中国移动 5G 联合创新中心 China Mobile 5G Innovation Center 中国移动 5G 联合创新中心创新研究报告 5G 与能源互联网 (2018 年 ) 2018 年 12 月

Transcription

1 中国移动 5G 联合创新中心 China Mobile 5G Innovation Center 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网 (2018 年 ) 2018 年 12 月

2 摘 要 世界能源发展面临资源紧张 环境污染 气候变化等挑战 能源 消费逐渐向风能 太阳能等清洁能源转变 随着澎湃的信息化 数字 化和智能化浪潮 不断催生和推动着能源互联网新模式 新业态 新 技术的崛起 近年来 我国稳步推进能源互联网建设 加快能源互联 网示范项目建设 提高国内能源资源优化配置能力 推动传统能源行 业智能化升级 以电网为基础的能源互联网是能源与信息深度融合的 复杂系统 业务需求已向大连接 低时延 高可靠 大带宽的方向发 展 5G 技术作为新一代无线通信系统的发展方向 其能力及特性将成 为能源互联网全面发展的重要支撑 本报告首先对能源互联网产业发展现状和趋势进行分析 阐述了 全球能源互联网的发展情况及我国能源互联网建设面临的挑战 第二 介绍了能源互联网的信息架构及关键技术 并根据 5G 的三大场景 全面梳理了能源互联网不同业务对 5G 的应用需求 第三 围绕端到 端网络切片 终端 无线 传输 核心网 安全等领域深度剖析了 5G 在能源互联网中应用的解决方案 第四 为加速创新应用落地 分析 了 5G 在能源互联网中的商业模式 最后 对未来基于 5G 网络 通信 运营商与电力企业共同推动能源互联网发展做出展望 2 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

3 目录 引言... 6 一 能源互联网产业发展现状和趋势分析... 7 ( 一 ) 能源互联网的概念... 7 ( 二 ) 全球能源产业发展趋势及能源互联网发展情况 全球能源发展趋势 全球能源互联网发展情况 我国能源互联网产业发展分析 ( 三 ) 能源互联网面临的挑战 能源生产来源拓展 主体接入方式变革 新型控制与决策模式的引入 能源管理范围扩大 新业务类型的支持 二 能源互联网的信息架构与需求分析 ( 一 ) 能源互联网信息架构分析 能源互联网信息架构 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

4 2 能源互联网关键技术 ( 二 ) 能源互联网对 5G 的需求 增强移动宽带通信场景 超高可靠低时延通信场景 海量机器类通信场景 三 5G 在能源互联网中解决方案分析 ( 一 ) 5G 网络概念和特征 G 网络新架构介绍 G 空口新技术介绍 G 网络新能力介绍 ( 切片 +MEC) ( 二 )5G 在能源互联网中的解决方案 端到端网络切片解决方案 无线部分 传输部分 核心网部分 安全体系 四 5G 在能源互联网中的商业模式分析 ( 一 ) 模式一 提供符合能源互联网行业内通用的 5G 网络接入服务 ( 二 ) 模式二 提供深度个性化定制的网络服务 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

5 ( 三 ) 模式三 运营商提供网络集成服务 ( 四 ) 模式四 运营商和电网客户共建部分 5G 网络基础设施 五 总结与展望 参考文献 联合编写单位及作者 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

6 引言 能源作为社会持续发展的重要物质基础, 对国家繁荣发展 人民生活改善 社会长治久安至关重要, 而能源革命从上世纪开始就成为全球与地方可持续发展 的核心议题之一 自工业革命以来, 能源不但是社会经济发展的重要驱动力, 同 时也是环境污染物的主要来源 在全球环境恶化和能源紧缺的背景下, 全球各国 致力于开发利用新能源, 思考如何利用先进技术, 优化配置能源结构, 提升能源 利用效率 随着互联网技术的兴起, 对于能源的利用已不仅停留在清洁 高效 低成本上, 更多的是立足于智能管理 优化控制等网络化程度更强的能源利用 4G 改变生活,5G 改变社会 5G 作为新一代移动通信技术, 将推动人 与人 人与物 物与物连接的深度融合, 成为万物互联时代的核心基础能力, 并 对生产 生活带来深刻改变 5G 时代不仅能带来超高带宽 超低时延以及超大 规模连接的用户体验, 同时也将赋能不同的垂直行业向智能化方向发展, 满足多 样化业务需求和场景 能源行业作为典型的垂直行业之一, 对通信网络提出了新的挑战与需求, 随 着分布式能源接入 电动汽车服务 用电信息采集 配电自动化 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, 迫切需要实时 稳定 可靠 高效的新兴通信技术及系统支撑, 提升能源行业信 息化 智能化水平, 为经济社会发展提供可靠的用能保障 在此背景下, 能源行业与 5G 网络的深度结合必将推动能源行业安全 清洁 协调和智能发展, 推动互联网理念 先进信息技术与能源产业深度融合, 真正实 现清洁能源替代和电能替代的能源发展核心战略的落地, 从而为智能化工业革命 6 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

7 提供坚实的基础, 助力中国制造 2025 达成既定目标 一 能源互联网产业发展现状和趋势分析 ( 一 ) 能源互联网的概念 美国著名学者杰里米 里夫金在 第三次工业革命 中首先提出了能源互联 网的愿景, 主要包括四大特征 : 以可再生能源为主要一次能源 ; 支持超大规模分 布式发电系统与分布式储能系统接入 ; 基于互联网技术实现广域能源共享 ; 支持 交通系统的电气化 由于他并未给出明确定义, 并且各国在能源领域都有各自的 发展特点和具体国情, 因此能源互联网的概念从提出至今, 仍缺乏一个能够得到 业界广泛认同的清晰定义 我国根据自身国情和国家战略, 首先明确了智能电网的概念 国家发展改革 委 国家能源局联合印发 关于促进智能电网发展的指导意见 ( 发改运行 号 ), 明确指出 智能电网是在传统电力系统基础上, 通过集成新能源 新 材料 新设备和先进传感技术 信息技术 控制技术 储能技术等新技术, 形成 的新一代电力系统, 具有高度信息化 自动化 互动化等特征, 可以更好地实现 电网安全 可靠 经济 高效运行 之后, 随着 互联网 + 与各个行业的融 合发展, 我国又进一步明确了能源互联网的概念, 在智能电网的基础之上, 在信 息技术的基础上增加了互联网理念, 同时也突破电能的限制, 将概念拓展至整个 能源领域 在 2016 年的 关于推进 互联网 + 智慧能源发展的指导意见 ( 发 改能源 [2016]392 号 ), 我国给出了能源互联网的定义, 它是一种互联网与能源 生产 传输 存储 消费以及能源市场深度融合的能源产业发展新形态, 具有设 7 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

8 备智能 多能协同 信息对称 供需分散 系统扁平 交易开放等主要特征 ( 二 ) 全球能源产业发展趋势及能源互联网发展情况 1 全球能源发展趋势 一是清洁能源发展成为大势 全球化石能源面临资源紧缺 环境污染 气候 变化 发展不均衡等严峻挑战 根据当前能源消费情况测算, 预计全球天然气可 再开采 54 年, 石油可再开采 53 年, 煤炭可再开采 110 年 1 工业革命以来全球 地表平均温度上升近 1, 如果能源内涵和供给方式不进行彻底变革, 到本世纪 末全球温升将超过 4 2, 带来冰川融化 海面上升 粮食减产 物种灭绝等灾 害, 严重威胁人类生存和发展 在此大背景下, 世界各国纷纷制定能源转型战略, 加快清洁能源发展, 推进能源变革转型, 提出更高的能效目标, 制定更加积极的 低碳政策, 推动可再生能源发展, 加大温室气体减排力度 联合国气候变化 巴 黎协定 提出了新的更高要求, 明确本世纪下半叶实现全球温室气体排放和吸收 相平衡的目标, 将驱动以新能源和可再生能源为主体的能源供应体系尽早形成 二是能源领域新技术层出不穷 在全球各国政府的大力推进下, 能源领域技 术不断推陈出新, 并且逐步向着更深层次发展 信息物理融合技术 双向通信控 制技术 储能技术 分布式电源并网技术 智能微网技术 智能电力调度技术 多能转换及路由技术 需求侧响应互动技术 智能电力交易平台等技术的成熟, 不仅大幅提升了能源系统效率, 也不断提高大规模接入低碳可再生能源的能力, 实现了对能源的空间适应性 源荷多元性 结构多样性 运行灵活性 整体可控 1 数据来源 : 全球能源互联网发展战略白皮书 2 数据来源 : 刘振亚 全球能源互联网 8 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

9 性 电网交互性的大幅提升 至本世纪末, 全球有望实现 100% 低碳可再生能源 供应目标 德国 丹麦 瑞典和澳洲, 都提出在本世纪中叶实现 100% 可再生能 源目标 能源革命 2015 ( 绿色和平,2015) 指出, 在 巴黎协定 达成有力 度协议的前提下,100% 使用可再生能源的情景在 2050 年完全可以实现 三是全球能源发展趋势还面临诸多不确定因素 第一, 随着页岩油气革命性 突破, 能源生产和消费国利益分化调整, 全球能源治理体向石油输出国组织 俄 罗斯 中亚 北美等多极供应新格局重构, 导致近年来全球油价较大幅度波动, 并对全球未来能源格局产生深远影响 第二, 当前风能 太阳能等可再生能源成 本较高 竞争优势尚不明显 接入电网的能力不足, 还存在严重的弃风 弃光现 象, 可再生能源的波动性 间歇性 随机性 电能质量较差等问题还有待解决 第三, 地缘政治日趋复杂, 贸易纠纷和政治危机频发, 不稳定因素明显增多 2 全球能源互联网发展情况 全球主要发达国家以及中国都已将发展能源互联网纳入国家战略, 并在资金 政策上面给予了大量的支持 美国在支持能源互联网方面形成一揽子政策, 既有 法律法规 约束性指标等管理类政策, 也有税收抵免 直接补贴 金融支持等激 励类政策, 为能源互联网发展创造新的市场空间, 扫除体制和政策的障碍, 支持 能源互联网技术的产业化, 调动了各方投资应用的积极性 日本十分注重本国能 源的安全性 稳定性 长期性和高效性, 大力发展新能源是日本能源政策与能源 立法的重要组成部分 德国在解决可再生能源的大规模消纳障碍和推动电力市场 灵活交易做了大量的努力 当前能源领域呈现出老牌企业积极转型 售电领域主 体活跃的状态, 绿能消费 需求响应 邻里买卖电等技术已经在现实场景运用 我国则在鼓励创新和倡导合作共赢方面尤为突出 : 既鼓励利用互联网理念解决弃 9 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

10 风弃水等现有能源系统问题, 也鼓励在工业 商业 交通 农业 金融等不同行 业, 在大型建筑 场馆 园区 岛屿 城镇等不同规模探索与能源互联网融合发 展新途径, 开展能源互联网技术应用 商业模式和政策创新试点等 (1) 美国能源互联网发展 1 美国能源互联网发展背景 早期美国虽没有明确提出 能源互联网 这一战略, 但是其发展的智能电网 和能源互联网在电网层面上较为相似 智能电网强调信息技术与电网技术深度融 合, 可看作能源互联网中热 气等多类型能源互相转换的枢纽, 是发展能源互联 网的基石 美国智能电网的政策发展大致分为三个阶段 : 早期研究阶段 ( 年 ) 1998 年美国电科院 (EPRI) 提出智能电 网雏形 IntelliGrid 此后, 能源部进行了一系列研究, 发布报告如 Grid2030 美国电力系统下一个百年的国家愿景 (2003) 电力输送系统升级战略规划 (2007) 等, 为后续的智能电网建设提供了良好的基础 立法保障阶段 ( 年 ) 2007 年 12 月议会通过 能源独立和安全 法案 (EISA2007), 为美国能源部推进智能电网建设提供了相应的法律依据 2009 年奥巴马签署 美国恢复和再投资法案 (ARRA2009), 对美国智能电网 的发展从框架到细节都做了明确的规定 稳步推进阶段 (2009 年至今 ) ARRA2009 法案正式生效后, 能源部获得 45 亿美元的资金用以电网的现代化改造, 改造计划分为智能电网投资补助项目 (SGIG) 和智能电网示范项目 (SGDP) 2011 年, 奥巴马政府提出了 21 世纪 电网政策框架, 其目的在于建立必要的现代化电力传输基础设施, 开发和部署数 10 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

11 字信息或 智能电网 技术, 这些举措将促进可再生能源同当前电网合并, 容纳 更多的电动汽车, 有助于避免停电和更快的恢复供电, 并且可以减少新建发电厂 的需求 2014 年的能源部预算在往年的基础上进一步提升和确保了对智能电网 技术研发和基础设施建设的投资 2015 年的总统预算中, 还提到了 增长 稳 定和财政责任路线图, 其中就包括对能源部增加额外的投资来支持对智能电网 和可再生能源相关技术的研发, 其远目标是要维持美国在向未来的清洁能源经济 转型的过程中处于领导地位 图 1 美国恢复和再投资法案智能电网建设框架 2 美国在能源互联网领域的探索 FREEDM 项目 2008 年, 美国最早提出了能源互联网概念, 并由美国国家科学基金项目启 动 未来可再生电能传输与管理系统 FREEDM 美国政府自 2008 年开始 高经费资助, 并联合了 17 个科研院所和 30 余个工业伙伴共同参与, 其最终目 标是将电力电子技术和信息技术引入电力系统, 每家每户都可以参与到电力市场 当中, 在未来配网层面实现能源互联网理念 FREEDM 系统的理念是在电力电 子 高速数字通信和分布控制技术的支撑下, 建立具有智慧功能的革命性电网构 架吸纳大量分布式能源 通过综合控制能源的生产 传输和消费各环节, 实现能 11 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

12 源的高效利用和对可再生能源的兼容 Sunshot 计划 2011 年 2 月, 美国能源部发起了为期十年的 Sunshot2020 计划, 目的是 为了在 2020 年前将太阳能光伏系统总成本降低 75%, 达到 6 美分 /kwh Sunshot 计划启动以来, 美国光伏成本的降低速度远超预期, 光伏普及加速, 到 2017 年已经完成了 2020 年目标的约 90% 因此, 美国能源部于 2017 年 11 月发布了 Sunshot2030 的新计划, 并设定了具有挑战性的新目标,2030 年光 伏电站成本为 3 美分 /kwh, 并实现电网中电流与信息流的结合, 预计到 2035 年美国 80% 的发电将来自于清洁能源 (2) 日本能源互联网发展 1 日本能源互联网发展背景 受到核岛核灾难的影响, 日本陷入了供电的紧张局面, 这促使东京电力公司 开始部署智能电表 在政策层面, 日本政府积极的引导 :2005 年, 将分布式能 源网络化的应用作为促进城市能源利用体系构建的重要手段之一 ;2007 年日本 环境省 经济产业省 国土交通省等部门也颁布了一系列的激励制度, 以切实有 效推进区域能源的网络化利用, 并通过构建区域热网进行有效利用的可能性 ; 2010 年内阁府发布的 新增长战略 中, 提出要通过能源的面域利用促进需求 侧能源有效管理, 并开始着手相关法律的制定, 同年发布的 能源基本规划 和 智能电网国际标准化路线图, 重点强调了城市和街区层面的可再生能源 未 利用能源的优化利用及对智能电网进行了首次定义 ;2011 年 6 月正式提出了 El 本版智能电网, 在原有中远期智能电网规划目标的基础上进一步提出了智能社 区的近期建设目标. 并首次给出了智能电网完整的体系化发展理念 ;2014 年内 12 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

13 阁通过了 能源基本计划 草案, 将核电定位为 保障日本能源稳定供应的重要 基础能源 的同时, 也明确了加速可再生能源的利用, 将其作为未来实现能源本 土化供应的重要手段 2 日本在能源互联网领域的探索 未来家庭管理系统 目前, 日本正在探索发展能源互联网基本单元 未来家庭能源管理系统 (HEMS), 本田东芝已将 HEMS 应用于示范家庭 HEMS 是能源互联网 的基本单元, 主要包括 : 智能监控家庭太阳能 EV 电动车 储电池或燃烧电池 空调 冰箱等家电, 与微电网智能互动调整平衡等 HEMS 通过网络通信技术将 住宅内的太阳能系统 家用电动汽车以及家用电器等设备相连接, 对能源相关设 备运行和使用状况以及动态电价实时显示, 居民可以根据不同时刻的电价以及用 电设备的用电状况, 同时能够根据过去的电力需求和次日气象信息为基础, 对次 日的电力需求和太阳能发电量进行预测,CEMS( 区域能源管理系统 ) 参照区域 整体的模拟电力供需, 制定出各家庭一天的节电目标和合理的动态电价, 通过 HEMS 再返回通知各家庭, 实现科学经济的生活模式 示范工程 横滨智慧城市项目 横滨智慧城市项目通过横滨市与 34 家企业合作开展了 15 个项目 家庭能源管理系统 (HEMS) 有 4200 户家庭参加 安装分布式太阳能 光伏共 3.7 万 kw, 电动汽车数量达到 2300 辆 通过提供动态电价信息 激励 等手段, 实现用电高峰时削峰 20%,70%~80% 的家庭都能够实现节约电费 丰田市低碳社会体系实证项目 电力需求响应为目标的能源信息管理系统 (EDMS) 实验, 氢燃料电池汽车 MIRAI( 未来 ) 顺利投产, 并提出了超小型 EV 13 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

14 共享服务的商业模式 此外, 还建成了未来城市可视化基地 丰田 Ecoful Town 并对外开放 在产业发展方面, 以智能住宅为主的新技术 系统 产品初步问世 并由企业继续推进商业化 京阪奈生态城市新一代能源 社会体系实证项目 该项目给参与实验的 14 户用户安装家庭能源管理系统 (HEMS), 对区域 100 辆电动汽车安装了充电管理 系统, 并建立了区域能源管理系统 (CEMS), 对两者进行协同控制, 到达需求响 应 削峰填谷的目的 (3) 德国能源互联网发展 1 德国能源互联网发展背景 德国能源转型源于反核的诉求, 并在转型过程中发展出了两大目标, 一是退 出核电, 预计 2022 年最后一个核电站退出现役 二是以 1990 年为基准, 到 2050 年将二氧化碳排放量减排 80-95% 在此过程中, 政策因素在能源转型中 发挥了重要作用 德国颁布了 可再生能源法, 使得可再生能源领域的投资成 为无风险 高利润的投资领域, 为可再生能源份额的提高提供了法律保障 2 德国在能源互联网领域的探索 2008 年, 德国联邦经济与能源部在智能电网的基础上推出的一个为期 4 年 的技术创新促进计划 E-Energy, 是实践能源互联网最早的国家 E-Energy 示范项目作为一个国家性的 灯塔项目, 推动了其他企业和地区积极参与建立 以新型信息通信技术通讯设备和系统为基础的高效能源系统, 以最先进的调控手 段来应付日益增多的分布式电源与各种复杂的用户终端负荷 在德国政府部门的 支持下,E-Energyy 向全国招标示范地区, 在 2008 年至 2013 年进行开发和示 范能源互联网领域的关键技术与商业模式, 最终共有 6 个地区试点项目竞标成 14 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

15 功 C-sells 隶属于在 2016 年 12 月正式启动的 SINTEG 项目, 是德国继 E- Energy 六个示范项目后在能源互联网方面的进一步探索, 是智慧能源系统在欧 洲典型的应用项目, 欧洲推进分布式能源的重要窗口 目前有 50 个来自不同行 业的合作伙伴参与了 C-sells 项目, 其中包括了来自运营商和制造商 能源服 务以及科研机构和电网调度等类别的众多利益相关者 C-sells 采用的是使能 量系统更加灵活的蜂窝方式, 加上各种智能属性, 可以对不同的技术方案和商业 模式进行测试, 而不会危及区域互连系统的稳定性 3 我国能源互联网产业发展分析 (1) 我国能源发展形势 长期以来, 中国的一次能源结构以煤炭为主, 虽然近年来风电 光伏等可再 生能源快速发展, 对天然气的利用也有所增加, 但煤炭消费在能源结构中比重依 然最高, 能源不平衡格局依然存在 随着中国社会生产力的不断提高, 中国的能 源需求也不断增长, 随之而来的是能源结构的不断变化 十九大报告将环境和生 态文明提到了重要的战略位置, 推动中国的能源结构向绿色低碳转型, 是中国能 源革命的核心, 也是能源供给侧改革的一个特征 一是绿色低碳是我国能源发展方向 近两年, 我国能源产业相关支持政策频 发, 从 2014 年节能减排行动方案到 2015 年 5 月 关于加快推进生态文明建设 的意见, 均体现了政策对节能减排的推进力度 能源发展战略行动计划 剑指 可再生能源的推广, 并将储能产业划为重点创新领域, 加快了国内能源互联网建 设进程 2016 年 12 月, 国务院印发 十三五 节能减排综合工作方案, 提出 到 2020 年, 全国万元国内生产总值能耗比 2015 年下降 15%, 能源消费总量控 15 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

16 制在 50 亿吨标准煤以内, 煤炭消费比重进一步降低, 清洁能源成为能源增量主 体, 能源结构调整取得明显进展, 非化石能源占比 15% 全国化学需氧量 氨 氮 二氧化硫 氮氧化物排放总量分别控制在 2001 万吨 207 万吨 1580 万 吨 1574 万吨以内, 比 2015 年分别下降 10% 10% 15% 和 15% 全国挥发 性有机物排放总量比 2015 年下降 10% 以上 二是能源结构朝多元化转变 从国家能源局公布的数据来看, 我国能源结构 正由煤炭为主向多元化转变, 能源发展动力正由传统能源增长向新能源增长转变 规模方面, 截至 2017 年底, 全国发电装机总量累计达 17.8 亿千瓦, 可再生能 源发电装机容量达到约 6.5 亿千瓦 2017 年, 全国光伏年发电量首超 1000 亿 千瓦时, 天然气产量约 1500 亿立方米, 从世界第十八位上升至第六位 3 质量 方面, 一方面, 清洁能源开发正从资源集中地区向负荷集中地区推进, 集中与分 散发展并举的格局正逐步形成 ; 另一方面, 党的十八大以来, 煤炭消费比重累计 下降 8.5 个百分点, 清洁能源消费比重大幅提升 2017 年, 非化石能源和天然 气消费比重分别达到 13.8% 和 7%, 累计上升 4.1 和 2.2 个百分点 ; 电能替代量 达 1000 亿千瓦时以上, 天然气替代量达 300 亿立方米 效率方面, 以光伏为 例, 目前我国常规单晶硅电池和多晶硅电池转换效率分别达到 19.8% 和 18.6%, 先进技术单晶电池和多晶电池转换效率分别达到 21% 和 19.5% 以上, 技术水平 和经济性全球领先 4 三是能源国际合作水平不断提高 我国始终坚持开放发展, 深化在能源领域 的国际交流和互利合作, 推进全球能源治理体系变革, 在国际能源合作和治理中 3 数据来源 : 人民日报 4 数据和信息来源 : 人民日报 16 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

17 将发挥更加重要的作用, 共同构建全球能源命运共同体 2015 年 9 月 26 日, 习近平主席在联合国发展峰会上倡议探讨构建全球能源互联网, 推动以清洁和绿 色方式满足全球电力需求, 描绘了世界能源绿色低碳发展的新蓝图, 为应对气候 变化开辟了新道路, 获得国际社会普遍赞誉和积极响应 2016 年 3 月, 国家电 网发起成立了全球能源互联网发展合作组织, 至今已有超过 260 家组织成员, 来自五大洲 22 个国家和地区, 涵盖能源 电力 信息 环保 科研 咨询和金 融等领域, 打造共商 共建 共享 共赢的合作平台, 推动实现全球能源互联和 可持续发展目标 (2) 我国能源产业相关政策分析 从国家战略层面来看, 近年来, 能源产业相关支持政策频发, 从 2014 年节 能减排行动方案到 2015 年 5 月 关于加快推进生态文明建设的意见, 均体现 了政策对节能减排的推进力度 2016 年 2 月 关于推进 互联网 + 智慧能源 发展的指导意见 的出台, 描绘了能源互联网发展路线图, 并先后出台了多项支 持政策, 直接推动能源互联网的产业升级发展及建设进程 (2016 年以来能源行 业政策解读见附录 ) 从能源体制改革的效果来看, 随着全面深化改革的不断推进, 我国不断完善 规则明确 组织有序 形式多样和主体多元的能源体制, 发展不平衡 不充分的 问题逐步得到解决, 改革在能源市场化 降本增效等方面效果初显, 为能源互联 网提供了良好的发展环境 以电力体制改革为例, 自 2015 年新一轮电力体制改 革启动以来, 电力市场化交易机制得以大力推进 2017 年, 各地签订直接交易 年度 月度合同以及平台集中交易合同电量, 加上跨省区市场化交易 发电权交 易等其他交易品种, 累计完成市场化交易电量 1.63 万亿千瓦时, 同比增长 45%; 17 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

18 市场化交易电量达到全社会用电量的 26%, 度电平均降价约 5 分 2018 年上半 年, 电力市场化交易继续推进, 交易品种形式不断创新丰富, 市场化交易电量累 计突破 8000 亿千瓦时, 同比增长 24.6%5 未来, 我国将进一步推动发用电计 划放开, 发电侧除了清洁能源 调节性电源等优先发电之外, 用户侧除了居民 农业 重要公用事业和公益性服务等优先购电之外, 其他经营性的发用电都应放 开 各地将取消市场主体参与跨省跨区电力市场化交易的限制, 鼓励跨省跨区网 对网 网对点的直接交易 同时支持电力用户与水电 风电 太阳能发电 核电 等清洁能源发电企业开展市场化交易 图 2 我国市场化交易电量 ( 图片来源 : 人民日报 ) 从国家对能源互联网发展的政策支持来看, 主要呈现以下几方面特征 : 一是在能源产业整体规划中, 能源互联网发展是当前及未来能源产业的重要 5 数据来源 : 国家发改委 国家能源局 18 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

19 发展方向 我国能源行业改革进入深水期, 行业调整结构迫切需求转型升级的关 口, 无论是国家整体发展规划, 还是能源产业专项规划, 都将能源互联网作为实 现能源转型升级 创新发展的重要途径, 通过实施能源互联网这样新的技术和新 的业态, 可能会对能源的体制改革提供一些重要的突破点和试验田 在 关于推 进 互联网 + 智慧能源发展的指导意见 发布后, 国家能源局和相关部门通力 合作, 出台一系列政策方案, 主要侧重点在推动能源互联网具体方案的落实上 二是能源互联网的配套改革持续推进, 基础设施建设的政策指导不断完善 能源互联网贯穿整个能源全产业链 全过程, 对化石能源 可再生能源和其他的 能源生产消费方式都会涉及, 近两年来, 国家加强在分布式发电 储能产业 微 电网 多能互补集成优化等能源产业产输变配用多环节的发展布局, 这些都是能 源互联网发展的关键环节, 通过政策指导的不断完善, 进一步夯实能源产业的基 础设施建设, 为能源互联网建设提供了发展空间 三是能源互联网的市场改革加快, 市场化机制建设逐渐健全 为了支撑能源 互联网丰富多样的商业模式, 需要构建合理灵活的市场化体系, 设计相应的配套 机制 随着国家对于电力市场化改革的深入, 服务市场化的价值得到初步体现, 通过构建打通发电辅助服务市场与用需求侧激励的灵活性资源交易, 改变当前发 电辅助服务依靠补偿和需求侧管理财政贴的局面, 进一步实现产业融合与发展, 形成生产端 消费端 储存端多元共享的能源共享经济生态体系和消费新商业模 式 四是能源互联网逐步从理论到实践, 实施广域覆盖的试点工程 在政策激励 下, 能源互联网试点工程在全国各地迅速推广, 能源互联网实现了真正意义上的 广域覆盖 目前各地区的能源互联网试点过程中, 基本能够做到因地制宜, 19 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

20 按照当地的能源禀赋 经济社会发展情况开展试点, 试点工程的推广也带动了能 源互联网技术 商业模式的创新发展 国家重点支持的是从整个大的能源及其发 展目标 发展战略体系框架下有针对性的示范工程, 并且对能够实现技术 标准 产业的平台和形成完整的产业链, 起到先行先试 实施推广的作用 而对于地方 企业的项目, 国家支持鼓励社会资源和企业资源的加入, 并充分利用企业属地化 资源优势, 推动能源互联网的创新发展 (3) 我国能源互联网发展探索 2012 年 8 月, 国防科学技术大学主办了首届中国能源互联网发展战略论坛, 不仅就能源互联网进行了系统的研讨, 而且明确提出目标是加强中国能源互联网 建设顶层谋划, 推动中国能源互联网创新发展 2015 年的全国两会上, 实施 互联网 + 行动计划写入了政府工作报告, 融合互联网和能源的能源互联网获得新发展机遇 两会后, 国家能源局随即召开 了能源互联网工作会议并开展 国家能源互联网行动计划战略研究 2016 年 2 月, 中国国家发展改革委 国家能源局 工业和信息化部联合发布 关于推进 互联网 + 智慧能源发展的指导意见, 对能源互联网提出明确定义 在此之后, 关于推进能源互联网发展的配套政策频出不断, 加强布局能源互联网发展的关键 环节, 推动能源互联网建设的加快落地 在能源互联网的实践操作层面,2016 年到 2018 年为能源互联网试点示范 阶段 2016 年 12 月和 2017 年 6 月, 国家能源局分别公布了首批 23 个多能互 补集成优化示范工程和首批 55 个能源互联网示范项目 20 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

21 ( 三 ) 能源互联网面临的挑战 作为新一代能源系统, 能源互联网相对于传统能源体系具有 广泛互联 智 能互动 灵活柔性 安全可控 开放共享 的突出特征 广泛互联, 是考虑到我 国能源资源与负荷中心呈逆向分布的基本国情 清洁能源发电设备以及新型用能 设备大量接入以及长距离大容量跨区输电的基本现状, 能源互联网系统规模大 接入主体多且需要实现资源的大范围优化配置 智能互动, 是通过应用 大云物 移 以及人工智能等先进技术提升系统智能感知 监测能力与决策水平, 并加强 能源生产与消费侧的互动参与度 灵活柔性, 是通过实现源网荷联动, 有效提升 新能源消纳水平, 应用柔性输电等新技术增强系统的灵活性与适用性 安全可控, 是需要进一步实现具有高度稳定性与可靠性的系统, 实现对网络安全的可控能控, 减小系统风险, 提高能源系统信息安全防护水平 开放共享, 是指能源互联网将 具有高度的开放性与共享性, 通过构建以电网为核心的综合能源服务平台, 使各 种资源互联互通, 实现各类设备友好接入 为了支撑能源互联网的上述新特征, 能源互联网相对于传统能源网络有更高 的要求, 其发展面临着新的挑战 : 1 能源生产来源拓展 不同于传统能源网络仅考虑能源资源的利用效率, 能源互联网还考虑到能源 的生产来源 可再生资源的利用以及自定义化的能源利用, 由此使整个系统引入 了新的大量的元素, 同时也大幅增加了能源系统的整体规模与整体覆盖范围 2 主体接入方式变革 能源互联网一改传统能源系统被动接入 集中式控制方式, 要求系统主体装 21 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

22 置实现 即插即用, 由此对系统的可扩展性与兼容性等提出了新的挑战 3 新型控制与决策模式的引入 能源互联网将不再局限于传统能源系统中心化的决策模式, 可以支撑多种控 制体系, 实现自主化的能源调配与控制, 使用户侧和能源侧等主体主动参与到能 源调度优化中, 给整个系统的灵活可控性与资源优化策略带来了新的需求 4 能源管理范围扩大 不同于传统能源系统仅涉及电力能源等主要能源, 能源互联网为多种能源提 供了统一的管控平台, 需要实现多种类型能源的统一管理与优化配置, 从而实现 联合收益 5 新业务类型的支持 能源互联网相对于传统能源系统在物理特性 运行模式 市场形态上都发生 了根本性的改变, 必将产生更多样化 性能需求更加苛刻的新型业务, 给整个能 源系统的业务支撑能力提出了新的挑战 总之, 能源互联网借鉴了互联网的概念与技术方法, 具备高度的智能性 灵 活性 交互性 实时性 开放性等特点, 构建出了一种能源与信息融合的新体系, 同时也对现有的能源系统提出了系统主体 管控方法 优化策略以及业务支撑等 多方面的新挑战 因此, 引入先进的信息通信技术手段是实现能源互联网的关键, 而为了发展能源互联网业务, 也将对对信息通信技术提出了新的需求 22 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

23 二 能源互联网的信息架构与需求分析 ( 一 ) 能源互联网信息架构分析 以电网为基础的能源互联网是能源与信息深度融合的复杂系统, 未来电网在 能源传输 能源接入和控制 能源消费等领域将发生深刻的变革, 而信息通信技 术则是这次变革中的催化剂和支撑器 1 能源互联网信息架构 如图 3 所示,ICT 系统自上而下分别是决策分析层 流程作业层 采集控 制层和公共基础资源层 图 3 能源互联网中的 ICT 系统 最高层的 决策分析层 类似于人体的 大脑, 通过接收来自电网各处传 入的信息, 采用大数据 模式识别 人工智能等先进信息技术进行信息加工 协 调和处理, 成为协调电网整体行动的决策信号 ; 采集监控层 类似于人体的 感 觉 系统, 通过对电网相关设备 线路状态进行在线的数字化采集, 时刻感知智 能电网各环节的状态, 实现各环节重要运行参数在线监测和控制 ; 流程作业层 类似于人体的 神经 系统, 将电网末梢 ( 采集监控层 ) 感知 收集的一切外部 23 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

24 信息在基本的作业和流程层面进行处理 加工和反馈, 实现对系统或设备的高效 管理 控制 ; 公共基础资源层 类似于人体的 肌体, 支撑上述各层功能的基 本实现, 包括通信信息网络 数据中心 企业门户等, 其中网架坚强 广泛覆盖 的信息通信网络是支撑未来电网信息可靠传输的基本要素 网络与信息安全层 类似于人体的 免疫系统, 贯穿电网各个生产环节, 通过 攻 ( 攻击 ) 防 ( 防 范 ) 测 ( 检测 ) 控 ( 控制 ) 和 管 ( 管理 ) 等措施, 实现全方位的信息通 信安全保障 能源互联网信息通信总目标是通过广泛应用最新信息通信技术, 建设信息高 度共享 业务深度协同 用户灵活互动 覆盖面更广 集成度更高 实用性更强 安全性更好的一体化信息通信系统, 构建 大平台 微应用 多场景, 贯穿电 网各环节, 实现生产控制 经营管理 市场服务 3 大领域的业务与信息化的融 合, 打造经营决策智能分析 管理控制智能处理 业务操作智能作业的智能决策, 全面支撑能源互联网发展 能源互联网信息通信体系结构如图 4 所示, 该技术架 构总体上可以分为四层两纵 四层分别是指采集监控层 基础资源层 流程作业 层和决策分析层, 两纵分别是指安全保障体系和支撑体系 24 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

25 图 4 能源互联网信息通信体系结构 2 能源互联网关键技术 结合能源互联网信息通信体系架构, 能源互联网中的信息通信关键技术包括 采集监控类 流程作业类 分析决策类 基础资源类 安全保障类 支撑体系类 6 个方面 采集监控类包含标识 传感 集中 现场控制等技术 ; 流程作业包括 企业流程管理 授权与身份认证 数据交换 事务处理 企业资源计划 电力交 易等技术 ; 分析决策类包括模式识别 数据挖掘 人工智能 在线策略优化 智 能化分析预测等技术 ; 基础资源包括网络资源 计算资源 存储资源和数据资源 ; 信息通信安全包括工控安全 信息安全和通信安全 ; 支撑体系包括标准体系 信 息化架构等 在能源互联网信息架构中应用上述新技术必将导致未来能源互联网中业务 呈现出多样化 差异化等新特征, 而对于新业务的支撑也将迫切需要信息通信技 术领域有更大的创新和突破, 无线通信系统作为电力能源网络的重要组成部分, 将面临着承载能源互联网各种新型业务的巨大挑战 25 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

26 ( 二 ) 能源互联网对 5G 的需求 随着能源互联网发展, 为了实现能源互联网新型信息通信体系结构, 迫切要 求对各类负荷实施分类精准控制, 适应以特高压为骨干 各级电网协调发展的新 型电网模式 ; 各级电网重要廊道的监视 巡检等核心业务将引入可视化 实时化 精益化的新型作业方式 ; 用户双向互动 用电精细化管理将开展基于 互联网 + 的新型业务模式, 以智能电网为基础的能源互联网业务需求已向大连接 低时延 高可靠 大带宽的方向发展 目前, 面向电力业务的承载形势主要有光纤通信 无线通信以及电力线通信 (PLC) 三种形式, 光纤通信具有大带宽 高速率 高 安全性等优势, 其网络通信性能极强可以满足各种业务的性能需求, 但光纤通信 部署成本高昂 系统复杂, 且限制移动性, 尤其面向能源互联网中的海量设备等 场景, 无法实现全光纤通信的业务承载 无线通信则具有高灵活性 成本低且易 于部署等优点, 是目前工业物联网发展通信业务的首选承载手段, 在能源互联网 的建设上也是终端接入不可或缺的重要组成部分, 但目前的无线通信技术体制在 网络性能上还无法满足未来能源互联网业务对承载网络的性能需求 电力线通信 则由于其电力线特征与性能限制性目前仅被用作电网通信系统的补充通信形式 因此, 在无线通信系统基础上进一步引入先进的无线通信技术将成为能源互联网 通信体系发展的重要一环, 而能源互联网的新型业务也将对电力无线通信技术支 撑能力提出了新的要求 为了满足未来能源互联网业务对无线通信系统的新需求, 迫切需要引入先进 的无线通信技术 5G 是面向 2020 年的新一代移动通信技术, 可以为无线网络 用户提供 1-20Gbps 的极速体验速率 毫秒级的超低端到端时延以及每平方公 26 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

27 里一百万的连接数密度与数十 Tbps 的流量密度, 适用于超高流量密度 超高连 接数密度和超高移动性等场景, 并能实现能效与比特成本的大幅优化 能源互联 网引入和应用 5G 技术, 将能为未来能源互联网业务提供更加有效的支撑 5G 技术主要有增强移动宽带 (embb) 超高可靠低时延通信 (urllc) 以及海量 机器类通信 (mmtc) 三大应用场景, 与能源互联网未来新型业务的发展方向相 吻合, 而同时能源互联网的新型业务也对 5G 技术在时延 带宽 连接数量以及 可靠性等方面的承载能力提出了新的需求 1 增强移动宽带通信场景 增强移动宽带是 5G 的主要场景, 其目标是为了增强原有 4G 宽带网络功能, 达到 1-20Gbps 用户体验速率以及 500km/h 的移动性支持, 使 5G 网络可以有 效支撑 AR VR 超高清视频等新型移动业务 而在能源互联网中, 配网视频监 视 应急通信以及 AR/VR 巡检等未来业务为典型的增强移动宽带场景, 对无线 通信系统提出了大带宽 高移动性等方面的新需求 典型业务 : 配网视频监视 应急通信 AR/VR 巡检 配网视频监视 配网视频监视业务是指对配电网中的重要节点与设备进行视频监视的集中 型实时业务, 主要包括对运行状态 设备安全等方面的监视 该项业务一般在配 电房或较为隐蔽的公共场所部署实施, 现阶段的配网监视主要采用人工勘察巡检 和手抄记录的方式, 未来需要对重要配电节点部署配网视频监视可以有效监控现 场状态, 识别并回传重要数据, 由此减少复杂的人工操作, 还可以完善电力设备 的安全保障, 实现智能化巡检 27 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

28 配网视频监视业务通信需求如表 1 所示 表 1 配网视频监视业务通信需求 指标 QoS 等级时延带宽 内容优先级 4 等级小于 200ms 单路 4 至 10Mbit/s 覆盖 需实现对一些配电房与隐蔽公共场所的覆盖 应急通信 电力应急通信是指在突发事件场景与重要保电场景, 为应急指挥和电力运行 控制提供应急通信的业务 现阶段应急通信主要采用无线通信技术利用卫星通信, 并利用其他短距离无线通信技术作为补充通信手段 在突发事件场景要求应急通 信应能够快速建立应急指挥中心与现场之间的通信通道 快速恢复现场电力关键 生产业务的通信通道 为应急指挥及快速恢复供电提供通信保障 重要保电场景 要求应急通信应提供保电现场临时业务 对已有生产控制业务通道实施加固, 并 对未实现通信的场所进行通信延伸 应急通信业务通信需求如表 2 所示 表 2 应急通信业务通信需求 指标 QoS 等级移动性时延 内容优先级 1 等级终端应支持移动性最低要求小于 20ms 28 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

29 指标 QoS 等级带宽连接密度 内容优先级 1 等级 4 至 100Mbit/s 局部地区 2-10 个不等 AR/VR 巡检 AR/VR 巡检是指在未来的电力移动巡检中引入 AR/VR 技术, 通过定期现场 查勘输变电设备 线路情况, 及时了解故障现象, 消除隐患, 确保电力系统安全 稳定运行 巡检过程中将引入 AR 技术, 自动采集数据 高清图像 视频等信息 并实时传回控制中心, 通过远程会商协助现场解决作业难题, 实现智能化运维管 理 AR/VR 巡检业务通信需求如表 3 所示 表 3 AR/VR 巡检业务通信需求 指标 QoS 等级移动性时延带宽 内容优先级 4 等级支持一定的移动性毫秒级单个终端 51200Kbps 2 超高可靠低时延通信场景 5G 定义的超高可靠低时延通信场景可以支持空口时延 1ms 以内以及 % 的高可靠性, 以支撑工业自动化与无人驾驶等业务场景 智能电网中分 布式馈线自动化 配网差动保护以及用电负荷需求侧响应等业务是典型的低时延 29 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

30 高可靠通信场景, 对无线通信系统的实时性与可靠性提出了较高需求 时延是能源互联网业务通信需求的核心性能指标之一, 是支撑能源互联网实 时智能化管控 负荷及时有效调控以及高速应急响应的基础 不同能源互联网业 务对通信网络的时延性能有着不同的需求, 特别是控制类业务往往需要根据网络 实时运行情况的变化迅速决策并及时实现对能源系统的调整, 根据控制类业务的 功能不同甚至需要信息通信系统提供毫秒级的超低时延 安全可靠是能源系统平稳运行的基本条件, 能源互联网的发展同样离不开信 息通信系统可靠性的保障, 采集类业务与控制类业务对于可靠性都有着不同程度 的需求, 尤其是控制类业务承载着能源系统保护与实时智能化调控等重要职责, 对于可靠性的要求更为突出, 往往需要达到 % 以上的高可靠性指标 典型业务 : 精准负荷控制 配电自动化 分布式馈线自动化 配网差动保护 用电负荷需求侧响应 精准负荷控制 源 网 荷是能源互联网的重要组成部分, 三部分相互关联 相互影响 相 互制约, 负荷控制是平衡电网功率 维持电网稳定运行的重要手段 在电网故障 的情况下, 为了防止电网崩溃, 现有电力系统将切除一部分线路的电力负荷, 造 成大面积的区域断电, 社会影响较大 而在能源互联网中采用基于稳控技术来构建精准负荷控制系统, 通过高性能 的信息通信系统来减小负荷调度粒度来实现源 网 荷的友好互动 当前, 已建 设的精准负荷控制系统主要为光纤通信的承载形式, 而随着精准负荷控制业务的 进一步部署与建设, 光纤通信在覆盖范围上也将遭遇瓶颈, 有必要引入无线通信 技术, 利用无线网络来为接入变电站与控制终端提供通信链路, 未来精准负荷控 30 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

31 制系统通信架构如图 5 所示 在精准负荷控制系统中, 控制对象将精准到生产企 业内部的可中断负荷, 满足电网紧急情况下应急处置的同时, 仅涉及经济生活中 企业用户的可中断负荷, 如空调 电动汽车充电桩等, 将社会影响降至最低 由 于控制粒度变小, 且电力系统故障需要实时快速响应, 因此需要对大量用电设备 实现低时延的负荷控制, 对通信系统提出了更高的更为严格的需求, 其通信需求 主要集中在超低时延与高可靠性上 精准负载控制系统对信息通信性能需求如表 4 所示 A 套 B 套 协控中心站 A 套 B 套 控制中心站 骨干层 A 套 B 套 控制主站 A 套 B 套 控制子站 接入变电站 无线网络 接入层 控制终端 大型电厂 用户终端 图 5 精准负荷控制系统通信架构 表 4 精准负载控制系统对信息通信性能需求 31 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

32 指标 QoS 等级 时延 内容 优先级 1 等级 最高需要达到毫秒级, 通信时延小于 50ms 可靠性 % 带宽 每个管理终端 50kbps 到 2Mbps 连接 每平方公里 X*10 个 安全性 I/II 大区业务, 需要与其他 III/IV 管理大区业务完全隔离 配电自动化 配电自动化是一种在配电网一次网架和设备基础上建立的综合信息管理系 统, 可以实现对配电网的监测 控制以及快速故障隔离, 并能为配电管理系统提 供实时数据支撑 配电自动化综合利用了计算机 信息 通信等技术, 并与相关应用系统实现 信息集成 相对于早期配电网保护简单过流 过压逻辑, 不依赖通信的方式, 配 电自动化可以快速故障处理, 有效提高供电可靠性 ; 通过优化运行方式, 改善供 电质量 提升电网运营效率和效益 现有配电自动化系统的通信方式包括光纤 无线 电力线载波多种形式, 配电自动化系统架构如图 6 所示, 无线网络主要负 责基站或在配电子站部署的基站与配电终端设备之间的通信 32 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

33 上一级调度自动化系统 配电 GIS 系统 生产管理系统... 营销管理信息系统 配电自动化系统 配电子站 ( 可选 ) 配电主站 地市级骨干通信网 基站 馈线终端设备 开闭所终端设备 (FTU) DTU (DTU) FTU DTU DTU 柱上开关 开关站... 环网柜 无线网络 柱上开关 开关站... 环网柜 图 6 配电自动化系统通信架构而随着电力系统可靠性要求的提高, 高可靠性供电区域需要电力供应不间断, 事故隔离时间需要缩短至毫秒级以保障电力的不间断供应 因此, 将原来集中式的处理功能迁移到智能配电终端, 由终端来完成自动化的故障处理过程的智能分布式配电自动化已成为配电自动化发展的重要趋势 同时, 为了保障配电网的高可靠性与毫秒级故障处理时延, 也对通信系统提出了更高的要求 配电自动化系统对信息通信性能需求如表 5 所示 表 5 配电自动化系统对信息通信性能需求 指标 QoS 等级 时延 内容 优先级 2 等级 毫秒级时延 可靠性 % 带宽 2Mbps 33 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

34 指标 QoS 等级 内容 优先级 2 等级 连接 每平方公里 X*10 个 安全性 I/II 大区业务, 需要与其他 III/IV 管理大区业务完全隔离 分布式馈线自动化 馈线自动化是指变电站出线到用户用电设备之间的馈电线路自动化, 包括正 常情况下的用户检测 资料测量和运行优化和事故状态下的故障检测 故障隔离 转移和恢复供电控制 馈线自动化业务的承载形式包括光纤 无线与电力线载波 等多种形式 馈线自动化是配电自动化的重要组成部分, 随着电力系统可靠性要 求的提高, 高可靠性供电区域需要电力供应不间断, 事故隔离时间需要缩短至毫 秒级以保障电力的不间断供应 因此, 将原来集中式的处理功能迁移到智能配电 终端, 由终端来完成自动化故障处理过程的分布式馈线自动化是发展的必然趋势 分布式馈线自动化业务通信需求如表 6 所示 表 6 分布式馈线自动化业务通信需求 指标 QoS 等级时延带宽可靠性 内容优先级 2 等级通信时延达到毫秒级终端流量应不低于 20kbps 采用无线通信方式时应符合相关安全防护和可靠性规定要求, 业务可靠性需要达到 % 配网差动保护 34 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

35 差动保护是输入电流互感器的两端电流矢量差, 当达到设定的动作值时启动 动作元件 保护范围在输入电流互感器的两端之间的设备 ( 可以是线路 发电机 电动机 变压器等电气设备 ) 差动保护是利用基尔霍夫定律中电流恒定的原理 来实现对供电设备的保护, 配网差动保护是配电自动化的重要业务, 其关键就是 实时对比两侧电流互感器采集到的电流值, 由此对通信系统提出了较高的要求, 其需要全网终端设备高度的时间同步, 同时也要求极低的网络传输时延与较高的 通信速率 现有差动保护系统的通信形式以光纤通信为主, 为了实现对配网差动 保护的全覆盖, 无线通信技术的引入也成将成为可能 配网差动保护业务通信需求如表 7 所示 表 7 配网差动保护业务通信需求 指标 QoS 等级时延带宽 内容优先级 1 等级 <10ms 且需要 10us 的高时间同步精度 2Mbps 可靠性高可靠性,99.999% 连接数 单扇区 20 个 用电负荷需求侧响应 用电负荷需求侧响应是未来电力用户与电网系统互动, 积极主动响应电力系 统调控的一种业务 具体指当电力批发市场价格升高或系统可靠性受威胁时, 电 力用户接收到供电方发出的诱导性减少负荷的直接补偿通知或者电力价格上升 信号后, 改变其固有的习惯用电模式, 达到减少或者推移某时段的用电负荷而响 35 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

36 应电力供应, 从而保障电网稳定, 并抑制电价上升的短期行为 用电负荷需求侧 响应加强了电力用户的对电网调控的响应与参与度, 可以有效配合电网实现快速 调配, 维持电网负荷平衡稳定, 有效支撑电网精准负荷控制 用电负荷需求侧响 应业务需要保障与大量用户的信息交互, 因此在用户大规模接入后对无线系统的 连接密度具有较高的要求 用电负荷需求侧响应业务通信需求如表 8 所示 表 8 用电负荷需求侧响应业务通信需求 指标 QoS 等级 带宽 内容 优先级 4 等级 50kbps 至 2Mbps 连接密度 100 个 /km 2 至 1000 个 /km 2 3 海量机器类通信场景 5G 中海量机器类通信场景是面向物联网 垂直行业业务而提出的, 其最终 目标是实现 万物泛在互联, 可以支持 106/km2 的连接密度以及实现低功耗 低成本 而在能源互联网中, 未来业务中高级计量与配网状态监测需要支持大数 量级的设备连接, 是典型的海量机器类通信场景 超大连接是未来能源网络发展面临的另一重要需求, 随着 大云物移 等新 兴技术的引入与应用, 能源系统信息采集种类增多, 采集粒度细化, 能源设备在 能源生产侧与消费侧大量部署接入, 信息通信系统的连接数骤增 由此将对网络 接入系统造成新的冲击, 需要信息通信系统为能源互联网中的海量终端设备提供 超大连接服务 36 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

37 典型业务 : 用电信息采集 分布式能源 高级计量 配网状态监测 用电信息采集 用户用电信息采集系统是对配电变压器以及终端电力用户的用电信息进行 采集处理和实时监控的电力信息系统, 可以实现用电监控 用电信息分析 负荷 管理以及智能用电设备的信息交互等众多功能, 是能源互联网与用户交互的重要 形式, 在此系统上可以达到自动抄表 错峰用电 用电检查 电力负荷预测以及 节约用电成本等目标 现有用电信息采集系统的通信方式主要包括光纤 无线 电力线载波等多种形式, 用电信息采集系统通信架构如图 7 所示, 无线网络主要 应用于主站与采集终端间的传输网络 当前的用电信息采集业务仅包括上行的信息采集与下行的常规总召信息, 且 信息采集最高频率为 5 分钟, 要支撑能源互联网的用户侧互动需求, 需要大幅扩 展采集信息类型并提高采集信息的频率与精度, 需要新型信息通信技术的有效支 撑 用电信息采集系统中包含精准费控等控制类业务, 对延时与可靠性具有一定 需求, 而由于用电信息种类的扩大与用电信息采集精度与频率的提升, 对连接数 与带宽有着极高的要求 用电信息采集对信息通信性能需求如表 9 所示 37 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

38 主站 营销采集业务应用 前置采集平台 数据库 传输网络 采集终端 专变终端 集中器 采集器 集中器 计量设备 载波表 电能表 图 7 用电信息采集系统通信架构 表 9 用电信息采集对信息通信性能需求 指标 QoS 等级 时延 内容 优先级 5 等级 控制类业务小于 200ms 可靠性采集类业务 99.9%, 控制类业务 % 带宽 上行 2Mbps, 下行不小于 1Mbps, 支持秒级到准实时大数 据上报 连接 最大万级 /km 2 级终端接入 安全性 电网 III 区业务, 安全性要求低于 I/II 区 分布式能源 分布式能源是将风力发电 太阳能发电 燃气冷热电三联供发电 电动汽车 38 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

39 充换电站 储能设备及微网等形式的能源供应设备, 以分布式的形式布置在用户 端来为用户供应能源的技术 通过将能源生产设备分布于用户附近, 有利于平衡能源产供分布, 大幅降低 了能源长距离传输带来的损耗浪费, 同时由于分布式能源可以独立供电, 也可以 并网运行, 与大电网相互备份, 可以提升电力系统的可靠性, 在系统遭到破坏时 继续独立供电 现有分布式电源系统的通信方式主要为光纤通信为主, 无线与电力线载波补 充的形式, 分布式电源监控系统通信架构如图 8 所示, 无线网络主要负责主站与 分布式电源终端的通信 分布式能源监控系统可以实现分布式电源运行监视和控 制的自动化, 是发挥分布式能源优势的关键, 主要包括分布式电源监控主站 分 布式电源监控子站 分布式电源监控终端和通信系统等部分, 具有数据采集和处 理 有功功率调节 电压无功功率控制 孤岛检测 调度与协调控制及与相关业 务系统互联等功能 电力系统引入分布式能源后, 系统中将出现多电源供电 双 向电流 实时变化等新特征, 需要新的通信技术来实现可靠性 灵活性以及效率 的提升 在对通信系统需求方面, 由于包含对能源侧的控制类业务, 且屋顶分布式光 伏 电动汽车充换电站 风力发电 分布式储能站等设备的部署, 分布式电源监 控系统对新型信息通信技术主要在可靠性与连接数量方面提出了极高要求 分布式电源监控系统对信息通信系统需求如表 10 所示 39 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

40 主站 分布式电源监控系统 分布式电源监控子站 骨干通信网 基站 无线网络 分布式电源终端 图 8 分布式电源监控系统架构 表 10 分布式电源监控系统对信息通信系统需求 指标 QoS 等级 时延 内容 优先级 3 等级 下行控制类业务时延小于 1s, 上行采集类业务小于 3s 可靠性采集类要求 99.9%, 控制信息要求 % 带宽 2Mbps 以上 连接 海量接入,10 6 甚至 10 7 级别的终端接入 安全性 同时有 I/II/III 区的业务 高级计量 高级计量是指在未来的用电信息采集系统中, 除了现有的抄表类业务, 为了 实现电网更为智能化的管控, 满足智能用电和个性化客户服务需求, 将以智能电 表为基础, 开展用电信息深度采集 通过高级计量可以为企业提供能效管理服务, 为普通家庭用户实现关键用电信息 电价信息与居民共享, 促进优化用电 未来 40 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

41 将扩展出更多包括电价政策 营销模式 增值服务等新型应用需求 因此, 在采 集频率 采集信息种类与互动性上具有巨大提升 高级计量业务通信需求如表 11 所示 表 11 高级计量业务通信需求 指标 QoS 等级时延带宽 内容优先级 5 等级一般业务需要小于 3s, 精准费控场景时延要求小于 200ms 总带宽上行 2Mbps, 下行不小于 1Mbps 可靠性高可靠性,99.9% 连接密度 集抄模式 100 个 /km 2 至 1000 个 /km 2, 直采模式可达千级 甚至万级 /km 2 配网状态监测 配网状态监测是指在配电网中通过传感器 网络 平台对配电网设备运行状 态 运行环境进行监测及防盗预警管理以保障配网安全稳定运行的业务 现有配 电网状态检测的通信方式以无线通信为主, 未来配点网网络规模大, 在运配电变 压器达 440 万台, 其他设备 ( 开关柜 环网柜 分支箱 故障指示器 电动汽车 充电设施 分布式电源等 )800 万台以上, 潜在监测连接需求数以亿计, 并且业 务数据体现出明显的 小数据 特征, 且设备部署环境涉及地下室 配电柜等环 境, 需要无线通信系统提供海量连接 大容量 高覆盖等性能支撑 配网状态监测业务通信需求如表 12 所示 表 12 配网状态监测业务通信需求 41 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

42 指标 QoS 等级时延带宽连接规模 内容优先级 4 等级传输时延为秒级单个接入点的速率需求约为 1 至 10kbps 潜在连接设备需求数以亿计 如图 9 所示, 综上所述, 未来能源互联网业务的发展, 物联网业务及宽带业 务并存, 具有海量终端接入 低时延 高可靠 高安全等特征 终端并发数量将 达到 10 万级, 时延需求为毫秒级, 可靠性要求为 %, 业务需求已逐步向 5G 业务趋势演进 图 9 能源互联网业务通信需求发展趋势 42 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

43 三 5G 在能源互联网中解决方案分析 ( 一 ) 5G 网络概念和特征 1 5G 网络新架构介绍 随着 4G 进入规模商用, 面向 2020 年级未来的第五代移动通信 (5G) 已成 为全球通信发展热点 相对 4G,5G 将以一种全新的网络架构, 提供缝制 10Gbps 以上的带宽 毫秒级时延, 及超高密度连接, 实现网络性能新的跃升 ITU 定义 了 5G 三大场景 : 增强移动带宽 (embb) 超高可靠低时延通信 (urllc) 大 规模机器类通信 (mmtc) 相对应 ITU 的三大场景, 我国 IMT2020 与提出了 连续广域覆盖 热点高容量 低时延高可靠 低功耗大连接等四大场景 3GPP 将 SBA 确定为 5G 唯一基础架构, 是 5G 架构标准化的重要实质进 展, 意味着 5G 网络真正面向云化 (Cloud Native) 设计, 真正走向了一个开放 化 服务化 软件化的方向 5G 网络以 NFV/SDN 这个 形 作为平台基础, 加上服务化的 神 实现 5G 能力, 将真正 形神兼备, 迎接 5G 万物互联的挑 战! 43 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

44 Orchestration Management AMF SMF PCF NEF NSSF AUSF 认证 NRF BBU 5G 宏站 ( 中低频 ) BBU BBU BBU NR 5G 微站 ( 中 / 高频 ) BBU 图 10 5G 新型网络架构 2 5G 空口新技术介绍 5G 空口无线接入网是一个满足多场景的以用户为中心的多层异构网络 宏 站和微站相结合, 统一容纳空口多种接入技术, 提升小区边缘协同处理效率, 提 高无线和回传资源利用率 5G 无线接入网由孤立的接入 盲 管道转向支持多 接入和多连接 分布式和集中式 自回传和自组织的复杂网络拓扑, 并且具备无 线资源智能化管控和共享能力, 支持基站的即插即用 5G 空口新技术主要有四大关键技术特征 : 新频率 (3.5/4.9/26/39GHz) 新架构 新设计 新天线 (1) 新频率 : 采用大带宽频谱是 5G 提升网络速率和容量的基础 目前全 44 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

45 球可用大带宽频谱主要在中频段 (sub6ghz) 和毫米波波段, 因此 5G 新空口会 考虑在这些频段上部署 在我国的推动下, 目前中频段聚焦在 2.6GHz/3.5GHz/4.9GHz 频段, 毫米波频段谱聚焦在 26-28GHz&40GHz 频段 (2) 新架构 : 1 传统 2/3/4G 网络均采用独立组网 (SA) 的架构 ;5G 时代, 为满足快速 采用 5G 中高频补热的部署需求, 新引入一种新的组网架构非独立组网 (NSA) 2 为减少切换 提升站间协作性能 增加双连接数据分发点,5G 引入了 CU/DU 分离空口架构 (3) 新设计 : 引入了新的帧结构, 可以灵活配置时隙 带宽 子载波间隔 上下行切换周期等, 满足超低时延和大带宽的各种应用场景需求 (4) 新天线 : 大规模阵列天线是 5G 最重要的特点, 通过大规模阵列天线 进行立体赋形, 在水平和垂直两个维度动态调整信号方向, 可以提升覆盖, 降低 干扰, 提高业务信道频谱效率和传输速率, 以及网络容量 相比于 4G(IMT-advanced), 5G(IMT-2020) 空口技术在多项性能指标 方面有较大提升, 包括 : 峰值传输速率 : 提升 20 倍 用户体验速率 : 提升 10 倍 频谱效率 : 提升 3 倍 最大移动速度 : 提升 1.4 倍 (500km/h 350km/h) 最小时延 : 降低 10 倍 连接数密度 : 提升 10 倍 网络能源效率 : 提升 100 倍 45 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

46 流量密度 提升 100 倍 图 11 5G 与 4G 的关键能力比较 3 5G 网络新能力介绍 切片+MEC 5G 时代恰逢垂直行业的数字化转型期 将推动移动通信和垂直行业的跨行 业融合创新 包括能源互联网 虚拟现实 媒体娱乐 工业生产等 5G 网络新 能力中网络切片和边缘计算技术能更好的针对客户需求 提供网络解决方案 网络切片是提供特定网络能力的 端到端的逻辑专用网络 一个网络切片实 例是由网络功能和所需的物理/虚拟资源的集合 具体可包括接入网 核心网 46 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

47 传输承载网及应用 可基于传统的专有硬件构建, 也可基于 NFV/SDN 的通用基 础设施统一构建, 实现低成本高效运营网络切片技术可以针对垂直行业的差异化 需求定制专用隔离网络, 更好的服务我们的行业客户 5G 边缘计算 - 通过在网络边缘部署 UPF 和业务平台, 实现流量本地卸载, 从而支持应用开发者和服务提供商在网络的边缘侧提供业务服务 5G UPF 可根 据网络策略, 识别出数据流量并进行本地卸载, 业务平台可对部署的第三方应用 进行管理, 包括 APP 注册 发现和去注册, 以及生命周期管理 5G UPF 和业务 平台可根据业务需求按需部署在基站 接入机房或者汇聚机房处 网络切片和边缘计算作为 5G 网络的重要创新, 它可以灵活和有效地支持不 断增长的多样差异化的业务场景, 将是 5G 时代服务于垂直行业的第一应用和基 本业务形式 47 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

48 ( 二 )5G 在能源互联网中的解决方案 1 端到端网络切片解决方案 图 12 5G 端到端网络切片总体架构 端到端网络切片整体包括接入 传输 核心网域切片使能技术, 网络切片标 识及接入技术, 网络切片端到端管理技术, 网络切片端到端 SLA 保障技术等关 键技术 其中, 接入 传输 核心网域切片使能技术作为网络基础支撑, 实现接 入 传输 核心网具备构建网络切片实例的能力 ; 网络切片标识及接入技术通过 设计新型的网络切片标识, 并设计相关网络业务注册及会话建立流程, 最终实现 将终端注册至正确的网络切片实例中 ; 网络切片端到端管理技术实现端到端网络 切片的编排与管理, 通过网管侧以及业务支撑侧实现端到端从用户侧到网络运维 侧的协同 ; 网络切片端到端 SLA 保障技术可以通过引入智能化运维机制实现网 48 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

49 络性能及重要参数的实时监测和动态调整 图 13 基于 5G 的电力业务网络切片整体方案 运营商将提供三大类切片满足不同类型的电网业务需求 embb 切片满足 高带宽业务需求 urllc 切片满足低时延业务需求,mMTC 切片满足大连接业 务需求 每类切片可按需构建多个网络切片实例 电网企业可根据切片运行的 状态及业务需求 为所属各单位提供差异化的电力业务网络切片服务 针对不同场景对于网络不同的性能指标要求 网络切片各域将在部署时按照 各类指标规划带宽 时延和容量等提供定制化解决方案 针对网络端到端时延的 要求 端到端时延将会分解为各个域的分段时延要求 各域根据不同的时延要求 构建子网络切片 电力行业网络切片隔离主要包括以下两大维度 电力与其他行业及个人用户 通信业务之间的隔离 以及电力自身不同分区业务之间的隔离 针对上述两大维 度 可从接入网 含空口 基带 协议栈等 传输网和核心网三个层面分别定 制不同的隔离策略 49 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

50 电力行业网络切片管理可支持以下功能, 一类是状态监测型, 主要包括对运 营商网络的业务切片属性 切片资源视图 切片负荷运行状态的监测, 另一类是 控制管理型, 包括根据电力企业的需求订购网络切片, 选择网络切片类型 容量 性能及相关覆盖范围, 可根据电力企业的需求调整切片的功能 业务属性 资源 分配, 调整不同业务之间切片隔离程度 ( 如物理隔离 逻辑隔离 ), 并可以让电 力企业根据行业需求, 自行创建和删除切片等 2 终端部分 5G 能源互联网的典型业务场景大体可划分为 :embb urllc mmtc 三 大类场景 其中,eMBB 场景主要面向能源互联网中的大带宽应用, 例如用于自 动化巡检的智能巡检机器人 视频综合监控 应急现场综合通信等高速宽带类业 务 ; 而 urllc 场景主要面向包括智能分布式配电自动化 精准负荷控制等高可 靠控制类业务 ; 对于 mmtc 场景主要面向为分布式能源调控及表计集抄等广域 数据采集类业务 随着对切片技术的支持,5G 能源互联网终端将具备提供灵活 定制和差异 化的业务服务能力, 能够满足带宽 时延 可靠性等方面的诸多要求 5G 能源互联网中的电力通信终端形态将会根据具体的业务场景和应用需求, 主要包括 : 独立式通信终端 ( 例如 CPE) 和嵌入式通信模块两类 其中独立式通 信终端与能源生产业务终端通过标准化的接口进行适配, 并接入 5G 网络, 为能 源互联网提供数据接入和传输 ; 嵌入式通信模块把 5G 的通信能力模块集成到能 源生产业务终端内部, 作为能源生产业务终端的一个组成部分来提供 5G 通信能 力 50 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

51 在 5G 能源互联网典型应用场景中, 综合考虑终端形态 改造成本 移动性 负载性 取电等因素, 对于巡查巡检机器人 配电房视频综合监控 应急通信等 大视频应用的终端, 可以考虑采用独立式通信终端方式 对于智能分布式配电自 动化 精准负控 分布式能源调控的终端可采用独立式通信终端或嵌入式通信模 块的方式 51 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

52 3 无线部分 能源互联网业务需求已向大连接 低时延 高可靠 大带宽的方向发展, 而 5G 技术的三大应用场景是增强移动宽带 (embb) 超高可靠低时延通信 (urllc) 以及海量机器类通信 (mmtc), 与能源互联网未来新型业务的需求 和发展方向相吻合 (1) 无线接入网通过采用大带宽频谱和大规模阵列天线来满足能源互联网 embb 类业务需求 5G 将部署在中频段 (sub6ghz) 和毫米波波段, 且最大可 提供 100MHz~400MHz 的系统带宽为用户使用 ;5G 还通过大规模阵列天线进 行立体赋形, 在水平和垂直两个维度动态调整信号方向, 可以降低干扰, 提高频 谱效率和传输速率, 使用户峰值速率可达到下行 20Gbps 和上行 10Gbps (2) 无线接入网通过设计新的帧结构来满足能源互联网低时延通信的需求 5G 引入了更多子载波间隔, 符号长度可长可短 ; 同时设计了不同长度的多种帧 长度和周期, 通过灵活的参数配置可以满足不同场景的特点 ; 另外, 通过灵活的 调度和反馈时序设计, 可以适配不同终端能力和不同业务的时延需求 (3) 无线接入网通过降低控制信令开销和窄带传输等手段实现能源互联网 大连接需求 通过控制面优化传输方案和用户面优化传输方案, 显著降低传输相 同数据量的信令开销, 同时设计较小的调度资源粒度, 减小业务传输占用的频带 资源, 在同样多资源情况下, 资源利用率更高, 支持的连接数也就更多 52 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

53 (4) 通过网络切片技术, 可以将各类 embb urllc 和 mmtc 等切片在 无线接入网中隔离开, 再根据用户业务优先级 QoS 等优先调度业务, 定制化各 类能源互联网业务的调度机制, 满足电网不同场景对于服务质量的需求 同时针 对紧急电力业务, 可通过优先接纳 资源抢占等措施来优先保障电力高优先级业 务 精准负控场景, 无线基站需要具备授时功能, 且授时精度达到小于 1 微妙 4 传输部分 (1) 传输网网络技术 RAN 与 CN 之间的回传网络连接可以用运营商网络, 以便达成更好的 E2E 切片配合效果 回传网络的业务切片, 根据对安全和可靠性的不同诉求, 分为硬 隔离和软隔离 硬隔离基于 TDM 时隙交叉实现, 基于以太网 64/66B 码块的交叉技术, 实 现极低的转发时延和隔离效果 软隔离基于 VLAN 和 QoS 实现, 支持灵活的业 务区分 通过支持软硬隔离的传输网络切片可以满足电力需求 切片分组网 SPN 传输网络具备以下技术特征 : a) 基于以太分组 SPN Channel 的分层交换 : 具备以太分组包交换能力, 支持分组业务的灵活连接调度 ; 具备 SPN Channel 交换能力, 支持业 务的硬管道隔离和带宽保障 ; 具备光层波分交叉能力, 支持大带宽平滑 扩容和大颗粒业务调度 b) 集中管理和控制的 SDN 架构 : 采用基于 SDN 管控融合架构, 支持业 53 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

54 务部署和运维的自动化能力, 以及感知网络状态并进行实时优化的网络 自优化能力 同时, 基于 SDN 的管控融合架构提供简化网络协议 开 放网络 跨网络域 / 技术域业务协同等能力 c) 网络切片 : 具备在一张物理网络进行资源切片隔离, 形成多个虚拟网络, 为多种业务提供差异化 ( 如带宽 时延 抖动等 ) 的业务承载服务 d) 分组层面向连接和面向无连接业务统一承载 : 具备通过 SR-TP 隧道技 术提供面向连接业务承载能力, 为对点到点或点到多点连接业务提供高 质量 易运维传输服务 ; 同时具备通过 SR-TP 隧道技术提供面向无连 接业务承载能力, 为多点到多点业务提供易部署 高可靠传输服务 e) 电信级故障检测和性能管理 : 具备网络级的分层 OAM 故障检测和性能 管理能力, 支持对网络中各逻辑层次 各类网络连接 各类业务通过 OAM 机制进行连通性 丢包率 时延 抖动等质量属性进行监测和管 理 f) 高可靠网络保护 : 具备网络级的分层保护能力 支持基于设备转发面预 置保护倒换机制, 在转发面检测到故障时进行电信级快速保护倒换 ; 支 持基于 SDN 控制器通过协议实时感知网络拓扑状态, 在感知到网络状 态变化后重新计算业务最优路径 g) 时钟和时间同步机制 : 支持同步以太网功能, 实现稳定可靠的频率同步 ; 支持 1588 功能, 实现高精度的时间同步 h) 低时延转发 : 支持网络级三层就近转发和设备级物理层低时延转发能力, 匹配时延敏感业务的传送要求 (2) 电力业务网络切片可靠性保障方案 54 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

55 传输硬管道和主备保护链路 : 传输为电力业务网络切片提供硬管道, 保护业 务传输不受其他业务影响, 保证业务的带宽和时延等 SPN 切片通道是网络中 的一条源宿节点之间的传输路径, 用于在网络中提供端到端的以太切片连接, 具 有低时延 透明传输 硬隔离等特征 采用 Slicing Ethernet 技术, 兼容 FlexE 接口, 客户层业务在源节点映射到 FlexE Client, 网络中间节点基于 FlexE Client 进行交换, 在目的节点从 FlexE Client 中解映射客户层业务, 可实现客户数据的 接入 / 恢复 增加 / 删除 OAM 信息 数据流的交叉连接, 以及通道的监控和保护 等功能 运营商核心网和回传部分的传输通道可以采用备份机制, 基于快速主备倒换 技术, 支持电力业务在主用和备用通道之间无损迁移 可支持不同的保护方式, 如线性保护 PW 双归保护 环网保护 任意拓扑 TI-LFA 保护方式等 (3) 传输配置要求 因为网络切片的定制化特性, 针对有特殊要求的电力场景, 传输侧会提供相 应的定制化解决方案, 如根据切片具体的指标要求配置时延 带宽 时延抖动 可靠性 除此之外, 在运营管理方面, 针对于电网要求的管理开放, 应具备开放一定 管理数据的能力, 根据电网的隔离需要, 生产控制类业务采用硬隔离, 管理类业 务采用软隔离 5 核心网部分 (1) 核心网网络技术 核心网方面以 NFV( 网络功能虚拟化 ) 和 SDN( 软件定义网络 ) 技术为基 55 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

56 础,5G 核心网引入了服务化的技术, 可针对电网业务场景 需求的不同进行灵 活的定制组合构建虚拟化相互隔离的核心网网络切片 对于时延有要求的业务场 景, 网络可以基于不同的部署策略, 按需将 MEC 应用部署在网络中的不同位置, 例如接入网 传输汇聚环等位置 (2) 电力业务网络切片可靠性保障方案 5G 核心网使用 NFV 技术部署在虚拟化平台上, 会基于统一的虚拟化平台构 建虚拟机并部署各类网络功能组成多类网络切片 核心网在逻辑功能上严格隔离, 区分切片, 每个切片都有专用的功能 每个切片只能访问本切片的会话数据 5G 核心网可以共享部分网络功能, 以满足单终端同时接入多个网络切片的需求 基 于电网不同类型业务的需求,5G 核心网可以为不同的电网业务提供相互隔离或 部分共享的专用核心网, 例如某些安全隔离要求特别高的网络业务, 运营商可以 提供专用定制的网络功能组成隔离的核心网切片 为了保障电网业务的安全可靠性要求, 将对电网提供专用的硬件资源池 并 提供两大类核心网隔离方案 : 物理隔离, 即物理服务器电力专用, 如有极高的安 全需要, 可将服务器部署在不同地理位置 ; 逻辑隔离, 即电力与运营商其他业务 共享硬件服务器 区分虚拟机 电力行业可根据具体的业务需求进行方案选择 56 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

57 图 14 核心网可靠性保障方案 (3) 核心网网络功能要求 因为网络切片的定制化特性, 针对有特殊要求的电力场景, 核心网侧会提供 相应的定制化解决方案, 如针对精准负荷控制及配电自动化场景,UPF 需要下 沉, 此外按需按电网终端要求此场景支持 Non-IP 数据传输以及二次认证的接入 方式 核心网需要配置 QoS 和切片的容量等网络性能指标, 保障整个网络切片 的带宽 时延 可靠性 抖动等特性满足切片用户需求 除此之外, 在运营管理 方面, 针对于电网要求的管理开放, 应具备开放一定管理数据的能力 6 安全体系 5G 建立端到端的切片安全体系提供对行业切片的安全保护 : (1) UE 接入切片安全 : 提供切片选择辅助信息的隐私保护 : 在用户初始接入网络时, 区分不同类型 不同用途切片 ( 如 : 应急通信切片 智能电表切片等 ) 的切片选择辅助信息被基 站及核心网网元用于将其路由到正确的切片网元 切片选择辅助信息对于能源行 业可能属于敏感信息,5G 网络可对其进行隐私保护传输, 以防止传输过程中泄 露并被追踪终端用户和切片业务的关系 ; 提供用户接入网络认证 :UE 接入切片时执行认证, 通过接入策略控制来应 对访问类的风险, 保证接入网络的 UE 是合法的 通过切片选择 授权和分组数 据单元会话机制来防止对切片的未授权访问 进一步, 也可以由运营商网络接入 认证来保证接入 5G 网络的用户的合法, 由切片用户 运营商和能源行业共同完 成的切片接入认证和授权, 保证接入合法切片以及能源行业对切片网络及资源使 57 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

58 用的可控性 (2) 切片安全隔离 : 根据能源互联网不同分区业务对安全性的要求, 通过不同的物理隔离 逻辑 隔离措施保证不同分区的安全隔离性, 以保证安全专用和分区隔离 首先, 按照业务的大区属性 (I/II 大区 III/IV 管理大区 ), 运营商为能源互 联网业务分配生产控制 (I/II 大区 ) 管理信息 (III/IV 大区 ) 两大类切片, 两大 类切片分别采用独立的物理服务器硬件, 并在物理网络边界部署硬件防火墙来完 成访问控制, 以满足大区间的物理安全隔离要求 其次, 按照电网业务特点属性, 在上述两大类切片中进一步细分为多张具体 业务的切片, 如上文所述精准负荷控制业务切片 ( 超低时延 ) 配电自动化 ( 高 可靠性 ) 用电信息采集 分布式能源 ( 超大连接 ) 等 不同切片间应实现资源 数据 网络层面的隔离 1) 资源及数据隔离 : 不同的业务所分配的核心网网元 功能将加载在不同的虚拟机 / 容器中, 共享物理资源的切片间的资源及数据隔离 主要由虚拟化软件 / 操作系统内核和安全设备提供 例如,NF 部署在虚拟机上时, 由 Hypervisor 保障 CPU 内存 磁盘 网卡的隔离 对于 CPU, 可以将所有虚 拟内核组成资源池共享使用, 也可以针对虚拟机做绑核配置, 达到 CPU 隔离并 提升性能的目的 对于内存和磁盘, 要保证不同虚拟机使用中的虚拟内存和磁盘 完全独立不重叠, 避免信息被非法访问, 并做好加固及漏洞防护, 防止如虚拟机 逃逸等漏洞, 确保虚拟机不能直接或间接访问其他虚拟机的数据 ; 同时, 应具备 对释放的内存和磁盘进行强擦除的能力, 避免信息泄露 对于网卡, 可使用 SR- IOV 技术使虚拟机的网卡之间逻辑隔离, 同时提升虚机的 I/O 吞吐能力 2) 网 络隔离 : 不同切片内的网元之间的网络通信也需要安全隔离, 比如, 部署时可以 58 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

59 通过 VLAN/VXLAN 划分切片, 并在虚拟网络边界部署虚拟防火墙来完成访问控 制 再次, 上述切片间应实现数据隔离 :1) 通信数据隔离 : 当无线接入的信令 面和用户面终结点可以位于 5G 核心网切片内部时, 可为不同切片生成独立的切 片控制面或用户面密钥, 在资源隔离的基础上, 实现切片信令 用户面数据隔离 ; 2) 数据访问控制 : 当控制面或用户面对存储资源进行访问时, 需做好相应的访 问控制, 包括强身份认证和细粒度授权 ( 如对数据库的访问可控制到表 列级别 ); 3) 数据加密存储 : 可根据数据不同的安全级别采用不同的存储加密机制 如对 于重要程度低的数据, 可以明文存储 ; 对于核心关键数据, 应进行加密存储并提 供完整性验证能力 最后, 在切片网元与非切片外网设备间部署虚拟防火墙或物理防火墙, 保护 切片内网与外网的安全 ; 如果切片内网元与多切片共享网元之间经过了物理边界, 可直接在物理边界防火墙上配置控制策略 ; 如果切片内网元与多切片共享网元之 间通过虚拟网络互联, 需要在虚拟网络边界部署虚拟防火墙来提供访问控制 对 于隔离要求高的切片, 为其分配不共用的 AMF (3) 切片访问控制 使用 SBA 访问控制机制确保公用 NF 或外部 NF 合法访问某个切片内的 NF (4) 切片管理安全 : 切片的管理安全包括两个部分, 一是通过管理手段保证切片的可用性 ; 二是 保证切片管理过程的安全 针对切片的可用性, 提供实时的切片安全监控能力, 应急处置以及故障恢复 能力, 实时掌握切片的运行情况 可能的被攻击情况及故障状况, 通过联动对应 59 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

60 的安全设备进行处置, 并及时对故障进行修复, 从而保障系统的可用性 针对切片管理的安全, 一方面, 切片管理服务使用方调用切片管理服务提供 方提供的服务进行切片管理, 为了保障切片管理的安全, 要设置相应的安全保护 机制, 包括 : 切片管理服务使用双向认证 授权机制, 切片管理系统及切片网络 间通信需做完整性 机密性保护以及防重放攻击 另一方面, 在切片生命周期管 理中, 切片模板 配置需要具备检查与校验机制, 避免由于错误模板 错误人工 配置, 导致切片的访问控制失效 数据传输与存储存在安全风险等 60 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

61 四 5G 在能源互联网中的商业模式分析 我国电网业务主要由国家电网和南方电网两家特大型企业建设和运营, 具有 规模大 覆盖广的特点, 全国按华北 东北 华南 华东 华中 西南 西北等 几大地域划分, 各区域的内部又有若干电力公司, 区域间电网互联 在对 5G 的需求上, 几大区域电网之间 电力公司之间的需求基本上是相似 的, 都集中在电网的实时控制 实时和非实时数据采集 以及对分布式能源的支 持上 基于以上, 运营商依据国家相关法律法规, 结合国标及电网行业标准, 为电 网客户提供满足需求的 5G 网络接入服务 主要有四种典型的商业模式, 一是为 电网客户提供符合能源互联网行业通用需求的 5G 网络接入服务, 二是提供深度 个性化定制的网络服务, 三是运营商提供网络集成服务, 四是运营商和客户共建 部分通信基础设施 ( 一 ) 模式一 提供符合能源互联网行业内通用的 5G 网络接入服务 由于电网业务配套的网络通信服务规模大 电网业务标准化程度较高, 对 5G 的需求虽然具有较强的电网特色, 但在各电力公司之间, 需求基本上是通用的 为此, 可根据电网行业相关的标准和需求, 针对每类业务, 提供标准化的 5G 网 络产品 在此模式下, 运营商 终端商共同提供产品和服务包括 其中, 主要由运营商提供的产品和服务包括 : 通用的 5G 网络接入 : 提供基础的流量接入 标准化的网络切片 : 运营商根据电网业务场景和标准, 设计和提供标准 61 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

62 化的网络切片 如提供标准的精准负荷控制类切片, 该切片可以满足 50ms 时延 % 可靠性要求 平均带宽不小于 2Mbps 每平方公 里不小于 X*10 个 总连接数不小于 X*10000 个 安全性满足 I/II 大区 业务要求 用户只需关注最终指标是否达到, 不需要关注技术实现路径 切片由运 营商自行设计和配置, 如运营商自主选择资源冗余方案 主备倒换方案 网 络隔离方案 加密方案 身份鉴别 访问控制等 切片运行的可视化监控系统或接口, 便于客户实时掌握切片运营状态, 如切片资源使用情况 切片在线用户数 时延 速率 异常报警等信息 其中, 主要由终端商提供的产品和服务包括 : 通信模组 CPE 行业手持终 端 摄像头 控制终端等终端设备 用户自行进行网络集成 该模式的优势包括 : 按需租用网络, 免除用户自行建设 后期运维的费用和人力投入, 降低 网络投资 ; 运营商将会持续优化和升级网络, 电网客户可直接享用最新技术, 而不 需重复投资建设 ; 运营商统一建设和运营网络, 实现资源共享, 专业人做专业事 该模式适用的典型场景包括 : 配网视频监控 应急通信 AR/VR 巡检 精准 负荷控制 配电自动化 分布式馈线自动化 配网差动保护 用电负荷需求侧响 应 用电信息采集 分布式能源 高级计量 配网状态监测等 62 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

63 ( 二 ) 模式二 提供深度个性化定制的网络服务 除了提供标准化网络外, 也可根据地方电力局的个性需求, 提供个性化定制 网络, 如单频 / 双频组网方案 网络硬件隔离方案 传输硬管道 传输网隔离方 案 负载控制等 此外, 还可对客户提供电网业务通信管理支撑平台, 向电网客 户提供网络和终端的状态信息, 支撑终端管理 业务管理 切片管理 统计分析 等应用, 支持电网客户业务灵活快速上线 此外, 依托 5G 网络能力开放, 还可 为电网客户提供切片监控和管理服务, 用户可以按需选择网络切片的类型 容量 性能 覆盖范围, 并自行调整切片的功能 业务属性 资源分配和隔离方式, 并 自行决定切片上下线 在此模式下, 主要由运营商提供的产品和服务包括 : 模式一中提供的通用 5G 网络接入 客户自行定制和管理的切片 网络和终端的配置和管理系统 : 提供终端 业务 切片 安全的监控 配置和管理, 并提供统计分析功能 主要由终端商提供的产品和服务和模式一相同, 仍为通信模组 CPE 行业 手持终端 摄像头 控制终端等终端设备 仍由用户自行进行网络集成 该模式的优势包括 : 用户自主程度更高, 网络更灵活, 可以根据需要自行配置网络, 实现运 营商提供的标准网络无法统一实现功能 ; 即配即用, 效率高, 无需等待时间 ; 63 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

64 通过网络数据开放, 支持用户的高级应用 该模式适用的典型场景包括 : 精准负荷控制 配电自动化 分布式馈线自动 化 配网差动保护 用电负荷需求侧响应 用电信息采集 分布式能源 高级计 量 配网状态监测等 ( 三 ) 模式三 运营商提供网络集成服务 电网用户的最终需求是网络的整体解决方案, 运营商除了提供标准化或者个 性化的网络接入服务, 还可提供网络系统集成服务, 即由运营商进行网络的工程 设计 安装 调试及售后服务 电网用户不需要自行集成, 直接由运营商负责 交 钥匙 工程 在此模式下, 主要由运营商提供的主要产品和服务包括 : 5G 网络和切片 网络和终端的监控 配置和管理系统 网络终端, 包括 CPE 通信模组 行业 PDA 等 集成服务 : 运营商负责将网络 切片 终端进行集成甚至总承包, 为电 网客户提供 5G 网络交钥匙服务 终端商仍然提供通信模组 CPE 行业手持终端 摄像头 控制终端等终端 设备 但在该模式下, 既可以由用户资助采购, 也可以由运营商在获得客户许可 后, 根据客户网络性能需求代采 该模式的优势包括 : 运营商提供更全面的服务, 有利于整个网络建设的头筹规划和协同, 解 决设计和施工的衔接问题, 减少采购和施工的中间环节 ; 责任清晰, 建设期间的责任和风险可以转移到运营商 ; 64 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

65 充分发挥运营商在网络建设的经验和优势 ; 项目总投入和工期有更大程度的确定性, 利于费用和进度控制 ; 电网客户可以从具体的事务细节中解放, 关注重大影响因素 该模式适用的典型场景包括 : 应急通信 AR/VR 巡检 用电负荷需求侧响应 用电信息采集 分布式能源 高级计量 配网状态监测等 ( 四 ) 模式四 运营商和电网客户共建部分 5G 网络基础设施 电网客户具有运营商建设和运营 5G 网络所需的站址 自建的基站 光纤等 基础设施, 运营商可和电网公司合作, 利用电网公司已有的基础设施, 将其纳入 到运营商 5G 网络中, 统一运营和管理 在此模式下, 运营商仍为电网客户提供标准化或个性化的产品和服务, 同时 根据电网客户提供的资源, 对发生的网络服务和通信费用进行抵扣 该模式的优势包括 : 有效利用现有资源, 节约社会总成本 ; 减少重复的工程和建设量, 有利于业务较快上线 ; 电网公司支出的网络服务费较低 ; 运营商投资低, 但现网传输部分涉及部分改造, 需明确权责利 该模式适用的典型场景包括 : 应急通信 精准负荷控制 配电自动化 分布 式馈线自动化 配网差动保护等 65 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

66 五 总结与展望 世界能源发展面临资源紧张 环境污染 气候变化等挑战, 能源消费逐渐向 风能 太阳能等清洁能源转变, 随着澎湃的信息化 数字化和智能化浪潮, 不断 催生和推动着能源互联网新模式 新业态 新技术的崛起 近年来, 全球主要发 达国家都已将发展能源互联网纳入国家战略, 我国也在稳步推进能源互联网建设, 加快能源互联网示范项目建设, 提高国内能源资源优化配置能力, 推动传统能源 行业智能化升级 以电网为基础的能源互联网是能源与信息深度融合的复杂系统, 业务需求已 向大连接 低时延 高可靠 大带宽的方向发展 5G 技术作为新一代无线通信 系统的发展方向, 其连续广域覆盖 热点高容量 低时延高可靠 低功耗大连接 等特性及网络切片 边缘计算 两大能力 将成为能源互联网全面发展的重要支 撑 通信运营商将有效推动 5G 技术助力能源行业生产效能提升, 实现智能化升 级发展 主要表现在 : 一是, 运营商拥有可以满足 5G 大带宽 低时延和大连接 业务需求的授权频谱, 可有效支持能源互联网业务的开展 ; 二是, 可通过共享网 络 终端等端到端基础设施的方式极大提升网络资源的利用效率, 充分发挥规模 效应降低网络建设成本 ; 三是, 运营商在无线网络的建设和运营中具有深厚的技 术和经验积累, 可充分发挥 5G 网络切片 边缘计算等核心能力为电力行业提供 定制化 安全性强 可独立管控的通信服务 ; 四是, 运营商拥有覆盖全国各省 市 地区的运维团队, 能够提供专业 及时响应的属地化运维服务 为利用 5G 网络高效推动 广泛互联 智能互动 灵活柔性 安全可控 开 放共享 的能源互联网全面建设和发展, 通信运营商需与电力企业应秉承优势互 66 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

67 补 合作共赢的理念, 持续加强应用需求 解决方案 商业模式等方面的合作和 联合创新 67 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

68 参考文献 [1].全球能源互联网发展战略白皮书. 全球能源互联网发展合作组织 [2].刘振亚, 全球能源互联网. 中国电力出版社 [3].王继业 郭经红 曹军威 高灵超 胡紫巍 周静 明阳阳 方正伟. 能 源互联网信息通信关键技术综述. 智能电网 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

69 联合编写单位及作者 中国移动通信有限公司研究院 作者按姓氏笔画排序 于江 杨白 王珂 杨光 黄石 胡玉双 张超 林琳 胡梅 孙晓文 段晓东 施磊 陆璐 曹丽芳 金晨光 林恩辉 宋镇亮 徐晶钰 吴淑燕 韩柳燕 张 跃馨 国家电网公司全球能源互联网研究院 作者按姓氏笔画排序 陆阳 白巍 李建岐 张东磊 69 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

70 关于中国移动 5G 联合创新中心 2016 年 2 月 中国移动 5G 联合创新中心 以下简称 5G 联创中心 成立 旨在 4G 向 5G 演进过程中 联合合作伙伴共同推进 5G 基础通信能力成熟 孵化 融合创新应用和产品 构建合作共赢的跨行业融合生态 5G 联创中心聚焦基础 通信能力 智能交通 视频娱乐 工业能源 智慧城市 教育 人工智能与机器 人 智慧医疗等领域 与合作伙伴开展联合创新项目 并在国内外构建区域开放 实验室 提供基础通信实验 业务开放实验 成熟度测试认证 用户分析及体验 四大能力 截至 2018 年 5 月 已有 130 家合作伙伴加入 其中垂直行业合作伙 伴达到 74 家 在北京 上海 浙江等地构建 9 个境内实验室 在美国 硅谷 香港 瑞典 斯德哥尔摩 构建 3 个境外实验室 中国移动 5G 联合创新中心 网址 联系我们 admin@cmcc-5gic.org 70 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

71 Copyright 2018 中国移动 5G 联合创新中心版权所有 您可以为内部参考的目的引用本文件 本文件未授予任何其他许可 本文件 按原样 提供 不作任何明示或暗示的保证 任何保证均明确予以否认 包括但不限于 不侵权 商用性以及对特定目的适用性的保证 中国移动 5G 联合创新中心不负责保证所呈现信 息的精确性 本文件提供的任何信息可能会被纠正 修改和改变 恕不另行通知 使用或信赖本 文件所提供信息的风险自行承担 本文件提供的所有关于第三方的信息均来源于公开资源或他 们发布的报告和报表 转载 摘编或利用其它方式使用本报告 请注明来源 中国移动 5G 联合创新中心 违反上述声 明者 我们将保留追究其相关法律责任权利 71 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网

72 72 中国移动 5G 联合创新中心 5G 与能源互联网