5G技术在输变电巡检中的应用

国网无锡供电公司 李瑱璘 国网江阴市供电公司 王志源

1 5G 技术在输变电巡检中的应用必要性

为直观阐述5G 技术在输变电巡检中的应用优势和必要性，本文以输变电站运行实例辅助阐述。本厂为综合自动化变电站，主要负责向生产厂区、家属院、综合公司等供电，等级电压为110kV/35kV/10kV，正常工作状态下，1#、2#主变带全厂运行，配置3台5万kVA 有载调压变压器、5台电容器，总容量可以达到15万kVA。现阶段，站内采用4G 输变电巡检模式，能够实现监测数据的实时传输和监测画面的实时更新。

但随着本厂输变电规模扩张，巡检工作压力明显上升，传统4G 网络带宽受限、时延较高，容易出现设备风险识别不到位、故障判别不及时等情况。5G 技术的引入可以较好地解决此类问题，其优点主要集中在以下几个方面：一是高频段传输。传统移动通信模式下，对频段资源的应用大多集中在3GHz以下，长期占用和分配造成了拥堵问题，高频段资源却迟迟未能得到有效利用。而5G 技术采用毫米波、厘米波频段，有效缓解了频谱资源紧张的状况，能够显著提升传输速率。

二是新型多天线传输。5G 技术体系中引入了有源天线阵列，以5G 基站为依托，能够实现128根左右的协作天线数量，搭建起了更为新颖的3D-MIMO 架构，有助于减少用户干扰，扩大无线信号覆盖范围。

三是同时同频全双工。与传统TDD 模式和FDD 模式相比，5G 技术更好地应用了同时同频全双工模式，可以有效降低时延，最高速率可以达到4G 的100倍，空口时延则可以降低至1ms，仅相当于4G 技术的1/10。在输变电巡检中应用该种技术，可以更好地实现信号全覆盖通讯，减少画面卡顿等问题，增强输变电站风险识别和防御能力，促进输变电系统的正常、平稳运行。

2 5G 技术在输变电巡检中的应用方向

2.1 应用于输变电参数检测

本厂运行环节需要变压器、母线、线路开关设备等多种设备仪器的配合运作，日常产生的电压、电流参数信息冗杂、多样，管理难度较大。而5G 技术采用毫米波、微基站、大规模MIMO 等核心技术，传输的速度更快，基站数量更多，可以通过对射频信号的相位控制，实现大容量高速度的实时通讯，输变电参数检测可靠度会明显上升。

本厂在建设过程中，严格遵守《电力系统实时动态监测系统技术规范（Q/GDW 10131-2017）》中所述规定，科学把控动态数据监测要点，配备数据记录功能、越限事件记录功能、低频振荡监测功能等，切实提高输变电巡检的自动化水平，减轻人工巡检负担。尤其要关注相量测量问题，“相量”实际上是振幅、相位、频率均为非时变的正弦波的一个复数，对其进行检测，可以间接判断变压器组别、电流互感器接线正确性、差动保护接线正确性等。利用5G 技术对其进行实时监控时，应当控制好测量误差，在额定频率下，电压和电流幅值测量误差计算公式如下[1]：

其中，Ad代表幅值测量误差；Am代表幅值测量值；Ar代表幅值实际值；Ab代表幅值基准值。相角、频率和频率变化率的测量误差计算公式如下：

Vd=|Vm-Vr|×100%

其中Vd代表测量误差；Vm代表测量；Vr代表际值。电压、电流的相量测量准确度要求分别见表1和表2。

表1 基波电压相量测量准确度要求

表2 基波电流相量测量准确度要求

2.2 应用于智能视频监控

输变电系统运行环节潜在的安全性、稳定性影响因素是多样的，既包含内部因素也包含外部因素，因此在设备线路参数检测的基础上，还需要配备智能视频监控系统，对各类天气性因素、操作性因素、外物性因素进行监控，切实消除巡检盲区，保证输变电系统的高效平稳运行。本厂以5G 技术为依托，探索“固定+便携”视频采集方案的可行性，本次应用过程中，主要以本厂基站为核心建立5G 公网，与视频监测主站、MEC 服务器等连接，可以实时监测异物入侵、鸟巢、塔杆倾斜等情况，借助高清摄像头发现异常问题，上传到图像识别服务器开展分析，并经由5G APN 通道回传中心服务器[2]。通过5G 移动边缘计算技术的应用，还能够实现自动化报警设想，提醒现场工作人员注意危险，进而增强作业安全性和规范性，杜绝违规操作带来的事故风险。

2.3 应用于巡检App 搭建

本厂积极开发了巡检App，其主要的技术架构为“5G+AR”，实现的功能主要包含以下几类：一是巡检任务实时发布。移动巡检App 会在大数据技术的支撑下，对输变电设备历史运行情况、台账信息情况等进行整合分析，生成自动化的巡检报告，经过主管人员确认后生成巡检任务清单，并派发给巡检人员，一线巡检人员通过AR 眼镜接收相关信息，记录巡检流程中发现的缺陷问题并实时提交。

二是运行参数实时判别。巡检人员佩戴AR 眼镜，对设备实物进行外观检测，同时评估相关信息，辅助判断温度、振动变化趋势，发现异常后及时记录和上报。

三是巡检道路实时更新导航。通过借助AR 眼镜实现线路导航，在5G 通信技术的支撑下，进行路线数据的快速传输，实现秒级远程控制，还可以与专家系统对接，完成决策意见的收集。

四是巡检信息实时传送。能够在5G 技术的支撑下，实现现场巡检数据的实时传回，数据直接呈现在管理平台大屏上，管理人员也可以通过手机端App等查看。巡检信息、实时监测信息整合后，形成系统报告，经由App 完成可视化展现，其中实时监测信息误差要求应当符合表3、表4所述要求。注意智能巡检App 对参数的分析是采用抽样法进行的，因此还应当遵照《智能变电站数字化相位核准技术规范（Q/GDW 11054-2013）》所述内容，对数字化采样的交流电气量之间的相序、相位进行核校。核校采用环节推荐使用线性插值法，表达式如下[3]：

表3 保护用电流误差要求

表4 保护用电压误差要求

其中t 为系统采样时刻；SVt1、SVt2均为t 两侧最近的两个实际采样值，SVt为采样推算值。

2.4 应用于无人机智能巡检

无人机巡检同样是输变电巡检的重要发展方向之一，在5G 技术背景下，要积极加以探索和应用。整个架构以5G 无人机巡检系统为控制中枢，本厂工作人员可以提前在平台中规划好巡检任务和巡检路线，通过科学的场地调查、试飞工作，确定最为适宜的飞行巡检方案，以自动化起降维护平台为依托，开展自动化起飞、巡线、通信和充电，减轻人为巡检负担。在无人机内部，还可以嵌入边缘计算通信模块，通过该模块，打通5G 无人机与智能巡检系统之间的交互桥梁，实现远程、实时连接，上位机平台可以实时接收无人机图像、数据，并根据实际情况馈回指令，实现对无人机的远程操纵，达成自动化巡检目标。

本厂巡检系统还具备精度定位、高精度图像识别等功能，可以对特定路线进行规划，对缺陷照片进行修复和再测提醒，结合GIS 系统生成完整、立体的巡检报告。本厂以往的输变电巡检过程中，虽然也有过无人机应用尝试，但主要是通过手柄控制无人机航行，控制距离不能超过1km，且巡检图像无法实时传回系统之中，内业处理负担较重、效率较低。后续又出现了光纤直连、内网对接、动态域名解析登录等方案，但效果整体上不够理想，光纤直连虽然延迟较低、带宽较大，但架设成本过高，使用较为受限（见表5）。5G 技术出现后，为无人机提供了大带宽、低时延的通信支撑，能够较好地适应智能巡检需求。

表5 无人机网络连接方式对比

2.5 应用于巡检平台安全防护

本厂巡检平台面向的用户十分多样，管理不当容易造成信息泄露、丢失等风险，给输变电巡检带来不利影响，因此在实践过程中，还基于5G 技术打造了安全接入平台，以电力站点为依托，串联各区域的输变电机房，搭建出专属于企业内部的本地专网，实现更广泛的互联互通、人机共联，替代现有Wi-Fi 网络或部分有线IP 网络。现阶段，可用的部署方式共有三种，其中软切片方式又包含5G 专线和共享专网这两种不同模式，前者采用点对点组网架构，能够更好地提高服务质量和服务稳定性，后者则可以在基础网络之外提供网络切片，具备逻辑隔离的功效。软硬切片采用混合专网模式，能够与5G网互为配合，提供部分专用网络。此外，还有硬切片模式，遵循独享专网的基本原则，可以向输变电企业提供专用的网络服务，三种部署方式的优势侧重各不相同，实践中要结合实际需求选择。

本厂巡检安全平台直接对接视频图像模块、机器人巡检模块、巡检App 模块等，依照《国家电网有限公司特高压交流变电站在线智能巡视系统技术规范》所述设计接口细节，可以实现监控主机视频数据的实时传回和分析、省级统一视频监控平台数据上报、遵循TCP 传输协议呈现机器人巡检报告、台账信息缺陷报告等。所有信息采用分级加密的管理方式，借助巡检安全平台完成病毒检测和安全解密，最大限度保证数据的安全性和可靠性，降低平台卡死、感染风险。

3 5G 技术在输变电巡检中的应用展望

现阶段，本厂加快了智能电网建设步伐，5G 技术与输变电巡检工作的融合度进一步加深，逐渐呈现出了以下几种趋势：一是可靠发展趋势。相关研究中增加了对基带、射频芯片的研究，将研究仿真场景扩展到工业级环境之中，探讨不同干扰因素可能带来的影响，以确保基带、射频芯片更好地适应各类生产环境，对于高温、高振动、大负荷输变电系统来说，该趋势有着极为显著的促进作用。

二是低功耗发展趋势。当前，输变电系统建设规模不断扩大，如何降低能耗、降低成本支出及电源负担，成为本厂管理者关注的焦点。现有研究中也加强了对5G 新空口技术（5G New Radio，5G NR）的研究力度，从休眠机制、通信协议等方面入手作出了诸多努力，未来有望实现更低功耗的5G 巡检应用。

三是高安全发展趋势。安全性对于输变电站来说较为关键，因此本厂将更多精力放在了eSIM 芯片的安全代理软件开发工具包（Software Development Kit，SDK）接口及协议的开放引进上面，将工具包与国密算法整合起来，实现eSIM 芯片自主可控，有助于输变电自动化巡检系统的发展优化。