5G專網技術在水電站智慧運維中的應用研究

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;2.四川大學錦江學院,四川 眉山 620860;3.四川省通信產業服務有限公司信息技術分公司,四川 成都 610058)

0 引言

水電站大多位于深山峽谷之中,傳統的生產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電、升壓站及電力并網系統正常運行。電力通信網是電力系統各業務環節實現新型信息與通信技術集成,促進智能水平提高的基礎[1]。5G、人工智能、工業互聯網、云計算及大數據等信息通信技術的迅猛發展及廣泛的垂直行業推廣、應用,為解決電力、能源企業面臨的產能過剩、運營效率低、經營成本高、經濟效益欠佳等問題提供智慧運維研究方案。5G技術的出現推動了通信行業的進一步發展,具備低延時、低功耗以及高寬帶等優勢[2]。電力生產、營銷以及服務過程中會產生較多信息數據,且不同業務系統積累的歷史業務數據比較多[3]。本文提出的基于5G專網技術的水電站智慧運維方案把5G無線技術、AI、VR、工業互聯網等信息通信技術集成運用到電力發電企業生產領域,進一步創新、優化現代企業管理模式,在水電站日常運行維護活動的安全管理、設備檢修、故障診斷、監控平臺、資源調度等方面實現了數字化轉型、提質增效和創新發展。

1 5G專網技術分析及行業應用

5G全新的無線空口自適應技術總體架構如圖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多址接入技術成倍提升物聯網傳感器、智能終端等連接數量,降低傳輸控制時延;靈活的Numerolog波形實現異構網絡接入不同物聯網業務;Polar 信道編碼持續提升可靠性并降低功率消耗,為大規模、低功率物聯網智能終端接入創造條件。

圖1 5G全新空口自適應技術總體架構

eMBB、uRLLC及mMTC是ITU-R定義的5G無線通信網絡的典型應用場景。eMBB應用在高清視頻直播、VR/AR、安全環境視頻監控數據采集上傳等場景,在現有移動寬帶業務基礎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、車聯網、電網運維等需要超低時延、超高可靠性的無線信息傳輸應用場景中廣泛應用;mMTC通過大幅提升網絡容量、連接密度和連接能力等技術在物聯網、工業互聯網領域實現人、機、網絡、平臺的“萬物互聯”,如圖2所示。為提升工作、生產、運營效率,傳統企業積極實踐數字化轉型。智慧工廠的不同場景對無線傳輸網絡在容量、速度、時延、性能、安全、可靠性、移動性等方面的需求差異較大,傳統的單一網絡難以滿足所有通信服務需求,基于網絡切片的5G專網技術應運而生,能滿足智能終端連接能力在不斷增強時提出的無線網絡需求的多樣化、差異化和定制化。

圖2 5G網絡的行業應用

3GPP組織定義5G網絡切片是支持特定通信服務的一組邏輯網絡功能,通信運營商按定制化客戶需求將用戶特定業務引導、接入相應的網絡切片。本文提出的5G專網方案推薦采用虛擬化技術將某個5G基站的整個網絡資源在統一的網絡平臺上利用動態的、安全的網絡切片技術,將不同需求的通信服務部署在不同的網絡切片上,使不同的通信服務之間實現解耦和邏輯隔離,從而為用戶提供不同的服務功能和服務質量。

2 水電站智慧運維需求分析

水電站建筑物與構筑物大體積混凝土結構復雜、發輸配電設備管線眾多、生產運維危險性大、設備設施運檢專業性強,涉及大量的安全巡檢、物資盤點、資源管理及數據錄入工作量。傳統的水力發電運維模式,對人力、物力的依賴性較強,均不同程度地影響發電效益[4]。水電站生產運維工作環境艱苦,工作人員頻繁流動導致專業運維人員流失,作業現場存在違章指揮、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和電網的穩定運行?；?G的網絡切片生命周期管理包括切片設計、部署使能、切片運行、閉環運行、運維監控以及能力開放等環節[5]。水電站智慧運維系統建設通過5G、物聯網、工業互聯網等信息技術可以提升水電站的安全生產和整體運維能力。5G技術核心優勢是移動狀態下的高速率、高可靠、低時延[6]。水電站的系統架構劃分為生產控制大區(安全區Ⅰ、安全區Ⅱ)和管理信息大區(安全區Ⅲ、信息外網),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

水電站智慧運維依托機器深度學習算法模型構建數據采集與加工、數據治理、任務調度、數據可視化等功能模塊于一體的數據算法中臺,運用物聯網、人工智能、區塊鏈、數據中臺及5G專網無線接入等技術應用。智慧水電站管理信息大區中大量的傳感器、終端設備、便攜式設備、可穿戴設備及物聯網平臺應用需要廣泛的無線信號接入,如長時間免維護的物聯網傳感器、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用,如表1所示。

表1 水電站智慧運維業務無線接入指標需求

3 水電站智慧運維典型應用例案

隨著大數據、云計算、物聯網、5G 和人工智能等現代信息技術的迅猛發展,國內外各相關機構都嘗試在新能源產業推進智慧工程[8]。5G專網基站建設根據水電站智慧運維應用場景、工作類型進行差異化部署,在安全生產、數據保護等方面具有顯著優勢,能最大限度為水電站智慧運維提供覆蓋場景多樣化、網絡部署局域化、網元資源定制化。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、亟需借助物聯網傳感器、樹莓派攝像機實現全天候遠程運維視頻監控、數據采集和無線傳輸。對于內部構造復雜的水電站中人工巡檢難以到達的危險區域可通過特種作業機器人代替人工完成作業活動。具體實現上,4K攝像頭可部署在風電機組及升壓站等區域,通過導軌移動,實現對部署區域的全面監控,視頻數據通過5G網絡實時回傳;同時數據采集主機收集回傳風機的相關運行數據,具體如圖4所示[9]。大流量的高清視頻數據通過5G專網工業網關5G CPE實時回傳到5G NR,5G NR通過大容量、高速率光纖傳輸到智慧電站監控中心的業務云平臺(5GC),從而實現對水電站的運維設備的數據采集、信息傳輸、高效管控和系統集成。

圖4 發電機組及升壓站智慧監控方案

2023年3月22日,微信公眾號《智慧國家能源》在線發布《智慧電廠:浙江公司寧海電廠首個5G網絡項目進入應用階段》成功案例。寧海電廠由于消防水地下管網直徑大、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安全水平,該廠立足解決電能生產運維實際難題,依托智能物聯網、大數據分析等高新信息技術,開展基于三維可視化的消防水地下管網及重要保護區域運行動態顯示項目研究并充分利用5G專網無線接入技術。利用5G智能傳感技術將消防水管道閥門的開關、管網壓力等數據高速、精準傳輸給物聯網監測預警中心大數據平臺,形成可視化的監管預警模式。寧海電廠基于5G+工業互聯網架構的智慧電廠管控平臺與IMS智慧企業管控平臺整合系統和數據庫資源。5G+工業互聯網架構的智慧電廠主要包括IMS智慧管控平臺和智能工作臺建設,包括5G網絡用戶鑒權認證中心、流程中心、消息處理中心、日志管理、文檔中心以及電腦端業務、移動端業務、可視化優化等業務內容的高效集成。減少人力成本,提高安全管理效率,采用“5G專網+工業互聯網”模式打造“智慧電廠”實現了智慧運維,具有行業標桿示范和積極推廣價值。

4 結束語

隨著當代中國經濟的快速增長、供給側結構性改革及經濟結構調整的推進,節能減排、綠色增長已成為經濟發展的共識[10]。農村山區5G基站的大量部署、深度覆蓋以及人工智能、工業互聯網的融合發展,加快了水利水電行業數字化、自化動、智能化轉型步伐。大唐?？?×460兆瓦9F級天然氣發電項目1號機組作為海南省首家“5G+”智慧電廠,創新采用“5G+”工業互聯網技術,以云計算中心為應用平臺建設智慧電廠管控體系,依托大數據處理和云計算平臺,將5G專網技術融合到智慧電廠建設中,實現電站生產經營全過程數字化和智慧化管控[11]。本文通過對5G網絡關鍵性能、5G專網行業應用解決方案研究,采用行業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、大數據、智能安全帽等技術,建立安全風險識別庫及智能安全管控系統,實現水電站運維人員生產作業的全過程追蹤管理,杜絕越界、走錯間隔、誤入危險區域等安全隱患,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、國務院在《數字中國建設整體布局規劃》中提出數字中國“2522”整體框架。我國已經進入5G時代,已建成規模最大、技術最先進的5G網絡。在國民經濟97個大類和采礦、港口、能源、電力、大飛機制造等領域采用5G網絡實現工業互聯網接入。通信運營商將加快推動智慧工廠、智慧礦山、智慧電力等5G行業應用和數字化轉型,加快培育信息服務新產業、新業態、新模式,支撐高效能生產、豐富高品質生活和服務高水平治理。