5G專網(wǎng)技術(shù)在水電站智慧運維中的應(yīng)用研究

余國利，李 強*，宋仕斌，2，李欣佳

(1.四川公眾項目咨詢管理有限公司,四川 成都 610058;2.四川大學(xué)錦江學(xué)院,四川 眉山 620860;3.四川省通信產(chǎn)業(yè)服務(wù)有限公司信息技術(shù)分公司,四川 成都 610058)

0 引言

水電站大多位于深山峽谷之中,傳統(tǒng)的生產(chǎn)運營模式需要大量的機械、電力、水工及安保人員,水電站中控室嚴格落實24小時值班值守制度方能確保水能發(fā)電、升壓站及電力并網(wǎng)系統(tǒng)正常運行。電力通信網(wǎng)是電力系統(tǒng)各業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)實現(xiàn)新型信息與通信技術(shù)集成,促進智能水平提高的基礎(chǔ)[1]。5G、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云計算及大數(shù)據(jù)等信息通信技術(shù)的迅猛發(fā)展及廣泛的垂直行業(yè)推廣、應(yīng)用,為解決電力、能源企業(yè)面臨的產(chǎn)能過剩、運營效率低、經(jīng)營成本高、經(jīng)濟效益欠佳等問題提供智慧運維研究方案。5G技術(shù)的出現(xiàn)推動了通信行業(yè)的進一步發(fā)展,具備低延時、低功耗以及高寬帶等優(yōu)勢[2]。電力生產(chǎn)、營銷以及服務(wù)過程中會產(chǎn)生較多信息數(shù)據(jù),且不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)積累的歷史業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)比較多[3]。本文提出的基于5G專網(wǎng)技術(shù)的水電站智慧運維方案把5G無線技術(shù)、AI、VR、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等信息通信技術(shù)集成運用到電力發(fā)電企業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域,進一步創(chuàng)新、優(yōu)化現(xiàn)代企業(yè)管理模式,在水電站日常運行維護活動的安全管理、設(shè)備檢修、故障診斷、監(jiān)控平臺、資源調(diào)度等方面實現(xiàn)了數(shù)字化轉(zhuǎn)型、提質(zhì)增效和創(chuàng)新發(fā)展。

1 5G專網(wǎng)技術(shù)分析及行業(yè)應(yīng)用

5G全新的無線空口自適應(yīng)技術(shù)總體架構(gòu)如圖1所示。采用Massive MIMO及全雙工運行模式大幅提升無線接入吞吐率;采用SCMA多址接入技術(shù)成倍提升物聯(lián)網(wǎng)傳感器、智能終端等連接數(shù)量,降低傳輸控制時延;靈活的Numerolog波形實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接入不同物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù);Polar 信道編碼持續(xù)提升可靠性并降低功率消耗,為大規(guī)模、低功率物聯(lián)網(wǎng)智能終端接入創(chuàng)造條件。

圖1 5G全新空口自適應(yīng)技術(shù)總體架構(gòu)

eMBB、uRLLC及mMTC是ITU-R定義的5G無線通信網(wǎng)絡(luò)的典型應(yīng)用場景。eMBB應(yīng)用在高清視頻直播、VR/AR、安全環(huán)境視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)采集上傳等場景,在現(xiàn)有移動寬帶業(yè)務(wù)基礎(chǔ)上進一步提升大帶寬、高速率和極致的用戶體驗;uRLLC在全連接智慧工廠、車聯(lián)網(wǎng)、電網(wǎng)運維等需要超低時延、超高可靠性的無線信息傳輸應(yīng)用場景中廣泛應(yīng)用;mMTC通過大幅提升網(wǎng)絡(luò)容量、連接密度和連接能力等技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)人、機、網(wǎng)絡(luò)、平臺的“萬物互聯(lián)”,如圖2所示。為提升工作、生產(chǎn)、運營效率,傳統(tǒng)企業(yè)積極實踐數(shù)字化轉(zhuǎn)型。智慧工廠的不同場景對無線傳輸網(wǎng)絡(luò)在容量、速度、時延、性能、安全、可靠性、移動性等方面的需求差異較大,傳統(tǒng)的單一網(wǎng)絡(luò)難以滿足所有通信服務(wù)需求,基于網(wǎng)絡(luò)切片的5G專網(wǎng)技術(shù)應(yīng)運而生,能滿足智能終端連接能力在不斷增強時提出的無線網(wǎng)絡(luò)需求的多樣化、差異化和定制化。

圖2 5G網(wǎng)絡(luò)的行業(yè)應(yīng)用

3GPP組織定義5G網(wǎng)絡(luò)切片是支持特定通信服務(wù)的一組邏輯網(wǎng)絡(luò)功能,通信運營商按定制化客戶需求將用戶特定業(yè)務(wù)引導(dǎo)、接入相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)切片。本文提出的5G專網(wǎng)方案推薦采用虛擬化技術(shù)將某個5G基站的整個網(wǎng)絡(luò)資源在統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)平臺上利用動態(tài)的、安全的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù),將不同需求的通信服務(wù)部署在不同的網(wǎng)絡(luò)切片上,使不同的通信服務(wù)之間實現(xiàn)解耦和邏輯隔離,從而為用戶提供不同的服務(wù)功能和服務(wù)質(zhì)量。

2 水電站智慧運維需求分析

水電站建筑物與構(gòu)筑物大體積混凝土結(jié)構(gòu)復(fù)雜、發(fā)輸配電設(shè)備管線眾多、生產(chǎn)運維危險性大、設(shè)備設(shè)施運檢專業(yè)性強,涉及大量的安全巡檢、物資盤點、資源管理及數(shù)據(jù)錄入工作量。傳統(tǒng)的水力發(fā)電運維模式,對人力、物力的依賴性較強,均不同程度地影響發(fā)電效益[4]。水電站生產(chǎn)運維工作環(huán)境艱苦,工作人員頻繁流動導(dǎo)致專業(yè)運維人員流失,作業(yè)現(xiàn)場存在違章指揮、違章操作和違反勞動紀律的行為可能嚴重影響水電站安全生產(chǎn)和電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。基于5G的網(wǎng)絡(luò)切片生命周期管理包括切片設(shè)計、部署使能、切片運行、閉環(huán)運行、運維監(jiān)控以及能力開放等環(huán)節(jié)[5]。水電站智慧運維系統(tǒng)建設(shè)通過5G、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)可以提升水電站的安全生產(chǎn)和整體運維能力。5G技術(shù)核心優(yōu)勢是移動狀態(tài)下的高速率、高可靠、低時延[6]。水電站的系統(tǒng)架構(gòu)劃分為生產(chǎn)控制大區(qū)(安全區(qū)Ⅰ、安全區(qū)Ⅱ)和管理信息大區(qū)(安全區(qū)Ⅲ、信息外網(wǎng)),在物理層次上劃分為過程層、單元層、廠站層,如圖3 所示[7]。

圖3 智慧水電站總體架構(gòu)

水電站智慧運維依托機器深度學(xué)習(xí)算法模型構(gòu)建數(shù)據(jù)采集與加工、數(shù)據(jù)治理、任務(wù)調(diào)度、數(shù)據(jù)可視化等功能模塊于一體的數(shù)據(jù)算法中臺,運用物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、區(qū)塊鏈、數(shù)據(jù)中臺及5G專網(wǎng)無線接入等技術(shù)應(yīng)用。智慧水電站管理信息大區(qū)中大量的傳感器、終端設(shè)備、便攜式設(shè)備、可穿戴設(shè)備及物聯(lián)網(wǎng)平臺應(yīng)用需要廣泛的無線信號接入,如長時間免維護的物聯(lián)網(wǎng)傳感器、PDA、AR/VR眼鏡、智能安全帽、無人機及輪式機器人等無線傳輸及應(yīng)用,如表1所示。

表1 水電站智慧運維業(yè)務(wù)無線接入指標需求

3 水電站智慧運維典型應(yīng)用例案

隨著大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、5G 和人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)的迅猛發(fā)展,國內(nèi)外各相關(guān)機構(gòu)都嘗試在新能源產(chǎn)業(yè)推進智慧工程[8]。5G專網(wǎng)基站建設(shè)根據(jù)水電站智慧運維應(yīng)用場景、工作類型進行差異化部署,在安全生產(chǎn)、數(shù)據(jù)保護等方面具有顯著優(yōu)勢,能最大限度為水電站智慧運維提供覆蓋場景多樣化、網(wǎng)絡(luò)部署局域化、網(wǎng)元資源定制化。水電站地理位置偏遠、運維巡檢及值班值守人員眾多、無人機巡檢、亟需借助物聯(lián)網(wǎng)傳感器、樹莓派攝像機實現(xiàn)全天候遠程運維視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集和無線傳輸。對于內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜的水電站中人工巡檢難以到達的危險區(qū)域可通過特種作業(yè)機器人代替人工完成作業(yè)活動。具體實現(xiàn)上,4K攝像頭可部署在風(fēng)電機組及升壓站等區(qū)域,通過導(dǎo)軌移動,實現(xiàn)對部署區(qū)域的全面監(jiān)控,視頻數(shù)據(jù)通過5G網(wǎng)絡(luò)實時回傳;同時數(shù)據(jù)采集主機收集回傳風(fēng)機的相關(guān)運行數(shù)據(jù),具體如圖4所示[9]。大流量的高清視頻數(shù)據(jù)通過5G專網(wǎng)工業(yè)網(wǎng)關(guān)5G CPE實時回傳到5G NR,5G NR通過大容量、高速率光纖傳輸?shù)街腔垭娬颈O(jiān)控中心的業(yè)務(wù)云平臺(5GC),從而實現(xiàn)對水電站的運維設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、信息傳輸、高效管控和系統(tǒng)集成。

圖4 發(fā)電機組及升壓站智慧監(jiān)控方案

2023年3月22日,微信公眾號《智慧國家能源》在線發(fā)布《智慧電廠:浙江公司寧海電廠首個5G網(wǎng)絡(luò)項目進入應(yīng)用階段》成功案例。寧海電廠由于消防水地下管網(wǎng)直徑大、管道滲漏點多難查找,積聚消防安全隱患。為提升消防管理本質(zhì)安全水平,該廠立足解決電能生產(chǎn)運維實際難題,依托智能物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析等高新信息技術(shù),開展基于三維可視化的消防水地下管網(wǎng)及重要保護區(qū)域運行動態(tài)顯示項目研究并充分利用5G專網(wǎng)無線接入技術(shù)。利用5G智能傳感技術(shù)將消防水管道閥門的開關(guān)、管網(wǎng)壓力等數(shù)據(jù)高速、精準傳輸給物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測預(yù)警中心大數(shù)據(jù)平臺,形成可視化的監(jiān)管預(yù)警模式。寧海電廠基于5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的智慧電廠管控平臺與IMS智慧企業(yè)管控平臺整合系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫資源。5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的智慧電廠主要包括IMS智慧管控平臺和智能工作臺建設(shè),包括5G網(wǎng)絡(luò)用戶鑒權(quán)認證中心、流程中心、消息處理中心、日志管理、文檔中心以及電腦端業(yè)務(wù)、移動端業(yè)務(wù)、可視化優(yōu)化等業(yè)務(wù)內(nèi)容的高效集成。減少人力成本,提高安全管理效率,采用“5G專網(wǎng)+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”模式打造“智慧電廠”實現(xiàn)了智慧運維,具有行業(yè)標桿示范和積極推廣價值。

4 結(jié)束語

隨著當代中國經(jīng)濟的快速增長、供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革及經(jīng)濟結(jié)構(gòu)調(diào)整的推進,節(jié)能減排、綠色增長已成為經(jīng)濟發(fā)展的共識[10]。農(nóng)村山區(qū)5G基站的大量部署、深度覆蓋以及人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的融合發(fā)展,加快了水利水電行業(yè)數(shù)字化、自化動、智能化轉(zhuǎn)型步伐。大唐海口2×460兆瓦9F級天然氣發(fā)電項目1號機組作為海南省首家“5G+”智慧電廠,創(chuàng)新采用“5G+”工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù),以云計算中心為應(yīng)用平臺建設(shè)智慧電廠管控體系,依托大數(shù)據(jù)處理和云計算平臺,將5G專網(wǎng)技術(shù)融合到智慧電廠建設(shè)中,實現(xiàn)電站生產(chǎn)經(jīng)營全過程數(shù)字化和智慧化管控[11]。本文通過對5G網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵性能、5G專網(wǎng)行業(yè)應(yīng)用解決方案研究,采用行業(yè)成功標桿案例對方案有效性進行回歸驗證。綜合運用三維模型、精確定位、智能識別、紅外檢測、掃碼識別、大數(shù)據(jù)、智能安全帽等技術(shù),建立安全風(fēng)險識別庫及智能安全管控系統(tǒng),實現(xiàn)水電站運維人員生產(chǎn)作業(yè)的全過程追蹤管理,杜絕越界、走錯間隔、誤入危險區(qū)域等安全隱患,保障運維人員安全,提高安全管理水平[12]。2023年2月27日,中共中央、國務(wù)院在《數(shù)字中國建設(shè)整體布局規(guī)劃》中提出數(shù)字中國“2522”整體框架。我國已經(jīng)進入5G時代,已建成規(guī)模最大、技術(shù)最先進的5G網(wǎng)絡(luò)。在國民經(jīng)濟97個大類和采礦、港口、能源、電力、大飛機制造等領(lǐng)域采用5G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)接入。通信運營商將加快推動智慧工廠、智慧礦山、智慧電力等5G行業(yè)應(yīng)用和數(shù)字化轉(zhuǎn)型,加快培育信息服務(wù)新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)、新模式,支撐高效能生產(chǎn)、豐富高品質(zhì)生活和服務(wù)高水平治理。