程远
中讯邮电设计院有限公司
摘 要
本文主要研究面向能源互联网的5G网络切片应用,通过基于SDN技术的5G网络切片服务接入，在保证业务质量的情况下实现终端接入业务体验与网络资源利用间的最优适配和隔离，探索应用示范。
关键词：
SDN技术 5G网络切片 切片管理
1概述
近年来，国家电网公司积极建设智能电网，提升电网本质安全水平。随着用电信息采集、配电自动化、分布式能源接入、电动汽车服务、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，迫切需要适用于电力行业应用特点的实时、稳定、可靠、高效的新兴通信技术及系统支撑，实现智能设备状态监测和信息收集，激发电力运行新型的作业方式和用电服务模式。网络切片技术作为拥有敏捷和可定制的能力，能够为不同的应用打造一个“专属”网络的5G关键技术，与电网的深度结合必将成为发展可靠的智能电网的基础。
本文重点研究不同电力业务场景下5G网络切片SLA需求，从发电、输电、变电、配电及用电5个环节的终端业务接入需求出发，基于5G网络的差异化切片服务能力，对典型业务诸如智能分布式配电自动化、毫秒级精准负荷控制、低压用电信息采集、分布式电源等的最佳网络切片承载特点进行适配性研究。
1.1SDN技术
软件定义网络（Software?Defined?Network，SDN）是一种新兴的基于软件的网络架构技术，其最大特点是具有松耦合的控制平面与数据平面、支持集中化的网络状态控制、实现底层网络设施对上层应用的透明。它具有灵活的软件编程能力，使得网络的自动化管理和控制能力获得了空前的提升，能够有效解决网络面临的资源规模扩展受限、组网灵活性差、难以快速满足新业务需求等问题。
1.25G网络切片及能力开放
作为5G移动通信的关键技术之一，网络切片一直倍受关注。基于软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFV）等技术，将一张5G物理网络在逻辑上切割成多张虚拟的端到端网络。每张虚拟网络之间，包括网络内的核心网、承载网、无线网，都是相互隔离的，都是逻辑独立的，任何一张虚拟网络发生故障时都不会影响到其它虚拟网络。 5G的“网络切片”技术根据应用、场景、需求进行网络资源的管理编排，进行网络功能的裁剪定制，为客户自动化提供“量身定制”的“专属”虚拟网络，可以满足差异化SLA（Service Level Agreement，服务等级协议）服务的QoS需求，可以保证不同垂直行业、不同客户、不同场景、不同业务之间的安全隔离，实现NaaS（Network as a Service，网络即服务）。
2项目研究的关键难点
2.1能源互联网业务场景与5G网络切片的适配
目前5G公网的网络切片标准化方案正在制定之中，按5G的接入能力主要可分为eMBB、uRLLC和mMTC三类，分别解决高带宽、低时延与大连接业务场景，切片的应用方案包括切片模板设计、切片选择策略、切片组网和空口优化、切片划分策略与切片全生命周期管理等方面内容，主要设计原则是满足行业应用的服务质量。然而智能电网作为大型行业应用系统，业务自身具有行业特有属性要求，除了服务质量需求外，还具有安全隔离、可信认证、可管可控等要求，已有或正在制定的公网切片应用方案无法完全满足电力行业的应用需求。因此如何针对智能电网差动保护、配电自动化等典型电力应用场景进行业务协议、传输特性与安全性的切片适配，设计相应网络切片应用方案，实现公网切片与电力业务的双向适配是是项目的关键点和技术难点。
3研究内容
3.1 智能分布式配电自动化
配电自动化（Distributed Automation）是一项集计算机技术、数据传输、控制技术、现代化设备及管理于一体的综合信息管理系统，其目的是提高供电可靠性，改进电能质量，向用户提供优质服务，降低运行费用，减轻运行人员的劳动强度。
当前主流方案采用集中式配电自动化方案，其通信系统主要传输数据业务，包括终端上传主站(上行方向)的遥测、遥信信息采集业务以及主站下发终端（下行方向）的常规总召、线路故障定位（定线、定段）隔离、恢复时的遥控命令，上行流量大、下行流量小，主站为地市集中部署。
因此，智能分布式配电自动化对通信网络的关键需求包括：
?超低时延：毫秒级
?高隔离：配电自动化属于电网I/II生产大区业务，要求和其它III/IV管理大区业务完全隔离
?可靠性： 99.999%
3.2 毫秒级精准负荷控制
电网负荷控制主要包括调度批量负荷控制和营销负荷控制系统两种控制模式。电网故障情况下，负荷控制主要通过第二道防线的稳控系统紧急切除负荷，防止电网稳定破坏；通过第三道防线的低频低压减载装置负荷减载，避免电网崩溃；这种稳控装置集中切负荷社会影响较大，电网第三道防线措施意味着用电负荷更大面积损失。
传统配网由于缺少通信网络支持，切除负荷手段相对简单粗暴，通常只能切除整条配电线路。从业务影响、用户体验等角度出发，希望尽可能做到减少对重要用户的影响，通过精准控制，优先切除可中断非重要负荷，例如电动汽车充电桩、工厂内部非连续生产的电源等。
因此，毫秒级精准负荷控制对通信网络的关键需求包括：
?超低时延：毫秒级
?高隔离：精准负荷控制属于电网I/II生产大区业务，要求和其它III/IV管理大区业务完全隔离
?高可靠性：99.999%
3.3 低压用电信息采集
低压用电信息采集业务是对电力用户的用电信息进行采集、处理和实时监控的系统，实现用电信息的自动采集、计量异常监测、电能质量监测、用电分析和管理、相关信息发布、分布式能源监控、智能用电设备的信息交互等功能。其呈现出上行流量大、下行流量小的特点，现有的通讯方式主要包括无线公网和光纤传输方式，各类用户终端采用集中器方式目前主站为省公司集中部署。
未来新业务带来用电信息数据（准）实时上报的新需求。同时，终端数量级进一步提升。未来的用电信息采集将进一步延伸到家庭，能够获取所有用电终端的负荷信息，以更精细化的实现供需平衡，牵引合理错峰用电。因此，低压用电信息采集对通信网络的关键需求包括：
?海量接入：千万级终端接入
?高频率高并发：未来秒级~准实时数据上报
3.4 分布式电源
风力发电、太阳能发电、电动汽车充换电站、储能设备及微网等新型分布式电源是一种建在用户端的能源供应方式，可独立运行，也可并网运行。但是，分布式电源并网给配电网的安全稳定运行带来了新的技术问题和挑战。由于传统配电网的设计并未考虑分布式电源的接入。在并入分布式电源后，网络的结构发生了根本变化，将从原来的单电源辐射状网络变为双电源甚至多电源网络，配网侧的潮流方式更加复杂。用户既是用电方，又是发电方，电流呈现出双向流动、实时动态变化。
因此，配电网急需发展新的技术和工具，增加配电网的可靠性、灵活性及效率。其对通信网络的关键需求可以总结为：
?海量接入：百万级~千万级终端接入
?低时延：分布式电源管理包括上行数据采集和下行控制，其中下行控制流需要秒级时延
?高可靠性：99.999%
基于以上对智能电网的应用场景分析可见，不同场景下的业务的要求差异较大，主要体现在不同的技术指标要求上。我们需要相应的智能电网切片。进一步量化切片安全性要求、业务隔离要求、端到端业务时延要求，协商网络能力开放要求、网络管理界面等来满足智能电网的各种业务的技术要求。
根据业务需求，切片可以分为两类：
1)工业控制类业务：典型代表：配电自动化、精准负荷控制。典型切片类型：URLLC（超低时延超高可靠性）
2)信息采集类业务：典型代表：用电信息采集、分布式电源。典型切片类型：mMTC（海量机器接入）
除了这两大类最典型的切片之外，在电力行业还可能存在着eMBB切片（典型业务场景：无人机远程巡检）和语音切片（典型业务场景：人工维护巡检）等切片需求，如表3-1所示。
表3-1 5G网络切片匹配智能电网不同业务场景需求
4结束语
本文结合5G网络特点，研究面向能源互联网的网络切片服务技术特性，分析网络切片SLA与电力业务场景的适配性，形成详实的技术研究报告，为智能电力业务在选择5G切片接入和智能化切片管理提供理论参考。
参考文献：
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［2］ 梁雪梅. 5G网络切片技术在国家电网中的应用探讨[J]. 移动通信, 2019,43(6): 47-51
［3］ 杨德龙 ,万俐 ,李晦龄 ,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(1): 33-38