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摘 要：当前去中心化浪潮席卷全球，人们生活方式发生了巨大变革，分布式能源技术的应用使电力系统向着去中心化发展。由于新型分布式发电技术的进步，电力输送网络建设周期长，数字化成为推动分布式发电发展的主要驱动力。电力系统业务特性对传输网络有低时延要求，而5G网络切片以其隔离性为电力通信场景的实现提供了可能。基于此，分析主要电力系统业务指标要求，对网络购买进行仿真研究，分析电力系统业务时延特性和业务端到端时延的概率密度，证明了网络切片技术可以降低业务传输时延，但不能达到所有业务时延要求。
关键词：网络切片;时延;电力通信;5G
5G网络切片最早由NGMN引入新概念，网络切片利用软件定义网络与网络功能虚拟化技术，针对不同网络服务功能，将物理网络分割为独立网络使其具有可编程性。通过SDN集中控制将数据与控制平面解耦合，使路由配置灵活，实现共享基础设施资源。智能电网系统具有安全稳定特点，在超低时延方面对切片技术具有强烈刚需，公共硬件基础实施上划分虚拟电力网络切片，能够更好地应对电网潜在应用场景，但缺乏对其传输业务性能的研究。
1 5G网络关键技术
网络虚拟化是构建隔离的多重异构虚拟网络，5G网络切片技术需要动态自适应虚拟网络映射，根据承载虚拟链路拥塞级别等局部信息，提高底层网络宽带资源利用率。通过将复杂实际泛在电力物联网网络映射成虚拟网络。目前IP领域IETF考虑更新MPLS/SDN等技术规范以支持网络切片。
5G网络切片包括无线接入网功能实体和核心网，网络切片涉及终端、应用服务器以及管理系统。5G网络切片由RAN与CN功能实体组成，可以共享部分功能实体，基于功能划分，例如MMTC和uRLLC应用设置了不同的网络切片。5G网络切片用S-NSSAI进行标识，它包括SST与SD，SST长度为8 bit，SD长度为24 bit，3GPP定义3种标准SST值。5G网络切片创立后生成实例，包括核心网控制面与用户面，不同用户群可设置多个特性相同的网络切片。不同网络切片中PDU会话可使用相同DDN。终端在注册连接和建立中，通过和AMF、UDM交互，根据签约切片信息和网络配置切片信息选择提供服务网络切片的实例。
移动边缘计算把电力物联网技术融合，在移动网络侧增加计算和数据处理等功能，通过无线应用程序编程接口开放移动网络与业务服务器进行信息交互，将传统无线基站升级为智能化基站。MEC可实时获取移动网络信息并提供精准位置服务。控制类业务对网络传输可靠性提出了严格要求，无线网络中的时延包括排队等时延。电力物联网业务对可靠性要求较高，针对网络通信各部分时延，需在明确时延来源后进行优化。电力物联网具有支持超低时延业务的关键技术，通過引入低时延切片等技术，进行网络架构设计和接入侧无线帧结构定制化设计。
2 5G网络切片技术在电力业务中的应用
目前电力无线网承载电网控制和视频带宽类电力业务，包括配电自动化、分布式电源以及视频监控等。当前各类电力业务最低时延要求为10ms级。随着能源互联网的发展，为适应新型电网模式，泛在物联成为电网基本形态，迫切需要建设通信网络、引入实时化的新型作业方式以及基于互联网+的新型创新业务模式。未来电力系统物联网与宽带业务大量并存，呈现高安全等特征，时延需求为毫秒级，对电力无线网业务承载能力提出了更高的要求。
综合考虑各类电力业务带宽等维度需求，分析不同业务需求，将业务分为URLLC、eMBB以及mMTC类型，针对差动保护、精准负荷控制、配网装糊涂检测以及智能巡检等典型业务形成适配模型。基于5G网络切片软件定义无线网络构架实现资源集中管理，包括地层物理基础设施和中间层虚拟化网络资源。
3 电力系统端到端时延计算模型
5G网络利用软件定义网络等虚拟化技术，形成针对行业租户的切片业务网络。电力行业存在多种业务场景需依靠传统公共接入方式，无法为电网运营模式提供技术保障。电力无线专网可接入电网业务包括用电信息采集和精准负荷控制等。业务最低时延要求为10ms级，随着能源互联网的发展，物联网需要实现各类负荷精准控制，以适应新型电网模式，实现用户双向互动，开展基于互联网+新型业务模式。
光纤配网差动保护采用保护专用光缆，基于5G网络低时延技术提出差动保护业务的应用满足端到端通信10ms时延要求。电力系统业务分为生产调度业务和智能电网业务。生产调度业务包括调度自动化和可视化监控管理等。智能电网业务包括电动汽车充电桩等。一些对时延敏感的业务的时延需在十几毫秒内，不同网络切片存在物理隔离，业务传输故障不影响其他业务传输。本文研究电力业务端到端时延，说明是否适用网络切片传输[1]。
电力系统中业务端到端时延分为传播、排队时延与固有时延。固有时延T1包括发送端设备对数据打包产生时延d1，传输经基站点固有时延d3。固有时延数值较小，发动端到接收端经基站节点个数为h，可以表示为T1=d1+d2+h·d3。传播时延是数据信号在传输介质中的时间，光信号在光纤中传播的速度为光速的2/3。
电网通过租用5G基站建立电力切片，利用5G超密集组网技术加密小区部署。通信运营商在宏基站覆盖范围内，宏基站覆盖半径达1km，宏基站选址要结合当地地形地貌和气象自然灾害等情况。电网传输业务最佳路径不能与通信运营商基站规划相同，10kV变电站电缆供电距离为2.5km，假定在供电区域建立4个宏基站，最长5km直线距离需经10个宏基站。业务传输最大传播时延T2为25μs，端到端时延受排队时延影响最大。为创建与底层物理网络分离的隔离虚拟网络，将网络框架分为租户、用户以及基础设施提供商。InP通过编程接口向租户提供网络资源，对用户进行管理和分配资源[2]。 InP同意服务使租户获得资源，租户为电力业务用户动态分配资源，为使电力切片满足电力系统业务时延要求，租户分配电力业务用户资源最小化，保障实时性电力系统业务时延要求。研究表明切片内队列数据包某时刻到达服从泊松分布，到达时间间隔服从指数分布，虚拟基站点可视为M/M/1排队系统，2节点间有1条链路，网络中电力系统业务服务次序服从先到先服务原则，节点vi数据包到达速率为λ，节点vi利用率ρ=λi/μi，节点vi平均個数E（Qi）=ρi/1ρi，设数据流fk在路径Pk传送经基站节点个数h，fk在路径Pk总队列长度为基站节点队列长度和，队列长度Lk=＼＼sum＼＼limits _{i=1}^{h}E（Oi），数据流fk经路径Pk时延用τkb表示，时延平均值E（τk）=Lk/λi.电力业务数据流端到端时延T=T1+T2+E（τk）。
固有时延与传播时延占时延比重小，端到端时延概率密度分布可视为排队时延概率密度分布，路径Pk节点vi，数据包时延为ε，εi平稳分布是指数分布，概率密度函数为γi=μiλi，γ>0，f（εi）=γieyiεi，电力业务数据流端到端时延τk=＼＼sum＼＼limits _{i=1}^{h}＼＼varepsilon i。
4 仿真分析
底层硬件基础设施组成物理网络划分虚拟网络为电力网络切片，使用OPNET仿真，搭建电力切片虚拟网络，模拟电力业传输。大部分电力系统业务速率为2Mbit/s，电力业务数据传输经10个虚拟基站节点，数据包到达间隔服从参数为0.8指数分布，64kbit/s速率数据包为500Bytes，链路宽带为10M[3]。
根据数据流经10个虚拟基站节点时延变化，实时性电力系统业务时延较低。由于传输距离一定，受负载变化影响是排队时延。网络虚拟节点利用率增大，电力切片优先服务实时性电力业务用户，网络节点负载增大导致电力业务网络拥塞，虚拟基站点节点利用率稳定，保证传输业务质量。但非实时性业务等待排队时延实时性业务增长。通过不同速率实时性业务在5km供电区域随基站节点数量变化平均时延对比，业务传输经基站节点数量增加。电力业务经最长距离传输，大部分实时性业务时延要求100ms以上。传输电力业务最短距离，业务时延在10～15ms，强实时电力业务要求时延达到十几毫秒电力系统继电保护业务，在负载低时才能满足时延要求。
2Mbit/s速率电力业务经10个基站节点，2种速率业务时延分布与正态分布相似，n个随机变量相互独立，n很大分布近似正态分布。业务在单节点时延服从指数分布，节点时延和近似正态分布。根据2Mbit/s速率实时性业务经10个及站点端到端时延变化，业务最大时延达到32ms，业务传输距离长，时延抖动大，对电力系统中调度不利。利用网络切片技术传输会达不到调度自如化等业务时延抖动要求，影响智能变电站网络时延钟同步功能。
5 结论
网络切片是公共基础设施资源划分多个逻辑虚拟网络，通过对10kV变电站供电覆盖区域电力系统业务传输仿真，仿真表明网络切片技术可降低电力系统业务端到端的时延，时延概率分布近似正态分布。由于5G通信利用超密组网技术，长距离、高负载等因素使切片网络达不到强业务时延要求，不利于保护等方面电力系统业务。
参考文献：
[1]王道谊，周文安.网络切片及其在新型分布式能源系统中的应用[J].分布式能源，2019，4（6）：2328.
[2]魏向欣，何涛，李一航，等.5G网络切片承载电力系统业务的时延特性研究[J].电力信息与通信技术，2019，17（8）：712.
[3]李福涛.5G移动通信系统中网络切片和BWP技术浅析[J].电子世界，2020（1）：159160.
作者简介：阚拓（1988— ），男，浙江绍兴人，本科，工程师，研究方向：电力通信。
关键词：网络切片;时延;电力通信;5G
5G网络切片最早由NGMN引入新概念，网络切片利用软件定义网络与网络功能虚拟化技术，针对不同网络服务功能，将物理网络分割为独立网络使其具有可编程性。通过SDN集中控制将数据与控制平面解耦合，使路由配置灵活，实现共享基础设施资源。智能电网系统具有安全稳定特点，在超低时延方面对切片技术具有强烈刚需，公共硬件基础实施上划分虚拟电力网络切片，能够更好地应对电网潜在应用场景，但缺乏对其传输业务性能的研究。
1 5G网络关键技术
网络虚拟化是构建隔离的多重异构虚拟网络，5G网络切片技术需要动态自适应虚拟网络映射，根据承载虚拟链路拥塞级别等局部信息，提高底层网络宽带资源利用率。通过将复杂实际泛在电力物联网网络映射成虚拟网络。目前IP领域IETF考虑更新MPLS/SDN等技术规范以支持网络切片。
5G网络切片包括无线接入网功能实体和核心网，网络切片涉及终端、应用服务器以及管理系统。5G网络切片由RAN与CN功能实体组成，可以共享部分功能实体，基于功能划分，例如MMTC和uRLLC应用设置了不同的网络切片。5G网络切片用S-NSSAI进行标识，它包括SST与SD，SST长度为8 bit，SD长度为24 bit，3GPP定义3种标准SST值。5G网络切片创立后生成实例，包括核心网控制面与用户面，不同用户群可设置多个特性相同的网络切片。不同网络切片中PDU会话可使用相同DDN。终端在注册连接和建立中，通过和AMF、UDM交互，根据签约切片信息和网络配置切片信息选择提供服务网络切片的实例。
移动边缘计算把电力物联网技术融合，在移动网络侧增加计算和数据处理等功能，通过无线应用程序编程接口开放移动网络与业务服务器进行信息交互，将传统无线基站升级为智能化基站。MEC可实时获取移动网络信息并提供精准位置服务。控制类业务对网络传输可靠性提出了严格要求，无线网络中的时延包括排队等时延。电力物联网业务对可靠性要求较高，针对网络通信各部分时延，需在明确时延来源后进行优化。电力物联网具有支持超低时延业务的关键技术，通過引入低时延切片等技术，进行网络架构设计和接入侧无线帧结构定制化设计。
2 5G网络切片技术在电力业务中的应用
目前电力无线网承载电网控制和视频带宽类电力业务，包括配电自动化、分布式电源以及视频监控等。当前各类电力业务最低时延要求为10ms级。随着能源互联网的发展，为适应新型电网模式，泛在物联成为电网基本形态，迫切需要建设通信网络、引入实时化的新型作业方式以及基于互联网+的新型创新业务模式。未来电力系统物联网与宽带业务大量并存，呈现高安全等特征，时延需求为毫秒级，对电力无线网业务承载能力提出了更高的要求。
综合考虑各类电力业务带宽等维度需求，分析不同业务需求，将业务分为URLLC、eMBB以及mMTC类型，针对差动保护、精准负荷控制、配网装糊涂检测以及智能巡检等典型业务形成适配模型。基于5G网络切片软件定义无线网络构架实现资源集中管理，包括地层物理基础设施和中间层虚拟化网络资源。
3 电力系统端到端时延计算模型
5G网络利用软件定义网络等虚拟化技术，形成针对行业租户的切片业务网络。电力行业存在多种业务场景需依靠传统公共接入方式，无法为电网运营模式提供技术保障。电力无线专网可接入电网业务包括用电信息采集和精准负荷控制等。业务最低时延要求为10ms级，随着能源互联网的发展，物联网需要实现各类负荷精准控制，以适应新型电网模式，实现用户双向互动，开展基于互联网+新型业务模式。
光纤配网差动保护采用保护专用光缆，基于5G网络低时延技术提出差动保护业务的应用满足端到端通信10ms时延要求。电力系统业务分为生产调度业务和智能电网业务。生产调度业务包括调度自动化和可视化监控管理等。智能电网业务包括电动汽车充电桩等。一些对时延敏感的业务的时延需在十几毫秒内，不同网络切片存在物理隔离，业务传输故障不影响其他业务传输。本文研究电力业务端到端时延，说明是否适用网络切片传输[1]。
电力系统中业务端到端时延分为传播、排队时延与固有时延。固有时延T1包括发送端设备对数据打包产生时延d1，传输经基站点固有时延d3。固有时延数值较小，发动端到接收端经基站节点个数为h，可以表示为T1=d1+d2+h·d3。传播时延是数据信号在传输介质中的时间，光信号在光纤中传播的速度为光速的2/3。
电网通过租用5G基站建立电力切片，利用5G超密集组网技术加密小区部署。通信运营商在宏基站覆盖范围内，宏基站覆盖半径达1km，宏基站选址要结合当地地形地貌和气象自然灾害等情况。电网传输业务最佳路径不能与通信运营商基站规划相同，10kV变电站电缆供电距离为2.5km，假定在供电区域建立4个宏基站，最长5km直线距离需经10个宏基站。业务传输最大传播时延T2为25μs，端到端时延受排队时延影响最大。为创建与底层物理网络分离的隔离虚拟网络，将网络框架分为租户、用户以及基础设施提供商。InP通过编程接口向租户提供网络资源，对用户进行管理和分配资源[2]。 InP同意服务使租户获得资源，租户为电力业务用户动态分配资源，为使电力切片满足电力系统业务时延要求，租户分配电力业务用户资源最小化，保障实时性电力系统业务时延要求。研究表明切片内队列数据包某时刻到达服从泊松分布，到达时间间隔服从指数分布，虚拟基站点可视为M/M/1排队系统，2节点间有1条链路，网络中电力系统业务服务次序服从先到先服务原则，节点vi数据包到达速率为λ，节点vi利用率ρ=λi/μi，节点vi平均個数E（Qi）=ρi/1ρi，设数据流fk在路径Pk传送经基站节点个数h，fk在路径Pk总队列长度为基站节点队列长度和，队列长度Lk=＼＼sum＼＼limits _{i=1}^{h}E（Oi），数据流fk经路径Pk时延用τkb表示，时延平均值E（τk）=Lk/λi.电力业务数据流端到端时延T=T1+T2+E（τk）。
固有时延与传播时延占时延比重小，端到端时延概率密度分布可视为排队时延概率密度分布，路径Pk节点vi，数据包时延为ε，εi平稳分布是指数分布，概率密度函数为γi=μiλi，γ>0，f（εi）=γieyiεi，电力业务数据流端到端时延τk=＼＼sum＼＼limits _{i=1}^{h}＼＼varepsilon i。
4 仿真分析
底层硬件基础设施组成物理网络划分虚拟网络为电力网络切片，使用OPNET仿真，搭建电力切片虚拟网络，模拟电力业传输。大部分电力系统业务速率为2Mbit/s，电力业务数据传输经10个虚拟基站节点，数据包到达间隔服从参数为0.8指数分布，64kbit/s速率数据包为500Bytes，链路宽带为10M[3]。
根据数据流经10个虚拟基站节点时延变化，实时性电力系统业务时延较低。由于传输距离一定，受负载变化影响是排队时延。网络虚拟节点利用率增大，电力切片优先服务实时性电力业务用户，网络节点负载增大导致电力业务网络拥塞，虚拟基站点节点利用率稳定，保证传输业务质量。但非实时性业务等待排队时延实时性业务增长。通过不同速率实时性业务在5km供电区域随基站节点数量变化平均时延对比，业务传输经基站节点数量增加。电力业务经最长距离传输，大部分实时性业务时延要求100ms以上。传输电力业务最短距离，业务时延在10～15ms，强实时电力业务要求时延达到十几毫秒电力系统继电保护业务，在负载低时才能满足时延要求。
2Mbit/s速率电力业务经10个基站节点，2种速率业务时延分布与正态分布相似，n个随机变量相互独立，n很大分布近似正态分布。业务在单节点时延服从指数分布，节点时延和近似正态分布。根据2Mbit/s速率实时性业务经10个及站点端到端时延变化，业务最大时延达到32ms，业务传输距离长，时延抖动大，对电力系统中调度不利。利用网络切片技术传输会达不到调度自如化等业务时延抖动要求，影响智能变电站网络时延钟同步功能。
5 结论
网络切片是公共基础设施资源划分多个逻辑虚拟网络，通过对10kV变电站供电覆盖区域电力系统业务传输仿真，仿真表明网络切片技术可降低电力系统业务端到端的时延，时延概率分布近似正态分布。由于5G通信利用超密组网技术，长距离、高负载等因素使切片网络达不到强业务时延要求，不利于保护等方面电力系统业务。
参考文献：
[1]王道谊，周文安.网络切片及其在新型分布式能源系统中的应用[J].分布式能源，2019，4（6）：2328.
[2]魏向欣，何涛，李一航，等.5G网络切片承载电力系统业务的时延特性研究[J].电力信息与通信技术，2019，17（8）：712.
[3]李福涛.5G移动通信系统中网络切片和BWP技术浅析[J].电子世界，2020（1）：159160.
作者简介：阚拓（1988— ），男，浙江绍兴人，本科，工程师，研究方向：电力通信。