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5G赋能电网后,必将掀起一场新的时代变革

 小狐 • 2020-06-30 21:25  来源:互联网  E319

冰箱不运转,电视不工作,手机没信号,工厂停工,银行关门,地铁停运,城市交通瘫痪...一切都戛然而止,整个世界仿佛末日来临!

有人被困在电梯里,重症监护室里的病人只能靠手动呼吸器维持生命,交通事故频发...人们已经被逼到了崩溃的边缘!

这不是科幻片。

2019年3月,专家称由于电力基础设施老化和维护不足,委内瑞拉遭遇了连续数次全国范围的大面积停电事故。在这个月里,这个南美国家至少有10天没有电力供应,导致整个社会陷入一片混乱。

5G赋能电网后,必将掀起一场新的时代变革(图1)

然而,委内瑞拉并非个例,这样的大停电事故在全球屡次发生。

2019年6月16日,由于输电线路跳闸,阿根廷、乌拉圭和巴拉圭遭遇了被阿根廷总统形容为“史无前例”的大停电事故,导致约4800万人没有电力供应。

2019年8月4日,由于输电线路故障,印尼发生了20多年来最大规模的停电事故,停电时间长达9个小时。

今天,我们生活在一个灯火永不熄灭的世界,电力已成为人类生产生活不可或缺的部分。哪怕是一次短暂的停电,也会给人们带来恐慌。而如果是大停电事故,会给社会和经济带来巨大的损失。

随着人类社会对电力的消耗和需求不断增长,迫切需要高效、稳定、安全的电力供应,打造坚强的智能电网已是世界各国共同的目标。现代通信技术作为辅助技术,可赋能电网网络化、数字化,提升电网自预测、自响应和自愈能力,减少甚至避免停电事故。当前,全球电力网络正加速向智能电网升级,信息通信也迅速向5G时代迈进,两大高速演进中的超级基础设施之间,正在产生一些奇妙的化学反应。当瓦特遇上比特,5G将如何赋能智能电网?

带着疑问,本文将带你走进全国规模最大的5G智能电网实验网,采访相关专家,一探究竟。

智能电网为什么需要5G?

先来看看电网长啥样?

5G赋能电网后,必将掀起一场新的时代变革(图2)

我们经常看到的电线杆、高压电力塔、配电柜... 都是电网的组成部分。

具体的说,基于电能潮流的走向,电网业务分为发电、输电、变电、配电、用电5个主要环节,电能从发电厂出来,通过变电升压,进入高压输电线路,再经过变电降压,配电给各个用户。

5G赋能电网后,必将掀起一场新的时代变革(图3)

在整个发、输、变、配、用环节中,除了我们经常看到的电力塔、配电柜、输电线等,还有断路器、隔离开关、接触器等我们平时看不到的设备,这些设备都直接用于生产、输送和分配电能,称为“一次设备”

此外,电网中还有一些保护装置、控制开关、继电器等设备,它们对一次设备进行监控、测量、调节和保护等,称为“二次设备”5G赋能电网后,5G网络就属于“二次设备”范畴。

那智能电网是如何定义的呢?

它是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上,通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持技术的应用,实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标。

这定义是不是有点难理解?简单的说,就是在电网上“叠加”通信网络,让从发电厂到用户端整个输配电过程中的所有节点之间可双向通信和电流流动,从而实现监视和控制每个节点。

建立在通信网络的基础上,那光纤有线网络行不行?

“对应发电、输电、变电的电力通信网称为骨干通信网,在中国已实现光纤专网的全面覆盖;对应配电及用电的电力通信网称为终端接入网,具有点多面广、全程全域全覆盖的特征。而传统光纤专网的建设成本高、业务开通时间长,在桥梁、高架等特殊地形场景下有较大局限性,无法满足广域的泛在接入需求,这就决定了目前仍存在相当大的覆盖盲区;同时变电站机器人巡检、输配电线路无人机巡检等移动性场景也对无线通信提出了刚需,因此智能配、用电网亟需泛在、灵活、经济、可靠的无线通信技术。”国家电网电力规划领军人徐群在接受采访中解释道。

部署泛在、灵活、广覆盖的配、用电的电力通信网需要移动通信网络,那4G网络行不行呢?

要回答这个问题,先来看看智能电网的一些典型应用场景?看看这些应用场景对移动通信网络有哪些需求?

1超低时延超高可靠uRLLC

典型应用场景包括智能分布式配电自动化、精准负荷控制等。

以配电自动化为例,你可能不知道,电网最怕的是雪崩效应,单条输电线路发生故障,如果不及时将故障线路隔离和处理,就可能引发连锁反应,让一大片地区陷入黑暗。为此,智能电网需要能及时发现故障,并及时将故障电路隔离,以避免发生大面积停电事故。

在传统的集中式配电自动化方式下,所有的配电终端都需要将数据上报给集中部署的主站/子站,由主站/子站负责基于采集到的数据来进行配电线路的故障定位、隔离和恢复操作。这种方式类似于IT的云计算部署模式,对于通信的时延要求为百毫秒级,可能导致停电时间为分钟级或者小时级。

而智能分布式配电自动化通过配电终端之间点到(多)点通信,可自主完成故障的就地定位、隔离和恢复,实现配电网故障快速自愈,从而让停电时间更短、停响区域更小,理想情况下甚至可以做到不停电。

智能分布式配电自动化通过去中心化实现信息的快速互动,与集中式配电自动化相比,就像分布式的边缘计算与集中式的云计算之间的差别,可大幅降低时延,提升效率,大幅提升配电可靠性和稳定性,但它对网络能力要求非常高,要求通信时延达到毫秒级(配网差动保护要求小于15ms,智能分布式FA要求小于20ms)可靠性达4个9。此外,分布式配电自动化属于电力生产控制大区业务,遵循电力信息“业务分区、网络专用、横向隔离、纵向认证”的十六字指导方针,还需要确保电力生产控制大区业务与电力信息大区业务、以及其它行业业务间实现严格物理隔离,以保障安全隔离性。

2大带宽eMBB

典型应用场景包括变电站监控、机器人巡检、输电线路无人机巡检等,这些应用需将多路4K超高清实时回传,要求网络具备大带宽能力,特别是上行大带宽业务保障。

3大规模连接mMTC

典型应用场景包括低压集抄、现场环境监测等,需支持百万级甚至过亿的海量终端连接,要求网络具备大规模连接能力。

显然,智能电网业务存在多样化、差异化特点,各种业务对网络带宽、时延、连接密度、安全性、可靠性、隔离性都有不同需求。

而4G主要面向移动宽带业务(MBB)是一张“一刀切”和“尽力而为”的网络,所有的业务几乎都被无差别的对待,就像一条交通大道,中间没有实线隔离,所有车辆可相互抢道,会造成交通拥堵,这无法满足智能电网的业务需求。

5G网络就不一样了,它可根据不同业务对网络带宽、时延、安全性、可靠性、地理覆盖范围等SLA需求,通过网络切片技术从一张基础网络上“切”出多个相互隔离的、安全的、SLA可保障的虚拟专网,为不同的业务差异化服务。这就好比根据不同的车辆、方式将交通大道进行实线隔离,比如设置BRT快速公交通道,非机动车专用通道等。

5G赋能电网后,必将掀起一场新的时代变革(图4)

5G网络切片技术不仅可以满足电网不同应用场景对于大带宽、低时延、大连接、安全性、可靠性、隔离性、SLA保障的不同需求,还能通过网络切片平台和网络能力开放让电网行业客户可自运维、自自己的切片网络。

5G赋能电网后,必将掀起一场新的时代变革(图5)

华为云核心网产业发展高级总监杨晓华表示,整个智能电网对5G网络的关键需求可总结为业务可用、安全可信、可管可控的三层需求马斯洛模型。

5G赋能电网后,必将掀起一场新的时代变革(图6)

第一层是差异化+确定性的SLA/QoS业务保障需求。

由于电力行业在发、输、变、配、用各个环节的不同应用场景对于网络的带宽、时延、抖动、授时等有不同的需求,这需要我们基于同一个网络基础设施,满足不同业务场景的差异化+确定性网络需求。

第二层是业务安全隔离需求。

安全是电网公司压倒一切的根本性需求,因此应按照“安全分区、网络专用、横向隔离、纵向认证”的安全防护总体原则,通过网络切片来端到端的灵活的软硬隔离的解决方案,以及支持安全加密芯片、IPSec、空口完保、二次认证等差异化的安全防护能力等,来安全可信的5G电力行业的虚拟专网。

第三层是独立自运维自需求。

电网企业向商购买了5G网络切片服务后,可对自己的切片网络做到可视、可管、可控,甚至一定程度的自,做到简简单单地购买、明明白白地消费。

正是在这样的需求背景下,中国电信青岛分公司网青岛供电公司、华为及产业链上下游合作伙伴在青岛成功建成了中国规模最大、场景丰富、生态全面的5G智能电网实验网,并逐步成为了业界最佳实践。

现在就让我们走进这个实验网,看看5G智能电网到底有哪些应用场景?采用了哪些技术方案?

走进全国规模最大的5G智能电网实验网

自2019年10月以来,青岛5G智能电网项目先后在青岛古镇口、金家岭、奥帆中心以及青岛供电公司调度大楼四大示范区建设5G站点29个,部署电力专用MEC 2套,建成了目前国内甚至是国际上规模最大的5G智能电网实验网。

本次项目聚焦智能分布式配电(包括5G纵差保护、5G智能分布式FA)电力切片&安全隔离、变电站作业监护及配网态势感知、5G基站智能削峰填谷四大专题,无论是业务场景的丰富性,还是技术验证的深度和广度,都走在了行业前列。

5G智能分布式配电

5G纵差保护和智能分布式FA(馈线自动化)属于智能分布式配电自动化的业务场景。如前所述,智能分布式配电自动化是坚强智能电网的关键应用,对网络的时延、可靠性、隔离性保障要求极高,非常考验5G网络切片能力。为此,中国电信青岛分公司、国网青岛供电公司和华为就5G纵差保护和5G智能分布式FA开展了全国首次外场验证,并成功验证了5G可满足业务需求。

2020年1月12日,在青岛古镇口区域,“基于5G网络切片的5G配网纵差保护外场试点”上线。基于5G SA电力切片虚拟专网的实测结果显示,环网柜智能终端STU和STU之间单向通信的平均时延为9.8ms,可满足差动保护15ms的通信要求,故障隔离差动保护判定全部正确,创新性解决了配网线路差动保护的通信难题。

5G赋能电网后,必将掀起一场新的时代变革(图7)

2020年1月15日,在青岛崂山区金狮广场,“基于5G切片的智能分布式FA试点商业应用”上线。和纵差保护类似,同属智能分布式配电自动化技术的智能分布式FA同样对于超低时延超高可靠存在刚需。基于5G SA电力切片虚拟专网解决方案,环网柜智能终端STU间的单向平均通信时延低至6.5ms,完全满足智能分布式FA20ms的通信要求,从而使能100ms的故障隔离。

5G赋能电网后,必将掀起一场新的时代变革(图8)

电力切片&安全隔离

由于电力行业对安全隔离性要求非常严格,本次项目一开始就把5G的安全隔离性放在了首位。

依据电力监控安全防护总体方案要求,结合5G承载电网业务模型,本次项目从终端(含电力终端和通信终端)基站、传输网、核心网、边缘计算到切片,端到端验证了5G切片体验及安全隔离能力。

中国电信青岛分公司5G应用总监陈增辉介绍,本次中国电信青岛分公司为国网青岛供电公司了业内首发的端到端、智能、动态切片方案。在无线5G SA基站侧,采用5QI(QoS优先级)方式在大区内部实现了基于业务优先级调度的逻辑软隔离;在传输侧,采用FlexE技术实现了物理硬隔离,采用VPN或者信道子接口方式实现了逻辑软隔离。在核心网侧,针对生产控制大区、信息大区和变电站区,分别部署独享的MEC设备,打造了2张5G广域切片专网和1张5G局域切片专网,同时新建三层架构的网络切片平台,通过北向API接口与电力综合业务平台对接集成,实现电力切片的可视、可管、可控。

变电站作业监护及配网态势感知

针对变电站内部的信息大区业务(如监控、机器人巡检等)为了将变电站园区采集的现场信息快速回传和AI处理,并保障数据不出园区,本次项目还通过核心网用户面和MEC下沉部署到变电站园区内部,并在5G NR侧采用专用基站与公网业务之间物理硬隔离的方式,建设了一张5G电力局域专网切片,以满足变电站的高安全隔离需求。

5G赋能电网后,必将掀起一场新的时代变革(图9)

5G配电态势感知利用5G网络实时采集配电网电压、电流向量类数据,将数据间隔周期性上传主站,由主站进行状态估算和态势感知,以提前预测负荷和采取措施,避免负荷过重造成设备故障和跳闸停电风险。早在2019年10月,国网青岛供电公司联合中国电信青岛分公司和华为就创新性上线了“基于5G切片的变电站配电感知”为2019年跨国公司青岛峰会5G+保电服务。

5G赋能电网后,必将掀起一场新的时代变革(图10)

丰富的应用场景和先进的技术方案验证让本次项目获得了业界广泛认可。该项目于2019年11月获得了山东省移动互联网5G应用创新技能大赛一等奖,于2020年3月作为唯一工业能源领域案例入选GSMA 5G独立组网驱动应用案例集,于2020年4月在Layer123举办的第三届网络自动化峰会上荣获“5G自动化最佳创新商业项目奖”国际影响力凸显。

首个5G智能电网商业合同签订,规模应用信心倍增

最值得欣喜的是,青岛5G智能电网项目的成功进展让行业对5G智能电网的未来充满了信心。

2020年新年伊始,中国电信青岛分公司与国网青岛供电公司正式签订了5G电力切片商业合同,这是全球5G智能电网领域的首个商业合同

首个5G智能电网商业合同诞生将助力中国电信和国家电网建成中国最大的基于5G SA的电力切片商业网络,也将对推动5G智能电网规模商用起到极大的示范效应。

专家们表示,接下来将在阶段性成果的基础上,从技术、商业、生态、标准、政策等全方位持续推动产业发展,推进5G智能电网规模商用。

1、在技术与商业应用方面,一是要提升网络切片及能力开放平台支撑赋能,实现动态电力切片端到端定制、自动化部署,满足5G电力业务日常运维管控需求;二是要进一步开展端到端5G切片的安全隔离验证;三是扩大应用试点规模和业务场景,打造一批可复制、可推广的业务应用场景。

2、在生态方面,考虑目前5G电力终端普遍存在体积较大、成本较高等不足,下一步需推动产业链上下游企业加快合作,加快配电自动化终端、智能电表、无人机、巡检机器人、高清摄像头等5G电力终端的研发和量产。

4、在产业政策方面,将联合中国电科院、华为、电信研究院等共同开展5G电力切片安全专题,推动相关5G电力安全标准制定,逐步推动行业政策与时俱进的刷新。

电力与通信已是人类生产生活不可或缺的基础设施。回顾过去,电的发明和利用掀起了第二次工业,信息技术发展推动了第三次工业,如今进入5G新基建时代,5G与电网这两大超级基础设施的融合和相互赋能,让沟通和光明无处不在,必将掀起一场新的时代变革。

本文相关词条概念解析:

电网

电力系统中各种电压的变电所及输配电线路组成的整体,称为电力网。它包含变电、输电、配电三个单元。电力网的任务是输送与分配电能,改变电压。

切片

切片通常指用特制刀具把生物体的组织或矿物切成的薄片。切片用来在显微镜下观察和研究。切片:在制图软件或网页制作软件中,把图像切成几部分,一片一片往上传,这样上传的速度比较快。切片(qiepian)玻片标本的一种。用环氧树脂或甲基丙烯酸包埋组织块切制的超薄切片,其厚度在20~50纳米,专供在电子显微镜下观察。切片:是在切片机上进行.切片的厚度因需要而定,一般在5-7微米(μm)左右.在片烟加工工艺中,将开箱(筒、包)后的体积较大的片烟块分切成一定厚度以利于松散和回潮的工艺过程。

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