精准负荷控制在电力5G环境中的应用

2021-09-05胡光宇完颜绍澎

山东电力技术 2021年8期

徐溯，胡光宇，完颜绍澎，于佳

（1.江苏省电力有限公司镇江供电分公司，江苏镇江 212000；2.南瑞集团有限公司（国网电力科学研究院有限公司），江苏南京 210000）

0 引言

5G作为面向2020年后的新一代移动通信技术，是未来无线技术的发展方向［1-2］。5G 能够带来超高带宽、超低时延以及超大规模连接的用户体验，其基于软件定义、网络功能虚拟化等技术的网络架构能够支持网络资源的按需定制、高动态扩展与自动化部署，支持从接入网、核心网到承载网的端到端网络切片，从而为电力行业用户打造定制化的“行业专网”服务，从而更好地适应未来电力多场景，满足差异化业务灵活承载的需求，有力促进能源互联网业务应用创新［3-8］。

毫秒级精准负荷控制对通信网络的关键需求是毫秒级的超低时延，精准负荷控制属于电网I/II生产大区业务，要求和其他III/IV 管理大区业务完全隔离。5G 的低时延、高可靠性理论上能够满足精准负荷控制的要求。因此紧密围绕接入需求，开展精准负荷控制业务在5G 环境中的应用研究以及精准负荷控制业务在5G环境中的试点验证研究。

1 5G与电力业务应用场景的适配模型

5G 作为新一代移动通信技术，3GPP 定义了5G的增强移动宽带eMBB、大连接物联网mMTC 和超高可靠超低时延通信uRLLC 三大场景［9］。其中，eMBB指3D/超高清视频等大流量移动宽带业务，mMTC 指大规模物联网业务，URLLC 指如无人驾驶、工业自动化等需要低时延、高可靠连接的业务［10］。5G 技术具有超高带宽、超低时延以及超大规模连接等特征，其基于软件定义、网络功能虚拟化等技术的网络架构能够支持网络资源的按需定制、高动态扩展与自动化部署，支持从接入网、核心网到承载网的端到端网络切片，可为电力系统打造定制化的“行业专网”服务，满足未来电力多场景、差异化业务灵活承载需求［11-17］。

综合考虑各类电力业务的带宽、实时性、可靠性和大连接等维度的需求，分析不同业务需求与5G 应用场景的契合度，将业务划分为3 类，即eMBB 倾向型、uRLLC 倾向型和mMTC 倾向型。针对差动保护、配电自动化、精准负荷控制、用电信息采集、配网状态监测、实物ID、智能巡检、视频监控8类典型业务，形成适配模型如图1所示。

图1 5G与多种业务应用场景的适配模型

2 基于5G的精准负荷控制应用的技术研究

精准负荷控制系统由切负荷主站、切负荷子站及用户侧智能网荷互动终端构成，毫秒级控制系统控制指令等数据信息在智能网荷互动终端与切负荷子站、切负荷主站之间交互［11］。

精准负荷控制通信系统的通信对象包括接入层电力大用户、燃煤电厂、翻水站、储能电站的负荷分路开关，以及骨干汇聚层各级上联汇聚站点。精准负荷控制系统由切负荷主站、切负荷子站及用户侧智能网荷互动终端构成，毫秒级控制系统控制指令等数据信息在智能网荷互动终端与切负荷子站、切负荷主站之间交互。

通过5G 低时延技术实现源网侧与负荷侧良性互动，有效指导电力用户根据价格信号或激励措施，优化其用电行为，从而促进电力供需平衡、保障电网稳定运行。同时，需求侧响应资源也可以提供电力系统辅助服务，作为电力系统的调频备用、旋转备用、非旋转备用等，确保能源网侧正常的电力供应。

2.1 通信需求

毫秒级负荷控制业务通信要求包括以下方面：

端到端时延要求：毫秒级控制系统时延包含故障信息采集及决策时间、通道传输时间、用户站点转接装置延时时间、分路开关跳开时间等，总体时延要求不超过650 ms［12］，其中，从稳控装置故障判别所需条件全部满足开始，直至用户负控终端控制命令出口时延要求不超过200 ms，无线通信通道端到端时延不超过50 ms。

业务工作周期：业务采集周期遥测80 ms。

业务带宽：单个负控终端至控制子站间上下行业务速率不低于280 kbit/s。

业务终端工作环境特征：终端固定，室内环境。

无线通信质量等级要求：符合3GPP TS 23.203中QCI5、优先级1等级服务质量要求。

2.2 建设方案

建设方案如图2 所示。通过无线5G 网络侧将负荷信息上传至市公司，市公司精准负荷控制业务接入交换机分别采用2 块以太网板卡的以太网接口与地区核心层主环A、B 网SDH 设备以太网接口互联，通过地区核心层主环A、B 网至500 kV 控制子站，控制子站侧地区核心层主环A、B 网SDH 设备分别采用GE/FE 接口与控制子站光纤交换机以太网接口互联，形成用户至500 kV控制子站的传输通道。

3 精准负控业务的试验网搭建与测试验证

3.1 4G无线专网的测试方案

根据现有4G 无线专网，在实验室搭建源网荷毫秒级控制业务测试网络架构如图3 所示。考虑到SDH线路时延很小，本次测试中不部署SDH设备。

根据图3可知，网络承载的时延Δt为

式中：t0为中心站收到上级协控切负荷指令的时刻，可在中心站读取；ti为终端i收到指令的时刻，用测试仪读取，i=1，2，3，4。

测试步骤如下。

步骤1）：按图3网络拓扑，搭建试验环境。

图3 源网荷毫秒级控制业务实验室测试网络架构

步骤2）：切断断点1，光纤/以太网转换装置与终端之间用网线直连，测试未接入无线专网的时延，计算t1-t0。

步骤3）：切断断点2，光纤/以太网转换装置与终端之间用无线网络连接，测试接入无线专网后的时延。按照CPE 与基站距离远近开展测试，测试CPE终端在离基站约5 m 的实验室内的时延差t2-t0；测试CPE终端在离基站约400 m的工程1号楼4楼办公室的时延差t3-t0；测试CPE 终端在离基站约1 000 m 的公司内遮挡严重的1楼会议的时延差t4-t0。

步骤4）：通过计算（t2-t0）-（t1-t0）、（t3-t0）-（t1-t0）、（t4-t0）-（t1-t0）得出接入无线网络引入的时延。

3.2 4G无线专网的测试项目和结果

测试项目包括机房中心站与终端的直连测试、机房内无线测试、就近无线测试和遮挡严重情况下的无线测试。4种情况的测试统计如表1所示。

表1 4种情况的测试统计

3.3 5G的测试方案

按照国家电网有限公司电力精控业务切片验证工作方案，以保证现网在运业务安全稳定运行为原则，以“安全可靠、实施高效、测试全面”为指导思想，采用实际环境与测试终端相结合的方式，搭建精控5G 验证测试环境，检测精控业务在5G 网络下的时延。重点验证现实环境下5G 核心网切片的应用可行性，测试承载精准负荷控制业务的端到端时延。

利用现有的5G 网络，在机房搭建精控主站、精控子站，采用CPE接入负控终端，进行精准负荷控制时延测试，网络拓扑如图4所示。

图4 5G测试方案的网络拓扑

无线终端采用5G eMBB 家庭宽带CPE，基站部署在室外，基于3 400～3 500 MHz频段，带宽100 MHz，天线数量为2 根，基站空口调度周期为0.5 ms。核心网部署在电信侧，采用网络切片技术，基于网络功能虚拟化NFV技术利用虚拟机实现软隔离。精控业务系统部署在供电公司。

测试环境包括室内环境和户外环境。网络信号强度RSRP 大于-95 dBm，信噪比SINR 大于25 dB。测试步骤如下。

步骤1）：无线终端通过以太网口连接配电终端，无线终端插入USIM卡，并开机进入空闲状态。

步骤2）：正确配置UE 和系统侧的相关参数，完成EPS承载激活过程。

步骤3）：源网荷模拟主站（子站）与SOE 高精度时间测试仪（部署在精准切负荷终端，检测终端端子跳变，并记录时间）通过GPS对时。

步骤4）：模拟下发切负荷命令（无时标）到源网荷模拟主站，源网荷模拟主站分析后下发控制命令到源网荷模拟子站并记录下发时间为T1，源网荷模拟子站通过网络下发控制命令到精准切负荷终端并记录下发时间为T2。

3.4 5G的测试内容和结果

测试项目包括机房中心站与终端的直连测试、机房内无线测试、就近无线测试和遮挡严重情况下的无线测试。

1）机房中心站与终端的直连测试。该测试作为无线测试的对比。将终端放置于机柜旁，用网线将终端与光纤/以太转换器直连。测试仪与终端连接。由一台笔记本模拟主站向中心站—子站发送命令，在中心站上读取收到指令的时刻t0。在测试仪上读取终端收到指令的时刻t1。重复10次。

2）机房内无线测试。在机房将终端与CPE 通过网线连接，测试仪与终端连接。由一台笔记本模拟主站向中心站—子站发送命令，在中心站上读取收到指令的时刻t0。在测试仪上读取终端收到指令的时刻t2。重复10 次。此时，CPE 信号强度RSRP为-55 dB，信噪比SINR为28 dB。

3）就近无线测试。在面向基站的靠窗办公桌上将终端与CPE 通过网线连接，测试仪与终端连接。由一台笔记本模拟主站向中心站—子站发送命令，在中心站上读取收到指令的时刻t0。在测试仪上读取终端收到指令的时刻t3。重复10次。此时CPE 信号强度RSRP为-114 dB，信噪比SINR为2 dB。

4）遮挡严重无线测试。与就近无线测试采用同样的方式在会议室进行测试。由一台笔记本模拟主站向中心站—子站发送命令，在中心站上读取收到指令的时刻t0。在测试仪上读取方天终端收到指令的时刻t4。重复10 次。此时，CPE 信号强度RSRP为-127 dB，信噪比SINR 为-6 dB。无线信号已经微弱到稍微移动天线就断线，可认为在无线网络边界测试。

4种情况下的测试结果如表2所示。

表2 测试结果单位：ms

本次测试初步验证了核心网切片应用可行性，经实测，端到端平均时延为37 ms。5G CPE 终端至核心网通信时延为4.5 ms，核心网至精控业务子站通信时延为0.5 ms，其余为子站下发控制命令、负控终端接收控制命令的处理时延。如图7所示。

图5 测试时延示意图

图6 4G与5G测试对比

结合苏州电力无线专网挂网测试情况，对本次5G 测试结果进行分析。苏州1 800 MHz 电力专网端到端时延平均为33 ms，其中可对比分析部分（无线CPE终端与核心网之间）时延与本次测试对比如图8所示。本次测试CPE 终端与5G 核心网通信时延为4.5 ms；4G 测试中CPE 终端至专网4G 核心网时延为12 ms，本次测试提升约7.5 ms。主要是因为5G 基站采用更为灵活的调度算法，对空口的时延进一步进行了优化。