0 引言

    网络切片作为5G赋能垂直行业的关键技术，是利用虚拟专网技术，通过切片平台，为智慧家庭、智能工厂、车联网及公共安全等不同行业提供端到端的大带宽、低时延、高可靠的灵活定制化5G服务，实现垂直行业的业务快速上线和更极致的用户体验^[1-2]。运营商可从5G网络切片减少网络基础设施建设投入和高附加值服务收入来增加5G营收利润。

    在当今经济的发展趋势下，传统电网已不能够满足电力行业的需求，智能电网成为发展方向。而就目前来说，电网已成为工业化、信息化社会发展的基础和重要组成部分。智能电网将通信技术、计算机技术、传感测量技术、控制技术等诸多先进技术和原有的电网设施进行高度融合与集成，形成新型电网，代表了未来电网的发展趋势。近年来，电力通信需求也日益旺盛，智能电网建设对电力通信承载力提出更高要求。智能电网建设离不开电力通信，尤其进入5G时代，智能电网将是一个自愈、安全、经济、清洁，且能够提供适应数字时代的优质电力网络。5G网络切片技术在电力系统的发电、输电、变电、配电、用电，以及应急通信各个环节均有不同程度的应用，如：增强移动宽带、大连接和低时延高可靠的切片来满足电网业务的安全性、可常性和灵活性需求,实现差异化服务保障，进一步提升电网企业对自身业务的自主可控能力，实现行业专网服务^[3]。

    5G网络切片在智能电网应用处于起步阶段，运营商将与电网企业、电力终端设备厂商和网络设备商共同引领电力5G技术研究,探索定制化的5G网络切片技术在端到端电网的高隔离性应用，更好地满足电力网络对“行业专网”的诉求，为智能电网不同业务提供差异化的网络服务能力，促进5G电力通信产业高速发展。虽然5G网络切片可以为智能电网的实现带来诸多益处，但是如何利用网络切片为电力企业带来经济利益还不明确。5G给智能电网注入新动能，本文通过电力用户的需求进行整理和分析，结合电力市场策略等角度分析5G网络切片使能智能电网的经济效益，运营商与电力行业的合作模式将发生变革，给出5G网络切片技术在智能电网的应用研究和建议，推动双赢的5G智能电网切片的高质量的发展。

    智能电网要求网络足够灵活，以保证提供服务的多样化及可靠性。5G网络仅使用一种类型的通信网络就可以管理和控制电网的多个部分，从而使智能电网获取对公共事业和能源消费者的成本效益，电网和5G网络的结合将为智能工业革命奠定坚实的基础，对促进经济社会协调与可持续发展具有重要意义。它为更好的生活、更清洁的环境和更和谐的社会提供了有力的支持。这有助于完善能源管理，并实现向清洁能源和电能的转化^[4]。

1 四大典型场景

    通过对智能电网在发电、输电、变电、配电及用电的环节充分的需求调研、讨论和分析，本文从中识别并筛选出了对于5G具有潜在需求在智能电网中最具代表性的四大场景：无人机智能电网巡检、AMI智能抄表、智能分布式配电自动化、毫秒级精准负荷控制。

1.1 无人机的智能电网巡检

    输电线路网络巡检的安全性、准确性是长期困扰电力运维部门的难题。目前，电网主要依靠地面人员或低空飞行的直升机开展电网的巡检工作。近年来，无人机作为一种高科技的巡检利器在电网行业中得到迅速推广与应用。无人机为这种高成本、危险的工作提供了替代方案，基于无人机进行输电线路网络检查可以避免潜在风险，规避紧急情况，提高巡检效率。无人机巡检的另一优势在于远程图像的高清传输。如图1所示，使用无人机巡检对5G网络切片的通信要求如下：

    (1)超高吞吐量(Gbit/s带宽的高清图像和视频传输)；

    (2)广覆盖范围和高移动性(无人机业务)；

    (3)能源效率(无人机消耗的能源效率更高)。

    5G网络的eMBB切片可以使无人机能够更加快捷地接受信息和任务指令、传输高清视频流，5G的切片技术还能适应无人机对上下行带宽、时延的个性化需求，使数据传输更加安全可靠。

1.2 AMI智能抄表

    高级量测体系(AMI)是智能电网的用电信息采集系统的重要基础。人工上门抄表存在的问题：误差大、效率低、人工成本高，无法实时收集和分析消费数据；无法实现预付费及多费率控制，缴费困难，只有单一的营业厅缴费方式，用户体验差，电费回收缓慢；无法预防各种窃电行为；对用采集用电信息不能进行有效的线损分析。电力消耗需要实时监控和分析，以便为终端用户提供高效且连续的服务。5G网络切片的AMI智能电表定制化能力提供密切监视所消耗的电能质量，标记分布式配电网中的异常测量值以及智能抄表设备数字身份信息的安全交换，对电力变压器以及线路的运行状态有直观清晰的了解，可以及时发现电网存在的隐患。当电网出现异常，如变压器过载、窃电、漏电等问题，系统中会及时给出告警，工作人员可以快速定位问题发生的地点，并及时赶往问题地点进行维修。

    如图2所示，AMI智能抄表用对5G网络切片的通信的要求如下：

    (1)大规模终端(大规模访问，海量终端数)；

    (2)高密度的网络连接；

    (3)高安全性(用户信息的网络传输安全)。

    使用5G网络的mMTC切片可以满足这些要求。利用海量连接实现可靠、安全和开放的AMI智能抄表最后一公里通信网络环境，为智能电网与用户间的双向互动提供坚实保障。

1.3 智能分布式配电自动化

    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。这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。基于5G技术的智能分布式配电自动化项目将显著提升配网供电可靠性，让停电区域面积更小、居民停电次数更少、来电等待时间更短、客户用电满意度更高。如图3所示，配电自动化用例对通信网络的要求如下：

    (1)超低延迟(电网控制和保护设备的快速操作)；

    (2)高安全性(确保系统网络攻击后不断电)；

    (3)高终端密度(单个站点连接数千个电网控制和保护设备)；

    (4)高可靠性。

    使用5G网络的uRLLC切片可以满足配电自动化的通信要求，利用高可靠性、安全性和低时延等特点，让智能分布式配电自动化保护具有更好的选择性、灵敏性和快速性。

1.4 毫秒级精准负荷控制

    小规模的停电，通过高负载的雪崩效应变成大规模的停电，是电力的痛点之一。随着用电需求的增加，将有更多的发电机投入使用，智能电网中的精准负荷控制可以帮助公用事业改善此痛点。毫秒级负荷控制可以灵活地管理用户的可中断负载，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，又将经济损失、社会影响降至了最低^[5]。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。如图4所示，毫秒级精准负荷控制用例对通信网络的要求如下：

    (1)超低时延(以毫秒为单位，可以快速响应不断增长的需求)^[6]；

    (2)高网络可靠性(高达99.999％，以确保在需要时可以立即操作设备和机器)^[7]；

    (3)高安全性；

    (4)高设备密度，数十万个设备精确负荷控制。

    从业务影响、用户体验等角度出发，通过5G网络uRLLC切片精准控制，做到减少对重要用户的影响，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。

2 端到端的5G电力切片业务模型

    5G网络切片是一组相互独立的可编程资源，能够提高网络功能、优化网络服务。网络切片具有两大特点：可编程性、资源独立性。5G网络切片综合软件定义网络（SDN）与其他自动技术，能够按照不同顾客的特定需求灵活地提供服务。因此，运营商仅需一张物理网，便可针对不同行业的应用场景，提供不同功能的5G网络切片。5G网络切片对智能电网发展具有深远的影响，关键在于运营商如何提供5G网络切片的服务模型，并由此电力行业和运营商能双方受益。

2.1 智能电网潜在业务模型

    过去，电信运营商并未积极参与电力公共设施领域。电力公司更喜欢使用自己的通信方案(如PLC、Nb-IoT和eLTE网络)来满足其电网通信的需求。部分原因是运营商公用设施的性质不太适合不能保证服务质量（QoS）的单一共享网络。运营商需要为电力公司提供高服务质量保证的网络，将服务转向网络。5G网络切片可以作为运营商的切入点，通过5G网络切片满足电力公司所有智能电网场景的定制要求，并通过新型业务和节约成本为电力公司和运营商创造服务商业价值，如图5所示。

    从历史上看，运营商在为电力公司提供连接时，每个设备型号都有固定的租赁费用。服务定价不会因网络的带宽或其他关键业绩指标而变化。过去情况确实如此，因为智能电表等连接设备的当前通信要求非常低。但是，运营商需要超越每台设备固定租金的业务模式。这需要从提供服务认购效率更改为网络服务业务模型。这意味着除了每台设备的固定价格外，运营商还需要根据定制网络切片的基于绩效的关键业绩指标收费，实际上是对基于性能的服务水平协议(SLA)收费。由于使用了5G网络切片，基于网络切片提供连接的运营商演化产生的业务模式可以基于公用设备的增值来定价。运营商可以根据这部分总增值的收入分成收取额外费用。

    提供网络切片服务，运营商还可以提供额外的增值服务，如切片管理平台，其中公用事业单位可以用易于使用的接口来接收包含所有KPI的网络数据，经过网络运营商授权即可拥有一定程度的自运维自管理权限，根据需要管理正在使用的网络切片，例如添加或者移除一个设备到已订阅的切片，以确保满足SLA服务水平协议的要求。

2.2 5G智能电力切片

    5G网络及其服务化架构是一个统一的网络，具有有灵活、可靠、低延迟、高数据速率和高带宽等特点，可满足智能电网的所有关键通信需求。在历史上，由于电网运营商广泛使用了光纤专网、LTE无线专网等多种网络技术，电信和运营商为电网提供的通信服务相对有限。另一个重要原因在于传统的3G/4G公用网络是一个大型的一体化管道，运营商无法为电力行业客户提供差异化的服务质量/服务水平维护。例如，如果在农历新年期间，由于普通消费者数据的大量传输，3G/4G通信网络变得拥挤不堪，电力系统的高级计量的抄表业务将受到较大的影响。

    5G网络切片是在共享基础设施上运行的多个逻辑网络，提供给租户一定的独立运营能力的可保证的SLA 基础上的定制化网络。5G网络切片具有三大特点：差异化加确定性的QoS/SLA保障、业务隔离性、独立运营性。5G网络切片综合了软件定义网络、网络虚拟化、服务化架构与其他自动化技术，能够按照不同用户的需求提供灵活的定制化服务。因此，运营商仅需一张物理网，便可针对不同行业的应用场景，提供不同功能的5G网络切片，如图6所示。

    智能电网行业存在多种应用场景，其通信时延需求、数据传输大小、设备数量多少都存在差异，从而造成信息交互也千差万别。因此，电信和运营商需要与电网公司密切合作，定义网络切片模板、设计网络切片架构，为智能电网提供合适的网络切片，同时还要能够针对不同应用场景对网络切片进行灵活调整。通过这一方法，运营商能够同时为一个或多个电网公司的不同应用场景设计、管理并维护多张电网切片。

    5G端到端网络切片由接入网、传输网、核心网组成，这三者与电网终端设备和应用相互配合，满足智 能电网不同应用场景的需求。在将5G网络切片应用于智能电网的过程中，接入网、传输网、核心网3个域的作用都十分关键。运营商可针对不同应用场景的特定需求，提供不同的网络切片配置组合，并提供网络切片的端到端全生命周期服务，这具体取决于运营商和电网之间的商业模式以及服务条款，包括但不限于切片开通、KPI 监测、运行维护、切片优化、切片停用等。

3 运营商智能网络中网络切片的TCO和ROI

    相比传统专网而言，5G网络切片的整体成本较低，主要原因之一便是网络共享。5G网络切片通过一张共 享基础设施网络，可以满足不同垂直行业不同应用场景的定制化需求，因此运营商可避免重复投资建设多张网络。在应用场景不断增加的情况下，这大大降低了每一个应用场景的硬件资本支出。使用5G网络切片，运营商可使用同一基础设施服务于不同垂直行业的应用场景，无需增加重复基础设施投资便可为每个应用场景提供不同 QoS/SLA水平的定制化服务。这大大降低了5G网络切片的总投资成本，从而帮助运营商获得更高的投资收益。

    基于运营商视角的指示性投资回报率(ROI)计算投资回报率评估该区域公用事业单位5G网络切片使能智能电网4个典型应用场景的投资回报率，分析使用网络切片为电网公司创造的附加价值、收入增加、节约成本。

    基于电网客户视角的总所有成本(TCO)比较配电自动化、AMI智能抄表、基于无人机的智能巡检和精准负荷控制，评估光纤网络的总拥有成本需要考虑专用光纤的建设成本和运营支出，以及通过专用光纤网络连接的所有电网设备终端为了接入光纤网络所需的接口改造成本。评估4GLTE专网的总拥有成本需要考虑基站、核心网、通信塔等相关网络设备的建设成本、运营支出，以及每个终端为了接入LTE专网所需的芯片/模组改造成本。评估5G网络切片的总成本则主要考虑了基于不同业务场景的差异化QoS/SLA需求，而支付给电信运营商的不同等级的切片即服务(NSaaS)订阅费用，最终可简单折算为不同业务终端所支付的不同价格的月租费和不同ARPU。

4 结论

    电网是国家的基础设施，5G助力智能电网应用研究，本文梳理了5G网络切片技术在智能电网的4种典型应用场景，提出了5G电力切片的挑战和前景，带来匹配智能电网不同业务的差异化络切片的服务能力、灵活高效的切片运营管理能力和高可靠的安全隔离能力。同时，基于4种典型应用场景，分析了智能电网中的网络切片总成本（TCO）和投资回报率（ROI），开展5G网络切片在智能电网应用的技术可行和商业可行性研究和探索，为5G网络切片赋能智能电网建设打好基础。

参考文献

[1] Smart Energy International.China to invest S77.6 bn in smart grid infrastructure[EB/OL].(2016-08-04).https：//www.smart-energy.com/regional-news/north-america/smart-grid-china-northeast-group/.

[2] O2.The value of 5G for cities and communities[EB/OL].(2018-08-xx).https：//d10wc7q7re41fz.cloudfront.net/wp-content/uploads/2018/03/Smart-Cities-Report.pdf.

[3] Huawei.5G unlocks a world of opportunities_ top ten 5G use cases[EB/OL].(2017-12-xx).https：//www-file.huawei.com/-/media/CORPORATE/PDF/mbb/5g-unlocks-a-world-of-opportunities-v5.pdf?la=en.

[4] DORSCH N，KURTZ F，WIETFELD C.On the economic benefits of software-defined networking and network slicing for smart grid communications[J].NETNOMICS：Economic Research and Electronic Networking，2018，19(1-2)：1-30.

[5] MMC.How drones benefit the power industry?[EB/OL].(2018-12-24).http：//www.mmcuav.com/2018/12/24/how-drones-benefit-the-power-industry/.

[6] CONCA J.‘Demand response’ is how the smart grid will save us billions[EB/OL].(2015-02-24).https：//www.forbes.com/sites/jamesconca/2015/02/24/solving-americas-energy-future-requires-a-demand-response/#50e3e7705984.

[7] Huawei.5G network slicing enabling the smart grid[EB/OL].(2018-10-xx).http：//www-file.huawei.com/-/media/CORPO-RATE/PDF/News/5g-network-slicing-enabling-the-smart-grid.pdf.

作者信息:

夏  旭1，袁  欣2，梁  云3，张  蕾1

(1.中国电信智能网络与终端研究院，北京102209；

2.中企大象金融信息服务有限公司，北京100089；3.全球能源互联网研究院有限公司，北京102200)