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5G+确定性智能电网应用

发布时间:2021-11-25  作者:中兴通讯 张强  阅读量:

南方电网联合中国移动、中兴通讯,2020年在广州完成了首个商用电力切片专网的部署,网络包括100多个站点,覆盖整个南沙新区,并成功验证了50多个电力通信业务。5G切片专网不仅为电网生产区通信业务提供了资源的高安全隔离,还提供了低时延、低抖动的确定性通信。

南方电网业务涉及发、输、变、配、用等5个环节,不同业务对网络的安全隔离性、带宽、时延、抖动、授时精度等都有不同的要求。根据SLA及业务作用的不同,电网业务又分为生产区和管理区两大类业务。不同的智能电网业务,需要不同的5G网络性能满足其通信连接需求。对于生产区的业务,例如差动保护、配网PMU、配电自动化业务,需要高可靠、低时延、高精度授时通信连接;对于管理区的业务,例如变电站类业务、综合类业务,有高带宽的需求。

   对于低时延、低抖动的生产区电网业务,南沙生产区切片采用了PRB资源预留、FlexE高速转发通道、UPF下沉分流、MS2MS点到点直接通信等5G先进技术进行保障,并逐步结合5G LAN、URLLC、TSN等提供确定性通信。对于时延和确定性要求不高的管理区业务,南沙管理区切片切片采用了QoS优先级调度等技术进行保障。广州南沙电网切片专网拓扑图见图1。

 

        图1   广州南沙电网切片专网

端到端通信

 

传统的差动保护业务通过光纤直连的方式实现二层报文的单播或组播通信。在广州南沙项目中,采用5G网络替代光纤实现差动保护终端的互联。在5G通信技术中,5G LAN可以提供UE到UE的层二通信,但现阶段5G LAN产业链还不成熟,终端还不支持二层会话的建立,因此,中兴通讯创新采用MS2MS(Mobile Station to Mobile Station)功能提供点到点、点到多点的通信,对DTU(Distribution Terminal Unit)进行升级改造提供层三通信,DTU通过CPE接入5G网络,差动保护消息直接在UPF进行环回,从而实现UE到UE的通信,后续可以平滑演进到5G LAN。

 

PRB资源预留

 

5G无线空口资源可从时、频、空维度划分为不同的资源块,其中频域方向可以分为物理资源块(PRB),每个PRB对应12个子载波。根据电网生产区业务通信高安全、低时延的特点,在广州南沙项目中,无线采用了PRB预留技术,保障无线侧电网的快速转发,根据业务的带宽、时延等要求,对生产区的业务设置合适的PRB资源预留比例。

PRB预留资源可对应到一个切片组,用于组内各切片内的所有业务。不同切片的数据承载(DRB)映射到不同的物理资源块(PRB),实现物理安全隔离,互不影响。通过预留,可以无竞争地获取资源,获得有保证的高可靠性。相对于共享PRB资源的QoS切片,PRB预留切片可以提供类似于专用无线频谱资源的硬隔离,并且支持灵活的PRB资源独享和共享策略。通过预留一定比例的PRB资源,保障电力分区切片专网的带宽资源,提供了一定的隔离性、确定性保障。

 

QoS优先级调度

 

针对隔离性要求不是很高的管理区业务,可以直接采用切片+QoS优先级进行调度。其次,对于隔离性要求比较高的生产区的业务,可能需要对PRB预留切片内不同的电力业务进行进一步的差异化保障,例如生产控制I区内,有秒级时延需求的配电自动化三遥业务,也有50ms时延需求的PMU(Phasor Measurement Unit)业务,可通过对这些业务的性能需求进行聚类,分配不同的5QI,并结合具体的切片S-NSSAI,匹配到不同的无线策略参数,从而实现统一切片内不同电力业务的差异化服务质量保障。

 

专用UPF

 

针对电网业务高隔离、低时延的需要,将UPF(User Plane Function)直接下沉至电网的机房中,提供本地业务的接入,即保证电网业务的安全性和数据不出园区,从而保障低时延的确定性通信。

其次,根据电网业务的安全特性要求,中兴通讯提出UPF共享时多网络实例多切片的隔离技术,解决智能电网生产区和管理区各业务共用UPF时的资源隔离问题。对于安全性要求比较高的生产控制大区部署物理独立的专用UPF,在此基础上,再划分逻辑独立的UPF切片,实现UPF多网络实例,提供安全区I、II的业务隔离和SLA保障。

多实例:根据电网各区业务之间的资源隔离和SLA保障的要求,在UPF上设置不同的网络实例,并对每个网络实例设置不同的资源和VPN的隔离策略;

多切片:建立电力切片与多网络实例之间的映射关系,并通过网络多实例(Network Instance)技术实现电力切片之间的资源隔离、网络平面隔离(VLAN)、带宽隔离等。

 

TSN技术

 

URLLC+TSN是电网后续的最佳解决方案,可以同时解决低时延、高可靠、低抖动的问题。目前URLLC和TSN产业链还不够成熟,可以结合产业链的进展,逐步将URLLC和TSN技术引入到电网通信业务中。

 

中兴通讯在与南方电网的深度合作和示范验证项目中,提供无线、承载、核心网等全套产品,构建端到端、低时延、低抖动的5G确定性网络切片,为不同安全区的电网业务提供差异化的SLA保障。同时,中兴通讯致力于5G LAN、TSN、URLLC、精准授时、小颗粒度FlexE等多种关键技术的解决方案,助力5G+智能电网新业务的快速开展与部署。

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