0 引言

    網絡切片作為5G賦能垂直行業的關鍵技術，是利用虛擬專網技術，通過切片平臺，為智慧家庭、智能工廠、車聯網及公共安全等不同行業提供端到端的大帶寬、低時延、高可靠的靈活定制化5G服務，實現垂直行業的業務快速上線和更極致的用戶體驗^[1-2]。運營商可從5G網絡切片減少網絡基礎設施建設投入和高附加值服務收入來增加5G營收利潤。

    在當今經濟的發展趨勢下，傳統電網已不能夠滿足電力行業的需求，智能電網成為發展方向。而就目前來說，電網已成為工業化、信息化社會發展的基礎和重要組成部分。智能電網將通信技術、計算機技術、傳感測量技術、控制技術等諸多先進技術和原有的電網設施進行高度融合與集成，形成新型電網，代表了未來電網的發展趨勢。近年來，電力通信需求也日益旺盛，智能電網建設對電力通信承載力提出更高要求。智能電網建設離不開電力通信，尤其進入5G時代，智能電網將是一個自愈、安全、經濟、清潔，且能夠提供適應數字時代的優質電力網絡。5G網絡切片技術在電力系統的發電、輸電、變電、配電、用電，以及應急通信各個環節均有不同程度的應用，如：增強移動寬帶、大連接和低時延高可靠的切片來滿足電網業務的安全性、可常性和靈活性需求,實現差異化服務保障，進一步提升電網企業對自身業務的自主可控能力，實現行業專網服務^[3]。

    5G網絡切片在智能電網應用處于起步階段，運營商將與電網企業、電力終端設備廠商和網絡設備商共同引領電力5G技術研究,探索定制化的5G網絡切片技術在端到端電網的高隔離性應用，更好地滿足電力網絡對“行業專網”的訴求，為智能電網不同業務提供差異化的網絡服務能力，促進5G電力通信產業高速發展。雖然5G網絡切片可以為智能電網的實現帶來諸多益處，但是如何利用網絡切片為電力企業帶來經濟利益還不明確。5G給智能電網注入新動能，本文通過電力用戶的需求進行整理和分析，結合電力市場策略等角度分析5G網絡切片使能智能電網的經濟效益，運營商與電力行業的合作模式將發生變革，給出5G網絡切片技術在智能電網的應用研究和建議，推動雙贏的5G智能電網切片的高質量的發展。

    智能電網要求網絡足夠靈活，以保證提供服務的多樣化及可靠性。5G網絡僅使用一種類型的通信網絡就可以管理和控制電網的多個部分，從而使智能電網獲取對公共事業和能源消費者的成本效益，電網和5G網絡的結合將為智能工業革命奠定堅實的基礎，對促進經濟社會協調與可持續發展具有重要意義。它為更好的生活、更清潔的環境和更和諧的社會提供了有力的支持。這有助于完善能源管理，并實現向清潔能源和電能的轉化^[4]。

1 四大典型場景

    通過對智能電網在發電、輸電、變電、配電及用電的環節充分的需求調研、討論和分析，本文從中識別并篩選出了對于5G具有潛在需求在智能電網中最具代表性的四大場景：無人機智能電網巡檢、AMI智能抄表、智能分布式配電自動化、毫秒級精準負荷控制。

1.1 無人機的智能電網巡檢

    輸電線路網絡巡檢的安全性、準確性是長期困擾電力運維部門的難題。目前，電網主要依靠地面人員或低空飛行的直升機開展電網的巡檢工作。近年來，無人機作為一種高科技的巡檢利器在電網行業中得到迅速推廣與應用。無人機為這種高成本、危險的工作提供了替代方案，基于無人機進行輸電線路網絡檢查可以避免潛在風險，規避緊急情況，提高巡檢效率。無人機巡檢的另一優勢在于遠程圖像的高清傳輸。如圖1所示，使用無人機巡檢對5G網絡切片的通信要求如下：

    (1)超高吞吐量(Gbit/s帶寬的高清圖像和視頻傳輸)；

    (2)廣覆蓋范圍和高移動性(無人機業務)；

    (3)能源效率(無人機消耗的能源效率更高)。

    5G網絡的eMBB切片可以使無人機能夠更加快捷地接受信息和任務指令、傳輸高清視頻流，5G的切片技術還能適應無人機對上下行帶寬、時延的個性化需求，使數據傳輸更加安全可靠。

1.2 AMI智能抄表

    高級量測體系(AMI)是智能電網的用電信息采集系統的重要基礎。人工上門抄表存在的問題：誤差大、效率低、人工成本高，無法實時收集和分析消費數據；無法實現預付費及多費率控制，繳費困難，只有單一的營業廳繳費方式，用戶體驗差，電費回收緩慢；無法預防各種竊電行為；對用采集用電信息不能進行有效的線損分析。電力消耗需要實時監控和分析，以便為終端用戶提供高效且連續的服務。5G網絡切片的AMI智能電表定制化能力提供密切監視所消耗的電能質量，標記分布式配電網中的異常測量值以及智能抄表設備數字身份信息的安全交換，對電力變壓器以及線路的運行狀態有直觀清晰的了解，可以及時發現電網存在的隱患。當電網出現異常，如變壓器過載、竊電、漏電等問題，系統中會及時給出告警，工作人員可以快速定位問題發生的地點，并及時趕往問題地點進行維修。

    如圖2所示，AMI智能抄表用對5G網絡切片的通信的要求如下：

    (1)大規模終端(大規模訪問，海量終端數)；

    (2)高密度的網絡連接；

    (3)高安全性(用戶信息的網絡傳輸安全)。

    使用5G網絡的mMTC切片可以滿足這些要求。利用海量連接實現可靠、安全和開放的AMI智能抄表最后一公里通信網絡環境，為智能電網與用戶間的雙向互動提供堅實保障。

1.3 智能分布式配電自動化

    隨著電力可靠供電要求的逐步提升，要求高可靠性供電區域能夠實現電力不間斷持續供電，將事故隔離時間縮短至毫秒級，實現區域不停電服務。這對集中式配電自動化中的主站集中處理能力和時延等提出了更加嚴峻的挑戰，因此智能分布式配電自動化成為未來配網自動化發展的方向和趨勢之一。其特點在于將原來主站的處理邏輯分布式下沉到智能配電化終端，通過各終端間的對等通信，實現智能判斷、分析、故障定位、故障隔離以及非故障區域供電恢復等操作，從而實現故障處理過程的全自動進行，最大可能地減少故障停電時間和范圍，使配網故障處理時間從分鐘級提高到毫秒級。基于5G技術的智能分布式配電自動化項目將顯著提升配網供電可靠性，讓停電區域面積更小、居民停電次數更少、來電等待時間更短、客戶用電滿意度更高。如圖3所示，配電自動化用例對通信網絡的要求如下：

    (1)超低延遲(電網控制和保護設備的快速操作)；

    (2)高安全性(確保系統網絡攻擊后不斷電)；

    (3)高終端密度(單個站點連接數千個電網控制和保護設備)；

    (4)高可靠性。

    使用5G網絡的uRLLC切片可以滿足配電自動化的通信要求，利用高可靠性、安全性和低時延等特點，讓智能分布式配電自動化保護具有更好的選擇性、靈敏性和快速性。

1.4 毫秒級精準負荷控制

    小規模的停電，通過高負載的雪崩效應變成大規模的停電，是電力的痛點之一。隨著用電需求的增加，將有更多的發電機投入使用，智能電網中的精準負荷控制可以幫助公用事業改善此痛點。毫秒級負荷控制可以靈活地管理用戶的可中斷負載，控制對象精準到生產企業內部的可中斷負荷，既滿足電網緊急情況下的應急處置，同時僅涉及經濟生活中的企業用戶，且為用戶的可中斷負荷，又將經濟損失、社會影響降至了最低^[5]。傳統配網由于缺少通信網絡支持，切除負荷手段相對簡單粗暴，通常只能切除整條配電線路。如圖4所示，毫秒級精準負荷控制用例對通信網絡的要求如下：

    (1)超低時延(以毫秒為單位，可以快速響應不斷增長的需求)^[6]；

    (2)高網絡可靠性(高達99.999％，以確保在需要時可以立即操作設備和機器)^[7]；

    (3)高安全性；

    (4)高設備密度，數十萬個設備精確負荷控制。

    從業務影響、用戶體驗等角度出發，通過5G網絡uRLLC切片精準控制，做到減少對重要用戶的影響，優先切除可中斷非重要負荷，例如電動汽車充電樁、工廠內部非連續生產的電源等。

2 端到端的5G電力切片業務模型

    5G網絡切片是一組相互獨立的可編程資源，能夠提高網絡功能、優化網絡服務。網絡切片具有兩大特點：可編程性、資源獨立性。5G網絡切片綜合軟件定義網絡（SDN）與其他自動技術，能夠按照不同顧客的特定需求靈活地提供服務。因此，運營商僅需一張物理網，便可針對不同行業的應用場景，提供不同功能的5G網絡切片。5G網絡切片對智能電網發展具有深遠的影響，關鍵在于運營商如何提供5G網絡切片的服務模型，并由此電力行業和運營商能雙方受益。

2.1 智能電網潛在業務模型

    過去，電信運營商并未積極參與電力公共設施領域。電力公司更喜歡使用自己的通信方案(如PLC、Nb-IoT和eLTE網絡)來滿足其電網通信的需求。部分原因是運營商公用設施的性質不太適合不能保證服務質量（QoS）的單一共享網絡。運營商需要為電力公司提供高服務質量保證的網絡，將服務轉向網絡。5G網絡切片可以作為運營商的切入點，通過5G網絡切片滿足電力公司所有智能電網場景的定制要求，并通過新型業務和節約成本為電力公司和運營商創造服務商業價值，如圖5所示。

    從歷史上看，運營商在為電力公司提供連接時，每個設備型號都有固定的租賃費用。服務定價不會因網絡的帶寬或其他關鍵業績指標而變化。過去情況確實如此，因為智能電表等連接設備的當前通信要求非常低。但是，運營商需要超越每臺設備固定租金的業務模式。這需要從提供服務認購效率更改為網絡服務業務模型。這意味著除了每臺設備的固定價格外，運營商還需要根據定制網絡切片的基于績效的關鍵業績指標收費，實際上是對基于性能的服務水平協議(SLA)收費。由于使用了5G網絡切片，基于網絡切片提供連接的運營商演化產生的業務模式可以基于公用設備的增值來定價。運營商可以根據這部分總增值的收入分成收取額外費用。

    提供網絡切片服務，運營商還可以提供額外的增值服務，如切片管理平臺，其中公用事業單位可以用易于使用的接口來接收包含所有KPI的網絡數據，經過網絡運營商授權即可擁有一定程度的自運維自管理權限，根據需要管理正在使用的網絡切片，例如添加或者移除一個設備到已訂閱的切片，以確保滿足SLA服務水平協議的要求。

2.2 5G智能電力切片

    5G網絡及其服務化架構是一個統一的網絡，具有有靈活、可靠、低延遲、高數據速率和高帶寬等特點，可滿足智能電網的所有關鍵通信需求。在歷史上，由于電網運營商廣泛使用了光纖專網、LTE無線專網等多種網絡技術，電信和運營商為電網提供的通信服務相對有限。另一個重要原因在于傳統的3G/4G公用網絡是一個大型的一體化管道，運營商無法為電力行業客戶提供差異化的服務質量/服務水平維護。例如，如果在農歷新年期間，由于普通消費者數據的大量傳輸，3G/4G通信網絡變得擁擠不堪，電力系統的高級計量的抄表業務將受到較大的影響。

    5G網絡切片是在共享基礎設施上運行的多個邏輯網絡，提供給租戶一定的獨立運營能力的可保證的SLA 基礎上的定制化網絡。5G網絡切片具有三大特點：差異化加確定性的QoS/SLA保障、業務隔離性、獨立運營性。5G網絡切片綜合了軟件定義網絡、網絡虛擬化、服務化架構與其他自動化技術，能夠按照不同用戶的需求提供靈活的定制化服務。因此，運營商僅需一張物理網，便可針對不同行業的應用場景，提供不同功能的5G網絡切片，如圖6所示。

    智能電網行業存在多種應用場景，其通信時延需求、數據傳輸大小、設備數量多少都存在差異，從而造成信息交互也千差萬別。因此，電信和運營商需要與電網公司密切合作，定義網絡切片模板、設計網絡切片架構，為智能電網提供合適的網絡切片，同時還要能夠針對不同應用場景對網絡切片進行靈活調整。通過這一方法，運營商能夠同時為一個或多個電網公司的不同應用場景設計、管理并維護多張電網切片。

    5G端到端網絡切片由接入網、傳輸網、核心網組成，這三者與電網終端設備和應用相互配合，滿足智 能電網不同應用場景的需求。在將5G網絡切片應用于智能電網的過程中，接入網、傳輸網、核心網3個域的作用都十分關鍵。運營商可針對不同應用場景的特定需求，提供不同的網絡切片配置組合，并提供網絡切片的端到端全生命周期服務，這具體取決于運營商和電網之間的商業模式以及服務條款，包括但不限于切片開通、KPI 監測、運行維護、切片優化、切片停用等。

3 運營商智能網絡中網絡切片的TCO和ROI

    相比傳統專網而言，5G網絡切片的整體成本較低，主要原因之一便是網絡共享。5G網絡切片通過一張共 享基礎設施網絡，可以滿足不同垂直行業不同應用場景的定制化需求，因此運營商可避免重復投資建設多張網絡。在應用場景不斷增加的情況下，這大大降低了每一個應用場景的硬件資本支出。使用5G網絡切片，運營商可使用同一基礎設施服務于不同垂直行業的應用場景，無需增加重復基礎設施投資便可為每個應用場景提供不同 QoS/SLA水平的定制化服務。這大大降低了5G網絡切片的總投資成本，從而幫助運營商獲得更高的投資收益。

    基于運營商視角的指示性投資回報率(ROI)計算投資回報率評估該區域公用事業單位5G網絡切片使能智能電網4個典型應用場景的投資回報率，分析使用網絡切片為電網公司創造的附加價值、收入增加、節約成本。

    基于電網客戶視角的總所有成本(TCO)比較配電自動化、AMI智能抄表、基于無人機的智能巡檢和精準負荷控制，評估光纖網絡的總擁有成本需要考慮專用光纖的建設成本和運營支出，以及通過專用光纖網絡連接的所有電網設備終端為了接入光纖網絡所需的接口改造成本。評估4GLTE專網的總擁有成本需要考慮基站、核心網、通信塔等相關網絡設備的建設成本、運營支出，以及每個終端為了接入LTE專網所需的芯片/模組改造成本。評估5G網絡切片的總成本則主要考慮了基于不同業務場景的差異化QoS/SLA需求，而支付給電信運營商的不同等級的切片即服務(NSaaS)訂閱費用，最終可簡單折算為不同業務終端所支付的不同價格的月租費和不同ARPU。

4 結論

    電網是國家的基礎設施，5G助力智能電網應用研究，本文梳理了5G網絡切片技術在智能電網的4種典型應用場景，提出了5G電力切片的挑戰和前景，帶來匹配智能電網不同業務的差異化絡切片的服務能力、靈活高效的切片運營管理能力和高可靠的安全隔離能力。同時，基于4種典型應用場景，分析了智能電網中的網絡切片總成本（TCO）和投資回報率（ROI），開展5G網絡切片在智能電網應用的技術可行和商業可行性研究和探索，為5G網絡切片賦能智能電網建設打好基礎。

參考文獻

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作者信息:

夏  旭1，袁  欣2，梁  云3，張  蕾1

(1.中國電信智能網絡與終端研究院，北京102209；

2.中企大象金融信息服務有限公司，北京100089；3.全球能源互聯網研究院有限公司，北京102200)