5G網絡下電力物聯網技術在計量裝置監控中應用的可行性分析

李成廣

(國網河北省電力有限公司邯鄲供電分公司，河北 邯鄲 056000)

5G技術，即第五代移動通信技術，為最新一代蜂窩移動通信技術(ITU IMT-2020規范要求速度高達20 Gbit/s)可實現寬信道帶寬和大容量MIMO[1]。5G技術使物物間關聯變得更為廣泛、方便，加速了電力物聯網應用層面的搭建過程[2]。國家電網有限公司2019年做出全面推進“三型兩網”建設的重要決策，建設“泛在電力物聯網”是落實“三型兩網”戰略目標的核心任務。電力物聯網技術具備全息感知、泛在聯接、開放共享、融合創新的特點。在電力營銷專業領域，電能計量裝置經常受到各種環境、人為、不可抗力等因素影響導致發生故障。通常處理這些故障問題，計量人員只能事后分析，無法得知故障發生時的狀況解決根源問題?；?G技術的電能計量裝置監控物聯網的建立，提供了一種為電能計量裝置故障溯源求本、提質增效的可行性方案。

1 應用方案的設計

從傳統技術角度看，典型監控系統由高清攝像頭、傳輸部分、控制部分、記錄部分、顯示部分五部分組成。從現代物聯網技術角度看，基于泛在電力物聯網技術的電能計量裝置監控包括感知層、網絡層、平臺層、應用層4個層次，之間通過5G網絡進行數據通信。通過感知層、網絡層和平臺層承載監控數據共享、基礎支撐2個方向的建設內容，對計量裝置內(計量二次回路、表內)、外部(計量裝置本體以外范圍)實現了全面監控。

1.1 感知層

電能計量裝置監控設施應實現終端標準化統一接入，全面推廣實物ID，以及通信、計算等資源共享，在源端實現數據融通和邊緣智能。

1.1.1 統一感知接入

感知設備接入管理系統將通過技術性手段，強制實行相關規范，引導統一終端標準，推動跨專業數據同源采集，實現監控數據與配電側、用電側采集監控深度覆蓋，提升終端智能化和邊緣計算水平。統一接入有利于用戶側監控系統響應的穩定性，通過分布在不同方位的傳感器實現攝像頭及時準確獲音頻、視頻數據。

1.1.2 邊緣智能處理

應用實現設備包括：傳感器、監控攝像系統、電能表數據讀取線路、分布控制中心。傳感器安裝在電能表、互感器、二次回路、及整個計量裝置周邊可探測的有效位置，作用是探測異常事件(包括聲、光、溫度等的變化)，并傳遞給分布控制中心;監控攝像系統能觀察到電能表、互感器、二次回路及整個計量裝置，布置在用戶配電室或計量桿塔等處;電能表數據線路用于傳輸表內數據，與控制中心存儲正常數據對比;分布控制中心作用是接收傳感器傳遞的信息，調取電能表實時計量參數內進行分析，并作出判斷，確定是否與計量裝置設備進行數據交互。

1.2 網絡層

網絡層可分為接入網、骨干網、業務網、支撐網。接入網，即若干傳感器、監控攝像系統與分布控制中心間構成的網絡，為主要信息采集入網口，由5G熱點無線寬帶技術(WIFI、WiMAX等)實現。骨干網，即不同分布控制中心間組成的網絡，由5G熱點無線寬帶技術(WIFI、Wi MAX等)實現。業務網，即用電檢查員，計量人員、電力用戶等為辦理各種業務進行信息數據交流溝網，主要為移動App，通信工具等來實現。支撐網，即5G通信網絡，主要作是將分布控制中心、186系統、電能采集系統組網支撐平臺層的運行。

1.3 平臺層

平臺層的實現依托企業中臺，共享平臺服務能力，支撐電能計量裝置的監控系統[3]。通過分布控制中心的互聯實現超大規模傳感器與監控系統統一物聯管理，深化全業務統一數據中心建設。

1.3.1 能力開放

本系統依托分布控制中心構建統一主站(數據中臺)，實現各類異常數據“一次采集，多處使用”，挖掘數據價值，建立數據模型，實現能力開放。各用戶分布控制中心實現互聯，將數據通過數據中臺處理，并傳至各分布控制中心，實現算法的梳理與升級。然后，通過數據中臺處理的數據，面向186系統、與電能采集系統實現共享。

1.3.2 物聯管控

各分布控制中心實現可信互聯、安全互動、智能防御，實現了其重要的邊緣計算與控制?？尚呕ヂ?，規范泛在電力物聯網的終端安全策略管控原則，構建基于密碼基礎設施的快速、靈活、互認的身份認證機制;安全互動，落實分類授權和數據防泄漏措施，強化App防護、應用審計和安全交互技術，實現“物-物”、“人-物”、“人-人”安全信息互動;智能防御，對物聯網安全態勢的動態感知、預警信息自動分發、安全威脅智能分析、響應措施聯動處置。

1.4 應用層

該系統的建立，重點是全面支撐核心業務智慧化運營，全面服務能源互聯網生態，促進管理提升和業務轉型。

1.4.1 客戶服務

優化電力資源配置，在用電環節制止浪費、降低電耗、移峰填谷、促進可再生能源電力消費、減少污染物和溫室氣體排放，實現節約用電、環保用電、綠色用電、智能用電和有序用電。

1.4.2 企業運營

通過對計量裝置的監控，實現對企業設備狀態預警、售電量和負荷預測、新能源發電功率預測等應用，提升精益化管理水平，催化企業內部的技術創新、新產品開發，提高生產產品的質量，進而提高企業的經濟效益。

1.4.3 電網運行

通過對計量裝置的監控，對電網的供電質量能力起到了監測的作用，從而了解電網運行中可能存在的問題和隱患。計量裝置中的二次回路對電網供電的反饋非常直接，可以及時發現電網運行中的問題，并且及時的“物-人”互聯。

1.4.4 新興業務

基于泛在電力物聯網的電能計量監控系統的建設改變了傳統供用電關系，變成了一種相互信任的合作關系，具體新興業務形式有：峰谷用電提醒、三相負荷調整建議、需求側分析、總表套表電量差額分析、用電常識培訓、緊事件報警等。

2 應用方案的可行性分析

借鑒5M1E分析法，從人、機器、材料、方法、測量、環境6個因素分析應用的可行性。

2.1 人

2.1.1 基本培訓

本項目的參比數據信息來自國網河北省電力有限公司采集系統與國網186系統，所涉及計量監控項目范圍為傳統調取數據，主要關聯終端在手機App，易于工作人員基本培訓。

2.1.2 技術熟練程度。

第一，應急預案庫。應急預案庫指導工作人員及時執行方案，應對事故或故障事件的發生，可快速實現技術熟練程度提高;第二，主動溝通機制。對于重要電力用戶建立主動溝通機制及時的進行數據共享與交流。

2.2 機器

2.2.1 計量監控的實施精度

計量裝置主要包括計量表、二次回路、電流互感器、電壓互感器、接線盒、計量箱等。這些均作為計量監控的實施對象，采取攝像頭圖像全貌監控與傳感器環境監控結合方式(見表1)。

針對監控精度的提高，可增加組合的數量和種類即可實現。

2.2.2 計量監控的維護保養

2.2.2.1 傳感器

各傳感器的使用地點、條件、類別、壽命納入數據庫管理，定期進行檢測更換，并且滿足GB/T 20485—2007/ISO 16063-21.2003第4章的技術要求可以保證與系統連接的有效性滿足工作要求。

2.2.2.2 通信線纜

通過信號傳輸過程中的數據即可判斷通信線纜的運行狀態，及可進行更換處理，便于維護保養。

2.2.2.3 負控終端

通過采集系統在線情況可以直接反饋負控終端的運行狀態，根據工作經驗判斷故障原因，通過更換終端解決硬件故障。

2.2.2.4 網絡傳輸

通過5G信號的大數據處理完成計量現場的監控數據傳輸，相關的設備與部件與電信公司建立聯合監測機制，將異常結果納入維護和保養清單，進行后期的處理，維護數據傳輸的連續性。

2.3 材料

2.3.1 能源接入

一般為用戶側帶計量點接入，以扣減電費形式抵扣用戶電費。這種形式從可靠性、經濟性、實用性上，均為方便可行的方案。

2.3.2 能源損耗

設置可休眠功能，在多項傳感器指標穩定均態范圍同進存在時，可將功耗降為最低，即可實現能源損耗的經濟性。

2.4 方法

2.4.1 實施具體工藝

整個項目的設計思路是圍繞計量巡檢人的感觀延伸與拓展的方向，用傳感器代替人的視、聽、聞、味、觸等感官收集數據以供后期分析判斷，這些均存在對應的傳感器。5G網絡下，通過每一個傳感器傳遞給分布控制中心驅動信號，對計量裝置的正常與異常進行判斷，當分布控制中心內置算法經過比對呈現結果時，傳至計量人員，進行及時的處理改進。

2.4.2 操作規程

計量裝置監控系統操作規程的制定主要參考《國家電網公司計量工作管理規定》、《國家電網公司計量現場手持設備管理辦法》、《國家電網公司電能計量故障、差錯調查處理規定》等。以《中華人民共和國電力法》、《中華人民共和國計量法》、《電力供應與使用條例》、《供電營業規則》等法律法規作為基礎法律支撐。

2.5 測量

獲取電力物聯網數據的主要方式為測量，技術依據參考現有標準GB/T 33474-2016《物聯網參考體系結構》、GB/T 6107-2000《使用串行二進制數據交換的數據終端設備和數據電路終接設備之間的接口》等。根據相關標準中對于監控系統的可靠性要求，所獲得數據可靠性達到標準要求，完全可行。

2.6 環境

項目實施區域的溫度、濕度、大氣壓力條件(見表2)。

表2 工作環境與工作溫度要求

2.6.1 高溫與低溫實驗

項目采用Q/GDW 1560.1-2014《輸電線路圖像/視頻監控裝置技術規范第1部分 圖像監控裝置》中6.1關于工作環境與工作溫度的要求。按照GB/T 2423.1-2008《電工電子產品環境試驗 第2部分：試驗方法 試驗A：低溫》中規定的試驗方法和要求進行，并在Q/GDW 1560.1-2014 6.6.1與6.6.2中規定的嚴酷等級下進行試驗，監控裝置采集時間間隔為30 min。試驗期間數據缺失率不大于1%，達到標準要求。

2.6.2 交變濕熱試驗

按照GB/T 2423.4-2008中規定的試驗方法和要求進行，并在Q/GDW 1560.1-2014 6.6.3中規定的嚴酷等級下進行試驗，監控裝置采集時間間隔為30 min。試驗期間數據缺失率不大于1%，達到標準要求。

綜上所述，通過對本項目5M1E因素分析論證，得出結論，5G下電力物聯網技術在計量裝置監控中的應用具有充分的可行性與可操作性。

3 預期實施效果

3.1 全息感知

5G網絡下，實現用戶電能計量裝置的外在和內在信息的匯集、傳輸、轉換，利用各環節設備，使客戶狀態的全感知、業務全穿透。每一個傳感器都相當于用電檢查人員和計量工作人員到達用戶現場的點，實現人與物密集的關系接觸，體現了電力物聯網技術的良好應用成果，提高了計量裝置設備可靠性、穩定性。

3.2 泛在連接

實現“物-物”、“人-物”、“人-人”安全信息互動;實現內部設備、用戶和數據的即時連接;實現電能計量裝置設備主人與客戶的全時空泛在連接。通過泛在連接，計量裝置各部分都處在用電檢查人員和計量工作員的掌握之下，人與設備高度結合，便于及時發現異常、處理異常，工作效率提高，解決問題能力加強。

3.3 開放共享

遵循以開放共享，在以人為中心的基礎上，進一步延伸人的感知，通過平臺App共享數據，使營銷計量專業信息公正、公開、客觀、透明，保障電力客戶利益不受損失，實現價值共創，戰略共贏。

3.4 融合創新

結合了電力、電子、通信、遙感等多項技術手段，推動“兩網”深度融合與數據融通，提高管理創新、業務創新和業態創新能力，開拓新的創新思路，將電能計量裝置接入“國網云”。

4 結束語

電力物聯網技術是一種手段，其目的是能夠產生新價值，創造新效益。以上提出一種在5G網絡下基于電力物聯網技術的電能計量裝置監控系統，具有一定的應用價值，針對電力營銷專業面對的現實問題，突破傳統工作模式，使其實現跨越式發展，值得應用推廣。