5G助力智能电网应用白皮书

2018.06近年来，南方电网努力践行“创新、协调、绿色、开放、共享”新发展理念和能源发展“四个革命、一个合作”战略思想，全力打造安全、可靠、绿色、高效的智能电网，积极服务清洁低碳、安全高效的能源体系构建，推动电网实现高质量发展，提升电网优质服务水平，为全面建成小康社会提供了坚强电力保障。电力通信网作为支撑智能电网发展的重要基础设施，保证了各类电力业务的安全性、实时性、准确性和可靠性要求。经过多年建设，35kV以上的骨干通信网已具备完善的全光骨干网络和可靠高效数据网络，光纤资源已实现35kV及以上厂站、自有物业办公场所/营业所全覆盖。在配电通信网侧，由于点多面广，海量设备需实时监测或控制，信息双向交互频繁，且现有光纤覆盖建设成本高、运维难度大，公网承载能力有限，难以有效支撑配电网各类终端可观可测可控。随着大规模配电网自动化、低压集抄、分布式能源接入、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，迫切需要构建安全可信、接入灵活、双向实时互动的“泛在化、全覆盖”配电通信接入网，并采用先进、可靠、稳定、高效的新兴通信技术予以支撑，实现智能电网业务接入、承载、安全及端到端的自主管控。“4G改变生活，5G改变社会”。作为新一轮移动通信技术发展方向，5G把人与人的连接拓展到万物互联，为智能电网发展提供了一种更优的无线解决方案。5G时代不仅能给我们带来超高带宽、超低时延以及超大规模连接的用户体验，其丰富的垂直行业应用将为移动网络带来更多样化的业务需求，尤其是网络切片、能力开放两大创新功能的应用，将改变传统业务运营方式和作业模式，为电力行业用户打造定制化的“行业专网”服务，可更好地满足电网业务差异化需求，进一步提升了电网企业对自身业务的自主可控能力和运营效率。经过南方电网、中国移动和华为前期的技术探讨，本白皮书基于智能电网的发展趋势给出了5G网络在智能电网的方案建议，未来我们将继续深耕电力行业，使5G能更好地在泛在接入、安全可靠、可管可控等方面助力智能电网典型业务应用，推动能源由粗放型管理向精细化转变，实现清洁能源替代和电能替代的核心战略落地。引言5G助力智能电网应用白皮书目录123智能电网发展、趋势及新挑战0202020305080809091320212122255G+智能电网典型业务场景5G概述及其对智能电网的价值1.1智能电网定义1.2智能电网发展现状1.3智能电网发展趋势1.4智能电网对电力通信网的新挑战5G助力智能电网应用白皮书2.15G+智能电网应用概述2.2典型业务场景分析2.2.1控制类业务2.2.2采集类业务2.3业务指标小结3.15G的概念与特征3.25G网络切片关键技术3.35G对智能电网的价值目录455G智能电网端到端网络切片解决方案272728282830303031323434353636363738总结与展望4.1总体体系4.2终端部分4.2.1业务类型与网络切片间映射关系4.2.25G电力通信终端形态展望4.3网络部分4.3.1电力业务网络切片概述4.3.2电力业务网络切片隔离方案4.3.3电力业务网络切片可靠性保障方案4.3.4电力业务网络切片能力开放方案4.4电力业务通信管理支撑平台4.4.1电力业务通信管理支撑平台总体架构4.4.2电力业务通信管理支撑平台功能模块4.5安全体系4.5.1智能电网安全体系整体要求4.5.2管侧安全方案4.5.3端侧安全方案5G助力智能电网应用白皮书5G助力智能电网应用白皮书5G助力智能电网应用白皮书020355GG1.1智能电网定义国家发展改革委、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〔2015〕1518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。”智能电网的概念涵盖了提高电网科技含量，提高能源综合利用效率，提高电网供电可靠性，促进节能减排，促进新能源利用，促进资源优化配置等内容，是一项社会联动的系统工程，最终实现电网效益和社会效益的最大化，代表着未来发展方向。智能电网以包括发电、输电、配电、储能和用电的电力系统为对象，应用数字信息技术和自动控制技术，实现从发电到用电所有环节信息的双向交流，系统地优化电力的生产、输送和使用。总体来看，未来的智能电网应该是一个自愈、安全、经济、清洁的并且能够提供适应数字时代的优质电力网络。图1-1智能电网基本环节1.2智能电网发展现状智能电网概念自2001年较为明确地提出以来，得到世界范围的广泛认同。十几年来，世界各国政府、电力企业、科研机构结合各自经济社会发展水平、能源资源禀赋特点和电力工业发展阶段，进行了深入研究和实践探索，智能电网的概念和特征、内涵与外延不断得到丰富发展。特别是随着全球新一轮科技革命和产业变革的兴起，先进信息技术、互联网理念与能源产业深度融合，推动着能源新技术、新模式和新业态的兴起，发展智能电网成为保障能源安全、应对气候变化、保护自然环境、实现可持续发展的重要共识。(1)国外智能电网发展概况美国、欧洲、日本、韩国等国家和地区开展了大量智能电网的研究工作。欧美智能电网主要关注点在用电侧电能分析与管理，配网主要着重点在于分布式能源接入、微网运行管理，根据各自的国情，确定了不同的发展愿景和计划方案，启动一系列的研究、示范和平台项目。日韩等亚洲发达国家主要关注新能源的研究及使用，加大对光伏、风能和可燃冰、储能、电动汽车方面的研发应用，通过政府的顶层设计及立法保障，保障智能电网基础设施的有序建设。(2)国内智能电网发展概况南方电网公司：公司以促进电网向更加智能、高效、可靠、绿色的方向转变为目标，以应用先进计算机、通信和控制技术升级改造电网为发展主线，在大电网安全稳定运行、分布式能源耦合系统、新能源并网、输变电智能化、配电智能化、智能用电等领域开展了广泛技术研究和诸多示范工程建设，建成了世界首个±800千伏特高压直流输电示范工程，建成了世界上容量最大、电压等级最高的±20万千瓦STATCOM工程，建设了世界第一条多端柔性直流输电工程，通过永富直流、鲁西背靠背实现云南电网与南方主网异步互联等；在广东佛山、贵州贵阳等地区开展集成分布式可再生能源的主动配电网示范，试点应用智能配电网自愈控制技术，实现了智能配电网的“自我感知、自我诊断、自我决策、自我恢复”；在广西南宁开展了灵活互动的智能用电关键技术研究示范，实现电力用户与供电系统的信息交互、智能家庭能效评测、客户用电优化调度、节能潜力优化分析、充放电与储能接入管理以及分布式电源接入管理等功能建设；建成国内首个兆瓦级电池储能电站，开展大规模间歇式新能源消纳示范。国内电网公司：公司于2009年5月提出了立足自主创新，加快建设特高压电网为骨干网架，各级电网协调发展，具有信息化、自动化、互动化特征的统一的坚强智能电网的发展目标，力图打造“坚强可靠、经济高效、清洁环保、透明开放、友好互动的现代电网”，2009-2010年为规划试点阶段，2011-2015年为全面建设阶段，2016-2020年为引领提升阶段。公司在特高压电网、输电设备运行监测、智能变电站推广、配电自动化、信息化平台、电动汽车充换电网络、大规模可再生能源接纳等方面开展了相关建设，已建成充换站超过1500座，充电桩3万个，建立了风电研究检测中心和太阳能发电研究检测中心，建成了世界上规模最大的张北风光储输联合示范工程，完成了大规模风电功率预测及运行控制系统的全面推广建设。1.3智能电网发展趋势根据国家《能源发展“十三五”规划》、《电力发展“十三五”规划》、《关于促进智能电网发展的指导意见》、《关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见》等指导文件，1.智能电网发展、趋势及新挑战清洁友好发电安全高效输电灵活可靠配电多样互动用电办公楼大学城风力发电燃料电池智能小区调峰电厂光伏发电并网工厂主电厂商业区逆变器微型燃机小型燃机小型燃机可见光摄像头红外摄像头照明装置通道林木监控山火监控外力破坏预警检测覆冰监控5G助力智能电网应用白皮书5G助力智能电网应用白皮书040555GG为实现“安全、可靠、绿色、高效”的总体目标，围绕智能电网发输配用全环节，未来发展趋势包括五大重点领域，分别为清洁友好的发电、安全高效的输变电、灵活可靠的配电、多样互动的用电、智慧能源与能源互联网。图1-2智能电网发展目标及重点方向(1)清洁友好的发电关键特征为“清洁低碳、网源协同、灵活高效”。核心作用是增强系统灵活性，提升非化石能源消费比重，推动能源结构转型升级。以风能、太阳能为主的可再生能源开发利用技术日益成熟，成本不断降低，逐渐成为替代传统化石能源的重要选择，未来可再生能源逐步替代化石能源。另一方面，随着储能、分布式能源、微网等技术发展，能源供给形态将从集中式、一体化的能源供给向集中与分布协同、供需双向互动的能源供给转变。(2)安全高效的输变电关键特征为“安全高效、态势感知、柔性可控、协调优化”。核心作用是提升输变电设备的智能化水平，构建全生命周期管理体系，提升电网安全防御能力、资源配置能力和资产利用效率。随着电力一次设备与在线监测传感器及过程层智能设备的有机整合，输变电环节将趋于测量数字化、控制网络化、状态可视化、功能一体化和信息互动化等，进而输电智能化水平、智能变电站智能运维水平将全面提升。同时，为保障城市在台风、低温、雨雪、凝冻等严重自然灾情下的基本运转，，需构建纵深防御、安全可靠的城市保底电网为保障建设城市防灾保底电网。(3)灵活可靠的配电关键特征为“灵活可靠、可观可控、开放兼容、经济适用”；核心作用是加强配电网自动化、柔性化建设，实现配电网可观可控，满足多元负荷“即插即用”的接入需求，提升电网供电可靠性、电能质量和服务水平。城市内电动汽车、充电桩等新能源业务及农村更多的光伏扶贫、农光互补、渔光互补等新能源需保障接入和消纳将逐步普及，配电网需适配更多元负荷的“泛在接入”、“即插即用”的需求。同时，随着智能分层分布式控制体系逐步建立，配电网自动化水平将全面提升，其精准控制的能力将进一步加强。(4)多样互动的用电关键特征为“多元友好、双向互动、灵活多样、节约高效”；核心作用是打造全方位客户服务互动平台，全方位加强客户互动，满足智慧用能的需求，提高终端能源利用效率，推动能源消费革命。电动汽车、电供暖（冷）、港口岸电等终端将逐步普及，电能占终端能源消费比重将不断上升；随着未来高级量测体系将被广泛部署，智能家居与智能小区业务将进一步丰富，随着阶梯电价、实时电价、用电负荷需求侧响应等业务将逐步渗透，用户将可更多地参与到自身的用电管理中。(5)智慧能源与能源互联网关键特征为“多能互补、高效协同、开放共享、价值创新”；核心作用是打造具有独特竞争力的新型综合能源服务商，创新企业价值，促进互联网技术与能源系统深度融合，促进能源耦合系统基础设施建设，推动能源市场开放和产业升级，支撑低碳、清洁、高效的社会发展。随着传感、信息、通信、控制技术与能源系统的深入融合，传统单一能源网络向多能互补、能源与信息通信技术深度融合的智能化方向发展，电、热（冷）、气等各领域的能源需求将逐步统筹，从而实现多能协同供应和能源综合梯级利用。同时，随着综合能源服务业务、智慧能源的发展、及互联网技术的深入应用，能源耦合系统基础设施将逐步完善，能源市场将逐步开放，能源产业将进一步转型升级。1.4智能电网对电力通信网的新挑战电力通信网作为支撑智能电网发展的重要基础设施，保证了各类电力业务的安全性、实时性、准确性和可靠性要求。构建大容量、安全可靠的光纤骨干通信网，以及泛在多业务灵活可信接入的配电通信网，这是通信网络建设的两个重要组成部分。在骨干通信网侧，经过多年建设，35kV以上的主网通信网已具备完善的全光骨干网络和可靠高效数据网络，光纤资源已实现35kV及以上厂站、自有物业办公场所/营业所全覆盖。在配电通信网侧，由于点多面广，海量设备需要实时监测或控制，信