5G确定性网络电力系列白皮书.pdf

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1、5G确定性网络电力系列化白皮书I： 需求、技术及实践 5G确定性网络电力系列白皮书I： 需求、技术及实践 10 5G确定性网络电力之需求洞察 前言 1.1 行业数字化要求差异化、专属和可自定义的3D网络服务 1.2 电力是5G确定性网络最具代表性的行业之一 1.2.1 电力典型场景对5G确定性网络需求概览 1.2.2 电力对5GDN差异化网络的需求洞察 1.2.2.1 持续上行带宽流量需求 1.2.2.2 毫秒级的网络时延和抖动需求 1.2.2.3 对连续丢包性能的需求  1.2.2.4 微秒级的时钟同步需求 1.2.2.5 4个9的通道可用性需求 1.2.2.6 非IP化传输需求

2、1.2.3 电力对5GDN专属网络的需求洞察 1.2.4 电力对5GDN自助网络的需求洞察 1.2.4.1 E2E切片自助服务需求 1.2.4.2 电力专用MEC自助服务需求 11 5G确定性网络电力之关键技术方案 01 02 02 03 04 05 06 06 07 08 08 09 10 10 11 12 12 13 14 14 15 15 15 16 16 23 24 25 17 18 18 19 19 20 20 20 21 22 27  2.1 5GDN电力关键支撑技术与需求匹配 2.2 无线域 2.2.1 精准时钟同步授时 2.2.2 超级上行SUL 2.2.3 灵活的无

3、线隔离调度技术 2.2.4 Non-Slot特性缩短上下行时延 2.2.5 上行免调度传输（UL Grant-free） 2.3 承载域 2.3.1 硬隔离(Hard Isolation)技术 2.3.2 软隔离(Soft Isolation)技术 2.4 核心网域  2.4.1 多路冗余传输 2.4.2 5G LAN 2.4.3 核心网隔离技术 2.4.4 电力MEC多接入边缘计算 2.5 安全域 2.5.1 5G电力终端安全解决方案 2.5.2 5G电力网络安全解决方案 2.6 管理支撑域 2.6.1 E2E电力切片自管理 2.6.2 电力MEC自管理 22 26 5G确定性网络

4、电力之应用实践 小结与展望 3.1 南方电网&中国移动深圳5G智能电网应用案例 3.2 国家电网&中国电信青岛5G智能电网应用案例 3.3 国家电网&中国联通驻马店5G智能电网应用案例 附录 目录 无切片，不ToB。网络切片是5G区别于4G的标志性技术之一，是5G使能千行百业数字化转型升级的关键技术底座。 伴随着3GPP R16标准的基线化、CCSA端到端网络切片标准以及中国三大运营商5G SA独立组网建设的有序推进，2020 年将成为中国5G 2B商用的元年。而2B相比2C的最关键差异化需求在于行业需要的是一张确定性网络，也就是说能为所承 载的业务提供包括时延、抖动、

5、丢包率等关键指标在内的确定性业务保证的能力。5G确定性网络（以下简称5GDN）依托 5G原生的超大带宽、超低时延超高可靠性、海量接入三大特性，结合网络切片、MEC边缘计算等关键解决方案，可以完美 的匹配电网行业对于业务可用、安全可靠、可管可控的核心诉求，为电力终端接入网提供了泛在、灵活、低成本、高质量的 全新技术选择，因此业界公认电力有望成为5G 2B商用的第一波行业之一。 为此，5GDNA（5G确定性网络产业联盟）能源互联网小组集合了电网公司、电力终端和应用提供商、系统集成商、电 信运营商、网络设备提供商等端到端产业链的力量，共同编制了本篇白皮书，一方面旨在统一产业共识、形成电力行业对5G

6、确定性网络的需求基线，另一方面也希望能够有助于运营商提前做好网络能力准备，共同加速5G智能电网的商用进程。 本白皮书作为5G确定性网络产业白皮书的系列化行业衍生白皮书之一，基于5G确定性网络的3D（Differentiat- ed-差异化网络、Dedicated-专属网络、DIY-自助网络）模型，重点针对智能电网对5G确定性网络的关键需求进行了具象 化、实例化、量化的详细解读和分析，接着以原子能力的方式，针对匹配行业需求所需要的关键技术和解决方案进行了介 绍，最后再辅以外场PoC的实测结果，通过理论与实践的有机结合，初步验证了5G确定性网络赋能智能电网和能源互联网行 业数字化转型的可行性。 5

7、G确定性网络电力 =5GDN差异化网络（确定性的带宽+时延+抖动+连续丢包率+时钟同步+通道可用性+非IP化传输） +5GDN专属网络（隔离+安全） +5GDN自助网络（切片自助服务+电力专用MEC自助服务） 5G确定性网络电力的解决方案=基于网络切片+MEC的5G电力行业虚拟专网 本白皮书主要参编单位（以下排名不分先后）：中国南方电网有限责任公司、广东省电信规划设计院有限公司、全球能 源互联网研究院有限公司暨国家电网公司电力通信网络技术实验室、国网青岛供电公司、北京四方继保自动化股份有限公 司、南京南瑞信息通信科技有限公司、中国移动通信集团有限公司、中国电信集团有限公司、中国联合网络通信集团

8、有限公 司、华为技术有限公司 本白皮书主要参编人员（以下排名不分先后）：杨俊权、刘建明、张国翊、洪丹轲、王劲、杨晓华、赖剑锋、黄伟如、 林柔丹、沈鹏、李炳林、郭云飞、徐群、刘明峰、李坤、徐骏、许健、胡阳、李洋、张影、吴沛+!、胡玉双、李勇、夏旭、 蒋春元、梅承力、文涛、肖羽、周汉、刘奇、郝晶晶、孙磊、王维、周建勇、丘国良、付佳佳、吴赞红、林和昀、孙严智、 董武、洪杰、陆国生、叶萌、黄观金、谢俊毅、徐全、杨根甜 前言 5G确定性网络电力之需求洞察01 1.1 行业数字化要求差异化、专属和可自定义的3D网络服务 综合10多个行业100多个应用场景的解析和实践，行业数字化对5G网络的诉求可收敛为3个

9、维度，即能力可编排的差异 化（Differentiated）网络，数据安全有保障的专属（Dedicated）网络，以及自主管理可自助服务的DIY网络。  差异化网络是行业数字化的关键诉求。不同于公众消费者用户的普遍需求，行业应用的需求天然是千差万别、多维度 的。比如远程抄表，需要的网络连接很多，对带宽和时延并不敏感。而远程医疗、自动驾驶等业务对网络的确定性低时延、 安全可靠提出更高的要求，甚至要达到6个9，每年的故障时间只有几秒钟。5G为行业数字化打开想象空间，缘于5G可以提 供多维度的有体验保证的网络能力。 专属网络保证数据安全隔离和数据隐私的保护，是行业应用的普遍要求。对于工业互

10、联网、智能电网等行业，网络安 全、分权分域管理、资源的隔离、数据及信令的保护是这类严苛类行业应用场景基本的要求。用户数据以及业务数据不出园 区，要求做到公网专用，是行业应用的共性需求。 可DIY的自助网络，是行业敏捷创新不可或缺的部分。响应快速变化的业务需求，行业用户希望自定义、按需设计、 DIY自己的网络。以园区物联网场景为例，客户希望可以自主完成物联网络服务能力的编排/调度/管理，灵活的组网并部署创 新应用，随时添加或删除设备。 5G确定性网络电力之需求洞察 图 1-1行业数字化对网络SLA的3D要求（来源：5G确定性网络产业白皮书） 数据来源：Huawei cLab & CAIC

11、T Differentiated 差异 化网络 Dedicated 专属网络 DIY 自助网络 线上 / 线下购买 网络自定义 快速开通 自管理 / 自维护 网络自运营    5G确定性网络电力之需求洞察 02 基于这三个维度构筑确定性能力的网络，就是运营商推动各行业在5G时代实现数字化转型的核心资产，也就是5G确定 性网络（5GDN）。5GDN所能够提供的差异化程度越高、越灵活，则5G网络就能够被应用于更多的潜在市场；5GDN可 达到的SLA确定性越强，则可以进入更高端、潜在收入空间更大的细分市场（如工业自动化、能源互联网等）。 1.2 电力是5G确定性网络最具代表性的行

12、业之一 2019年，5G确定性网络在全球各区域均开展了广泛的试点部署。特别在中国市场，由运营商、行业、电信设备提供 商、通信服务产业多方联合，在很多领域进行了深入合作探索，并获得了显著成效。这些成果一方面论证了5GDN技术在部 分行业已具备了部署应用条件，另一方面，展示出了方案所能够带来的商业价值。 从下表可以看出，智能电网对于5G差异化、专属化和自助服务的需求在TOP代表行业中，都是相关度最高的，属于5G 确定性网络最具代表性的行业应用之一。 1.2.1 电力典型场景对5G确定性网络需求概览 从电力业务的生产消费环节维度分析，主要涵盖“发、输、变、配、用”5个主要环节，随着电力电力物联网发展

13、，对 先进、可靠、高效的新兴无线通信技术提出了较大需求。以南方电网为例，其通过对发、输、变、配、用等电网全业务场景 的系统性梳理，共计识别出54种5G+智能电网潜在应用场景（详见附录）。经过多年建设，电力110kV及以上变电站、大型 电厂等区域已实现光纤覆盖。尤其在变电环节中，传统的电力生产控制业务，如调度电话、线路保护、安稳控制，自动化 EMS、电能计量等已基于光纤实现稳定运行，随着电力物联网及智能变电站的业务发展，如输电线路视频监控、电力隧道环 境及视频监控、变电站视频及环境监控、变电站巡检机器人、移动作业/巡检，以及新增的多媒体、物联网类业务（包括生 产、安监、市场、物资等）逐步兴起，业

14、务呈现出大带宽、高可靠、移动性等特点，需要考虑引入可靠的无线通信方式解决 业务接入。在配用电领域，由于点多面广，现有光纤覆盖建设成本高、运维难度大，难以有效支撑其”可观、可管、可 控”。随着大规模配电网自动化、低压集抄、分布式能源接入、用户双向互动等业务快速发展，各类电网设备、电力终端、 用电客户的通信需求爆发式增长，传统光纤专网的建设成本高、业务开通时间长，无法满足快速灵活的广域接入需求。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，因此迫切需要构建安全可信、接入灵 活、双向实时互动的通信接入网，并采用先进、可靠、稳定、高效的新兴通信技术及系统予以支撑。 表

15、 1-1四类典型行业应用与5GDN能力相关度（来源：5G确定性网络产业白皮书） 5GDN维度 智慧港口 智能电网 智能制造 AR/VR ifferentiatedD 差异化网络 edicatedD 专属网络 IYD 自助网络  强相关  弱相关中相关 针对上述业务发展特点，我们主要从通信的视角出发，将电力业务对5G确定性网络的诉求收敛为以下四大类型： 1） 针对点多面广广域覆盖的配电、用电等业务：基于电力“安全分区、网络专用、横向隔离、纵向认证”的原则，可 进一步细分为生产控制I区、生产控制II区、管理信息区三大业务类型； 2） 针对特定区域有限覆盖的发电、变电等业务：从通

16、信网络建设的视角划分独立的局域园区类型，以满足业务数据不 出厂站的核心安全隔离需求。在局域园区专网内部，同样存在着生产控制区和管理信息区的多样化场景。 不同类型业务对差异化网络、专属化网络和自定义网络的需求不同，如图1-2所示。图中01表示需求程度，10表示需 求强烈，0表示无需求。 生产控制大区控制区（安全区I）业务是电力生产的重要环节，直接实现对电力一次系统的实时监控，电力生产的重要 环节主要包括配网差动保护、智能分布式配电自动化、精准负荷控制、分布式能源调控等。生产控制I区类业务对时延、抖动 等网络性能要求高，同时具有严格的安全隔离和自助管控要求，对专属网络和自助服务的需求度高，传统2/

17、3/4G网络的性 能、隔离性和自助服务能力等均无法有效稳定地满足其需求。 生产控制大区非控制区（安全区II）业务是电力生产的必要环节，在线运行但不具备控制功能，主要包括配网高级计量、 配网PMU、应急现场自助网综合应用等。该类业务由于不具备控制功能，因此，与生产控制I区类业务相比，对差异化网络 性能需求相对较低。但由于该类业务涉及电力生产过程，因此对安全隔离和自助管控需求度较高。 管理信息大区是指生产控制大区以外的电力企业管理系统的业务，主要包括变电站巡检机器人、输电线路无人机巡检、 配电房视频综合监视和移动式现场施工作业管控等。该类业务的主要内容是视频传输，对网络带宽要求高，传统4G网络难以

18、 满足其带宽需求。但由于该类业务的目标是辅助电力生产和管理，专属网络需求较低，但对自助服务需求度较高。 局域园区类业务是指数据和服务需要就地处理的业务，如换流变电站、抽水蓄能电厂、光伏/光热/风电等新能源厂站 等。该类场景一般覆盖面积较大，业务接入类型复杂，涉及室外、室内各种不同环境，需要考虑深度覆盖的同时，还包括新 能源大量传感器的接入、智能巡检、智能检测与闭环优化、运维辅助等。同时，该类场景业务一般在变电站内、电厂内，或 在就近的巡维中心（区县级）卸载，一般不允许进入公网。因此对专属网络需求较高。此外，不同业务可能存在差异化网络 需求。 5G确定性网络电力之需求洞察03 图 1-2 不同类

19、型业务的确定性网络需求 差异化网络（Differentiated） 自助服务（DIY） 生产控制 专属网络（Dedicated） 生产控制 管理信息 局域园区 10 8 6 4 2 0 值得一提的是，以上四种业务类型划分并不是一成不变的，其可能随着电力行业本身的业务发展趋势变化而更新，需要 我们以发展演进的视角去拥抱变化。例如，近年来随着能源互联网的战略发展，国家电网在传统电力业务4大分区之外，又提 出了新的互联网大区业务。 1.2.2 电力对5GDN差异化网络的需求洞察 网络差异化需求可以从持续上行带宽流量、时延抖动、丢包率、同步授时和通道可用性等维度分析，并结合电力业务应 用增加非IP化传

20、输需求。图1-3给出三种典型生产控制I区类业务（配网差动保护、智能分布式FA、配网PMU）对差异化网 络需求。其中，配网差动保护通过计算线路两端的电流差值来判断故障位置并实现故障线路隔离；智能分布式FA主要通过 DTU之间的协调操作实现故障隔离后停电区域的自动复电；配网PMU通过汇集分布在配电网不同位置地PMU装置测量信息 实现对配网运行状态的实时监控。 考虑到生产控制I区业务对差异化网络的要求最为突出，如果5G能够满足其差异化网络的需求，原则上就可以满足其他电 力业务的需求，因此5GDN在差异化网络能力的设计上，重点聚焦满足该类业务。同时，通过我们对行业的需求分析，电力 生产控制I区业务的差

21、异化网络需求较高，若5GDN满足了电力的需求，在其他行业具有极高的推广价值。 1.2.2.1 持续上行带宽流量需求 该类需求典型的业务如：配网差动保护、配网PMU业务。 以配网差动保护业务为例，每一个保护终端都通过通信通道将本端的电气测量数据发送给对端，同时接收对端发送的数 据并加以比较，判断故障位置是否在保护范围内，并决定是否启动将故障切除。保护终端的典型采集频率为1200Hz，每隔 0.833ms发送一次数据，单次数据量为245Byte，通信带宽需求为2.36Mbps。由于配网故障发生是随机的，配网差动保护 需要持续实时通信传递数据来判断和检测线路是否发生故障，因此具有持续上行带宽流量需求

22、，并且对对带宽资源保障要求 高。此外，持续通信也将产生大量的网络流量，单个终端DOU约为886GB，对网络的流量承载能力要求高。 5G确定性网络电力之需求洞察 04 图 1-3 配网差动保护和PMU的差异化网络需求 配网差动保护 配网PMU 智能分布式FA 专属网络持续上行带宽流量需求 丢包率 时延 抖动 通道可用性 授时精度 10 8 6 4 2 0 5G确定性网络电力之需求洞察05 1.2.2.2 毫秒级的网络时延和抖动需求 在电力业务中，网络通信时延=业务执行时间业务处理时间。其中业务执行时间取决于业务需求，业务处理时间主要 取决于硬件装置。在业务执行时间确定的条件下，网络通信时延与业务

23、处理时间强相关：网络通信时延越短，预留给业务处 理的时间越长；反之亦然。通过降低网络通信时延可以为应用提供更多的裕度。 在配网差动保护业务场景中，业务处理时间主要包括采样处理时间、逻辑判断时间、出口继电器时间和开关跳闸时间。 不同硬件装置的业务处理时间也不相同，采样处理是保护装置与通信装置之间的转换接口设备的处理时延，一般为13ms； 为避免随机误差引起保护误动作，一般连续5个采样点进行一次综合判断，一般为3ms左右。出口继电器时延是指出口继电 器从接受到信号到驱动配电网开关跳闸的时间，一般为5ms。开关跳闸时间是指断路器执行跳闸执行所需时间，一般为 5080ms。 由于配网差动保护业务属于新

24、兴业务，其业务执行时间要求尚未确定。现阶段，配网差动保护业务执行时间可以采用以 下两种方法确定：沿用主网差动保护的技术规范和参考配网常规保护的技术规范。 (一)、沿用主网差动保护的技术规范要求 主网差动保护技术规范要求：当差动电流2倍整定值时，要求除开关跳闸时间外的保护动作时间（含采样处理、逻辑 判断、出口继电器时间）25ms；当差动电流大于1.2倍整定值时，保护动作时间30ms。这里采用最严格的25ms作为 配网差动保护的保护整组动作时间，相应的网络时延要求15ms。 图 1-5 配网差动保护整组动作时间 图 1-4 持续上行带宽流量需求 差动保护 2.36 Mbps 886 GB 宽带 1

25、.47 Kbps 33 GB PMU DOU 网络通信时延 （传输时延和抖动） 网络时延 网络抖动 业务通信时延 （传输时延和抖动） 或 参考主网保护 参考配网常规保护 业务处理时间 单次采样处理 逻辑判断 出口组电话 开关流利 业务处理时间 (二)、参考配网常规保护的技术规范 配网目前的常规保护业务处理时间（包含开关跳闸时间）要求100ms。考虑到配网自动化系统开关级联较多，因此需 要考虑线路末端差动保护与变电站线路出口保护的时间配合问题，一般变电站出口保护预留给配网系统隔离故障的最大业务执 行时间为300ms。为了缩小停电范围，同时考虑开关拒动的扩大化隔离故障，一般要求开关下游发生故障需要

26、在150ms完成 故障隔离，即业务执行时间为150ms。考虑预留一定的裕度，实际工程要求业务执行时间120ms，因此网络通信时间 = 业 务执行时间（120ms）业务处理时间（100ms） = 20ms，考虑预留一定的裕度，要求网络延时15ms。 在智能分布式FA场景中，如果配网某点发生故障后，故障点之前的开关控制器产生GOOSE信号，并向上下游DTU传 递，每台DTU通过GOOSE信号和本级过流信号的比对，就地确定并执行故障区间并执行隔离策略、非故障区域自愈复电策 略。全过程时延如下图所示： 为避免引起客户用电闪动，要求FA全过程时间不超过100ms。因此通信传输  全过程时间10

27、0ms采集信号1ms GOOSE信号生成5ms 信号比对10ms生成跳闸信号1ms出口继电器动作5ms减断路器跳闸50ms = 28ms。考虑预 留一定的裕度，要求网络延时<=20ms。 此处应该说明，网络通信时延 = 网络传输时延 + 传输抖动。一般情况下，传输抖动较小，网络通信时延主要取决于网络 传输时延。在保证业务传输可靠性的情况下，抖动越小越好。目前电网对传输抖动的要求没有量化的标准，为了适应5G网络 的不确定性传输，一般通过设置缓存区本身的大小和应用层容错设计来解决此问题。 1.2.2.3 对连续丢包性能的需求 丢包是指一个或多个数据包无法在规定的时间内通过网络传输到达目的地。

28、连续丢包可能会影响业务的正常运行。以配网 差动保护为例，为了保证业务的顺利开展，规定如果保护终端连续3个时间间隔接收不到对端发送的数据包，该终端就会判断 线路故障，并通过闭锁差动保护功能逻辑模块输出闭锁保护，同时产生差动保护闭锁告警信号并上传至配电主站；当通信恢复 和数据正常保持大于40ms后解锁闭锁，差动保护逻辑模块恢复正常运行，同时产生差动保护闭锁接触信号并上传至配电主 站。为了保障差动保护业务的顺利进行，要求连续丢包数3。  5G确定性网络电力之需求洞察 06 图 1-6 分布式FA整组动作时间 通信传输 通信传输 X ms 生成GOOSE信号 5 ms 采集信号 1 ms 信

29、号比对 10 ms 生成跳闸信号 1 ms 出口继电器动作 5 ms 断路器跳开 50 ms 采集过流信号生成 GOOSE信号 信号逻辑比对 故障点两侧 开关跳闸 DTU 采集过流信号生成 GOOSE信号 信号逻辑比对 DTU 配电网发生 相间短路故障 5G确定性网络电力之需求洞察07 1.2.2.4 微秒级的时钟同步需求 电力系统中的装置如PMU、保护终端、DTU等都内置了时钟，但这些时钟之间由于时钟初始值或时钟计时精度等问题 难以同步，导致其相应的采集量也会出现时间偏差，进而影响电力业务的正确执行。以配网差动保护为例，如图1-7所示，线 路两端保护终端不同步将导致线路两端差动电流I A I

30、 B 数值计算不准确，影响差动电流计算和保护逻辑判断的准确性。因此， 需要通过卫星授时等技术来实现全网设备和采集量的同步对时。实际工程中，配网差动保护要求对时精度10us；配网 PMU要求对时精度1us。 1.2.2.5 4个9的通道可用性需求 通道可用性是通信通道全年可正常通信的分钟数占全年总分钟数之比，是电力客户与运行商的主要衔接指标。 以配网差动保护为例，配网差动保护依赖对端持续发送的电流实时测量数据以判别故障，通信通道是否可用直接影响配 网差动保护的正确顺利运行，因此对通道可用性要求高。电力企业要求一个配网差动保护判断周期内（连续5个采样点），通 道可用率不低于99.9%，折算到单次通

31、道可用率为99.99%。配网PMU对通道可用性的要求也相对较高，一般为99.9%。分 布式FA属于事件触发类业务，对通道可用性的要求相对较低，一般为99%。  图 1-7 配网差动保护同步对时需求示意图 图 1-8 配网差动保护的通道可用率需求 A端电流B端电流 发送端 接受端 连续5次通信 通道可用率 99.9% 单次通道传输通道可用率99.99% D1 D2 D3 D4 D5D1 D2 D3 D4 D5 I A I B t t+t t为A、B端终端时钟差 非同步 同步 I A I B t 协议 EtherType 有效MAC地址数量 COOSE 0 x88B8 512个 512个

32、0 x88BASV 5G确定性网络电力之需求洞察 08 1.2.2.6 非IP化传输需求 IEC61850 GOOSE和SV协议是电力场景常用的协议，是基于二层组播方式进行通信。不同组播组不仅组播MAC相互 有区别，同时也携带不同的VLAN。目前不同DTU的组播MAC/VLAN都采用工具规划，并在设备投运前，由人工近端操作 使用工具进行配置。 基于5G网络，需要终端CPE、无线、核心网都支持5GLAN特性，并支持VLAN+组播MAC的组播通信方式。为了减少 支持组播复杂度，一个VLAN内携带组播MAC的消息需要同时发给VLAN内的所有DTU终端。环网柜间的GOOSE/SV消 息，需要通过5G网

33、络；环网柜内的GOOSE/SV消息，则不需要经过CPE或5G网络通信。 1.2.3 电力对5GDN专属网络的需求洞察 作为民生基础行业，电力需要专属网络来保证其业务数据安全。电力监控系统安全防护的总体原则为“安全分区、网络 专用、横向隔离、纵向认证”，其中，安全分区指的是电力监控系统应划分为生产控制大区和管理信息大区。网络专用指的是 电力监控系统的生产控制大区应在专用通道上使用独立的网络设备组网，在物理层面上实现与其它通信网及外部公用网络的安 全隔离；横向隔离指的是在生产控制大区与管理信息大区之间应设置通过专用横向单向安全隔离装置，禁止HTTP、 TELNET等双向的通用网络安全服务通信；生产

34、控制大区及管理信息大区内部系统之间应实现逻辑隔离；纵向认证要求在生 产控制大区与广域网的纵向联接处应设置电力专用纵向加密认证装置或者加密认证网关及相应设施。电力安全防护主要针对网 络系统和基于网络的电力生产控制系统，重点强化边界防护，提高内部安全防护能力，保证电力生产控制系统及重要数据的安 全。 图 1-9 配网自动化的非IP化传输需求 集中式DTU Goose:010CCD010001 SV:010CCD040001 VIan10 Goose:010CCD010001 SV:010CCD040011 VIan20 Goose:010CCD0100012 SV:010CCD040012 VIa

35、n30 Goose:010CCD0100013 SV:010CCD040013 环网柜内的组播Goose/SV,不需要经过5G网络 VIan40 Goose:010CCD0100014 SV:010CCD040014 dtu1 dtu2 环网柜1 集中式DTU Goose:010ccd010001 SV:010CCD040001 dtu3 dtu4 环网柜2 集中式DTU Goose:010ccd010001 SV:010CCD040001 dtu5 dtu6 环网柜3 环网柜内的组播Goose/SV,需要经过5G网络 5G确定性网络电力之需求洞察09 随着5G在电力行业的逐步推广应用，电力行

36、业一方面要利用好5G的技术优势，同时保障电力安全防护要求，实现5G网 络对智能电网各类电力业务的灵活承载，数据的安全传输。电力5G安全架构需要从终端安全、网络设备及通道安全、接入区 安全等方面考虑，电力5G总体安全防护架构如下图所示： 其中终端安全包括端到端的安全认证，5G终端接入安全接入区需要进行芯片级加密认证，进行访问控制和网络攻击检 测；内网的边界采用公司专用的安全接入平台实现无线业务终端到网络边界的加密传输、终端合法性认证和数据隔离交换等 安全功能。 通道安全主要包括在运营商网络中传输电力专网数据以实现不同类型业务之间专用网络的相互隔离，其中，接入生产控 制大区和管理信息大区的业务之间

37、需要采用物理隔离等措施，而接入管理信息大区的不同业务之间，以及生产控制大区的不 同业务之间需要采用逻辑隔离等措施。电力切片安全需要对接入网切片、承载网切片和核心网切片统一考虑，涉及切片管理 安全、切片授权安全等技术。其中切片管理安全包括网络切片控制器攻击防范和业务配置管理面攻击防范，切片授权安全要 求能够提供切片内认证和授权机制，防止非授权用户访问切片资源。 接入区安全指生产控制大区的业务系统在与其终端的纵向联接中使用无线通信网、电力企业其它数据网（非电力调度数 据网）或者外部公用数据网的虚拟专用网络方式（VPN）等进行通信时应设立安全接入区。此外，上述终端如果接入管理信 息大区要求通过专用的

38、信息网络安全接入网关。 移动边缘计算MEC用户面的灵活部署，一方面可以将服务下沉至基站侧，将使得网络边界扩大，使得针对非法终端接入 对电网业务系统进行入侵和数据窃取的防护更为复杂；另一方面可以实现业务数据的本地化处理，保证数据不出厂站，提高 了业务安全性。因此在部署MEC应用时，需要对MEC进行安全监管，对MEC部署的业务类型、运行情况及安全性进行实时 监控，解决MEC下沉带来的安全性问题。 1.2.4 电力对5GDN自助网络的需求洞察 电力企业对于5GDN自助网络的需求主要表现在E2E切片和电力专用MEC两个方面。 图 1-10 电力5G专属网络安全防护框架 电网控制类 终端安全接入 移动控

39、制类 信息采集类 电力5G安全终端 接入网 承载网 核心网 电力业务应用太区 IP 绑定 生产控制 大区 管理信息 大区 终端 认证 端口 隔离 空口加密认证 数据加密传输 认证安全 连接安全 时隙隔离 VLAN隔离 隧道隔离 信令防护 接入控制 密码增强 MEC安全 切片管理接口安全 切片授权接口安全 物理隔离 逻辑隔离 切片安全 通道隔离 安全接入区 安全接入网关 1.2.4.1 E2E切片自助服务需求 处于业务安全和运行监控的需求，电力企业要求具备5G自助网络全流程管理能力，如图1-11所示。 电力企业对E2E切片的管理需求可以归纳为以下5个方面： 1) 电力业务网络切片订制设计。为了满

40、足不同类型电力业务的差异化需求，运行商与电力企业需要开展深度合作， 协同完成电力切片模板的订制设计工作。 2) 电力业务网络切片业务规划与订购。针对不同类型的电力业务开展通信需求整合，确定业务切片类型、数量、服 务区域、切片容量、带宽、SLA需求等参数，完成电力业务网络切片规划，形成网络切片服务订购清单，并在运营商的网 络能力开放平台上完成网络切片订购。 3) 电力业务网络切片业务部署。电力企业在完成业务网络切片采购后，可自主在订购的切片上布置业务，并具备自 主业务上下线和调整、业务终端和卡管理、网络资源分配能力等。 4) 电力业务网络切片运行监控。主要为电网对所订购切片的网络状态感知、故障定

41、位及业务体验。具体为电网企业 通过运营商能力开放平台采集所订购切片的业务带宽、时延、网络资源状态等，并关联通信终端、业务终端的信息，进行 智能故障定位，另外，可以通过拨测等方式主动针对某些业务开展业务体验评价，以更加全面客观地评估所订购切片的运 行状态。 5) 电力业务网络切片资费管理。电力企业明确切片的资费套餐模型，并对资费台账进行记录和分析，与运营商同步 相关资费信息，实现透明消费的效果。 1.2.4.2 电力专用MEC自助需求 考虑到电网对于业务的高安全高隔离要求，运营商和行业客户已达成基本共识，需要为电力构建专用独享的用户面 （MEC），以便能够确保和业务强相关的数据流始终流转在电力的

42、虚拟专网中。 因此，在E2E切片自运维自管理的基础上，电力行业客户对于电力专用MEC同样存在可视可管可控的需求，包括但不限 于如下几方面的主要需求： 1、租户业务可视：例如用户数、流量等KPI监控 2、租户网络监控：例如异常事件通知、告警等监控 3、租户管理：针对园区内企业的租户管理 4、应用管理：企业自有APP的上下线、APP状态监控等 5G确定性网络电力之需求洞察 10 图 1-11 电力5G自助网络管理需求 切片订制设计 资 费 管 理 1 2 3 4 切片业务规划与订购 切片业务部署 切片运行监控 5GDN基于网络切片技术可以虚拟出多个“行业专网”，进行更高强度的安全隔离，定制化按需分

43、配资源；基于5G MEC、TSN等技术则可以实现更低时延和更确定性的连接，从而能够作为现有电力通信专网的有效补充，解决智能配电网 及智能巡检等无线通信业务“卡脖子”问题。 5GDN的差异化网络能力可满足超低时延抖动、超高授时精度和可靠性需求。5GDN的专属网络能力服务可以满足电力 虚拟行业专网的严格安全隔离需求。同时，5GDN的自助网络能力可以通过北向API能力开放，满足电力客户对于切片KPI可 视化、切片内用户管理等一定权限的自运维自管理需求。因此，基于5G确定性网络的配网差动保护解决方案，在满足电力行 业高安全高隔离的前提下，能够提供更加高效灵活的接入方案，相比传统光纤可有效节省部署成本，

44、并大幅提升业务开通效 率。 2.1 5GDN电力关键支撑技术与需求匹配 5GDN本身可以分为无线、承载、核心网、安全、管理支撑五大领域，不同领域拥有不同的关键技术。为了满足电力行 业对3D（差异化网络、专属网络、DIY网络）的需求。可以通过不同技术组合编排来满足电力业务的差异化需求。5GDN网 络的关键技术与需求之间的对应关系如表2-1所示。 5G确定性网络电力之关键技术方案 5G确定性网络电力之关键技术方案11 表 2-1 5G关键技术与网络需求的映射关系 5G确定性网络技术领域 关键技术 差异化网络 专属网络 自助网络 带宽        通道 可用

45、性 非IP化 传输 切片 自运维 MEC 自运维 隔离   安全 时钟 同步 丢包率 时延 抖动 精准时钟同步 超级上行（SUL） 灵活的无线隔离调度技术 Non-Slot低时延 上行免调度传输（UL Grant- Free） Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y 硬隔离 软隔离 多路冗余传输 5G LAN 核心网隔离技术 电力MEC多接入边缘计算 5G电力终端安全 5G电力网络安全 E2E电力切片自管理 电力MEC自管理 无线域 承载域 核心网域 安全域 管理支撑域 5G确定性网络电力之关键技术方案 12 2.2 无线域 2.2.1 精准时

46、钟同步授时 基于5G网络可实现微秒级的高精时钟同步授时能力，一方面解决了电力业务高精度授时需求，另一方面，间接降低了网 络抖动的严苛要求。具体技术实现主要包括以下3个流程： 1、 时钟源来自GPS或者北斗，基站通过自身GPS天线或北斗天线获取时钟，基站也可以通过1588 V2协议从承载网获 取时钟。5G推荐采用GPS或北斗+1588 V2异构组网、实现天地互备，大幅提高网络授时的安全可靠性； 2、 5G基站将时钟信息通过空口广播（带内SIB16）或单播（携带SFN指示时钟参考点）方式传递给5G CPE； 3、 5G CPE将时钟信息通过IRIG-B码接口方式传递给电力终端，最终实现电力终端间微

47、秒级的高精时钟同步需求。 2.2.2 超级上行SUL 面向电力行业，超级上行技术主要为了解决电力上行为主的业务需求（包括覆盖能力、带宽承载及时延体验）。电力行 业应用以采集为主（上行），具有以下三大发展特征：1）结构化向非结构化发展；2）集中式向分布式控制发展，如配电网 差动保护（2Mbps+）、配网PMU（100kbps+），将呈现“类视频”的实时数据传输形态；3）从低频次向高频次发展， 如采集频次将从天、小时级提升至分钟级。此外，由于电力部分业务地处环境偏僻，高频段覆盖性能难以达到较好效果，随 之也影响着时延、带宽的体验。 虽然5GDN的传输速率有所提升，但从无线空口时隙配比上看，现阶段仍

48、以下行为主，如3.5GHz频段采用双周期，上 下行时隙配比主要为3：7，2.6GHz频段采用5ms单周期，上下行时隙配比主要为2：8，这样导致上行速率和调度实时性受 限。5G需要利用TDD高频与FDD低频结合的方式，通过动态频谱、共享频谱技术，提升其上行能力。目前中国电信率先主 导验证了3.5GHz+2.1GHz超级上行技术，中国移动也正在计划利用2.6GHz+1.8GHz提升其上行能力。 图 2-1 基于5G网络的精准时钟同步授时原理图 正、反 隔高装置 SCADA 历史服务器 前置机 LTE核心网 2 1 1 CPE 检测装置 传输设备 传输设备 us级时间同步 授时架构的三段连接： 1.

49、时间源（GPS/北斗 ）到基站 2.基站到CPE：无线空口 3.CPE到测控装置 主网光缆 无线基站 光线、电缆 环网柜 无线覆 盖区域 环网柜1 CPE CPE 检测装置 环网柜2 CPE CPE. 检测装置 环网柜3 CPE 图例 5G确定性网络电力之关键技术方案13 所谓超级上行技术，主要是通过TDD+FDD聚合方式，实现上行全时隙调度，上行资源大幅增加，同时大大缩短 ACK/NACK反馈时延。如下图所示： UL时隙，使用2.6G/3.5G频谱发送 DL时隙，使用空闲1.8G/2.1G频谱发送，使能上行全时隙 2.2.3 灵活的无线隔离调度技术 5G NR隔离调度方式主要有QoS（5QI

50、）优先级、RB资源预留两种，其中RB资源预留是区别于4G的重要特性。利用 这一特性，可以更好地为电力不同区的业务提供不同等级的隔离、优先级调度服务。 1、基于QoS的调度：在资源有限的情况下，为不同业务提供“按需定制”的差异化服务质量，包括业务调度权重、接 纳门限、队列管理门限等，在资源抢占时，高优先级业务能够优先调度空口的资源，在资源拥塞时，高优先级业务也可能受 影响。 2、RB资源预留：无线空口的RB资源，是指基于时、频、空域等多个正交维度划分的基本单位，业务、信令将承载在 RB资源上，基站对RB资源进行调度，以提升频谱这类稀缺资源的使用效率。在5G NR设计中，允许多个切片共用同一个小 区的RB资源，也可以为特定切片预留分配一定量RB资源，这是5G区别于4G的重要特性，具体可以采用动态共享或静态预 留两种分配方式： 动态共享方式：为指定切片预留的资源允许一定程度上和其他