CN114827195B - 一种面向配网稳定保护的电力5g低时延抖动实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向配网稳定保护的电力5G低时延抖动实现方法。针对5G电力精准授时需求，设计跨域条件下的精确时钟同步机制，提出扁平化授时机制，基于归并策略一致性时钟同步算法和自适应重建机制，对于跨域环境进行精确快速时钟同步，实现分布式一致性同步，加快算法的收敛速度，并且通过自适应的主时钟切换机制提升多域系统的鲁棒性，保障在电力通信网络范围内紧急故障时，高精度时钟同步系统的可靠性。同时针对电力5G网络中具备差异化时延抖动需求业务，提出基于门控循环单元神经网络学习模型的流量智能预测机制，和基于网络能力开放的网络端到端切片编排与质量监控技术，实现具备低时延抖动网络稳定性的切片动态化、自主化、智能化管理。有效地支撑电力通信网的时间敏感型应用，保障电力网络稳定性并提高网络资源利用率。

Description

一种面向配网稳定保护的电力5G低时延抖动实现方法

技术领域

本发明属于电力通信领域，具体涉及一种面向配网稳定保护的电力5G低时延抖动实现方法。

背景技术

伴随能源生产和能源消费结构的不断变革，“新能源、新业务”大规模接入，“电网控制”向末端拓展，“信息数据”爆发式增长，迫切需要5G技术提供的“低时延、大带宽、高可靠、大连接”通信服务，实现能源生产、传输、消费全环节的广泛连接和深度感知，持续推动电网管理效能提升和转型升级。5G作为运营商面向公众提供服务的新一代无线通信技术，将其应用到电力系统有许多研究工作需要开展。首先，目前电力业务并未充分利用5G的技术优势，电力业务系统需要针对5G的技术特性进行升级改造，监控更多的生产环节，消纳更多的监控数据；其次，电力业务对时延、抖动、可靠性、业务隔离性、可管理性以及覆盖区域等方面的需求与运营商其它业务都有明显不同，5G提供了更好的网络可定制性，需要做好从网络架构、边缘计算服务、切片管理等方面开展5G承载电力业务技术研究，满足电力业务承载需求。

目前主网已实现光纤覆盖，但是电网末梢神经的配网处于“盲调”状态，因为数量大，光纤很难全覆盖，成本高时间长维护难。智能分布式配网差动保护、配电网同步相量测量PMU，对无线移动通信要求非常高，平均时延在15ms以内，授时小于1μs，可靠性99.999%，迫切需要构建经济灵活、双向实时、安全可靠、全方位覆盖的“泛在化、全覆盖”终端通信接入网。5G通信技术的eMBB、mMTC、uRLLC 三大特征及其“网络切片”技术有望适配数字电网建设的需求，成为电力通信专网补充，有效解决智能配电网及智能巡检等无线通信业务“卡脖子”问题。

电网控制类业务的通信传输容量不大，但对实时性、可靠性要求非常高，如配电自动化、精准负荷控制、分布式电源监控、主动配电网差动保护等。以精准负荷控制业务为例，要求端到端通信时延在毫秒级，且要求控制的安全可靠；配电自动化要求实现“遥控”的可靠性，以支撑电网供电可靠性不低于 99.999%的发展目标等。5G网络不仅要面临电力行业低时延、高可靠的差动保护类业务需求，还要面对万物互联下更多应用场景的更多差异化需求，除了大宽带技术，同时要考虑业务端到端、流量物理隔离、低时延、网络保护等电信级技术要求，这对网络传输的时延和抖动要求非常高。

发明内容

本发明的目的在于针对现有5G技术无法满足电力系统配网稳定保护类业务所需要的高可靠与低时延抖动的通信性能需求，提供一种面向配网稳定保护的电力5G低时延抖动实现方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种面向配网稳定保护的电力5G低时延抖动实现方法，包括：

（1）构建电力5G低时延抖动承载的网络架构及组网方案：

电力5G低时延抖动承载的网络架构包括：

业务需求层，负责接收各类电力业务需求，统一订购签约界面；

能力匹配层，根据电力业务的需求，借助包括网络切片、移动边缘计算、时间敏感的 5G 关键技术，形成 5G 网络的确定化服务能力；

能力提取与编排层，根据指标要求，将提取到的服务能力借助能力编排器进行封装与编排；

网络能力生成层，由5G无线网、5G核心网、5G承载网构成；

组网方案将网络分为四层：在终端层根据业务的时延需求实现多样化接入；针对时延敏感的业务或需要准确授时的业务，利用终端侧 TSN 网桥和交换机将其接入时间敏感网络；在接入层根据业务的差异化需求划分切片，针对超低时延以及超低时延抖动的业务分配专门的网络资源确保业务需求得到满足；同时在接入层的基站侧设置移动边缘计算服务器，承载移动边缘计算任务；在核心网层，实现数据传输；在业务管理层，通过核心网的数据传输，实现电网运营的各项业务网络化和智能化；此外，引入SDN 技术重新定义网络的层次，结合 NFV 和网络切片技术实现对网络资源和流量的控制；时间敏感网络基于 SDN架构实现网络资源的集中管理和按需调度，配合包括精确时间同步、流量调度的核心特性，为不同类型的业务流量提供智能化、差异化承载服务；

（2）采用电力5G低时延抖动网络端到端切片管理关键技术：

1）电力5G低时延抖动网络切片智能管理方案

针对电力5G网络中具备差异化时延抖动需求的业务，基于SDN与NFV、人工智能关键技术，引入基于门控循环单元神经网络学习模型的流量智能预测机制，在构建智能化互联跨域的电力5G低时延抖动承载的网络架构基础上，实现具备网络稳定性的电力5G切片过程动态化、智能化管理；

2）面向电力业务的端到端切片质量监控策略

网络切片运行过程中，需要监控切片实时运行状况，并需要识别异常行为，对故障告警进行根因分析和自愈；收集切片监控数据包括大量系统日志、拓扑结构、配置参数以及性能数据，来基于设备或用户的流量特征来预测其异常行为，基于告警之间的关联规则来定位根源告警，以及基于性能指标分析预测故障发生概率，并通过强化学习进行自适应的故障修复和预防策略制定；

3）5G终端本地通信质量监控措施

采用本地周期性脉冲通过网络交互实现获取准确时间的自下而上系统同步，在5G通信终端中内嵌适配电力业务分析的网络监测探针，根据配网差动保护等电力业务的通信端固定、数据模型固定的业务特点，在不中断业务的前提下，实现配网差动保护等电力业务运行过程中5G通信链路端到端时延、丢包等性能的长期实时在线监测，实现5G承载电力业务的初始入网检测及长期运行评估，在时延保障约束条件及有限能耗基础上保障调控业务的时延和通信可靠。

（3）采用面向配网稳定保护业务5G高精准授时技术

1）时间同步网同步策略

基于IEEE 802.1AS-Rev的扁平化授时机制，以GPS、BDS系统作为普通时钟源，实现工分布式时间同步网络同步方案；采用扁平化方式对下游时钟设备进行授时，支持多个时钟接口的设备作为工作时钟模式下的主时钟设备；针对复杂的网络拓扑环境，设计基于归并策略的一致性时钟同步算法，对于跨域环境的主时钟进行精确快速的时钟同步；

2）基站与5G UE时间同步协议

基站与5G UE的时间同步阶段，基站通过测量UE上行的前导序列，计算终端和基站的时间提前量TA，并在随机接入相应消息RAR中把TA值返回给UE，设计UE相应的频率和相位调整算法；为使5G UE从基站获取精准时间信息，基站和5G UE通过改造升级支持无线授时功能，升级后的基站通过SIB消息通知终端精确时间，终端接收网络下发的精确时间后，进行下行传播的时延补偿，实现基站和UE之间的时间同步，设计终端接收网络的时延补偿方案，提升授时精准度；

3）5G UE与电力设备时间同步对时与编码方案

5G UE与电力设备的时间同步阶段，采用改进IRIG-B码对时方式，将脉冲对时的准时沿和串口报文对时的时间数据结合在一起，简化对时回路，提高对时精度；电力设备通过IRIG-B码解模块检测出时间信息和对时脉冲，实现电力设备的授时工作；

（4）基于上下文感知学习的低时延接入控制关键技术

1）针对本地局域网级联节点时延抖动特性，以电力业务到达时刻为视角，观察系统队长动态变化，研究业务包离去过程，并分析每个时隙系统队长，利用排队论等数学工具，结合数学概率生成理论，获得时延抖动概率生成函数及分布函数；从终端数量、协议对比指数、最大重传次数的设置、传输节点跳数以及CAP的因素入手，监控相关因素对时延抖动特性的影响，通过神经网络对相关因素的变化进行预测，从而实现对本地局域网内部电力业务流量的准入控制和合理配置，动态优化网络内部节点数量，在控制时延抖动的前提下最大化利用无线资源；

2）针对本地局域网业务类型和节点密度的特点，基于5G NR中的mini-slot技术，选择适合电力5G业务的最小帧长，减少OFDM符号数，缩短最小调度单位；采用机器学习算法，对本地局域网业务流量、无线资源占用率的环境信息进行监控和预测，根据实际业务流量动态分割空时频多域资源。

3）采用基于随机优化的计算、存储、通信资源关键技术，首先，根据电力调控业务需求建立基于软件定义的通信与计算异质资源统一表述，将电力调控业务的软实时带宽需求与信道的服务能力抽象为等效带宽，采用计算吞吐量的概念，将电力业务对计算需求等效为计算吞吐量及时延要求。其次，在资源分配优化方面，研究智能化空口资源预留技术，满足电力调控业务的确定性传输需求。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

（1）设计5G分布式电力网络中精准授时技术，解决电力通信网络时间同步面临的网络波动与时间同步误差的难题，提高复杂网络拓扑下时间同步的效率与精度，并研发同步终端软硬件模块化，实现终端功能的灵活、按需配置和扩展。

（2）设计基于流量智能预测机制的电力5G低时延抖动网络切片管理方法，以及研究基于网络能力开放的网络端到端切片编排与质量监控技术，实现具备低时延抖动网络稳定性的5G切片动态化、自主化、智能化管理。

（3）设计电力5G低时延抖动本地局域网以及边缘计算技术方案，并研发支持配网稳定保护业务的边缘计算装置及电力定制化高精度时间同步终端设备，减小端到端时延抖动，实现可靠稳定的传输。

附图说明

图1为本发明电力5G确定化网络体系架构示意图。

图2为本发明电力5G低时延抖动网络组网方案。

图3为电力5G低时延抖动网络切片智能管理方案。

图4为面向电力业务的端到端切片质量监控方法。

图5 差动保护UDP报文时间插入信息。

图6为5G网络同步示意图。

图7为基于多时钟接口的扁平化网络时钟授时。

图8为归并算法中各个子节点的组合关系。

图9为基站与终端同步示意图。

图10为蜂窝网络覆盖范围下D2D通信中的同步信息传输。

图11为时间同步终端功能设计。

图12为支持超低时延的空时频多域联合设计的帧结构。

图13为缩短保护带长度减小时延。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发一种面向配网稳定保护的电力5G低时延抖动实现方法，包括：

（1）构建电力5G低时延抖动承载的网络架构及组网方案：

电力5G低时延抖动承载的网络架构包括：

业务需求层，负责接收各类电力业务需求，统一订购签约界面；

能力匹配层，根据电力业务的需求，借助包括网络切片、移动边缘计算、时间敏感的 5G 关键技术，形成 5G 网络的确定化服务能力；

能力提取与编排层，根据指标要求，将提取到的服务能力借助能力编排器进行封装与编排；

网络能力生成层，由5G无线网、5G核心网、5G核承网构成；

组网方案将网络分为四层：在终端层根据业务的时延需求实现多样化接入；针对时延敏感的业务或需要准确授时的业务，利用终端侧 TSN 网桥和交换机将其接入时间敏感网络；在接入层根据业务的差异化需求划分切片，针对超低时延以及超低时延抖动的业务分配专门的网络资源确保业务需求得到满足；同时在接入层的基站侧设置移动边缘计算服务器，承载移动边缘计算任务；在核心网层，实现数据传输；在业务管理层，通过核心网的数据传输，实现电网运营的各项业务网络化和智能化；此外，引入SDN 技术重新定义网络的层次，结合 NFV 和网络切片技术实现对网络资源和流量的控制；时间敏感网络基于 SDN架构实现网络资源的集中管理和按需调度，配合包括精确时间同步、流量调度的核心特性，为不同类型的业务流量提供智能化、差异化承载服务；

（2）采用电力5G低时延抖动网络端到端切片管理关键技术：

1）电力5G低时延抖动网络切片智能管理方案

针对电力5G网络中具备差异化时延抖动需求的业务，基于SDN与NFV、人工智能关键技术，引入基于门控循环单元神经网络学习模型的流量智能预测机制，在构建智能化互联跨域的电力5G低时延抖动承载的网络架构基础上，实现具备网络稳定性的电力5G切片过程动态化、智能化管理；

2）面向电力业务的端到端切片质量监控策略

网络切片运行过程中，需要监控切片实时运行状况，并需要识别异常行为，对故障告警进行根因分析和自愈；收集切片监控数据包括大量系统日志、拓扑结构、配置参数以及性能数据，来基于设备或用户的流量特征来预测其异常行为，基于告警之间的关联规则来定位根源告警，以及基于性能指标分析预测故障发生概率，并通过强化学习进行自适应的故障修复和预防策略制定；

3）5G终端本地通信质量监控措施

采用本地周期性脉冲通过网络交互实现获取准确时间的自下而上系统同步，在5G通信终端中内嵌适配电力业务分析的网络监测探针，根据配网差动保护等电力业务的通信端固定、数据模型固定的业务特点，在不中断业务的前提下，实现配网差动保护等电力业务运行过程中5G通信链路端到端时延、丢包等性能的长期实时在线监测，实现5G承载电力业务的初始入网检测及长期运行评估，在时延保障约束条件及有限能耗基础上保障调控业务的时延和通信可靠。

（3）采用面向配网稳定保护业务5G高精准授时技术

1）时间同步网同步策略

基于IEEE 802.1AS-Rev的扁平化授时机制，以GPS、BDS系统作为普通时钟源，实现工分布式时间同步网络同步方案；采用扁平化方式对下游时钟设备进行授时，支持多个时钟接口的设备作为工作时钟模式下的主时钟设备；针对复杂的网络拓扑环境，设计基于归并策略的一致性时钟同步算法，对于跨域环境的主时钟进行精确快速的时钟同步；

2）基站与5G UE时间同步协议

基站与5G UE的时间同步阶段，基站通过测量UE上行的前导序列，计算终端和基站的时间提前量TA，并在随机接入相应消息RAR中把TA值返回给UE，设计UE相应的频率和相位调整算法；为使5G UE从基站获取精准时间信息，基站和5G UE通过改造升级支持无线授时功能，升级后的基站通过SIB消息通知终端精确时间，终端接收网络下发的精确时间后，进行下行传播的时延补偿，实现基站和UE之间的时间同步，设计终端接收网络的时延补偿方案，提升授时精准度；

3）5G UE与电力设备时间同步对时与编码方案

5G UE与电力设备的时间同步阶段，采用改进IRIG-B码对时方式，将脉冲对时的准时沿和串口报文对时的时间数据结合在一起，简化对时回路，提高对时精度；电力设备通过IRIG-B码解模块检测出时间信息和对时脉冲，实现电力设备的授时工作；

（4）基于上下文感知学习的低时延接入控制关键技术

1）针对本地局域网级联节点时延抖动特性，以电力业务到达时刻为视角，观察系统队长动态变化，研究业务包离去过程，并分析每个时隙系统队长，利用排队论等数学工具，结合数学概率生成理论，获得时延抖动概率生成函数及分布函数；从终端数量、协议对比指数、最大重传次数的设置、传输节点跳数以及CAP的因素入手，监控相关因素对时延抖动特性的影响，通过神经网络对相关因素的变化进行预测，从而实现对本地局域网内部电力业务流量的准入控制和合理配置，动态优化网络内部节点数量，在控制时延抖动的前提下最大化利用无线资源；

2）针对本地局域网业务类型和节点密度的特点，基于5G NR中的mini-slot技术，选择适合电力5G业务的最小帧长，减少OFDM符号数，缩短最小调度单位；采用机器学习算法，对本地局域网业务流量、无线资源占用率的环境信息进行监控和预测，根据实际业务流量动态分割空时频多域资源。

3）采用基于随机优化的计算、存储、通信资源关键技术，首先，根据电力调控业务需求建立基于软件定义的通信与计算异质资源统一表述，将电力调控业务的软实时带宽需求与信道的服务能力抽象为等效带宽，采用计算吞吐量的概念，将电力业务对计算需求等效为计算吞吐量及时延要求。其次，在资源分配优化方面，研究智能化空口资源预留技术，满足电力调控业务的确定性传输需求。

以下为本发明具体实施实例。

本发明针对5G电力精准授时需求，设计跨域条件下的精确时钟同步机制，提出扁平化授时机制，基于归并策略的一致性时钟同步算法和自适应重建机制，对于跨域环境进行精确快速的时钟同步，实现分布式一致性同步，加快算法的收敛速度，并且通过自适应的主时钟切换机制提升多域系统的鲁棒性，保障在电力通信网络范围内紧急故障时，高精度时钟同步系统的可靠性。同时针对电力5G网络中具备差异化时延抖动需求业务，提出基于门控循环单元神经网络学习模型的流量智能预测机制，和基于网络能力开放的网络端到端切片编排与质量监控技术，实现具备低时延抖动网络稳定性的切片动态化、自主化、智能化管理。有效地支撑电力通信网的时间敏感型应用，保障电力网络稳定性并提高网络资源利用率。

现有的网络难以满足电力5G低时延抖动的业务需求。本发明将结合电网业务的差异化实际需求，在电力通信网络中引入切片技术、时间敏感网络接入以及边缘计算设备等新兴网络技术实现对现有网络的重构，提出电力5G低时延抖动承载的网络架构及组网方案，实现TSN和5G网络的深度融合部署。

（1）电力5G低时延抖动承载的网络架构及组网方案

目前时间敏感网络和5G深度融合组网尚不成熟，处于初期方案研究阶段，特别是将其运用于电网中需要解决异构系统的精密协作问题，并且在融合组网中需要消除终端对于接收到 5G 时钟和 TSN 时钟的两种独立时钟的不确定性。要解决这些问题，本发明着力于跟进业界标准和演进的最新进展，提出改进方案以及实施方案；同时在研究时延抖动控制方面，将北斗卫星授时、网络授时等多路授时引入组网方案中，细化授时粒度，提升授时精度，进而提高时延抖动控制能力。

5G 低时延抖动网络基于移动网络，为不同类型的电力业务提供确定性传输性能，其不仅包括时延的确定性，还涵盖业务端到端的保障能力，包括带宽、时延、抖动、安全性等各方面。图1给出了电力 5G 确定化网络体系架构示意，其中最底层展示了5G服务化架构，核心网、接入网、传输网构成网络能力生成层；业务需求层主要负责接收各类电力业务需求，统一订购签约界面；能力匹配层主要根据电力业务的需求，借助网络切片、移动边缘计算、时间敏感等 5G 关键技术，形成 5G 网络的确定化服务能力；能力提取与编排层根据“确定化服务能力”指标要求，将提取到的能力借助能力编排器进行封装与编排，最终满足电力行业对确定化网络能力的需求。

在电力5G低时延抖动组网方案中运用端到端切片技术可以满足不同业务的差异化通信需求，为较高需求的业务提供更充足的物理资源。然而目前的切片仅可以在空口及核心网实现，对于承载网接入部分则没有特定的技术方案。因此，本发明需要在现有核心网切片的基础上，实现接入部分的电网业务切片，并实现接入网和核心网切片的对接，完成端到端的业务切片。时间敏感网络基于SDN架构实现网络资源的集中管理和按需调度，配合精确时间同步、流量调度等核心特性，可为不同类型的业务流量提供智能化、差异化承载服务。将时间敏感网络技术与5G承载网深度融合部署，可以为5G端到端切片提供一种解决思路，这一思路需要着力解决5G核心网用户面和控制面与TSN网络的对接问题，提出新的适配协议并根据需求研究新的接口适配器件。在自建网络和共建网络中实现完整的端到端切片需要深入发掘组网方案中的SDN控制器的网络管理能力，整合多层网络的物理资源。基于现有的 5G 部署，要通过上文的相关技术实现电网业务的端到端低时延抖动需要对组网方案进行一定的创新，如图2所示。

本发明组网方案中将网络分为四层。在最底层的终端层根据业务的时延需求实现多样化接入；针对时延敏感的业务或需要准确授时的业务，利用终端侧 TSN 网桥和交换机将其接入时间敏感网络。在接入层根据业务的差异化需求划分切片，针对超低时延以及超低时延抖动的业务分配专门的网络资源确保业务需求得到满足。同时在接入层的基站侧设置移动边缘计算服务器，承载移动边缘计算任务，以期降低核心网负载、降低端到端时延。在 TSN 与 5G 深度融合阶段中，整个 5G 网络系统逻辑上将升级为具备时间敏感网络特性的桥接系统。在深度融合的架构下，5G 网络相对于业务系统被视为黑盒的 TSN 交换机，支持 TSN 集中式架构和时间同步机制，并通过定义新的 QoS 模型（流方向、周期、突发到达时间）来实现精准的流量调度，实现 5G 中UE到UPF之间的确定性多种业务流量的共网高质量传输。在业务管理层，通过核心网的数据传输，可以实现电网运营的各项业务网络化和智能化。此外，SDN 技术的引入重新定义了网络的层次，结合 NFV 和网络切片技术可以更好的实现对网络资源和流量的控制，使网络智能化。时间敏感网络基于 SDN 架构实现网络资源的集中管理和按需调度，配合精确时间同步、流量调度等核心特性，可为不同类型的业务流量提供智能化、差异化承载服务。

（2）电力5G低时延抖动网络端到端切片管理关键技术

电力系统业务多元化导致了QoS要求的多样性，实时控制类与动态过程自动化调度等业务需要高可靠性与低时延抖动的通信性能需求，亟需研究面向电力业务的端到端切片编排方法和切片质量监控方法，并研究网络端到端切片编排与质量监控技术，有效地支撑电力通信网的时间敏感型应用，提高网络资源利用率。

1）电力5G低时延抖动网络切片智能管理方案

针对电力5G网络中具备差异化时延抖动需求的业务，基于SDN与NFV、人工智能关键技术，引入基于门控循环单元神经网络学习模型的流量智能预测机制，在构建智能化互联跨域的电力5G网络切片架构基础上，实现具备网络稳定性的电力5G切片过程动态化、智能化管理。如图3所示，切片全生命周期过程的动态、智能化管理，需基于AI支持模块流量预测模型的规律预测结果，以电力业务数据传输需求为触发点，在5G网络能力开放功能模块的支持下，通过切片“创建—应用—更新—释放与回收—再分配”全过程追踪，密切关注切片资源当前和未来一定阶段的应用情况，按需分配。

其中AI支持模块建立流量模型，统计所在区域的电网各环节、各业务流量规律，利用卷积神经网络从原始的电力业务流量数据序列中提取特征分量，将电网流量预测视为时间序列预测，基于门控循环单元对时间序列的流量数据进行训练，得到网络流量的预测模型。分析各维度预测学习模型的相关性并构建新特征，统筹建立能准确反映各时刻电网各环节流量信息的流量预测模型。 区域电网各环节、各业务流量数据作为训练样本集初始化数据存储于AI支持模块中，AI支持模块位于5G核心网侧，初始化的流量预测模型及迭代优化后的最新模型均存储于SDN控制器的AI支持功能模块。切片管控模块在动态化管理中根据过程需要调用AI支持模块的流量预测模型执行网络流量分析功能。根据当前时刻新增数据传输需求 的电力业务种类，调用 AI 支持功能模块估算流量需求，由 SDN 控制器的切片管控模块统计当前网络中切片资源使用率、空闲资源分布情况和切片流量分布及预测结果，根据5G网络能力开放模块适配的切片参数及格式，统筹分配切片资源，保障端到端的可靠传输与稳定时延。

2）面向电力业务的端到端切片质量监控策略

网络切片运行过程中，需要监控切片实时运行状况，并需要识别异常行为，对故障告警进行根因分析和自愈。切片监控策略如图4所示，收集切片监控数据包括大量系统日志、拓扑结构、配置参数以及性能数据等，来基于设备或用户的流量特征来预测其异常行为，基于告警之间的关联规则来定位根源告警，以及基于性能指标分析预测故障发生概率，并通过强化学习进行自适应的故障修复和预防策略制定。网络监控包括端到端切片监控、子切片监控和网络功能监控，各层次相互协同，一方面可以对已发生的故障告警进行快速、高效的根因分析和修复，另一方面对潜在性能劣化进行预防，实现网络自动化保障。

3）5G终端本地通信质量监控措施

采用本地周期性脉冲通过网络交互实现获取准确时间的自下而上系统同步，在5G通信终端中内嵌适配电力业务分析的网络监测探针，根据配网差动保护等电力业务的通信端固定、数据模型固定的业务特点，在不中断业务的前提下，实现配网差动保护等电力业务运行过程中5G通信链路端到端时延、丢包等性能的长期实时在线监测，实现5G承载电力业务的初始入网检测及长期运行评估，在时延保障约束条件及有限能耗基础上保障调控业务的时延和通信可靠。在电力业务报文发送时经CPE发送时携带时间戳信息，另外一端接收报文时解析时间信息，根据业务报文在收发两端上的时间戳信息可以计算出到端到端之间的丢包、时延、抖动等网络性能信息，并且在接收端还原数据后不会影响原有的电力业务通信。配网差动保护采用的UDP报文发包报文长度，间隔等业务数据模式固定，本发明在5G终端中对差保业务的UDP业务报文增加时间戳等冗余信息，如图5所示，在ip4_send_hook的ip后插入的时间戳信息，每个报文增加20字节，会额外占用少量运营商带宽，但不会影响到原有的差保业务时延抖动丢包等性能。

（3）面向配网稳定保护业务5G高精准授时技术

国际标准系列ITU/T G.8271明确了同步网时间精度的要求，UE可以使用该系统信息块中提供的参数来获得UTC，GPS和本地时间，将时间信息用于多种目的，例如协助GPS初始化，以及同步UE时钟。基于5G的电力系统时间同步示意如图6所示。

授时信息通过 GPS/BDS 系统直传给时钟服务器或者5G基站，时钟同步网通过TSN时钟同步协议IEEE 802.1AS的gPTP-广义时钟同步协议进行网内的时钟同步，达到时钟同步网和5G 基站的全网时间同步。时间同步网络向电力设备授时分为基站与UE时间同步与UE与电力设备时间同步两个阶段。本发明旨在通过优化 1）时间同步网同步策略 2）基站与5G UE时间同步协议 3）5G UE与电力设备时间同步对时与编码方案， 3个授时阶段来提升5G电网精准授时性能。

1）时间同步网同步策略，如图7所示，基于IEEE 802.1AS-Rev的扁平化授时机制，以GPS、BDS系统作为普通时钟源，实现工分布式时间同步网络同步方案。采用扁平化方式对下游时钟设备进行授时，支持多个时钟接口的设备作为工作时钟模式下的主时钟设备，避免多级级联方式授时引起的时钟同步效率的负担。

针对复杂的网络拓扑环境，如图8所示，设计基于归并策略的一致性时钟同步算法，对于跨域环境的主时钟进行精确快速的时钟同步。当主时钟节点获得系统时钟后，通过邻近原则或者极大极小原则对时钟进行排序组合，通过少量的局部信息交换实现分布式一致性同步，减小系统的通信代价，加快算法的收敛速度；并通过重定义ATS (Average TimeSynchronization）算法的调节因子，使时钟收敛算法具有自适应性，并研究在增加、删除网络器件、网络器件损坏、重构的情况下，主时钟切换的策略，将多域之间时钟同步精度达到亚纳秒级。

2）基站与5G UE的时间同步阶段，如图9所示，基站通过测量UE上行的前导序列，计算终端和基站的时间提前量TA（TimingAdvance），并在随机接入相应消息RAR（RandomAccess Response）中把TA值返回给UE，设计UE相应的频率和相位调整算法。为了使5G UE从基站获取精准时间信息，基站和5G UE通过改造升级支持无线授时功能，升级后的基站通过SIB消息通知终端精确时间，终端接收网络下发的精确时间后，进行下行传播的时延补偿，实现基站和UE之间的时间同步，设计终端接收网络的时延补偿方案，提升授时精准度。

3）5G UE与电力设备的时间同步阶段，授时信号直接决定授时的精度，电力设备接收授时信号主要有四种方式，分别为脉冲对时、编码对时、NTP 对时和串行报文对时。其中，脉冲对时时间准确度最高，不大于1μs，由于脉冲对时信号中不包括年、月、日等时间信息，在实际应用中经常采用串口+脉冲两种相结合的方式对时，这种方式的缺点是需要传送2个信号。项目拟改进IRIG-B码对时方式，兼顾两者的优点，将脉冲对时的准时沿和串口报文对时的时间数据结合在一起，简化对时回路，提高对时精度。电力设备通过IRIG-B码（DC）解模块检测出时间信息和对时脉冲，实现电力设备的授时工作。

4）在D2D的通信模式下，当电力设备处于RRC_CONNECTED（RRC连接）状态时，基站通过系统消息18向用户下发通信过程中用到的相关配置，用户根据基站的配置信息发送同步信号和MIB消息。同步信号的发送信号如图10所示：

D2D模式下的同步，传统D2D同步方式将信号接收功率（RSRP）的大小视作同步源选择过程中的唯一依据，而RSRP受多种因素影响，如干扰、衰落等。移动性、拓扑结构、倍号强弱、用户密度等的变化，会导致不同的同步场景，协议规定的同步方案＋足以解决这些问题。因此，本发明在D2D授时场景下，PSRP仅仅作为判决用户是否扩散的依据，不再承担选择参考时钟源(RefUE) 的依据，并且通过增加群内与群间设备优先级的方式，避免干扰、衰落带来的同步不够稳定等问题，提高同步方案的健壮性。

5）面向配网稳定保护业务的电力5G高精度时间同步技术

基于5G的电网对于终端的同步指标需求，本发明设计时间同步终端功能模块如图11所示：

时钟模块负责为终端内各个模块提供相应频率的工作时钟输入，同时模块内部实时更新本地时间，并向外输出标准秒脉冲。MII 接口在TSN中用于连接 MAC层和 PHY层，连接方式如图所示。报文处理模块负责判断接收到的报文类型，并将相应的数据类型标志位置高交由IEEE 802.1AS-Rev协议栈模块处理。端口状态机用于决定端口的运行状态，其状态转换算法是IEEE 802.1AS-Rev协议的 gPTP 算法。设备时钟的各端口进入工作状态后开始处理网络中的IEEE 802.1AS-Rev事件与通用报文。外部通信模块主要包括 ARM通信和串口通信，ARM 通信数据包括当前UTC时间、默认IEEE 802.1AS-Rev数据集配置、设备 IP 地址等相关信息，串口主要用于向外输出当前设备时间及设备配置。

（4）基于上下文感知学习的低时延接入控制关键技术

现有电网的通信需求主要由以有线接入为主的专网完成，通过灵活结合5G的组网接入服务或使用5G技术的灵活特性构建独立专网的形式，将现有电力网络升级为电力5G网络，并在电力5G的基础上进行本地局域网的时延抖动关键技术研究。具体研究方案如下：

1）针对本地局域网级联节点时延抖动特性，以电力业务到达时刻为视角，观察系统队长动态变化，研究业务包离去过程，并分析每个时隙系统队长，利用排队论等数学工具，结合数学概率生成理论，获得时延抖动概率生成函数及分布函数。从终端数量、协议对比指数、最大重传次数的设置、传输节点跳数以及CAP等因素入手，监控相关因素对时延抖动特性的影响，通过神经网络对相关因素的变化进行预测，从而实现对本地局域网内部电力业务流量的准入控制和合理配置，动态优化网络内部节点数量，在控制时延抖动的前提下最大化利用无线资源。

2）针对本地局域网业务类型和节点密度等特点，如图12所示，基于5G NR中的mini-slot技术，选择适合电力5G业务的最小帧长，减少OFDM符号数，缩短最小调度单位。采用机器学习算法，对本地局域网业务流量、无线资源占用率等环境信息进行监控和预测，根据实际业务流量动态分割空时频多域资源。

在原有TSN网络的帧抢占基础上，对以太网帧进行重构，增加优先级字段，提供更多优先级选择。同时，根据电力5G业务的数据特点，调整原有帧结构中的数据段长度，缩短帧长度，进而减小保护带长度，降低时延，如图13所示。结合软件定义网络结构，基于电力5G业务的QoS需求，通过控制器对抢占机制进行动态优化调节，以达到对系统整体时延的优化，减小时延抖动。

3）采用基于随机优化的计算、存储、通信资源关键技术，首先，根据电力调控业务需求建立基于软件定义的通信与计算异质资源统一表述，将电力调控业务的软实时带宽需求与信道的服务能力抽象为等效带宽，采用计算吞吐量的概念，将电力业务对计算需求等效为计算吞吐量及时延要求。其次，在资源分配优化方面，通过智能化空口资源预留技术，满足电力调控业务的确定性传输需求。包括将基站侧空口资源虚拟化为超低时延切片资源和非超低时延切片资源统计。统计每个重试窗口中预留资源的冲突情况，根据该情况动态调整预留超低时延切片资源的大小。检测超低时延切片资源上有终端传输超低实验数据后，进行超低时延业务的资源再分配。并判断非超低时延切片资源中是否存在空闲的资源。若判断存在空闲的资源，则将其分配给有超低时延数据传输的终端，并在完成超低时延数据传输后，归还借用的非超低时延切片资源，若判断不存在空闲的资源，则借用已经分配给非超低时终端的非超低时延切片资源，并在完成超低时延数据传输后，归还借用的非超低时延切片资源。研究基于随机优化理论的计算、存储和通信协同分配技术，考虑网络异构、资源异构以及动态变化的特性，构建长期端到端时延保障优化问题，利用随机优化理论将长期优化问题进行解耦，综合动态地调度功率、频率、时隙等通信资源和存储、计算等资源，实现多维资源的高效配置，满足电力调控业务的端到端低时延保障需求。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种面向配网稳定保护的电力5G低时延抖动实现方法，其特征在于，包括：

（1）构建电力5G低时延抖动承载的网络架构及组网方案：

电力5G低时延抖动承载的网络架构包括：

业务需求层，负责接收各类电力业务需求，统一订购签约界面；

能力匹配层，根据电力业务的需求，借助包括网络切片、移动边缘计算、时间敏感的 5G关键技术，形成 5G 网络的确定化服务能力；

能力提取与编排层，根据指标要求，将提取到的服务能力借助能力编排器进行封装与编排；

网络能力生成层，由5G无线网、5G核心网、5G核承网构成；

组网方案将网络分为四层：在终端层根据业务的时延需求实现多样化接入；针对时延敏感的业务或需要准确授时的业务，利用终端侧 TSN 网桥和交换机将其接入时间敏感网络；在接入层根据业务的差异化需求划分切片，针对超低时延以及超低时延抖动的业务分配网络资源确保业务需求得到满足；同时在接入层的基站侧设置移动边缘计算服务器，承载移动边缘计算任务；在核心网层，实现数据传输；在业务管理层，通过核心网的数据传输，实现电网运营的各项业务网络化和智能化；此外，引入SDN 技术重新定义网络的层次，结合NFV 和网络切片技术实现对网络资源和流量的控制；时间敏感网络基于 SDN 架构实现网络资源的集中管理和按需调度，配合包括精确时间同步、流量调度的核心特性，为不同类型的业务流量提供智能化、差异化承载服务；

（2）采用电力5G低时延抖动网络端到端切片管理关键技术：

1）电力5G低时延抖动网络切片智能管理方案

针对电力5G网络中具备差异化时延抖动需求的业务，基于SDN与NFV、人工智能关键技术，引入基于门控循环单元神经网络学习模型的流量智能预测机制，在构建智能化互联跨域的电力5G低时延抖动承载的网络架构基础上，实现电力5G切片过程管理；

2）面向电力业务的端到端切片质量监控策略

网络切片运行过程中，需要监控切片实时运行状况，并需要识别异常行为，对故障告警进行根因分析和自愈；收集切片监控数据包括大量系统日志、拓扑结构、配置参数以及性能数据，来基于设备或用户的流量特征来预测其异常行为，基于告警之间的关联规则来定位根源告警，以及基于性能指标分析预测故障发生概率，并通过强化学习进行自适应的故障修复和预防策略制定；

（3）采用面向配网稳定保护业务5G授时技术

1）时间同步网同步策略

基于IEEE 802.1AS-Rev的扁平化授时机制，以GPS、BDS系统作为普通时钟源，实现分布式时间同步网络同步方案；采用扁平化方式对下游时钟设备进行授时，支持多个时钟接口的设备作为工作时钟模式下的主时钟设备；针对复杂的网络拓扑环境，设计基于归并策略的一致性时钟同步算法，对于跨域环境的主时钟进时钟同步；

2）基站与5G UE时间同步协议

基站与5G UE的时间同步阶段，基站通过测量UE上行的前导序列，计算终端和基站的时间提前量TA，并在随机接入相应消息RAR中把TA值返回给UE，设计UE相应的频率和相位调整算法；为使5G UE从基站获取精准时间信息，基站和5G UE通过改造升级支持无线授时功能，升级后的基站通过SIB消息通知终端精确时间，终端接收网络下发的精确时间后，进行下行传播的时延补偿，实现基站和UE之间的时间同步，并且设计终端接收网络的时延补偿方案；

3）5G UE与电力设备时间同步对时与编码方案

5G UE与电力设备的时间同步阶段，采用改进IRIG-B码对时方式，将脉冲对时的准时沿和串口报文对时的时间数据进行结合；电力设备通过IRIG-B码解模块检测出时间信息和对时脉冲，实现电力设备的授时工作；

（4）基于上下文感知学习的低时延接入控制关键技术

1）针对本地局域网级联节点时延抖动特性，以电力业务到达时刻为视角，观察系统队长动态变化，研究业务包离去过程，并分析每个时隙系统队长，利用包括排队论的数学工具，结合数学概率生成理论，获得时延抖动概率生成函数及分布函数；从终端数量、协议对比指数、最大重传次数的设置、传输节点跳数以及CAP的因素入手，监控相关因素对时延抖动特性的影响，通过神经网络对相关因素的变化进行预测，从而实现对本地局域网内部电力业务流量的准入控制和合理配置，动态优化网络内部节点数量，在控制时延抖动的前提下最大化利用无线资源；

2）针对本地局域网业务类型和节点密度的特点，基于5G NR中的mini-slot技术，选择适合电力5G业务的最小帧长，减少OFDM符号数，缩短最小调度单位；采用机器学习算法，对本地局域网业务流量、无线资源占用率的环境信息进行监控和预测，根据实际业务流量动态分割空时频多域资源；

3）采用基于随机优化的计算、存储、通信资源关键技术，首先，根据电力调控业务需求建立基于软件定义的通信与计算异质资源统一表述，将电力调控业务的软实时带宽需求与信道的服务能力抽象为等效带宽，采用计算吞吐量的概念，将电力业务对计算需求等效为计算吞吐量及时延要求；其次，在资源分配优化方面，研究智能化空口资源预留技术，满足电力调控业务的确定性传输需求。

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