中兴通讯自有资金和上海电力“智能电网技术与装备”重点专项已有的财政资金参与建设,不需要另外筹集资金。

十四、     时间轴

本验证平台建设周期拟为三年
2018年12月完成实验验证平台需求分析、系统方案设计、关键部件选型,并进行5G网络无线基站建设,覆盖上海电力学院附近区域。
2019年6月实现5G网络和PMU、监控主站的对接,完成通过5G网络通道传输PMU数据的技术验证,并完成5G网络通道的测试评估。
2020年6月完成通过5G切片实现电力专用通信网络的可行性研究,具体包括验证网络切片对各类智能电网业务的支持、验证网络安全性、验证网络高可靠性、验证组网结构等;2020年12月完成5G模组应用实现智能电网端到端的解决方案。


十五、     附加信息

英文词汇表

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