基于5G切片和MEC技术的智能电网总体框架设计
发布时间：2022-01-09 13:46
5G在三大领域多种场景提供连接服务,赋能数字化生活、数字化经济和数字化治理,尤其是切片、MEC技术,可提供差异化、可信、分布式、按需定制的功能,为各个行业提供高性能的网络和计算能力,如可为电力行业提供计算和网络一体化的综合服务。新基建的提出,更进一步加快推动5G、工业互联网等与行业的深度结合和快速落地。文章选取电力行业为5G赋能的基础行业,首先对能源互联网的业务发展趋势和典型业务发展需求进行分析,定性剖析能源互联网和5G结合的核心触点——5G切片技术和MEC技术。在此基础上,开展能源互联网云网端一体化架构设计,并针对云和网的整体框架结构和对应技术发展路线进行详细阐述。该设计成果不管是对5G+ToB业务商业化落地还是对智能电网自身发展都有着非常重要的意义。
【文章来源】：电力信息与通信技术. 2020,18(08)
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
基于算力网络的云边协同的分布式云架构
表1 电力业务分析及对应网络切片映射和基础能力需求对应Table 1 Power business analysis and corresponding network slice mapping and basic capability requirement correspondence 业务类别 序号 业务名称 通信需求 网络 基础处理能力 时延 带宽 通信系统可靠性 安全隔离 连接数 网络切片类型 控制类 1 智能分布式配电自动化(三遥) ≤12 ms 210 Mbps 99.999% 安全生产I区 X×10个/ km2 uRLLC 边缘计算 2 配电网差动保护 业务端到端≤15 ms ≤10 Mbps ＞99.999% 安全生产I区 X×10个/ km2 uRLLC 边缘计算 3 精准负荷控制 ≤50 ms(毫秒级) 50 kbps～2 Mbps 99.999% 安全生产I区 X×10个/km2 uRLLC 边缘计算 4 分布式能源调控 采集类≤3 s ≥2 Mbps 采集类99.9%,控制类99.999% 综合包含Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区 百万～千万级 uRLLC、mMTC 边缘计算、物联网 控制类≤1 s 5 同步相量测量PMU 端到端≤50 ms ≤10 Mbps ＞99.999% 安全生产I区 千万/km2 uRLLC 边缘计算 采集类 1 高级计量 ≤3 s 1～2 Mbps 99.9% 管理信息大区Ⅲ 集抄模式X×100个/km2下沉到用户后翻50～100倍 mMTC 物联网 2 电站巡检机器人 ≤200 ms 4～10 Mbps 99.9% 管理信息大区Ⅲ 集中在局部区域1～2个 eMBB 云计算 3 输电线路无人机巡检 云计算 4 配电房视频综合监控 云计算 5 移动现场施工作业管控 20～100 Mbps 局部区域5～10个 云计算 6 应急现场自组网综合应用 边缘计算2)管的层面。结合切片编排管理系统实现对包括接入网5G基站gNB(next generation NodeB)、承载网、核心网网络切片选择功能(Network Slice Selection Function,NSSF)、用户层面功能(User Plane Function,UPF)、进程管理功能(Session Management Function,SMF)、接入及移动性管理功能(Access and Mobility Management Function,AMF)、统一数据管理功能(Unified Data Management,UDM)、策略与计费规则功能(Policy and Charging Rules Function,PCRF)等网络网元资源的灵活组织,为智能电网提供网络切片服务。构建统一的智能化切片管理与编排系统,实现网络切片的映射(逻辑切片到物理资源的映射)。网络切片映射问题被证实为NP-hard问题,当前主流的解决思路为利用网络功能虚拟化(Network Function Virtualization,NFV)中的动态服务功能链(Service Function Chaining,SFC)的思路设计启发式算法去解决网络切片编排和部署。按照切片编排要求实现接入网、承载网、核心网的网络资源组织后,还需设计不同的隔离机制来支持端到端切片安全。从隔离技术来区分,主要分为基于编程语言、沙盒、虚拟机、操作系统和硬件等不同层面的隔离[9-12];从隔离效果来区分,一般分为硬隔离和软隔离。针对接入网,可采用无线资源配置、优先级策略配置、协议栈功能配置等方式实现接入网切片隔离。针对承载网,可利用灵活以太网(Flexible Ethernet,FlexE)、光传送网(Optical Transport Network,OTN)、波分复用(Wavelength Division Multiplexing,WDM)等硬切片和分段路由流量工程(Segment Routing-Traffic Engineering,SR-TE)隧道技术、虚拟专用网(Virtual Private Network,VPN)、虚拟局域网(Virtual Local Area Network,VLAN)等统计复用软切片实现承载网切片隔离。对于核心网,则通过分离控制面和用户面构建分布式核心云,核心网切片用户面根据切片各自需求进行独享,而控制面可分为独立的控制面、部分共享控制面、完全共享控制面等不同类型,具体根据业务需求选择相应的控制面配置,基于微服务快速编排部署不同的网络功能(Network Function,NF)。
3 结语由于5G本身商业化进程和标准制定等的约束限制,目前5G+电力行业正处于探索试点过程中,电网业务低时延、端到端流量物理隔离、网络保护等都要求网络提供差异化服务能力,而其中5G的关键使能行业技术—切片和MEC正是适配这类需求的技术集,本文以这2项技术为锚点开展针对电网未来ICT体系架构的整体设计正是将5G技术与电网应用融合在一起的核心,在整个架构设计过程中对最新的技术路线、存在的问题和未来的发展方向也进行了初步论述。后续需推动运营商和电网企业的生态合作,运营商需充分结合5G网络接入优势、边缘机房和光纤覆盖优势,以及富余的IT资源优势,打造开放生态,加强自身能力对外输出,同时联合第三方服务商、公有云服务商提供智能电网综合解决方案。电力行业需充分抓住和利用5G、工业互联网、AI等新技术发展机遇,结合国家新基建建设要求,全面梳理自身业务发展需要和与新技术发展结合点,加快试点和规模化建设,推动自身数字化转型和业务创新。
【参考文献】：
期刊论文
[1]5G切片技术在电力物联网应用的智能化管理[J]. 贺金红,张港红,高建. 电力信息与通信技术. 2020(05)
[2]基于云雾边协同理念的“电网一张图”维护与自动更新策略研究[J]. 刘广一,谭俊,魏龙飞,韩海韵,汤亚宸,戴仁昶. 电力信息与通信技术. 2020(04)
[3]面向能源互联网智能感知的边缘计算技术研究[J]. 张树华,仝杰,张鋆,张明皓,雷煜卿,朱咏明. 电力信息与通信技术. 2020(04)
[4]基于边缘计算与MapReduce的智能量测终端数据处理方法[J]. 罗鸿轩,肖勇,杨劲锋,金鑫. 智慧电力. 2020(03)
[5]基于KubeEdge架构的边缘智能设备管理研究[J]. 阮正平,佘文魁,李凯,周平. 电力信息与通信技术. 2020(02)
[6]基于网络切片的能源互联网系统架构[J]. 杨德龙,万俐,李晦龄,丁慧霞,路兆铭,马宝娟,陈亚文. 电力信息与通信技术. 2020(01)
[7]5G网络关键技术介绍与行业应用融合探索[J]. 周晓健. 价值工程. 2020(04)
[8]基于5G的泛在电力物联网[J]. 陈皓勇,李志豪,陈永波,陈锦彬,王晓娟. 电力系统保护与控制. 2020(03)
[9]5G技术在电力系统中的研究与应用[J]. 王宏延,顾舒娴,完颜绍澎,于佳. 广东电力. 2019(11)
[10]5G网络切片承载电力系统业务的时延特性研究[J]. 魏向欣,何涛,李一航,高强. 电力信息与通信技术. 2019(08)
博士论文
[1]服务化5G网络资源管理与编排研究[D]. 马璐.北京邮电大学 2019
本文编号：3578835
【文章来源】：电力信息与通信技术. 2020,18(08)
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
基于算力网络的云边协同的分布式云架构
表1 电力业务分析及对应网络切片映射和基础能力需求对应Table 1 Power business analysis and corresponding network slice mapping and basic capability requirement correspondence 业务类别 序号 业务名称 通信需求 网络 基础处理能力 时延 带宽 通信系统可靠性 安全隔离 连接数 网络切片类型 控制类 1 智能分布式配电自动化(三遥) ≤12 ms 210 Mbps 99.999% 安全生产I区 X×10个/ km2 uRLLC 边缘计算 2 配电网差动保护 业务端到端≤15 ms ≤10 Mbps ＞99.999% 安全生产I区 X×10个/ km2 uRLLC 边缘计算 3 精准负荷控制 ≤50 ms(毫秒级) 50 kbps～2 Mbps 99.999% 安全生产I区 X×10个/km2 uRLLC 边缘计算 4 分布式能源调控 采集类≤3 s ≥2 Mbps 采集类99.9%,控制类99.999% 综合包含Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区 百万～千万级 uRLLC、mMTC 边缘计算、物联网 控制类≤1 s 5 同步相量测量PMU 端到端≤50 ms ≤10 Mbps ＞99.999% 安全生产I区 千万/km2 uRLLC 边缘计算 采集类 1 高级计量 ≤3 s 1～2 Mbps 99.9% 管理信息大区Ⅲ 集抄模式X×100个/km2下沉到用户后翻50～100倍 mMTC 物联网 2 电站巡检机器人 ≤200 ms 4～10 Mbps 99.9% 管理信息大区Ⅲ 集中在局部区域1～2个 eMBB 云计算 3 输电线路无人机巡检 云计算 4 配电房视频综合监控 云计算 5 移动现场施工作业管控 20～100 Mbps 局部区域5～10个 云计算 6 应急现场自组网综合应用 边缘计算2)管的层面。结合切片编排管理系统实现对包括接入网5G基站gNB(next generation NodeB)、承载网、核心网网络切片选择功能(Network Slice Selection Function,NSSF)、用户层面功能(User Plane Function,UPF)、进程管理功能(Session Management Function,SMF)、接入及移动性管理功能(Access and Mobility Management Function,AMF)、统一数据管理功能(Unified Data Management,UDM)、策略与计费规则功能(Policy and Charging Rules Function,PCRF)等网络网元资源的灵活组织,为智能电网提供网络切片服务。构建统一的智能化切片管理与编排系统,实现网络切片的映射(逻辑切片到物理资源的映射)。网络切片映射问题被证实为NP-hard问题,当前主流的解决思路为利用网络功能虚拟化(Network Function Virtualization,NFV)中的动态服务功能链(Service Function Chaining,SFC)的思路设计启发式算法去解决网络切片编排和部署。按照切片编排要求实现接入网、承载网、核心网的网络资源组织后,还需设计不同的隔离机制来支持端到端切片安全。从隔离技术来区分,主要分为基于编程语言、沙盒、虚拟机、操作系统和硬件等不同层面的隔离[9-12];从隔离效果来区分,一般分为硬隔离和软隔离。针对接入网,可采用无线资源配置、优先级策略配置、协议栈功能配置等方式实现接入网切片隔离。针对承载网,可利用灵活以太网(Flexible Ethernet,FlexE)、光传送网(Optical Transport Network,OTN)、波分复用(Wavelength Division Multiplexing,WDM)等硬切片和分段路由流量工程(Segment Routing-Traffic Engineering,SR-TE)隧道技术、虚拟专用网(Virtual Private Network,VPN)、虚拟局域网(Virtual Local Area Network,VLAN)等统计复用软切片实现承载网切片隔离。对于核心网,则通过分离控制面和用户面构建分布式核心云,核心网切片用户面根据切片各自需求进行独享,而控制面可分为独立的控制面、部分共享控制面、完全共享控制面等不同类型,具体根据业务需求选择相应的控制面配置,基于微服务快速编排部署不同的网络功能(Network Function,NF)。
3 结语由于5G本身商业化进程和标准制定等的约束限制,目前5G+电力行业正处于探索试点过程中,电网业务低时延、端到端流量物理隔离、网络保护等都要求网络提供差异化服务能力,而其中5G的关键使能行业技术—切片和MEC正是适配这类需求的技术集,本文以这2项技术为锚点开展针对电网未来ICT体系架构的整体设计正是将5G技术与电网应用融合在一起的核心,在整个架构设计过程中对最新的技术路线、存在的问题和未来的发展方向也进行了初步论述。后续需推动运营商和电网企业的生态合作,运营商需充分结合5G网络接入优势、边缘机房和光纤覆盖优势,以及富余的IT资源优势,打造开放生态,加强自身能力对外输出,同时联合第三方服务商、公有云服务商提供智能电网综合解决方案。电力行业需充分抓住和利用5G、工业互联网、AI等新技术发展机遇,结合国家新基建建设要求,全面梳理自身业务发展需要和与新技术发展结合点,加快试点和规模化建设,推动自身数字化转型和业务创新。
【参考文献】：
期刊论文
[1]5G切片技术在电力物联网应用的智能化管理[J]. 贺金红,张港红,高建. 电力信息与通信技术. 2020(05)
[2]基于云雾边协同理念的“电网一张图”维护与自动更新策略研究[J]. 刘广一,谭俊,魏龙飞,韩海韵,汤亚宸,戴仁昶. 电力信息与通信技术. 2020(04)
[3]面向能源互联网智能感知的边缘计算技术研究[J]. 张树华,仝杰,张鋆,张明皓,雷煜卿,朱咏明. 电力信息与通信技术. 2020(04)
[4]基于边缘计算与MapReduce的智能量测终端数据处理方法[J]. 罗鸿轩,肖勇,杨劲锋,金鑫. 智慧电力. 2020(03)
[5]基于KubeEdge架构的边缘智能设备管理研究[J]. 阮正平,佘文魁,李凯,周平. 电力信息与通信技术. 2020(02)
[6]基于网络切片的能源互联网系统架构[J]. 杨德龙,万俐,李晦龄,丁慧霞,路兆铭,马宝娟,陈亚文. 电力信息与通信技术. 2020(01)
[7]5G网络关键技术介绍与行业应用融合探索[J]. 周晓健. 价值工程. 2020(04)
[8]基于5G的泛在电力物联网[J]. 陈皓勇,李志豪,陈永波,陈锦彬,王晓娟. 电力系统保护与控制. 2020(03)
[9]5G技术在电力系统中的研究与应用[J]. 王宏延,顾舒娴,完颜绍澎,于佳. 广东电力. 2019(11)
[10]5G网络切片承载电力系统业务的时延特性研究[J]. 魏向欣,何涛,李一航,高强. 电力信息与通信技术. 2019(08)
博士论文
[1]服务化5G网络资源管理与编排研究[D]. 马璐.北京邮电大学 2019
本文编号：3578835
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