數(shù)字特高壓行業(yè)專網(wǎng)方案研究*

［許文秀 麥磊鑫 李建林 管郭煒 張秋菊］

1 引言

5G 是全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的代表核心技術(shù)之一，是實(shí)現(xiàn)“萬物互聯(lián)”、人機(jī)交互的新興戰(zhàn)略性通信基礎(chǔ)設(shè)施。特高壓直流輸電系統(tǒng)，則是另一張中國工程的國家名片。南方電網(wǎng)超高壓公司承擔(dān)著國家能源“西電東送”的重要使命，所轄運(yùn)維南方電網(wǎng)公司“八交十直”的西電東送主網(wǎng)架。安全、可靠、綠色、高效，以人民為中心，全面滿足用戶對美好生活的能源電力需求是南方電網(wǎng)公司的價值體系。然而伴隨著電網(wǎng)系統(tǒng)高可靠性的要求，必然帶來更高的運(yùn)維要求。

為推動智能電網(wǎng)發(fā)展和數(shù)字化轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)更高水平的運(yùn)行維護(hù)，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備微小隱患，減輕基層一線班組負(fù)擔(dān)，打通管理與運(yùn)維的壁壘，南方電網(wǎng)公司從2018 年開始探索5G 與智能電網(wǎng)的結(jié)合。[1]其中南方電網(wǎng)超高壓公司與中國電信廣東公司開展了融合5G 的智能特高壓換流站行業(yè)專網(wǎng)建設(shè)、應(yīng)用技術(shù)研究及業(yè)務(wù)驗(yàn)證。通過解決末端海量物聯(lián)數(shù)據(jù)接入的通信“卡脖子”問題，推進(jìn)5G+智能電網(wǎng)應(yīng)用研究工作，構(gòu)建5G+數(shù)字電網(wǎng)生態(tài)圈。[2]

1.1 行業(yè)痛點(diǎn)

當(dāng)前電力行業(yè)各電壓等級的換流站、變電站、電力大廈、電廠等大型電力園區(qū)內(nèi)存在多種類型業(yè)務(wù)，包括大量生產(chǎn)控制、管理信息業(yè)務(wù)，該類業(yè)務(wù)均通過有線形式接入電力網(wǎng)絡(luò)，連接到后端系統(tǒng)主站。大量的有線連接建立在一個封閉的園區(qū)內(nèi)，存在很多痛點(diǎn)。

痛點(diǎn)1：大量線纜的布放占用大量空間及施工量。

痛點(diǎn)2：新建站點(diǎn)/園區(qū)需要預(yù)留未來的線纜布設(shè)空間，浪費(fèi)資源；老舊站點(diǎn)新增業(yè)務(wù)布線改造難度大，影響原有業(yè)務(wù)；

痛點(diǎn)3：不同業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)使用不同連接線纜，業(yè)務(wù)越多線纜越多；

痛點(diǎn)4：生產(chǎn)控制業(yè)務(wù)無法通過無線接入。

1.2 行業(yè)需求

構(gòu)建安全可信、大帶寬、低時延、海量傳感器的行業(yè)專網(wǎng)，在特定的保障需求下，可脫離運(yùn)營商主干網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立運(yùn)行。

目前南方電網(wǎng)高等級的變電站/換流站應(yīng)用中基于安全考慮，仍存在最后一公里無線通信瓶頸。以光纖通信網(wǎng)絡(luò)作為支撐各類設(shè)備通信的骨干網(wǎng)絡(luò)，缺乏安全、可靠、保密的日常運(yùn)行維護(hù)移動通信支撐，而4G、WIFI 等技術(shù)手段因安全性不足，無法接入電力管理安全區(qū)。隨著大規(guī)模視頻監(jiān)控、移動作業(yè)、應(yīng)急通信、站內(nèi)通信等大帶寬型視頻、圖像、語音流業(yè)務(wù)；以及在線檢測、傳感表計(jì)、環(huán)境監(jiān)控、無線定位模塊等低功耗窄帶數(shù)據(jù)采集業(yè)務(wù)快速發(fā)展，迫切需要構(gòu)建安全可信、大帶寬、低時延、海量傳感器的園區(qū)行業(yè)專網(wǎng)，并采用先進(jìn)、可靠、穩(wěn)定、高效的新興通信技術(shù)及系統(tǒng)予以支撐，在特定的保障需求下，可脫離運(yùn)營商主干網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立運(yùn)行，這是特高壓電網(wǎng)發(fā)展對5G通信網(wǎng)提出的新需求。

2 數(shù)字特高壓5G 行業(yè)專網(wǎng)設(shè)計(jì)

2.1 總述

電力有剛需，5G 有能力。基于電力行業(yè)對業(yè)務(wù)可靠、安全可信、可管可控的需求，作為5G 賦能行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的領(lǐng)跑者，中國電信聯(lián)合南方電網(wǎng)超高壓公司及產(chǎn)業(yè)鏈上下游合作伙伴，開創(chuàng)性地提出了“數(shù)據(jù)不出站，孤網(wǎng)可運(yùn)行”的如翼5G 數(shù)字特高壓換流站定制網(wǎng)方案，[3]為智能電網(wǎng)提供泛在、靈活、經(jīng)濟(jì)、可靠、安全的無線通信技術(shù)，解決傳統(tǒng)電網(wǎng)被通信卡脖子的痛點(diǎn)，更好賦能行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級。

2.2 頂層設(shè)計(jì)架構(gòu)

根據(jù)客戶需求，整個項(xiàng)目的頂層設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖1 所示，[4]包含了以下內(nèi)容。

（1）安全敏感網(wǎng)絡(luò)

面向特高壓換流站這類安全敏感型企業(yè)，采用電信如翼模式定制專網(wǎng)。通過定制專用基站、專用頻率以及專用園區(qū)級輕量化5GC 等專用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，[5]為換流站提供一張隔離的、端到端高性能的、可管可控可靠的專用接入網(wǎng)絡(luò)，同時按需定制MEC 與電力應(yīng)用。

（2）云網(wǎng)融合

通過5G+邊緣UPF+MEC 的云網(wǎng)融合技術(shù)，[6]最大發(fā)揮云邊協(xié)同的優(yōu)勢，提供帶寬增強(qiáng)、低時延、數(shù)據(jù)不出園、業(yè)務(wù)不中斷的5G 專網(wǎng)服務(wù)。

（3）定制化應(yīng)用

通過5G QOS 保障、人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、數(shù)字孿生、傳感器等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對特高壓換流站人、機(jī)、物全要素的數(shù)據(jù)采集、分析和呈現(xiàn)。

（4）智能終端

通過5G 高清攝像頭、巡檢機(jī)器人、傳感器/表計(jì)、智能安全帽、單兵終端等智能終端與5G 技術(shù)的融合，助力特高壓換流站生產(chǎn)運(yùn)營的高安全、高效率、數(shù)智化發(fā)展。

圖1 項(xiàng)目頂層設(shè)計(jì)架構(gòu)

2.3 行業(yè)專網(wǎng)方案

在超高壓園區(qū)建設(shè)電信如翼5G 定制網(wǎng)，如圖2 所示，主要包含5GC 下沉網(wǎng)元（含AMF、SMF、UDM 和UPF 等）、數(shù)通設(shè)備、宏站及室分小基站等專用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，覆蓋整個南網(wǎng)超高壓東方換流站。同時建設(shè)專用MEC（移動邊緣計(jì)算）平臺，接入5G 攝像頭、移動單兵、機(jī)器人等設(shè)備，打造智能檢測、機(jī)器人巡檢、智能安監(jiān)、智慧工地、移動作業(yè)、事故處理及應(yīng)急指揮等5G 應(yīng)用場景。

圖2 項(xiàng)目總體組網(wǎng)架構(gòu)圖

（1）無線網(wǎng)方案

5G 定制網(wǎng)室外無線覆蓋方案：在換流站內(nèi)輔控樓梯間頂新建一個電力獨(dú)享5G 宏站，頻率與5G 公網(wǎng)錯開，天線掛高20 m，滿足換流站室外5G 信號全覆蓋。

由于特高壓換流站建筑墻體較厚，且墻外有金屬屏蔽網(wǎng)，室外宏站無法覆蓋室內(nèi)。故根據(jù)業(yè)務(wù)需求，在主控樓主控室、繼保室等室內(nèi)區(qū)域部署電力獨(dú)享5G 數(shù)字化室分，滿足樓宇建筑室內(nèi)業(yè)務(wù)的信號覆蓋需求。

（2）承載網(wǎng)方案

因特高壓換流站的高安全等級要求，本方案站內(nèi)傳輸均采用電力承載網(wǎng)。BBU、UPF 和MEC 就近部署于特高壓換流站內(nèi)，邊緣UPF 通過電力承載網(wǎng)進(jìn)行跨地市的信號傳輸，在超高壓總部通過新增的防火墻與運(yùn)營商STN對接，與電信核心網(wǎng)互聯(lián)互通，同時經(jīng)防火墻與電力應(yīng)用中心接通，整個承載方案確保業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在電力內(nèi)網(wǎng)流通，安全可靠不外泄。

在本方案下，數(shù)據(jù)流可分為大網(wǎng)-園區(qū)控制流、園區(qū)網(wǎng)控制流及數(shù)據(jù)流，相關(guān)信息流向如圖3 所示。

（3）核心網(wǎng)方案

核心網(wǎng)方案詳如圖4 所示，將共用電信公網(wǎng)5GC 控制面網(wǎng)元，對電力業(yè)務(wù)進(jìn)行會話管理；電力轉(zhuǎn)發(fā)面獨(dú)享，換流站園區(qū)內(nèi)部署獨(dú)享UPF+MEC，電力業(yè)務(wù)在換流站園區(qū)內(nèi)部留轉(zhuǎn)。

換流站園區(qū)業(yè)務(wù)N3/N6 數(shù)據(jù)流本地終結(jié)，數(shù)據(jù)流總體均在換流站內(nèi)流轉(zhuǎn)，滿足“數(shù)據(jù)不出站”的要求。

公網(wǎng)與專網(wǎng)正常連接時，輕量化UDM、AMF、SMF進(jìn)行實(shí)時備份，基站由公網(wǎng)5GC 調(diào)控；公網(wǎng)與專網(wǎng)鏈路斷開時，基站由輕量化備份5GC 網(wǎng)元調(diào)控，實(shí)現(xiàn)已在線用戶業(yè)務(wù)不中斷，新激活用戶可接入，滿足“孤網(wǎng)可運(yùn)行”的要求。

（4）切片方案

根據(jù)電力行業(yè)“橫向隔離、縱向加密”的業(yè)務(wù)安全隔離要求，本項(xiàng)目涉及的生產(chǎn)管理區(qū)（安全區(qū)Ⅲ）和管理信息區(qū)（安全區(qū)Ⅳ）的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)需做邏輯隔離，通過5G 切片將不同分區(qū)業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)至對應(yīng)的數(shù)據(jù)服務(wù)器，[7]具體如表1 所示。

圖3 換流站5G 承載網(wǎng)絡(luò)信息流示意圖

圖4 核心網(wǎng)示意圖

表1 電力業(yè)務(wù)對應(yīng)切片分區(qū)

3 5G 數(shù)字特高壓應(yīng)用場景設(shè)計(jì)

3.1 智能檢測

智能檢測示意圖如5，通過在SF6 等儀表附近安裝攝像頭、機(jī)器人巡檢、數(shù)字化儀表替代等方法探索替代人工定期統(tǒng)計(jì)的可能，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)智能檢測。攝像頭、巡檢機(jī)器人、數(shù)字表計(jì)等終端接入5G專網(wǎng)，數(shù)據(jù)經(jīng)園區(qū)UPF 轉(zhuǎn)發(fā)至內(nèi)網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對相關(guān)參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測，及時主動對異常數(shù)據(jù)發(fā)出告警，促進(jìn)特高壓換流站業(yè)務(wù)的高效、安全運(yùn)營。

圖5 智能檢測示意圖

3.2 5G 機(jī)器人巡檢

機(jī)器人巡檢示意如圖6 所示，方案中配置CPE 等5G終端設(shè)備，與巡檢機(jī)器人捆綁。巡檢機(jī)器人通過CEP 接入5G 網(wǎng)絡(luò)，將采集的數(shù)據(jù)、圖片及視頻實(shí)時上傳至站內(nèi)的機(jī)器人控制平臺，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人實(shí)時巡檢。

圖6 5G 機(jī)器人巡檢示意圖

3.3 移動作業(yè)

通過5G 專網(wǎng)的部署建設(shè)，換流站內(nèi)運(yùn)行巡視、缺陷記錄、高壓預(yù)試、繼電保護(hù)定檢等多項(xiàng)業(yè)務(wù)均可以通過5G 平板實(shí)現(xiàn)作業(yè)現(xiàn)場在線實(shí)時接收派工，如圖7 所示，在線記錄新缺陷或查詢歷史缺陷、試驗(yàn)數(shù)據(jù)，就地開展數(shù)據(jù)對比，評估設(shè)備狀態(tài)。5G+移動作業(yè)的成功應(yīng)用，極大提升了現(xiàn)場作業(yè)智能化水平，提高作業(yè)效率，助力安全生產(chǎn)。

圖7 移動平板作業(yè)示意圖

3.4 智能安監(jiān)

本方案通過前端的5G攝像頭、移動單兵等設(shè)備接入5G 專網(wǎng)，高清視頻數(shù)據(jù)實(shí)時上傳至部署于電力MEC 的視頻分析平臺。該視頻分析平臺已搭載人臉識別、安全帽識別、工作服識別、安全帶識別、危險區(qū)域檢測、作業(yè)區(qū)吸煙檢測、手扶梯檢測、打瞌睡檢測、人群態(tài)勢分析、指針儀表識別等功能算法，通過5G網(wǎng)絡(luò)低時延大帶寬傳輸，實(shí)現(xiàn)實(shí)時園區(qū)車牌識別，人臉識別，人員著裝、是否戴口罩等檢測，現(xiàn)場違章，無處遁形。

3.5 智慧工地

如圖8 所示，針對施工現(xiàn)場的緊急、隨機(jī)且不可控的特點(diǎn)，采用智能閘機(jī)、移動式監(jiān)控球機(jī)、智慧安全帽、人員定位等5G 移動終端，與智慧監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)作業(yè)人員、作業(yè)任務(wù)、作業(yè)進(jìn)度、質(zhì)量監(jiān)控、信息報(bào)送、應(yīng)急溝通等全渠道管控，[8]大大提升整體檢修（施工）效率，有效減少停電時間。

3.6 事故處理及應(yīng)急指揮

如圖9 所示，通過5G 技術(shù)實(shí)現(xiàn)“前方精兵與后方專家”模式的實(shí)時溝通，打通數(shù)據(jù)和信息壁壘，使后方專家也能第一時間獲取現(xiàn)場一手信息數(shù)據(jù)。在現(xiàn)場人員應(yīng)急處置的同時，后方專家數(shù)據(jù)核查，資料調(diào)取，事故溯源，方案制定，人員安排，物資調(diào)配等工作同步開展，最大限度發(fā)揮數(shù)字化帶來的生產(chǎn)力提升，極大的縮短了應(yīng)急的時間，較常規(guī)處理方式時間可縮短一半以上，高效保障能源主動脈暢通。

4 項(xiàng)目成果

本項(xiàng)目除部署電力專用5G 無線基站外，還部有電力專用輕量化5GC 及電力專用MEC，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本較大。但隨著5G 專網(wǎng)成規(guī)模推廣應(yīng)用，其余深圳市內(nèi)甚至廣東省內(nèi)的換流站可與東方換流站共享一套核心網(wǎng)絡(luò)，只需建設(shè)專用無線基站或按需部署邊緣UPF 即可，均攤建網(wǎng)成本，極大降低單個換流站的專網(wǎng)建設(shè)費(fèi)用，同時定制專網(wǎng)的集中運(yùn)維管理特性也大大降低南網(wǎng)超高壓公司的專網(wǎng)維護(hù)成本。

圖8 智慧工地示意圖

目前項(xiàng)目已商用6 類5G 終端，覆蓋智能檢測、5G 巡檢機(jī)器人、移動平板作業(yè)、智能安監(jiān)、智慧工地、事故處理及應(yīng)急指揮共6 個典型場景，在網(wǎng)終端有100 多臺。

圖9 事故處理及應(yīng)急指揮示意圖

在網(wǎng)絡(luò)層，定制專用基站、專用頻率以及專用園區(qū)級輕量化5GC 等專用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)換流站“數(shù)據(jù)不出站，孤網(wǎng)可運(yùn)行”，同時按需定制MEC 與電力應(yīng)用。部署了1 個專用室外宏站和1 套專用室內(nèi)分布系統(tǒng)，室內(nèi)外所測RSRP>-105 dBm 的比例為98%，滿足覆蓋需求。

5 結(jié)束語

如翼5G 專網(wǎng)在電力生產(chǎn)安全等級最高的特高壓換流站實(shí)施落地，對于其他行業(yè)嚴(yán)苛的安全生產(chǎn)所需的極致網(wǎng)絡(luò)具有同樣示范意義。

首先充分利用5G 通信技術(shù)可提供毫秒級的網(wǎng)絡(luò)延遲和千兆級別吞吐量，及海量物聯(lián)網(wǎng)傳感器接入的技術(shù)優(yōu)勢，打造數(shù)字特高壓系統(tǒng)；其次，由于5G 技術(shù)采用授權(quán)頻段，因此電信運(yùn)營商將除了提供高水準(zhǔn)服務(wù)等級協(xié)定外，還可以提供身份驗(yàn)證和核心網(wǎng)信令安全，充分保障信息安全。第三，保障數(shù)據(jù)不出園區(qū)，特殊時刻，可脫離主網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行，可徹底切斷與外部網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)系，對于保障高價值目標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)安全，具有重大意義。

該方案在電力生產(chǎn)安全等級最高的特高壓換流站實(shí)施落地，不僅可對南方電網(wǎng)、國家電網(wǎng)的各等級電站場景具有示范意義，同時對于其他電力、能源、工業(yè)、科研、金融等具備高安全性、高可靠性、高保密性的場所具有同樣示范意義。