5G网络切片使能智能电网 切片 MEC
目录 引言 01 1 智能电网发展的趋势与挑战 02 2 5G 切片智能电网典型业务场景 04 2.1 场景 1: 智能分布式配电自动化 04 2.1.1 业务场景 04 2.1.2 发展趋势及特点 05 2.1.3 对通信网络的关键需求 05 2.2 场景 2: 毫秒级精准负荷控制 06 2.2.1 业务场景 06 2.2.2 发展趋势及特点 06 2.2.3 对通信网络的关键需求 07 2.3 场景 3: 低压用电信息采集 07 2.3.1 业务场景 07 2.3.2 发展趋势及特点 07 2.3.3 对通信网络的关键需求 08 2.4 场景 4: 分布式电源 08 2.4.1 应用场景 08 2.4.2 发展趋势及特点 08 2.4.3 对通信网络的关键需求 09 3 5G 网络切片简介 10 3.1 5G 网络切片概念与特征 11 3.2 5G 网络切片端到端架构 12 3.3 5G 网络切片价值 13 4 智能电网 5G 切片方案探讨 14 4.1 5G 网络切片使能智能电网 15 4.1.1 技术视角 16 4.1.2 业务视角 16 4.1.3 部署视角 16
4.2 智能电网多切片架构 17 4.3 智能电网全生命周期管理 17 4.3.1 智能电网切片设计 18 4.3.2 智能电网切片部署与使能 18 4.3.3 智能电网切片的运行 18 4.3.4 智能电网切片的运维监控 18 4.3.5 智能电网切片的闭环优化 18 4.3.6 智能电网切片的能力开放 19 5 总结与展望 20 图 1 智能电网典型代表性业务场景 04 图 2 配电自动化发展演进趋势 05 图 3 智能分布式配电自动化对网络的关键 KPI 要求 05 图 4 精准负荷控制发展演进趋势 06 图 5 毫秒级精准负荷控制对网络的关键 KPI 要求 07 图 6 低压用电信息采集发展演进趋势 07 图 7 低压用电信息采集对网络的关键 KPI 要求 08 图 8 分布式电源发展演进趋势 09 图 9 分布式电源对网络的关键 KPI 要求 09 图 10 5G 网络切片端到端构架 13 图 11 5G 网络切片使能智能电网 15 表 1 5G 网络切片匹配智能电网不同业务场景需求 16 图 12 智能电网 5G 网络切片构架 17 图 13 5G 切片全生命周期管理 17 表 2 智能电网 5G 网络切片的两类运维模式 18 表 3 智能电网 5G 网络切片的两类闭环优化模式 19
引言 引言 近年来, 国家电网公司积极建设坚强智能电网, 提升电网本质安全水平, 通过实施 互联网 + 战略, 全面提升电网信息化 智能化水平, 充分利用现代信息通信技术 控制技术实现电网安全 清洁 协调和智能发展, 为经济社会发展提供可靠电力保障 随着用电信息采集 配电自动化 分 化的需求, 超高带宽 超低时延以及超大规模连接将改变垂直行业核心业务的运营方式和作业模式, 全面提升传统垂直行业的运营效率和决策智能化水平等 网络切片正是在这种背景下产生的 以敏捷和可定制的能力, 为不同的应用打造一个 专属 网络 布式能源接入 电动汽车服务 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, 迫切需要适用于电力行业应用特点的实时 稳定 可靠 高效的新兴通信技术及系统支撑, 实现智能设备状态监测和信息收集, 激发电力运行新型的作业方式和用电服务模式 以 AI 为代表的智能化技术正在掀起第四次工业革命的浪潮 如果说电力是工业化的血液的话, 那么网络连接就是工业化的神经 电网与 5G 网络的深度结合必将智能化工业革命提供坚实的基础, 助力中国制造 2025 达成既定目标 4G 改变生活,5G 改变社会 以电网为代表的垂直行业将在 5G 时代完成数字化转型, 德国提出的工业 4.0, 中国制造 2025 都需要借助网络的连接 5G 网络不仅能给我们带来更好的带宽体验,5G 网络另一个重要的使命是使能垂直行业 5G 时代丰富的垂直行业应用将对移动网络带来更加多样 智能电网是智慧能源的基本保障, 是推动我国经济社会协调 可持续发展进程的重要物质基础, 为 十九大 提出的人民生活更美好 环境更清洁 社会更和谐提供有力支撑 从而推动能源由粗放型管理向精细化转变, 真正实现清洁能源替代和电能替代的核心战略的落地 01
1 智能电网发展的趋势与挑战 智能电网, 就是电网的智能化, 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系统技术的应用, 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 2009 年 5 月, 中国国家电网公司发布了以特高压电网为骨干网架 各级电网协调发展, 以信息化 自动化 互动化为特征的坚强智能电网概念, 并明确了公司建设坚强智能电网的战略目标和发展路线 02
1 智能电网发展的趋势与挑战 1 智能电网发展的趋势与挑战 随着各领域新技术的快速发展, 智能电网在发展建设过程中也遇到了一些新的挑战和新的机遇, 为智能电网建设带来了新的内涵 新能源 : 为应对全球变暖和实现可持续发展, 迫切需要发展可再生能源发电 可再生能源发电的大量并网将给电网运行 管理带来新的挑战 : 一方面, 可再生能源发电的间歇性 随机性特点, 给电网功率平衡 运行控制带来困难 ; 另一方面, 分布式能源 (DER) 的深度渗透使配电网由功率单向流动的无源网络变为功率双向流动的有源网络 新用户 : 随着电动车的快速发展, 电动车充电容量需求十分客观, 为更好对需求侧进行管理 ( 例如削峰填谷 ), 用电管理可以采用新的模式 比如, 充电车充电可以由传统的在设备接通时用电, 变为充电时间可选的互动式用电 新要求 : 新设备新场景的出现对用电质量提出更高的要求 比如, 一些高科技数字设备要求供电的 零中断 另一方面, 从电网运营角度对资产利用效率的要求也在逐步提高, 比如提高设备利用率 减低容载比 减少线损等, 需要对电网的负荷与供电进行更精确的调整 03
2 5G 切片智能电网典型业务场景 25G 切片智能电网典型业务场景 从电流走向视角来看, 电网主要包括五大环节 : 发电 输电 变电 配电及用电 通过与电力行业伙伴的充分需求调研 讨论和分析, 我们从中识别并筛选出了对于无线通信 具有潜在需求 未来 5G 切片可能使能的 最具典型代表意义的四大智能电网应用场景 : 智能分布式配电自动化 毫秒级精准负荷控制 低压用电信息采集 分布式电源 智能电网典型业务场景 智能分布式配电自动化毫秒级精准负荷控制低压用电信息采集分布式电源 图 1 智能电网典型代表性业务场景 2.1 场景 1: 智能分布式配电自动化 2.1.1 业务场景配电自动化 (Distributed Automation) 是一项集计算机技术 数据传输 控制技术 现代化设备及管理于一体的综合信息管理系统, 其目的是提高供电可靠性, 改进电能质量, 向用户提供优质服务, 降低运行费用, 减轻运行人员的劳动强度 配电自动化的发展大致可以分为三个阶段 第一阶段是基于自动化开关设备相互配合的配电自动化阶段, 主要设备为重合器和分段器等, 不需要建设通信网络和计算机系统 其主要功能是在故障时通过自动化开关设备相互配合实现故障隔离和健全区域恢复供电 这一阶段的配电自动化系统局限在自动重合器和备用电源自动投入装置 自动化程度较低, 这些系统目前仍大量应用 第二阶段的配电自动化系统是基于通信网络 馈线终端单元和后台计算机网络的配电自动化系统, 在配电网正常运行时也能起到监视配电网运行状况和遥控改变运行方式的作用, 故障时能及时察觉 并由调度员通过遥控隔离故障区域和恢复健全区域供电 随着计算机技术的发展, 产生了第三阶段的配电自动化系统 它在第二阶段的配电自动化系统的基础上增加了自动控制功能 形成了集配电网 SCADA 系统 配电地理信息系统 需方管理 (DSM) 调度员仿真调度 故障呼叫服务系统和工作管理等一体化的综合自动化系统, 形成了集变电所自动化 馈线分段开关测控 电容器组调节控制 用户负荷控制和远方抄表等系统于一体的配电网管理系统 (DMS), 功能多 04
2 5G 切片智能电网典型业务场景 达 140 余种 现阶段的配电自动化以此为目标建设和完善 2.1.2 发展趋势及特点当前主流方案采用集中式配电自动化方案, 其通信系统主要传输数据业务, 包括终端上传主站 ( 上行方向 ) 的遥测 遥信信息采集业务以及主站下发终端 ( 下行方向 ) 的常规总召 线路故障定位 ( 定线 定段 ) 隔离 恢复时的遥控命令, 上行流量大 下行流量小, 主站为地市集中部署 随着电力可靠供电要求的逐步提升, 要求高可靠性供电 区域能够实现电力不间断持续供电, 将事故隔离时间缩短至毫秒级, 实现区域不停电服务, 则对集中式配电自动化中的主站集中处理能力和时延等提出了更加严峻的挑战, 因此智能分布式配电自动化成为未来配网自动化发展的方向和趋势之一 其特点在于将原来主站的处理逻辑分布式下沉到智能配电化终端, 通过各终端间的对等通信, 实现智能判断 分析 故障定位 故障隔离以及非故障区域供电恢复等操作, 从而实现故障处理过程的全自动进行, 最大可能地减少故障停电时间和范围, 使配网故障处理时间从分钟级提高到毫秒级 配电自动化发展阶段 机械化自动化智能化 就地单机处理断电时间小时级 集中式自动化处理断电时间分钟级 分布式智能化处理断电时间毫秒级 图 2 配电自动化发展演进趋势 2.1.3 对通信网络的关键需求智能分布式配电自动化对通信网络的关键需求 : 超低时延 : 毫秒级 高隔离 : 配电自动化属于电网 I/II 生产大区业务, 要求和其它 III/IV 管理大区业务完全隔离 高可靠性 :99.999% 智能分布式配电自动化对网络要求 时延 隔离性 带宽 终端数量 可靠性 图 3 智能分布式配电自动化对网络的关键 KPI 要求 05
2 5G 切片智能电网典型业务场景 2.2 场景 2: 毫秒级精准负荷控制 2.2.1 业务场景电网负荷控制主要包括调度批量负荷控制和营销负荷控制系统两种控制模式 电网故障情况下, 负荷控制主要通过第二道防线的稳控系统紧急切除负荷, 防止电网稳定破坏 ; 通过第三道防线的低频低压减载装置负荷减载, 避免电网崩溃 ; 这种稳控装置集中切负荷社会影响较大, 电网第三道防线措施意味着用电负荷更大面积损失 在目前特高压交直流电网建设过渡阶段, 安全稳定控制系统依然是紧急情况下保障电网安全的重要手段 若某馈入特高压直流发生双极闭锁, 受端电网损失功率超过一定限额, 电网频率将产生严重跌落, 甚至可能导致系统频率崩溃 为确保直流故障后电网稳定安全稳定运行, 通常综合采用多直流提升 抽蓄电站切泵等措施来平衡电网功率的缺额, 但上述措施在直流严重故障下仍不足以阻止电网的频率跌落, 紧急切负荷措施依然是必要手段 针对类似直流双极 闭锁等严重故障, 若采用过传统方式以 110KV 负荷线路为对象, 集中切除负荷的方式, 将会触发国务院 599 号令所规定的电力事故等级, 造成较大的社会影响 而采用基于稳控技术的精准负荷控制系统, 控制对象精准到生产企业内部的可中断负荷, 既满足电网紧急情况下的应急处置, 同时仅涉及经济生活中的企业用户, 且为用户的可中断负荷, 将经济损失 社会影响降至了最低, 是目前负荷控制系统的一大技术创新 2.2.2 发展趋势及特点传统配网由于缺少通信网络支持, 切除负荷手段相对简单粗暴, 通常只能切除整条配电线路 从业务影响 用户体验等角度出发, 希望尽可能做到减少对重要用户的影响, 通过精准控制, 优先切除可中断非重要负荷, 例如电动汽车充电桩 工厂内部非连续生产的电源等 精准负荷控制 毫秒级负荷平衡 切除整条线路 当前 趋势 细粒度控制, 延伸到末端 优先切除制冷等可中断负荷 图 4 精准负荷控制发展演进趋势 06
2 5G 切片智能电网典型业务场景 2.2.3 对通信网络的关键需求毫秒级精准负荷控制对通信网络的关键需求 : 超低时延 : 毫秒级 高隔离 : 精准负荷控制属于电网 I/II 生产大区业务, 要求和其它 III/IV 管理大区业务完全隔离 高可靠性 :99.999% 毫秒级精准负荷控制对网络要求 时延 隔离性 带宽 终端数量 可靠性 图 5 毫秒级精准负荷控制对网络的关键 KPI 要求 2.3 场景 3: 低压用电信息采集 2.3.1 业务场景低压用电信息采集业务是对电力用户的用电信息进行采集 处理和实时监控的系统, 实现用电信息的自动采集 计量异常监测 电能质量监测 用电分析和管理 相关信息发布 分布式能源监控 智能用电设备的信息交互等功能 2.3.2 发展趋势及特点电力用户用电信息采集业务当前主要用于计量, 主要传输数据业务, 包括终端上传主站的状态量采集类业务以及主站下发终端 ( 下行方向 ) 的常规总召命令, 呈现出上行流量大 下行流量小的特点, 现有的通讯方式主要包括 230M 无线公网和光纤传输方式, 各类用户终端采用集中器方式目前主站为省公司集中部署 早期采集的方式是一天 24 个计量点, 目前是分为 5min 和 15min 采集方式, 其中 0 点为统一采集 低压用电信息采集 从计量延伸到家庭, 引导错峰用电, 实现供需平衡 现状 小规模 低频次 用于计量 趋势 海量 准实时 用于引导错峰用电 未来新业务带来用电信息数据 ( 准 ) 实时上报的新需求 同时, 终端数量级进一步提升 未来的用电信息采集将进一步延伸到家庭, 能够获取所有用电终端的负荷信息, 以更精细化的实现供需平衡, 牵引合理错峰用电 例如当前欧美等国已经在实行的电价阶梯报价机制, 需要实时公示通知电价, 以便用户能够按需预约采购 图 6 低压用电信息采集发展演进趋势 07
2 5G 切片智能电网典型业务场景 2.3.3 对通信网络的关键需求 低压用电信息采集对通信网络的关键需求 : 海量接入 : 千万级终端接入 高频率高并发 : 未来秒级 ~ 准实时数据上报 低压用电信息采集对网络要求 时延 隔离性 带宽 终端数量 可靠性 图 7 低压用电信息采集对网络的关键 KPI 要求 2.4 场景 4: 分布式电源 2.4.1 应用场景风力发电 太阳能发电 电动汽车充换电站 储能设备及微网等新型分布式电源是一种建在用户端的能源供应方式, 可独立运行, 也可并网运行 随着我国能源变革发展的深入推进, 对于清洁能源的快速并网与全消纳也成为电网企业迫切需要解决的难题 我国分布式电源发展迅速, 占比逐年增加, 年均增加近 1 个百分点 到 2020 年分布式电源装机容量可达 1.87 亿千瓦, 占同期全国总装机的 9.1% 分布式电源接入是坚强智能电网发展中不可缺少的重要环节 分布式电源集成到电网中可带来巨大的效益 除了节省对输电网的投资外, 它可提高全系统的可靠性和效率, 提供对电网的紧急功率和峰荷电力支持 同时, 它也为系统运行提供了巨大的灵活性 如在风暴和冰雪天气下, 当大电网遭到严重破坏时, 这些分布式电源可自行形成孤岛或微网向医院 交通枢纽和广播电视等重要用户提供应急供电 2.4.2 发展趋势及特点但是, 分布式电源并网给配电网的安全稳定运行带来了新的技术问题和挑战 由于传统配电网的设计并未考虑分布式电源的接入 在并入分布式电源后, 网络的结构发生了根本变化, 将从原来的单电源辐射状网络变为双电源甚至多电源网络, 配网侧的潮流方式更加复杂 用户既是用电方, 又是发电方, 电流呈现出双向流动 实时动态变化 因此, 配电网急需发展新的技术和工具, 增加配电网的可靠性 灵活性及效率 分布式电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系统, 具备数据采集和处理 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, 主要由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组成 08
2 5G 切片智能电网典型业务场景 分布式电源 风力发电 太阳能发电 电动汽车充换电站 储能设备及微网新型分布式电源等年均增长 1% 到 2020 年占全国总装机 9.1% 收益 节省投资, 提升可靠性和效率 挑战 网络节点矩阵复杂化, 分布式电源供电实时变化 图 8 分布式电源发展演进趋势 2.4.3 对通信网络的关键需求分布式电源对通信网络的关键需求 : 海量接入 : 百万级 ~ 千万级终端接入 低时延 : 分布式电源管理包括上行数据采集和下行控制, 其中下行控制流需要秒级时延 高可靠性 :99.999% 分布式电源对网络要求 时延 隔离性 带宽 终端数量 可靠性 图 9 分布式电源对网络的关键 KPI 要求 09
3 5G 网络切片简介 5G 网络切片是面向特定的业务需求, 满足差异化 SLA (Service Level Agreement), 自动化按需构建相互隔离的网络实例 5G 网络切片具备了 端到端网络保障 SLA 业务隔离 网络功能按需定制 自动化 的典型特征, 它能使通信服务运营商动态的分配网络资源 提供 NaaS( 网络即服务 ) 服务 ; 同时也为行业客户带来更敏捷的服务 更强的安全隔离性和更灵活的商业模式 10
3 5G 网络切片简介 35G 网络切片简介 3.1 5G 网络切片概念与特征 5G 网络切片的概念具有丰富的特征, 一般来说, 我们认为网络切片是面向租户, 满足差异化 SLA, 可独立生命周期管理的虚拟网络, 是面向特定的业务需求, 满足差异化 SLA(Service Level Agreement), 自动化按需构建相互隔离的网络实例 5G 网络切片具备了 端到端网络保障 SLA 业务隔离 网络功能按需定制 自动化 的典型特征 : 端到端 SLA 保障 :5G 网络切片由核心网, 无线, 传输等多个子域构成, 网络切片的 SLA 由多个子域组成的端到端网络保障 网络切片实现多域之间的协同 包括网络需求分解,SLA 分解, 部署与组网协同等 业务隔离 : 网络切片为不同的应用构建不同的网络实体 逻辑上相互隔离的专用网络确保不同的切片之间业务不会相互干扰 功能按需定制 动态编排 :5G 网络将基于服务化的架构, 同时软件架构也将进行服务化重构, 以此形成网络可编排的能力 面向不同行业多样化的网络需求,5G 网络可以提供按需编排的能力, 为每个应用提供不同的 网络能力 同时,5G 网络分布式特点可以根据不同的业务需求部署在不同的位置, 来满足不同业务时延的要求 自动运维 多租户运维 : 自动化是网络发展的目标 相对于传统网络一张大网满足所有要求,5G 通过切片技术将一张网裂变成多张网, 理论上 5G 的繁荣必然会带来运维难度大幅增加, 因此自动化是 5G 网络必然要具备的一个特征 从节奏上来说, 一次性地实现全自动化非常困难 通过分割网络切片生命周期中各个环节的操作, 允许工作流中的每个环节都支持人工, 半自动或者全自动的方式进行处理, 伴随着用户网络规划能力的发展, 以及网络的扁平化, 简单化, 最终达成自动化 网络切片允许向特定租户 ( 比如行业用户 ) 提供定制化的网络服务, 租户对网络具备一定的操作管理能力 租户运维人员所具备的的知识与能力模型与传统运营商运维人员不同, 需要面向租户的运维人员提供易观察 易操作 易管控的运维界面, 实现租户的 自助服务 11
3 5G 网络切片简介 业务隔离 不同等级的安全隔离独立的生命周期管理 云 核心网 端到端 SLA 保障端到端切片网络包括终端 接入 传输 核心网和云 SLA 分解协同 自动运维网络切片部署自动化运维自动化多租户运维 传输网 接入网 功能按需定制基于服务化架构 (SBA), 定制化网络功能动态编排 embb URLLC embb URLLC mmtc embb URLLC mmtc 3.2 5G 网络切片端到端架构 网络切片是端到端的, 包含多个子域, 并且涉及管理面 控制面和用户面, 其端到端架构示意如下 : 端到端切片生命周期管理架构主要包括几个关键部件 : CSMF (Communication Service Management Function) 切片设计的入口 承接业务系统的需求, 转化为端到端 网络切片需求, 并传递到 NSMF 进行网络设计 NSMF (Network Slice Management Function) 负责端到端的切片管理与设计 得到端到端网络切片需求后, 产生一个切片的实例, 根据各子域 / 子网的能力, 进行分解和组合, 将对子域 / 子网的部署需求传递到 NSSMF 12
3 5G 网络切片简介 第三方 ( 租户 ) CSMF NSMF 共享的 NF 专用的 CP NF 专用的 UP NF Slice1 Slice2 Slice n NSSMF ( 接入网 ) NSSMF ( 传输 ) NSSMF ( 核心网 ) AP Edge DC Core DC 终端接入网传输网核心网应用 图 10 5G 网络切片端到端构架 同时, 在网络切片生命周期过程中, 需要协同核心网, 传输和无线等多个子域 / 子网协同时, 由 NSMF 进行 NSSMF (Network Slice Subnet Management Function) 负责子域 / 子网的切片管理与设计 核心网, 传输和无线有各自的 NSSMF NSSMF 将子域 / 子网的能力上报给 NSMF, 得到 NSMF 的分解部署需求后, 实现子域 / 子网内的自治部署和使能, 并在运行过程中, 对子域 / 子网的切片网络进行管理和监控 通过 CSMF,NSMF 和 NSSMF 的分解与协同, 完成端到端切片网络的设计和实例化部署 3.3 5G 网络切片价值 通过 5G 切片可以为终端用户 租户和运营商带来以下价值 : 1) 终端用户 : 通过端到端切片网络的端管云协同提供的可保证的 SLA, 终端用户获得最佳的业务体验 2) 租户 : 通过资源共享为基础可以降低网络使用成本, 通过隔离技术和按需部署可以实现端到端可保障的网络 SLA, 通过按需功能定制可以快速业务需求和业务的升级 演 进, 通过切片网络提供的开放能力实现简单的运维和网络能力的使用 3) 运营商 : 最大化网络基础设施的价值, 使能和开拓庞大的垂直行业用户群 ; 通过资源共享 动态部署实现高效 快速建网, 同时, 业务上线和业务创新更加快捷, 将促进新的产业生态环境的形成 13
4 智能电网 5G 切片方案探讨 智能电网作为典型的垂直行业的代表对通信网络提出了新的挑战 电网业务的多样性需要一个功能灵活可编排的网络, 高可靠性的要求需要隔离的网络, 毫秒级超低时延需要极致能力的网络 5G 网络切片可以满足垂直行业多样化的网络连接需求 14
4 智能电网 5G 切片方案探讨 4 智能电网 5G 切片方案探讨 4.1 5G 网络切片使能智能电网 智能电网作为典型的垂直行业的代表对通信网络提出了新的挑战 电网业务的多样性需要一个功能灵活可编排的网络, 高可靠性的要求需要隔离的网络, 毫秒级超低时延需要极致能力的网络 4G 网络轻载情况下的理想时延只能达到 40ms 左右, 无法满足电网控制类业务毫秒级的时延要求 同时 4G 网络所有业务都运行在同一个网络里面, 业务直接相互影响, 无法满足电网关键业务隔离的要求 最后,4G 网络对所有的业务提供相同的网络功能, 无法匹配电网多样化业务需求 在此背景下,5G 推出网络切片来应对垂直行业多样化网络连接需求 5G 网络切片使能智能电网 业务多样化 安全隔离 性能要求高 专网成本高 新能源 新用户 新要求对电网负荷平衡带来新的挑战 关键业务要求通信隔离 互不干挠 电网遥控类业务要求单个终端通信时延在 5ms 左右 千万级配电终端缺乏网络接入手段 按需部署 根据业务需求定制网络功能 隔离 共享电信基础设施上构建逻辑隔离通信 专网 端到端 SLA 保障 自动化 5G 网络切片端到端毫秒级低时延保障 网络切片 共享基础设施, 自动化部署, 自动化运维, 节省成本 配电自动化用电信息采集新能源汽车分布式电源精准负荷控制 图 11 5G 网络切片使能智能电网 15
4 智能电网 5G 切片方案探讨 4.1.1 技术视角从技术角度来看 :5G 网络切片可以满足电网核心工控类业务的连接需求 5G 是全新一代的无线通信技术, 在设计是就考虑物 - 物 ( 机器通信 ) 人- 物通信的需求场景 其超低时延 (1ms) 海量接入(10M 连接 / 平方公里 ) 的特性可以很好的匹配电网工控类业务需求 5G 网络首创的网络切片使能技术可以达到与 专网 同等级的安全和可隔离性, 同时相比企业自建的光纤专网成本可以大幅降低 5G 边缘计算技术通过网关分布式下沉部署, 实现本地流量处理和逻辑运算, 实现带宽和时延节省, 从而进一步满足电网工控类业务的超低时延需求 4.1.2 业务视角从业务特征来看 : 本文探讨的智能电网典型业务场景可 以分为两类典型的切片业务需求 工业控制类业务 : 典型代表 : 配电自动化 精准负荷控制 典型切片类型 :URLLC( 超低时延超高可靠性 ) 信息采集类业务 : 典型代表 : 用电信息采集 分布式电源 典型切片类型 :mmtc( 海量机器接入 ) 除了这两大类最典型的切片之外, 在电力行业还可能存在着 embb 切片 ( 典型业务场景 : 无人机远程巡检 ) 和 voice 语音切片 ( 典型业务场景 : 人工维护巡检 ) 等切片需求 4.1.3 部署视角从业务部署来看 :5G 不仅能够使能全新的电网工控类业务, 还能够完美的继承现有通过 2/3/4G 公网支撑的信息采集类业务, 从而实现电网内部多切片混合组网 统一管理 统一运维, 有效帮助电网客户节省成本 业务场景通信时延要求可靠性要求带宽要求终端量级要求业务隔离要求业务优先级切片类型 智能分布式配电自动化高高低中高高 URLLC 毫秒级精准负荷控制高高中低中高中高 URLLC 低压用电信息采集低中中高低中 mmtc 分布式电源中高高低高中中低 mmtc( 上行 ) +URLLC( 下行 ) 表 1 5G 网络切片匹配智能电网不同业务场景需求 16
4 智能电网 5G 切片方案探讨 4.2 智能电网多切片架构 基于智能电网的应用场景和 5G 网络切片的架构功能,5G 智能电网多切片设计和管理的总体架构如下 : 针对不同业务场景要求, 分别考虑信息采集切片 配电 自动化切片和精准负荷切片 不同切片分别满足对应场景的技术指标要求 实现分域的切片管理, 并整合为端到端的切片管理, 保证业务要求 BSS E2E 切片管理 接入网切片管理传输网切片管理核心网切片管理 低压用电信息采集切片 转发 大连接调度 路由 策略 移动性管理 安全管理 IOT 接入管理 鉴权 会话管理 NR 传输网 边缘数据中心 本地数据中心 中心数据中心 智能分布式配电自动化切片 配电网管理 超低时延调度 加密 策略 移动性管理 安全管理 转发计费路由 NR 接入管理 鉴权 会话管理 NR 传输网 边缘数据中心 本地数据中心 中心数据中心 毫秒级精准负荷控制切片 电网负荷控制 超低时延调度 加密 策略 移动性管理 安全管理 转发计费路由 NR 接入管理 鉴权 会话管理 NR 传输网 边缘数据中心 本地数据中心 中心数据中心 图 12 智能电网 5G 网络切片构架 4.3 智能电网全生命周期管理 5G 网络切片生命周期管理包括切片设计 部署使能, 切片运行 闭环优化 运维 能力开放等 订购与设计 切片设计 部署使能 Design / Re-design 运维监控 运行 服务开发 服务发布 灰度升级 DevOps 闭环优化 能力开放 Close Loop 图 13 5G 切片全生命周期管理 17
4 智能电网 5G 切片方案探讨 4.3.1 智能电网切片设计为了保证切片的敏捷的特征和业务独特性, 切片可以定制化设计 包括切片的模版设计和实例化设计 模版设计阶段通过 CSMF,NSMF 和 NSSMF 的协同 ( 能力通报 能力分解和能力匹配 ), 组装出一个端到端切片的模板, 在测试床对模板进行验证, 以保证其能够达到预想的网络能力 切片实例化设计阶段, 根据具体订单需求触发, 当租户需要使用网络切片时, 可以选用预置的切片模板, 或进一步定制的模版, 通过 CSMF,NSMF 和 NSSMF 逐层确认部署信息, 进行实例化部署, 产生一个可用的切片网络 4.3.2 智能电网切片部署与使能智能电网切片的部署是将切片的 NF 实例化部署到虚拟化基础设施层资源之上运行 在 NFV 的运行场景下, 通过 MANO 的能力进行虚拟资源的申请 由于网络切片部署的位置可能是分布式的, 因此需要与多个 DC 的 MANO 进行交互 切片的使能是指在切片部署之后, 完成基础配置, 使其可提供网络服务 典型的基础配置包含 : 基本组网配置, 全局参数, 预置环境变量等等 切片部署与使能的关键目标是自动化 通过自动化降低 CAPAX, 更重要的是, 大幅提高开网的速度, 使得租户的自服务, 网络的自动动态部署成为可能 4.3.3 智能电网切片的运行智能电网无线侧需要根据用户属性选择合适的 AMF, AMF 需要根据用户业务属性选择合适的 SMF 和 UPF, 等等 无论是独占的 NF, 还是共享的 NF, 在业务流程中都有选择的过程 切片选择的实现方式需要结合整个 SBA 架构, 在 NF 注册阶段向 NRF 导入切片相关信息, 加上策略, 指导 NSSF 对切片的具体选择 4.3.4 智能电网切片的运维监控智能电网切片的运维, 不仅仅是面向运营商的, 还面向电力公司 考虑到行业用户的知识技能 运维习惯 维护要求等都与运营商有明显差异, 因此需要针对设计两类运维 两者差异比较 : 面向运营商 电力公司 界面结合传统 EMS, 保持习惯简单, 易懂 目的全面网络感观 SLA 协约确认 呈现数据全面的状态与统计, 固定定制的关键信息, 可变 控制范围全面的业务与资源配置限定的业务配置 切片范围跨切片切片内 表 2 智能电网 5G 网络切片的两类运维模式 总之, 面向运营商, 需要继续提供完整全部的 FCAPS 能力, 使运营商运维人员能够在整体业务能力和网络效率上同时获得广度和深度 面向租户, 需要开放出简单 易用的运维界面, 帮助租户以最快的速度, 最自然的体验入门, 应用网络结合产生价值 源利用率最优, 需要实现切片的闭环优化 所谓闭环, 就是监控网络和业务状态, 当发生目标偏差时, 以一定方式进行修正, 对系统进行迭代调整, 是的网络和业务表现符合预期 4.3.5 智能电网切片的闭环优化 为了在复杂网络环境下实现电力用户体验最优和网络资 网络切片的闭环优化分为如下两类 : 18
4 智能电网 5G 切片方案探讨 近端闭环 远端闭环 触发源 SLA 感知网络效率及 SLA 感知 目的迅速改善和提升 SLA 全网效率最优, 全网 SLA 最佳 输入数据局部信息全局信息 实时要求实时 / 准实时非实时, 慢速 运行模式一定规则下的 best effort 基于数据分析产生最优解 表 3 智能电网 5G 网络切片的两类闭环优化模式 近端闭环与远端闭环同时存在, 相互结合, 兼顾实时的业务保障和整体的网络效率提升 近端闭环通过在控制面和用户面预置策略和调整逻辑, 当判断业务能力达到门限即将或者已经受损时, 迅速调整网络部署和网络参数, 使得当前和后续的业务得到体验改善 例如对于智能电网切片, 当某一区域由于出现新的用电设备或者接入新的分布式电源, 需要就近进行负荷调整, 网络可以自动进行边缘区域功能节点的扩缩容或者新增部署, 将电网负荷调整功能部署到本地, 提高区域 SLA 保障能力 远端闭环通过收集和分析网络长期运行数据, 寻找规律, 得到优化方向, 自动周期性地对网络进行调整, 或者触发对网络进行重设计, 以持久性地提升网络服务能力 4.3.6 智能电网切片的能力开放切片能力开放是达成 应用与网络结合 的关键手段, 目标是使网络能力易于被电力行业应用 体现在以下三方面 : 网络能力可编排 : 基于服务化的理念, 将网络的能力原子化, 每个原子能力都可以成为行业业务流程的一部分, 按照不同用户的要求进行灵活组装的变化 网络能力灵活开放 : 通过 NEF 向电力行业提供安全 可管控的开放能力, 包括业务和数据 采用 restful 接口, 电力行业可以按需调用某类用户和某类业务参数 应用集成 : 除了将网络的能力开放到电力行业, 也可集成基于电力行业的要求基础某些能力到网络中 由电力行业提供某类网络服务原子能力 ( 如安全等 ), 成为终端用户业务流程的一部分 19
5 总结与展望 网络切片不仅是一种技术, 同时也会带来新的商业模式, 除了智能电网行业, 在自动驾驶 工业控制 智慧城市等方面也大有可用, 形成运营商与垂直行业合作多赢的局面, 一起共创智能的数字化社会 5 总结与展望 5G 网络切片充分结合 SDN/NFV 技术, 实现业务需求和网络资源的灵活匹配, 从而满足 5G 时代不同垂直行业特定的功能要求 对于运营商,5G 网络切片将帮助运营商打造敏捷灵活的网络, 将业务延伸到垂直市场, 主要表现在 : 运营商的基础设施以共享方式提供, 极大提升网络资源的利用效率 ; 运营商提供不同切片能力, 可以同时保障垂直行业差异化业务的不同技术要求 ; 灵活开放的网络架构体系也可为垂直行业提供相对独立的运营能力, 保证其业务开展的灵活性和个性化 对于垂直领域行业, 通过与运营商的业务合作, 无需建设移动专网, 即可更方便 快捷地使用 5G 网络, 并得到按需的业务保障, 提升其快速开展个性化业务的能力, 尽 快拓展业务市场 基于智能电网的应用场景分析可见, 不同场景下的业务的要求差异较大, 体现在不同的技术指标要求上 运营企业和网络设备商应针对这些行业的技术指标要求, 进一步量化网络的技术指标和架构设计, 包括进一步量化切片安全性要求 业务隔离要求 端到端业务时延要求, 协商网络能力开放要求 网络管理界面等, 以及探讨商业合作模式 未来生态环境等, 提供满足电力行业多场景差异化的完整解决方案, 并进行技术验证和示范 20
执笔单位 : 中国电信股份有限公司北京研究院中国电信股份有限公司技术创新中心国网江苏省电力有限公司国网江苏省电力有限公司南京供电分公司华为技术有限公司云核心网产品线