5G电力虚拟专网在电网监测及调控中的应用分析.pdf
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1、5G电力虚拟专网在电网监测及调控中的应用分析贾滨诚,祁鑫,赵树法,刘思琪,杨懂懂(国网新乡供电公司,河南新乡453000)0引言随着电网数字化、信息化程度的不断提高,5G通信技术逐渐应用于发电、输电、变电、配电、用电各个环节,电力设备也与5G通信技术深度发展融合,越来越多的设备具备了5G网络的接入能力,对于电力虚拟专网的业务传输需求也逐年呈现多样化的趋势。2022年12月5G确定性网络产业联盟全员大会发布 5G电力虚拟专网网络安全白皮书,对5G电力虚拟专网提供了安全性的指导准则,进一步推动5G电力虚拟专网在更广范围、更多环节的落地实施1。采用虚拟专网传输的电力通信业务主要包括生产控制类业务与管
2、理信息类业务,生产控制类业务是指包括配电自动化、精确负荷控制、分布式能源调控等对于电力设备直接进行控制的电力业务;管理信息类业务包含设备运行信息、工业视频监控等对电力设备运行情况进行监测管理的业务。相摘要:为推进5G网络与智能电网的进一步融合,深化5G电力虚拟专网在电网监测及调控中的应用,结合5G电力虚拟专网技术特点,提出其在电网监测及调控中的典型组网架构,根据相关业务特征,对典型应用场景进行分析,提出不同场景下的传输性能要求。同时对5G电力虚拟专网在电网推广应用所需要的关键技术展开探讨,构建相应标准体系,并对信号增强技术进行研究。最后结合试点情况,提出当前应用中存在的问题及面临的挑战。关键词
3、:5G电力虚拟专网;电网监测;信息通信技术;电网调度控制;传输性能文献标志码:B文章编号:1008-6218(2023)05-0035-07中图分类号:TM73doi:10.19929/ki.nmgdljs.2023.0067引用格式:贾滨诚,祁鑫,赵树法,等.5G电力虚拟专网在电网监测及调控中的应用分析J.内蒙古电力技术,2023,41(5):3541.JIA Bincheng,QI Xin,ZHAO Shufa,et al.Application Analysis of 5G Power Virtual Private Network in Power Grid Monitoringand
4、 RegulationJ.Inner Mongolia Electric Power,2023,41(5):3541.内 蒙 古 电 力 技 术INNER MONGOLIA ELECTRIC POWERA p p l i c a t i o nA n a l y s i so f5GPo w e rVi r t u a l Pr i v a t eNe t w o r ki nPo w e rG r i dM o n i t o r i n ga n dRe g u l a t i o nJIA Bincheng,QI Xin,ZHAO Shufa,LIU Siqi,YANG Dongdong
5、(State Grid Xinxiang Power Supply Company,Xinxiang453000,China)A b s t r a c t:In order to promote the further integration of 5G network and smart grid,and deepen the application of 5G powervirtual private network in power grid monitoring and control,combining with the technical characteristics of 5
6、G powervirtual private network,put forward the typical network architecture in power grid monitoring and control,analyze thetypical application scenarios according to the relevant business characteristics,and propose the transmission performancerequirements under different scenarios.At the same time
7、,the key technologies required for the promotion and application of5G power virtual private network in the power grid are discussed,the corresponding standard system is constructed,and thesignal enhancement technology is studied.Finally,combined with the pilot situation,the author puts forward the p
8、roblemsand challenges in the current application.K e yw o r d s:5G power virtual private network;power grid monitoring;information and communication technology;power griddispatch and control;transmission performance2023年第41卷第5期35较于其他行业通信业务,电力通信业务由于行业特点对时延、可靠性、信息安全等方面具有较高的要求,原有4G通信技术只能满足部分管理信息类、采集类业务
9、对传输指标的需求,多数电力业务仍采用有线通信进行传输。2020年工信部发布 关于推动5G加快发展的通知,提出加快5G网络建设部署与建设进度,组织开展5G行业虚拟专网研究和试点,5G电力虚拟专网随之应运而生2。5G电力虚拟专网是指采用5G独立组网模式3,借助5G网络独有的硬切片技术手段,在运营商网络中实现电力业务与其他业务有效隔离,进而形成电力专用的网络通道进行相关业务的传输,相较于4G通信技术具备大带宽、低时延、高安全性等优势,成为传输电力生产控制类业务与新型电网数字化业务的先决条件4-5。近年来,对于5G及行业虚拟专网的研究应用一直是业内关注的重点,5G在电力行业的研究集中于5G传输的可靠性
10、及安全性,提出了跨层混合监测、网络地址管理和双端协同通道切换等提高5G传输电力业务的可靠性及安全性的举措6。同时,针对电力虚拟专网的组网架构也开展了大量研究,结合电力行业对于信息安全防护要求较高的行业特点,细化安全接入及网络监测功能,有效降低了电力业务在虚拟专网中传输信息泄露的风险7-8。目前,5G电力虚拟专网已有大量试点,本文结合典型业务提出5G电力虚拟专网的组网结构以及业务传输模式,并对其在电网中应用的关键技术进行了分析,之后结合当前现状,对5G电力虚拟专网推广应用所面临的问题与挑战进行分析。1组网架构及典型业务场景1.1组网架构依据5G电力虚拟专网在电网监测与调控系统各部分作用的差异,将
11、整个系统根据功能分为电网主站部分、传输通道部分与场站接入部分。5G电力虚拟专网的电网主站部分部署于地市级电网公司,通过安全接入区将数据上送至D5000系统或配网自动化系统等上级业务系统,用户面功能核心网元(User Plane Function,UPF)下沉至地市电力公司机房,打通与上级业务系统传输通道,保障业务通过 5G 电力虚拟专网分发至目标用户。UPF信令与运营商5G核心网进行交互,运营商通过核心网会话管理功能模块(Session ManagementFunction,SMF)对下沉至电力机房的 UPF 进行控制。同时上级业务系统应具备对于5G虚拟专网通道的监控功能,若出现业务信息下发超
12、时或信息上送超期等通道异常现象可及时告警。安全接入区是5G电力虚拟专网与电力信息内网之间的接入装置,提供端到端加密以及网络隔离等服务。应用层建立安全接入区至5G电力终端的加密虚拟专用网络(Virtual Private Network,VPN)隧道,提供应用至应用的传输防护;网络层采用IPsec防护,以安全接入区下行出口为起点,5G电力终端接入网关为终点,建立加密IP隧道,加密隧道通常采用加密嵌套字协议。安全接入区同时阻断移动运营商公网与电力信息内网的连接,实现透明传输的同时确保“数据不出圈”,即数据连接只存在于5G电力通信终端与电力信息内网之间9,系统总体架构如图1所示。针对电网监测和调控业
13、务特点,将业务划分为电力控制类业务与管理信息类业务,传输通道依据“安全分区、网络专用、横向隔离、纵向加密”的安全防护方针,电力控制类业务采用5G硬切片方式进行传输,保证电力数据的安全可靠;管理信息类业务可采用5G软切片方案进行传输,以降低整体建设成本10-11。空口侧针对电网监测和调控业务,5G电力虚拟专网采用资源块(Resource Block,RB)预留方图15G电力虚拟专网组网架构Fig.1 5G Power virtual private network architecture安全接入区隔离装置 接入网关-控制数据流-监测数据流管理信息大区UPF生产控制大区UPF控制业务电网监测运营
14、商核心网元运营商传输通道场站端用户侧前置设备场站站用交换机预留专用资源块5G硬切片5G软切片逆变器智能电能表用户侧前置设备智能电能表电力用户屋顶光伏的5G通信模块电网主站部分传输通道部分场站接入部分2023年第41卷第5期内 蒙 古 电 力 技 术36式,最小RB资源预留量即可满足电力控制类所需传输的业务量,并且符合物理隔离的安全防护要求。承载网采用灵活以太网(Flex Ethernet,FlexE)进行传输,按照台区或站点进行建设覆盖,每个台区或站点采用同1家移动运营商的同1个5G硬切片。核心网侧除部署于电力机房的UPF外,根据具体业务需求,针对低时延、高可靠性业务可追加部署边缘计算(Mob
15、ile Edge Computing,MEC)服务器,其余核心网元采用移动运营商公共5G资源12。用户接入部分新增终端应采用具备5G通信模组的电力终端设备,采用工业级物联网eSIM卡与移动运营商公网互联。存量终端可采用外置5G通信模块,配置eSIM卡与5G虚拟专网进行上联。对于场站整站接入或智能电能表集群接入的情况,可部署用户侧前置设备(Customer Premise Equipment,CPE)进行汇聚,之后与核心网进行互联,减少接入点数量,降低基站接入压力。1.2典型业务场景考虑到5G电力虚拟专网的安全性以及高电压等级场站均已部署电力通信光网络,主要应用集中于低电压等级、低安全接入要求的
16、场景,包括分布式电源调控、配电网自动化等。1.2.1配电网自动化业务配电网自动化作为智能配电网的重要组成部分,传统配电设备数据传输依赖有线传输方式,但由于配电设备分布广泛,敷设光纤成本较高,同时现有10 kV配电线路较为老旧,大多未同步架设光缆,因此通信通道成为配电网自动化业务发展的瓶颈。基于5G高可靠性、低时延、高并发连接等特性,充分解决有线通信难以完成站点全覆盖的问题,实现站所终端配电自动化13。当前配电网自动化“三遥”业务大多通过光纤将相关业务上联至变电站,在变电站对业务进行汇聚,通过电力通信网将配电网自动化业务传输至配电网自动化机房,如图2所示。若采用5G虚拟专网进行相关业务的传输,配
17、电自动化数据传输单元(Data Transfer Unit,DTU)采集一次设备信息后,通过通信终端将业务信息以无线的形式传送至运营商基站,空口侧通过RB预留保证业务的传输安全性及可靠性;运营商5G承载网及核心网元将配电网自动化业务传输至电力控制类业务专用UPF;通过安全接入区与配电网自动化主站互联。其中,配电网自动化数据传输单元、远程测控终端(RTU)等业务终端实现“三遥”业务上传以及分合闸等控制类指令的下发,为了提高业务传输的安全性,配电网自动化业务终端与通信终端建议采用一体化设计以避免设备冒用风险,同时配电自动化场站应配置纵向加密装置或微型纵向加密机,以保障控制类业务的传输安全。技术性能
18、方面,5G电力虚拟专网传输配网自动化业务传输带宽应大于10 Mbit/s,端到端传输时延小于200 ms,业务系统可靠性达到99.99%,同时考虑配电网自动化业务终端密度,城区范围内需结合移动运营商基站RB资源预留情况,合理分配终端接入的基站。同时配电网自动化业务属于生产控制大区业务,需保证与管理信息大区业务完全隔离。1.2.2配电网差动保护业务传统配电网保护通常采用过流或过负荷保护,此类保护对于接地故障灵敏性有限;同时由于配电网线路作为电网末端,分支众多,组网复杂,传统光纤覆盖难度大,导致对于接地故障最为灵敏的光纤差动保护难以应用,而4G、宽带电力线载波(HPLC)等通信方式可靠性、安全性得
19、不到充分保证,无法承载差动保护业务13-14。5G电力虚拟专网的应用很好地解决了这一问题,配电网差动保护装置与5GCPE设备通过有线连接或采用一体化设计,结合时间戳实时监测线路两端电流差值,实现故障的精确定位和隔离。图3为5G电力虚拟专网承载差动保护业务示意图,正常运行时,保测一体装置通过电流互感器对一次侧电流进行采集,并结合对时装置将测量值与时间戳进行封装,通过5G电力虚拟专网将数据传输至线路对侧,对侧解封装后将时间戳与对应电流值进行比对14-16。若线路出现接地故障,则线路两端保护装置向对侧发送跳闸指令,跳开对应间隔开关,及时切除故障,同时向D5000系统及配电网自动图25G电力虚拟专网在
20、配电自动化中的应用Fig.2 Application of 5G power virtual private network indistribution automation加密机及前置服务器配电自动化主站服务器安全接入区隔离装置接入网关电力业务专用UPF下沉至电力公司机房运营商传输设备运营商通道硬切片通道运营商传输设备基站RB资源预留运营商5G核心网电网自有有线传输网上联配电自动化主站运营商侧信息采集一次设备一次设备信息采集子站侧主站侧2023年第41卷第5期贾滨诚,等:5G电力虚拟专网在电网监测及调控中的应用分析37化主站上报保护动作信号17-19。相较于配电网自动化等业务,配网差动保护
21、业务对于时延以及可靠性要求更高,5G电力虚拟专网传输配网差动保护业务建议配置带宽10 Mbit/s,但结合实际应用情况,差动保护业务配置2 Mbit/s带宽即可满足业务需求,业务系统可靠性要求达到99.999%,端到端时延要求小于15 ms。为满足差动保护对于时间戳的要求,需配置支持北斗与GPS双对时装置。同时为了保证差动保护业务的安全传输,通信终端应支持机卡固化绑定,业务层面需配置加密装置,同时具备向上层D5000系统等业务系统以及线路对侧保护装置的多业务系统的双向认证能力。1.2.3设备智能巡检随着图像处理技术的升级迭代以及人工智能大规模推广应用,设备巡检智能化水平也在不断提高,设备智能巡
22、检是通过视频图像高速回传和人工智能手段对图像进行识别分析,快速分析判断故障源,进而保障电网的安全稳定运行,提高变电站、输电线路的巡视效率,通信传输架构如图4所示。目前可视化巡检手段包括巡检机器人、无人机以及工业视频等,变电站内通常采用电力通信网传输相关视频图像,占用大量带宽资源20-21;输电线路无人机巡检以及工业视频摄像头监控采用4G网络进行传输,导致视频分辨率低、图像采集间隔大难以实时精确反映设备运行情况。智能巡检业务大多属于管理信息大区业务,采用5G电力虚拟专网软切片通道进行传输;工业视频摄像头等图像采集终端可通过内置5G通信模组直接将视频图像通过5G电力虚拟专网上送至新一代集控系统主站
23、,主站通过安全接入区将视频图像接入管理信息大区。针对线路巡视无人机以及变电站巡检机器人的控制指令的传输尚存在争议,为保证电网设备运行安全,建议参考电网生产控制类业务采用硬切片模式进行传输,同时业务层面应具备双向认证等安全措施,保证控制指令不被冒用。由于图像传输业务位于电网管理信息大区或互联网大区,业务可靠性以及时延要求相对宽泛,5G电力虚拟专网可采用软切片形式,业务带宽配置150200 Mbit/s,业务可靠性大于99.9%。对于无人机以及巡检机器人的控制,此类业务对于时延要求较高,端到端时延小于100 ms,可靠性大于99.99%。25G电力虚拟专网关键技术2.15G电力虚拟专网标准体系构建
24、5G电力虚拟专网在相关省市已开展大量试点,随着运营商5G基础设施建设的进一步成熟,5G电力虚拟专网将转入推广应用阶段,但是目前并未出台相关标准、规范等指导性文件,现有电力虚拟专网建设部分仍参照3G、4G无线电力专网的相关规范,不利于充分发挥5G电力虚拟专网高密度接入、高传输可靠性等性能优势22。5G电力虚拟专网标准体系架构应包含通用类标准、业务类标准、接口类标准、安全防护标准等。通用类标准主要针对5G电力虚拟专网整体组网架构、主体功能等进行明确规范,说明电网公司、运营商设备边界,以及电网公司所属的资产设备基本性能要求,为5G电力虚拟专网的建设提供总体性的指导。业务类标准即为明确业务分类,随着电
25、网智能化、数字化水平的逐年提升,越来越多的新型电力图35G电力虚拟专网承载差动保护业务示意图Fig.3 Schematic diagram of 5G power virtual privatenetwork carrying differential protection services环网柜A柜内交换机一次设备保护装置电流采样机卡绑定身份认证接入网上送保护动作信号至电网调度电网调度保护动作信号上送保护动作信号至电网调度机卡绑定身份认证接入网运营商传输设备运营商传输设备环网柜B柜内交换机一次设备保护装置电流采样运营商5G核心网运营商通道差动保护通道运营商通道“三遥”业务通道运营商通道“三遥
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