5G智能電網通信支撐平臺設計探討

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摘要：在信息網絡和智能控制技術飛速發展的背景下，智能電網應運而生，其發展離不開穩定的通信支撐平臺。新興的5g通信網絡具有超大型連接、超低時延、超高帶寬等特點，可以極大地提高網絡可靠性和運行效率，從而為電網智能化助力。針對目前通信支撐方式無法滿足一線電力業務人員在實際工作過程中的需求現狀，對智能電網進行了業務需求分析，從網絡架構、總體框架、功能結構等方面進行了全面的設計研究，搭建了基于5G智能電網通信支撐平臺。通過建設5G智能電網支撐平臺，能夠對原有分散且低效的通信系統進行整合，實現通信系統各功能模塊的集中管理，為公司的通信工作提供了有效的解決方案；與此同時，為一線作業人員提供了方便、快捷、高效的通信平臺。

關鍵詞：5G；智能電網；通信支撐平臺

1引言

隨著電網業務日益多樣化，為了解決業務接入承載問題，需要引入無線通信手段。例如面向大帶寬的業務（機器人巡檢、視頻監控等）、面向大連接的業務（一次設備狀態信息采集、電力設備現場檢修和協同調試、分布式在線監測等需求）、面向移動通信的業務（變電站移動巡檢、無人機應用、移動作業等）對通信網帶寬、覆蓋、質量、接入位置提出了更為復雜的需求。在智能配電和用電方面，5G技術為無線接入覆蓋配電通信網提供了更好的解決方案。今后，分布式能源接入、低壓集中讀取、智能分布式配電自動化等業務可以利用5G實現突破。5G網絡可利用其超高帶寬、超低延遲、超大連接等優勢，滿足垂直行業更加多樣化的業務發展需求，特別是其網絡切片和能力開放兩項創新功能的應用，將改變傳統的商業運作方式和作業模式，為電力行業用戶提供定制的行業專用網絡服務，與以往的移動通信技術相比，更能滿足電網業務靈活、可靠、安全的要求，并實現差異化服務保障，進一步增強電網公司獨立控制自身業務的能力[1]。

2智能電網業務需求分析

2.1電網業務信息交互提出的需求

在配電通信網端，由于網絡點多面廣，需要實時監控大量設備，而且雙向信息交換頻繁，現有的光纖覆蓋建設成本高、運維困難，對于不同的場景，需要使用無線公共網絡來支撐配電網的各種終端，以達到可觀可控的效果。例如，用戶雙向互動、分布式能源接入、低壓集中抄表、大規模配電網自動化等業務的快速發展，以及電力客戶的通信需求、電力終端、電網設備爆炸式增長，急需構建雙向實時交互、接入靈活、安全可靠的泛在全覆蓋的配電通信接入網，采用高效、穩定、可靠、先進的新型通信技術和系統支撐，實現智能電網業務安全、承載、訪問和端到端的自主控制。

2.2電力信息運維工作提出的需求

要實現信息通信調度管理與運營維護的一體化，就需要對電力信息的通信調度方式進行歸納和整理，并且需要將專業的分工進一步演進為業務分工，與此同時調整通信系統的運維支撐工具，并相互適應根據系統一體化的建設需求，需要靈活整合現有的通信系統的運維支撐工具，形成一個高度專業化、集成化、立體化的信息通信支撐平臺。隨著信息化建設的高速推進，信息通信集成化也得到了迅速的發展。信息通信運維支撐平臺不僅需要滿足對業務監控的需求，滿足能夠對通信設備調度監控集中管理的需求；以到達到信息通信設備賬戶完整生命周期管理的目的；實現整個信息化業務流程的一體性。除此之外，也要將現存的各種運維支撐系統相似的功能和流程進行整合，降低系統之間的耦合性，抽離出系統之間的接口，消除系統之間的數據壁壘，以達到共享信息運維管理數據指標的目的，以提供更加靈活豐富的數據分析方式，分析信息與通信數據的相關性，包含故障報警、業務影響、設備分析等方面，為信息通信運維提供強有力技術支撐。

2.3支撐平臺完善提出的需求

現代電力通信支撐平臺需要將移動互聯網與語音交互、視頻交互、人機交互相結合，營造高效安全可靠的系統運行環境，為智能電網業務提供AI服務、計算引擎、數據、模型等基礎技術支撐，實現智能電網各應用系統的橫向協調運行，并與其他應用系統協調運行，實現智能電網上下控制系統的縱向一體化運行。因此，現階段急需一套全新的支撐平臺體系結構規范，包括計算引擎、人機交互服務、數據服務、基礎服務、通信總線、資源管理等方面。基于上述智能電網業務需求，需要設計5G電力通信無線通信資源管理系統整體架構、功能藍圖，開發連接管理、終端管理、5G切片管理、臺賬稽查等功能，對接公共網絡運營商的能力開放平臺，實現對電力終端、業務、網絡等狀態信息的全程管控，支撐智能電網運營管控、客戶服務、調度運行、電網管理四大平臺的業務展示。

3智能電網5G通信支撐平臺設計

5G技術定義了幾大使用場景：eMBB主要為廣域覆蓋和高密度用戶區域提供解決方案，eMBB可以為使用者提供大約1Gbps的用戶體驗速率和幾十Gbits的峰值速率；uRLLC可以賦予其使用者極低的時延以保證敏捷性，因此在車聯網、工業互聯網、醫療技術等對時延要求低的場景有廣闊的前景；mMTC適用于海量設備連接的場景，該技術點是5G技術拓展出的新的運用場景，因此該技術在物聯網方面將會有很好的運用空間。現在電力系統現存網絡拓撲復雜，技術多樣，但其現存業務大致可以劃分為設備控制類業務、現場信息采集類業務、移動終端應用業務類，這些業務類別分別對應5G技術的三大應用場景。因此以整體性的角度來分析整個智能電網、整體業務安全接入和電力系統運行時期的管控以進行全方位的架構設計。使用5G切片技術的智能電網的整體架構如圖1所示。

3.1支撐平臺網絡架構

基于切片技術的支撐平臺網絡架構總體上包含三大部分，端到端切片管理系統、智能分析系統和基礎設施網絡資源（接入網、承載網、核心網）。基于切片技術的支撐平臺網絡架構如圖2所示。（1）切片管理系統：切片資源的分配問題主要在切片管理系統中解決。在國內核心網的切片的研究有較為成熟的方案，如今核心網的切片管理問題主要集中在切片資源的分配上。核心網通過使用虛擬機以一定的方式將虛擬化的網絡資源分配給切片內的VNF，以達到資源分配合理的目的，從而使服務整體達到優化。在5G通信業務建設的起步階段，以混合的方式使用eMBB服務和URLLC服務將會是一個典型的應用場景，這將會為電力通信建設提供有效的解決方案。資源分配在核心網中的體現就是，通過用戶設定的一些參數然后為該用戶設定優先級，接著根據該用戶被設定的優先級為其劃分時頻資源。因為是eMBB業務和uRLLC業務共存的應用場景，從整體性考慮該eMBB業務和uRLLC業務的特點和內在需求，在核心網處采用時延吞吐量混合比例公平調度算法。uRLLC業務的特點是對時延較為敏感，因此這種場景下的優先級表達式應當包含時延參數。eMBB業務的一個較大的特性是其對時延的敏感度水平較低，但eMBB業務有超高速率的需求。因此在該場景下，速率因子應該被考慮到優先級表達式中。由于用戶有QoS的需求，因此在調度優先級的計算模型中應要加入QoS參數。通過不同用戶給定的不同參數可以計算出用戶的優先級，接著在優先級列表中選取優先等級最大的用戶作為被調度的對象。通過以上的調度方式對用戶進行調度后用戶將會被分配到一定的資源，從而使得用戶能夠傳輸信息。基于誤碼率公式，可以提高uRLLC業務的可靠性，使得在資源分配過程中的誤碼率得以有效降低。在該分配方式中對所有的資源分配成兩部分：一部分作為公共資源，一部分作為保留資源，并把保留資源分配給uRLLC用戶作為使用，這種方式可以降低誤碼率。如果在資源分配的時候沒有uRLLC業務，則eMBB業務將會獲得保留資源以提高業務的可靠性[2]。在分配公共資源塊時，其主要依據是計算出來的優先級，將會按照優先級為被調度的用戶分配資源。在分配額外資源塊時，重點在于用戶信道條件。當用戶信道條件較好時，無須為其分配額外的資源。要為某一用戶分配額外資源時，需要其信道狀況參數低于某一閾值。與核心網不同的是，接入網的切片資源管理需要對計算資源和存儲資源進行管理，除此之外還需要對虛擬的無線資源進行管理。接入網切片與前傳網絡的寬帶資源分配密切相關。接入網中有RRU的存在，RUU的作用是用于對數據的接收和發送。這種方式一方面與無線頻譜的分配密切相關，因此在接入網切片中有無線資源管理的存在，但是在核心網切片中不涉及該問題；另一方面，通信數據有極大可能在RRU處進行緩存，因此需要在接入網切片中對資源進行緩存。上述幾點原因使得資源管理優化問題變得更復雜。為了解決接入網的資源管理問題，采用基于成本和QoS的虛擬網絡資源分配方式來解決底層資源的優化分配問題。首先對無線網絡資源進行虛擬化，然后結合成本、服務隔離和回程容量約束，建立組合非凸優化模型。該模型采用迭代自適應啟發式概率搜索算法理論，并采用模擬退火優化算法（SAOA）求解上述模型[3]。（2）智能分析系統：該系統需要對采集到的數據進行分析，并且需要對得到的分析結果進行上報。策略中心內置的處理方式面對不同的場景將會執行不同的處理方式。在數據分析結果滿足策略中心中的內置條件時，策略中心會向動作的執行者發送操作請求用來更新管理對象，從而達到資源重新分配的目的[4]。在3GPPR16版本中引入了具有網絡數據分析功能的網絡單元。根據用戶對網絡的用戶體驗數據進行業務模型訓練，從而可以得到切片業務中的業務體驗數據。至于業務體驗差是來源于核心網還是接入網，當前業務模型并不能給出標準，當前業務模型主要用來分析當前業務和預測業務體驗。目前，變電站的巡檢業務中逐步采用智能化設備代替，以提升工作效率。因此針對這類需求，可以定制專用的網絡切片，并引入AI技術進行分析以形成具有特定生產環境特征的巡檢模型。（3）基礎網絡層面的接入網、承載網和核心網：該層面屬于基礎設施資源。按照對資源的編排要求和需求的組合，為通信業務實現端對端的隔離網絡。

3.2支撐平臺框架設計

電力通信支撐平臺總體上分為管理應用、平臺、數據采集與控制、橫向接口四個層次。總體框架設計如圖3所示。（1）數據采集與控制層：可通過RestFul接口與運營商的網絡能力開放平臺對接，或直接通過應用層協議從無線終端采集相關狀態數據。同時，通過運營商能力開放平臺獲取終端所屬網絡切片狀態的信息。該平臺需要考慮與多個運營商網絡能力開放平臺對接，以保障接入不同運營商網絡的終端均可觀、可控。數據采集層通過消息總線向上提供靈活的數據交互能力。（2）平臺層：通過API接口為上層應用提供數據存儲、流量引擎、負載均衡等公共服務能力，實現基礎能力的統一封裝，通過在平臺層處理高并發場景以及提升平臺容災能力能更加有效支撐上層應用的運行。（3）應用層：主要包括終端管理、業務管理、切片管理、統計分析等應用。平臺層通過API得以和應用層解耦，應用層向下通過API接口調用平臺層所封裝的功能，實現業務靈活快速上線，可以適應需求變化較快的業務場景，對外通過Web等方式實現各類管理終端的遠程接入。（4）橫向接口層：提供格式統一的接口適配現有的電力業務系統，如系統運行、計量自動化、配網自動化等。接口層的應用，可以進一步保障系統的兼容性和擴展性，以適應實際生產環境。

3.3支撐平臺功能模塊

5G電力通信支撐平臺主要包括平臺首頁、無線通信卡、接入設備管理、工作臺、統計分析、5G切片管理、高級應用、系統管理共8大功能部分。功能結構圖如圖4所示。（1）平臺首頁：針對采集到的運營商卡數量統計、卡業務類型數量、運營商域名、服務器監控、單據代辦、終端告警、終端品牌、終端業務類型、在線率等海量數據，通過數據處理，以餅圖、條形圖、柱狀圖等呈現方式，讓數據可視化變得平易近人，變得簡單高效，變得靈活易實現[5]。同時平臺管控業務包含綜合、用電、配電、變電、輸電、發電等過程，接入5G+智能電網業務，形成點（發電廠、變電站）、線（輸電線路）、面（電網系統）多位一體全覆蓋的示范體系。（2）無線通信卡管理：實現對公網上所有通信資源的基本管理，資源包括用以傳輸的無線通信卡、有線寬帶以及eS‐IM卡，模塊對這些資源進行記錄和對各個關鍵字段進行統計分析[6]。其中，對無線通信卡進行更細致的管控，包括管理其資費情況、流量使用情況、IP地址管理、域名管理等等。（3）接入設備管理主要用于管理不同的接入設備，分為終端臺賬管理、新設備入網檢測以及性能監視。（4）工作臺：實現企業申請更換通信資源流程的基本管理，包括無線公網卡的申請、領取、更換、銷卡。（5）統計分析：統計分析模塊主要實現終端信息的統計，告警統計分析以及流量分析。其中，告警統計模塊可以查詢到出現故障或者出現告警信息設備的統計情況，進一步，可以查看這些設備的實時詳細信息。卡流量分析模塊可以查詢到關于流量卡的統計分析報表相關情況，包括0流量卡統計、卡總數統計報表以及超流量統計報表。終端統計模塊可以查詢到不同區域、不同電網專業的終端數量，數據以圖表或者列表展示出來，可以進一步了解終端的數量分布情況；同時，可以查詢到不同區域、不同電網專業的終端的在線情況；可以對在線率進行區間劃分，查看在線率分布情況[7]。（6）5G切片管理：5G切片管理功能實現了切片狀態查詢、業務申請、業務模型管理、切片管理、切片成員配置功能。（7）高級應用：高級應用模塊主要對劃分出的區域及電力重要場景區域的終端的在線狀態/流量狀態進行監控，重點場景/終端發生意外導致離線時，監控模塊會根據故障情況給出警報等級，全部故障都有消息彈出及文字提示。當發生緊急報警時，監控模塊上的紅色警報燈亮；重大報警時，監控模塊上的黃色警報燈亮；當沒有報警時，監控模塊上的綠色警報燈亮，以達到直觀的報警效果展現。（8）系統管理：系統管理模塊可以實現對系統用戶的登錄和使用情況的監控，查閱接口情況并進行簡單的接口請求，檢查SQL執行性能等。另外，系統管理模塊還可以查看和編輯系統各個模塊的菜單信息、系統用戶信息，以及控制不同角色的權限[8]。系統管理的主要功能項有：后臺登錄、系統監控和系統管理，其中系統監控包括：系統日志、接口API、系統監控3個功能子項；系統管理包括：區域管理、用戶管理、角色管理、菜單管理4個功能子項。5G電力通信支撐平臺功能列表如表1所示。

4結語

電力行業運營內容管理工作較為分散，阻礙了對用戶的有效分類和協同管理。本文首先分析智能電網業務需求，從網絡架構、總體框架、功能結構等方面設計了基于5G智能電網通信支撐平臺，能滿足與前端、外部系統之間的交互對接，為南方電網有限公司服務運營提供有效支撐。平臺在開發和使用過程中，還需要不斷優化調整，以便適應智能電網發展。

參考文獻：

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作者：陳文文 楊晨 單位：廣東電網有限責任公司廣州供電局 南方電網數字電網研究院有限公司