电力营业与公网5G立室方式及相助建树

摘要
：论述了电力零星运用5G收集的电力优势，并从电力营业空间扩散、营业QoS功能 、公网营业架构及清静防护等多角度与5G收集妨碍立室
，室方式及提供了5G与电力营业立室的相助零星级框架；从公网资源独享专用与电力营业分区的角度，论述了电力公司与经营商相助建树5G收集的建树方式，提出了相助建树的电力总体架构
，为5G收集在电力零星的营业规模化运用指明倾向。

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引  言

5G使能增强型挪移宽带（eMBB） 、公网超低时延以及超高坚贞通讯（uRLLC） 、室方式及海量机械类通讯（mMTC）三大典型运用途景，相助其高坚贞、建树低时延 、电力大衔接以及锐敏接入的营业技术特色，以及经由切片实现的公网清静阻止能耐以及收集资源及功能的判断性 ，可实用反对于高弹性电网的资源配置装备部署以及高电气化终真个多元互动，将成为构建新型电力零星的关键通讯技术反对于。

以新能源为主体的新型电力零星在通讯历程中具备海量接入 、实时突发的特色，传统通讯方式在新型电力零星中存在瓶颈 。首先，光纤通讯敷设老本高
、实施难度大，无奈处置海量扩散式能源以及配用电终真个通讯接入需要；其次 ，4G虽运用于用电信息收集
、配电自动化“二遥”等电力营业
，但无奈从根基上保障营业时延、坚贞性等关键子的。尽管国家能源局技术政策上应承无线公网运用于扩散式能源、配用电终端、小型发电厂等场景的电力监控营业 ，可是4G收集无奈在技术上实现中间网、承载网等通讯资源的物理阻止与专用 ，收集功能以及清静的判断性 、可控性差
，导致电力监控营业无奈在4G公网上患上到运用推广；230/1 800 MHz无线专网可承载配电自动化“三遥”等秒级时延的电力监控营业以及低速率规画信息类营业 ，但那时延功能以及误码功能无奈知足配网差动呵护
、智能扩散式馈线自动化（Feeder Automation，FA）等配电网关键营业的10 ms级时延、99.999%坚贞性要求
，也不能承载视频监控 、无人机巡检等大带宽及高速挪移类营业，运用途景大大受限
。

凭证5G共建同享政策 ，需探究依靠经营商5G收集
，经由公网资源专用、参数优化等方式，实现清静
、坚贞 、高效的电力营业承载 。在构建电力5G收集的历程中应从多角度合成5G收集与电力营业的立室度。同时，电力与经营商共建同享5G收集的技术方式也影响电力营业虚际运勤勉用
，应凭证电力营业清静防护要求以及功能需要有针对于性地睁开测试验证  。

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5G运用于新型电力零星的技术优势

1.1 5G端到真个物理隔特技术优势

5G切片按需实现空口 、承载网、5G中间网（5GC）的物理阻止。空口反对于用户与经营商同享基站的物理资源块（PRB）阻止及用户独享基站的专用频率阻止
，承载网具备基于锐敏以太网（FlexE）的物理阻止机制 ，中间网凭证用户需要妨碍网元的独享定制化部署 。5G中间网基于效率的架构（SBA），对于有特殊要求的艰深行业用户，用户平面功能（UPF）可下沉专用
，既延迟营业转达输道路飞腾承载网营业时延
，又实现营业流清静坚贞确当地落地。对于清静阻止要求高的电力行业用户，反对于会话规画功能（SMF）、中间接入以及挪移规画功能（AMF）等5G 中间网操作面网元（5GC-CP）独享
，后退整网的可控性以及清静性。

端到真个物理阻止能耐 ，为5G经由“公网专用”的商业以及技术方式，按需实现差距清静分区电力营业的横向阻止缔造了技术可行性。在后退了营业清静性的同时
，资源的物理独享为时延、坚贞性 、速率等功能的判断性提供了根基保障。此外，5G中间网网元的锐敏部署
，为适配扩散在省、市（县） 、厂站的种种电力主（子）站提供了精采的技术能耐 。5G具备空间以及资源的物理阻止能耐，在承载新型电力零星的大规模扩散式能源调控等监控营业加倍清静高效 。

1.2 5G低时延及高坚贞技术优势

5G低时延高坚贞技术为电力呵护操作业务提供零星级妄想 。上行免授权（Uplink Grant-free）调解方式作废UE调解恳求（Scheduling Request ，SR）信令的发送
  ，飞腾交互时延；参数配置装备部署集（Numerology）调解子载波距离（SCS），减小物理帧长；调解低码率的调制与编码策略（MCS）表及混合自动重传恳求（HARQ）时序参数K可后退传输坚贞性；双工方式配置装备部署高上行频分双工（FDD）或者时候双工（TDD）方式 ，帧妄想配置装备部署时隙配比，配合调解空口时延。

在零星帧妄想
、频谱带宽（体如今可用PRB 数目）、多天线（MIMO）等光阴 、频率、空间根基物理资源判断的条件下，营业速率、坚贞性与空口时延存在逻辑关连。空口总时延由传输次数以及单次传输时延抉择
，其中传输次数由信干噪比（SINR） 、MCS以及坚贞性等因素抉择，单次传输时延则由帧妄想 
、双工方式、调解方式以及时隙参数等因素抉择 。在TDD方式下传输时延会因数据抵达光阴差距而在确定规模内变更
，图1所示为带宽 、坚贞性与空口时延逻辑关连展现。

a）传输次数合计。如图1所示 ，输入初始空口参数与营业带宽需要w，合计传输块巨细（TransportBlock Size
，TBS）；凭证文献［3］TBS的合计历程倒推中间变量Ninfo；凭证Ninfo判断MCS索引值（MCS Index）；取患上误块率（Block Error Rate，BLER）；合计传输次数N
。图1中 ，u为子载波距离参数 ，NRE为可用子载波数，R为目的码率 ，Qm为调制阶数，V为UE层数
，r为营业坚贞性，T为空口时延。

b）时延估算 。散长空口参数合计时延的历程中 ，调解时序参数以及调解方式仅影响时延估算历程，调解其余因素同时影响传输次数的合计 。假如判断某种营业带宽及坚贞性需要
，若减小K 值，可直接降地面口时延；若增大SCS，一方面减小时隙长度 ，同时减小TBS飞腾MCS阶数，将影响传输次数 。

图1  带宽、坚贞性与空口时延逻辑关连

经由引入锐敏的SCS参数、Grant-free以及SR等调解方式 、时序参数及基于LDPC/Polar码的 MCS等机制 ，后退5G对于时延以及坚贞性的操作能耐，抵达加倍严厉的目的。

1.3 5G技术优势在新型电力零星中的运用要点

横向阻止是《电力监控零星清静防护纪律》的根基要求之一。运用5G端到真个阻止能耐 ，在电力与经营商合建5G中，可为差距清静阻止要求的营业妨碍差距化的组网 ，锐敏实现从逻辑阻止到物理阻止的定制化妄想 。

在泛滥参数中，对于5G低时延高坚贞影响清晰且在工程中便于抉择以及配置装备部署的参数主要为双工方式以及调解方式 。以经营商（中国电信 、中国联通）典型帧妄想DDDSUDDSUU为例 ，合成FDD/TDD免调解、SR调解方式空口时延，服从如表1所示。从表1可见，接管免调解以及FDD方式可能极大地减小时延，知足智能扩散式FA、配网差动呵护等新型电力零星营业的低时延需要
。

与4G牢靠的中间网架构及繁多的空口参数比照 ，经由将5G技术优势与电力营业需要相散漫
，将进一步增长5G在新型电力零星运用的新方式、新业态，反对于能源财富高品质睁开。

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电力营业与经营商5G收集立室度合成

按空间扩散妄想5G收集，判断5G收集优先拆穿困绕地域 ，清晰之后收集重点处置的营业需要；按营业功能立室5G收集场景，判断5G收集功能需要及切片规范；按营业架构部署5G收集用户面网元
，判断UPF同享方式及下沉位置；按营业安防需要部署5GC-CP，判断AMF
 、SMF中间网网元的同享方式及相助方式。图2所示为电力营业与5G收集立室及收集建树流程
 。

图2  电力营业与5G收集立室及收集建树流程

表1   经营商空口时延合成

2.1 电力营业空间扩散与经营商5G收集立室度

凭证电压品级差距 ，电力营业分为主网营业以及配网营业，主网营业指35 kV以上高电压品级输电路线配合的电网营业。配网营业指35 kV及如下终端配电网营业，如配电自动化营业（“二遥” “三遥”）、用电负荷操作
、智能扩散式FA（馈线自动化）等。电力营业空间扩散与5G收集立室度如表2所示
。

表2   电力营业空间扩散与5G收集立室度

2.2 电力营业功能需要与经营商5G收集立室度

2.2.1 5G QoS功能合成

电力营业可分为破费操作类、信息规画类
、收集类、挪移类等4类典型场景。破费操作类营业清静性高、对于时延敏感  ，同时具备海量终端接入的需要；信息规画类营业以数据传输为主，对于传输带宽要求高；收集类营业对于终端接入数目要求高 ，对于传输带宽实时延要求相对于低；挪移类终端具备挪移性、广域性特色，对于传输带宽及接入数目有需要。3GPP TS 23.501中表5.7.4-1给出了尺度化的5QI到QoS特色映射，电力营业5QI如表3所示。

表3   电力营业5QI

2.2.2 时延功能合成

2.2.2.1 空口时延

凭证表1的服从 ，典型的TDD UL空口时延在 5~11 ms ，FDD UL空口时延在2~6 ms。

2.2.2.2 承载网时延

经营商承载网运用SPN、IPRAN或者STN技术
，配置装备部署转发机制相似
，差距主要体如今路由操作技术。经由机关某配置装备部署厂家睁开测试 ，切片交织PE节点典型时延约为13μs，切片交织P节点典型时延约为3.45 μs
。

当UPF部署在边缘时，承载网时延漠视不计
 。

当UPF部署在地（市）时 ，对于地（市）200 km的光缆长度、10个地（市）内承载网节点的收集 ，租用经营商承载网的时延约为2 ms。

当UPF部署在省公司时
，对于省干1 000 km光缆长度 、10个省干承载网节点的收集，租用经营商承载网的时延约为4 ms 。

2.2.2.3 中间网时延

UPF转发时延与营业流量相关，典型时延在2 ms之内，凭证某配置装备部署厂家提供的典型实测数据
，在64Gbit/s吞吐量情景下，UPF转发时延为0.6 ms，发抖在10 μs摆布。

5G TDD UL端到端时延测算如表4所示 。综上可见，空口时延以及UPF的部署位置是5G端到端时延的主要组成部份。经由优化空口参数、UPF下沉地（市）等本领，5G TDD 零星可将端到端时延操作在14 ms之内，根基知足配网差动呵护、智能扩散式FA等关键营业的要求。在UPF边缘部署时，5G FDD零星可将端到端时延操作在7 ms之内。

表4   5G TDD UL端到端时延测算

2.2.3 光阴同步功能合成

电网电力调解以及倾向合因素辩对于光阴同步有普遍需要，特意在实时操作规模，电力自动化配置装备部署（零星）直接运用光阴同步零星实现光阴同步
。凭证电力营业光阴同步精确度要求可分为1 μs 、1 ms 、10 ms以及1 s 4个品级，当初5G收集针对于eMBB场景的光阴精度需要可抵达1.5 μs，同时3GPP尺度引入的光阴基准参数将进一步后退光阴分说率 。

2.3 电力营业架构需要与经营商5G收集立室度

凭证营业架构可将电力营业分为点对于点交互类、当地讯断类以及远端讯断类 。

点对于点交互类指电力UE两两交互
 ，数据经由UPF转发而不需上传至主站 ，典型营业搜罗配网差动呵护、智能扩散式FA等。

当地讯断类指电力UE数据当地传输、当地处置 ，数据流经边缘UPF上传至局域主站
，局域主站处置下发操作命令至UE ，典型营业为变电站巡检机械人。

远端讯断类指电力UE数据经由UPF经清静接入区上传至部署于地（市）公司或者省公司的营业主站 ，主站处置下发操作命令至UE。典型营业搜罗配电自动化、精准负荷操作 、用电信息收集等。

图3所示为营业架构数据流向展现，局域规模确当地讯断类营业UPF部署于营业地址厂站 ，广域规模的远端讯断类营业UPF部署于地（市）、省公司中间主站
。局域或者广域规模的点对于点交互类营业UPF凭证数据流部署在边缘或者地（市）机房。

图3  营业架构数据流向

2.4 电力营业清静需要与经营商5G收集立室度

将电力监控零星安防需要与3GPP尺度妨碍立室，合成电力5G收集在无线网 、中间网及承载网所接管的清静技术及架构。在判断UPF同享水平及部署位置的情景下，按电力营业清静分区的阻止性要求，判断gNB及5GC-CP的同享水平及部署位置 。将电力营业架构与清静需要不同思考 ，电力营业与5G收集立室的论断如表5所示  。

表5   电力营业架构及清静需要与5G收集立室度合成

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电力与经营商合建5G妄想

3.1 合建方式

凭证基站、中间网资源独享水平将经营商5G收集分为3种专网方式 ：伪造专网为5G gNB、中间网资源全同享方式；混合专网为基站
 、中间网操作面同享 ，用户面用户独享方式；自力专网为基站
、中间网用户面及关键操作面网元用户独享方式。经营商可提供的行业专网方式如表6所示 。本文合成经营商5G专网特色以及电力营业需要 ，立异性地将现有经营商5G专网与电力营业网妨碍立室 ，提出相助建树电力5G收集的妄想。

表6  经营商可提供的行业专网方式

3.1.1 伪造专网方式

伪造专网方式残缺复用公网5G资源，适用于阻止度 、敏感度不高的电力营业 ，适宜于互联网大区、外网营业 。

电力与经营商相助方式
：电力租用经营商5G伪造专网，同享公网资源 ，无需径自建树收集配置装备部署
，可经由VPN、DNN等技术实现逻辑阻止。

3.1.2 自力专网方式

自力专网方式为行业用户自力建树全副或者部份5GC-CP ，行业用户独享UPF
，gNB及空口频率可按需独享 ，清静阻止度最高，适宜于破费操作大区营业。

电力与经营商相助方式 ：电力用户经由租赁或者经营商转售等方式
，独享UPF及SMF/AMF（可选）。UPF部署于地（市）电力公司机房用于电力广域场景接入或者部署于变电站、发电厂等电力园区场景 。SMF/AMF网元部署于经营商5GC机房。

3.1.3 混合专网方式

混合专网方式为行业用户独享UPF，与经营商同享gNB及5GC-CP，适用于阻止度、敏感度较高的规画信息大区营业。

电力与经营商相助方式：电力用户经由租赁或者经营商转售等方式独享UPF
，保障数据转发的阻止性 。电力与经营商同享5GC-CP，向经营商提出营业接入及功能需要保障营业接入能耐。电力专用UPF部署于省、市电力公司机房用于电力广域场景营业落地，或者部署于变电站、发电厂等用于电力园区场景营业落地。图4所示为经营商相助建树方式展现 。

图4  经营商相助建树方式

3.2 建树及运维

电力5G运用早期 ，以电力企业租用经营商的5G中间网、承载网资源为主 ，并由经营商代维。资产需归属电力企业的，可由经营商转售。随着经营商5G能耐凋谢平台以及电力企业5G规画平台的增长以及电力企业5G运维履历的积攒，远期UPF、SMF、AMF等独享网元可按需移交电力企业与经营商共管、共维。

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结 论

本文合成5G在新型电力零星中运用的清静阻止以及低时延高坚贞技术优势  ，立异性地将5G技术优势与电力营业需要深度散漫，将减速5G技术的行业运用以及推广。从营业空间扩散
、功能目的、营业架构
、清静阻止等角度周全合成5G与电力营业的立室性 ，并散漫电力营业与5G收集架构，总体妄想了电力与经营商相助建树5G的技术方式
。为电力行业提供了可参考的5G行业专网架构，可增长“智能电网+5G”等能源规模5G运用推广。

之后，5G正由试点验证阶段向运用阶段过渡，依然存在市区变电站、输电路线、果真配电室等拆穿困绕盲区，以及配置装备部署功耗低等下场需要处置 ，需进一步散漫卫星通讯、宽窄带自组网等技术配合实现多体制电力无线通讯技术广拆穿困绕。此外，电力与经营商的商业方式 、财富生态也需进一步探究以及美满
。

▍作者简介

苏俊浩，工程师，主要处置电力零星通讯妄想妄想使命；

刘晗，低级工程师，主要处置电力零星通讯及数字化名目规画使命；

王玉东，教授级低级工程师，主要处置电网智能化及电力通讯收集妄想使命；

辛培哲 ，教授级低级工程师，主要处置电网智能化及电力通讯收集妄想使命；

李正浩 ，工程师，主要处置电力零星数字化名目规画使命；

刘明刚
，低级工程师 ，主要处置电力零星通讯妄想妄想使命 。

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