5G专网技术在水电站智慧运维中的应用研究

余国利，李 强*，宋仕斌，2，李欣佳

(1.四川公众项目咨询管理有限公司,四川 成都 610058;2.四川大学锦江学院,四川 眉山 620860;3.四川省通信产业服务有限公司信息技术分公司,四川 成都 610058)

0 引言

水电站大多位于深山峡谷之中,传统的生产运营模式需要大量的机械、电力、水工及安保人员,水电站中控室严格落实24小时值班值守制度方能确保水能发电、升压站及电力并网系统正常运行。电力通信网是电力系统各业务环节实现新型信息与通信技术集成,促进智能水平提高的基础[1]。5G、人工智能、工业互联网、云计算及大数据等信息通信技术的迅猛发展及广泛的垂直行业推广、应用,为解决电力、能源企业面临的产能过剩、运营效率低、经营成本高、经济效益欠佳等问题提供智慧运维研究方案。5G技术的出现推动了通信行业的进一步发展,具备低延时、低功耗以及高宽带等优势[2]。电力生产、营销以及服务过程中会产生较多信息数据,且不同业务系统积累的历史业务数据比较多[3]。本文提出的基于5G专网技术的水电站智慧运维方案把5G无线技术、AI、VR、工业互联网等信息通信技术集成运用到电力发电企业生产领域,进一步创新、优化现代企业管理模式,在水电站日常运行维护活动的安全管理、设备检修、故障诊断、监控平台、资源调度等方面实现了数字化转型、提质增效和创新发展。

1 5G专网技术分析及行业应用

5G全新的无线空口自适应技术总体架构如图1所示。采用Massive MIMO及全双工运行模式大幅提升无线接入吞吐率;采用SCMA多址接入技术成倍提升物联网传感器、智能终端等连接数量,降低传输控制时延;灵活的Numerolog波形实现异构网络接入不同物联网业务;Polar 信道编码持续提升可靠性并降低功率消耗,为大规模、低功率物联网智能终端接入创造条件。

图1 5G全新空口自适应技术总体架构

eMBB、uRLLC及mMTC是ITU-R定义的5G无线通信网络的典型应用场景。eMBB应用在高清视频直播、VR/AR、安全环境视频监控数据采集上传等场景,在现有移动宽带业务基础上进一步提升大带宽、高速率和极致的用户体验;uRLLC在全连接智慧工厂、车联网、电网运维等需要超低时延、超高可靠性的无线信息传输应用场景中广泛应用;mMTC通过大幅提升网络容量、连接密度和连接能力等技术在物联网、工业互联网领域实现人、机、网络、平台的“万物互联”,如图2所示。为提升工作、生产、运营效率,传统企业积极实践数字化转型。智慧工厂的不同场景对无线传输网络在容量、速度、时延、性能、安全、可靠性、移动性等方面的需求差异较大,传统的单一网络难以满足所有通信服务需求,基于网络切片的5G专网技术应运而生,能满足智能终端连接能力在不断增强时提出的无线网络需求的多样化、差异化和定制化。

图2 5G网络的行业应用

3GPP组织定义5G网络切片是支持特定通信服务的一组逻辑网络功能,通信运营商按定制化客户需求将用户特定业务引导、接入相应的网络切片。本文提出的5G专网方案推荐采用虚拟化技术将某个5G基站的整个网络资源在统一的网络平台上利用动态的、安全的网络切片技术,将不同需求的通信服务部署在不同的网络切片上,使不同的通信服务之间实现解耦和逻辑隔离,从而为用户提供不同的服务功能和服务质量。

2 水电站智慧运维需求分析

水电站建筑物与构筑物大体积混凝土结构复杂、发输配电设备管线众多、生产运维危险性大、设备设施运检专业性强,涉及大量的安全巡检、物资盘点、资源管理及数据录入工作量。传统的水力发电运维模式,对人力、物力的依赖性较强,均不同程度地影响发电效益[4]。水电站生产运维工作环境艰苦,工作人员频繁流动导致专业运维人员流失,作业现场存在违章指挥、违章操作和违反劳动纪律的行为可能严重影响水电站安全生产和电网的稳定运行。基于5G的网络切片生命周期管理包括切片设计、部署使能、切片运行、闭环运行、运维监控以及能力开放等环节[5]。水电站智慧运维系统建设通过5G、物联网、工业互联网等信息技术可以提升水电站的安全生产和整体运维能力。5G技术核心优势是移动状态下的高速率、高可靠、低时延[6]。水电站的系统架构划分为生产控制大区(安全区Ⅰ、安全区Ⅱ)和管理信息大区(安全区Ⅲ、信息外网),在物理层次上划分为过程层、单元层、厂站层,如图3 所示[7]。

图3 智慧水电站总体架构

水电站智慧运维依托机器深度学习算法模型构建数据采集与加工、数据治理、任务调度、数据可视化等功能模块于一体的数据算法中台,运用物联网、人工智能、区块链、数据中台及5G专网无线接入等技术应用。智慧水电站管理信息大区中大量的传感器、终端设备、便携式设备、可穿戴设备及物联网平台应用需要广泛的无线信号接入,如长时间免维护的物联网传感器、PDA、AR/VR眼镜、智能安全帽、无人机及轮式机器人等无线传输及应用,如表1所示。

表1 水电站智慧运维业务无线接入指标需求

3 水电站智慧运维典型应用例案

随着大数据、云计算、物联网、5G 和人工智能等现代信息技术的迅猛发展,国内外各相关机构都尝试在新能源产业推进智慧工程[8]。5G专网基站建设根据水电站智慧运维应用场景、工作类型进行差异化部署,在安全生产、数据保护等方面具有显著优势,能最大限度为水电站智慧运维提供覆盖场景多样化、网络部署局域化、网元资源定制化。水电站地理位置偏远、运维巡检及值班值守人员众多、无人机巡检、亟需借助物联网传感器、树莓派摄像机实现全天候远程运维视频监控、数据采集和无线传输。对于内部构造复杂的水电站中人工巡检难以到达的危险区域可通过特种作业机器人代替人工完成作业活动。具体实现上,4K摄像头可部署在风电机组及升压站等区域,通过导轨移动,实现对部署区域的全面监控,视频数据通过5G网络实时回传;同时数据采集主机收集回传风机的相关运行数据,具体如图4所示[9]。大流量的高清视频数据通过5G专网工业网关5G CPE实时回传到5G NR,5G NR通过大容量、高速率光纤传输到智慧电站监控中心的业务云平台(5GC),从而实现对水电站的运维设备的数据采集、信息传输、高效管控和系统集成。

图4 发电机组及升压站智慧监控方案

2023年3月22日,微信公众号《智慧国家能源》在线发布《智慧电厂:浙江公司宁海电厂首个5G网络项目进入应用阶段》成功案例。宁海电厂由于消防水地下管网直径大、管道渗漏点多难查找,积聚消防安全隐患。为提升消防管理本质安全水平,该厂立足解决电能生产运维实际难题,依托智能物联网、大数据分析等高新信息技术,开展基于三维可视化的消防水地下管网及重要保护区域运行动态显示项目研究并充分利用5G专网无线接入技术。利用5G智能传感技术将消防水管道阀门的开关、管网压力等数据高速、精准传输给物联网监测预警中心大数据平台,形成可视化的监管预警模式。宁海电厂基于5G+工业互联网架构的智慧电厂管控平台与IMS智慧企业管控平台整合系统和数据库资源。5G+工业互联网架构的智慧电厂主要包括IMS智慧管控平台和智能工作台建设,包括5G网络用户鉴权认证中心、流程中心、消息处理中心、日志管理、文档中心以及电脑端业务、移动端业务、可视化优化等业务内容的高效集成。减少人力成本,提高安全管理效率,采用“5G专网+工业互联网”模式打造“智慧电厂”实现了智慧运维,具有行业标杆示范和积极推广价值。

4 结束语

随着当代中国经济的快速增长、供给侧结构性改革及经济结构调整的推进,节能减排、绿色增长已成为经济发展的共识[10]。农村山区5G基站的大量部署、深度覆盖以及人工智能、工业互联网的融合发展,加快了水利水电行业数字化、自化动、智能化转型步伐。大唐海口2×460兆瓦9F级天然气发电项目1号机组作为海南省首家“5G+”智慧电厂,创新采用“5G+”工业互联网技术,以云计算中心为应用平台建设智慧电厂管控体系,依托大数据处理和云计算平台,将5G专网技术融合到智慧电厂建设中,实现电站生产经营全过程数字化和智慧化管控[11]。本文通过对5G网络关键性能、5G专网行业应用解决方案研究,采用行业成功标杆案例对方案有效性进行回归验证。综合运用三维模型、精确定位、智能识别、红外检测、扫码识别、大数据、智能安全帽等技术,建立安全风险识别库及智能安全管控系统,实现水电站运维人员生产作业的全过程追踪管理,杜绝越界、走错间隔、误入危险区域等安全隐患,保障运维人员安全,提高安全管理水平[12]。2023年2月27日,中共中央、国务院在《数字中国建设整体布局规划》中提出数字中国“2522”整体框架。我国已经进入5G时代,已建成规模最大、技术最先进的5G网络。在国民经济97个大类和采矿、港口、能源、电力、大飞机制造等领域采用5G网络实现工业互联网接入。通信运营商将加快推动智慧工厂、智慧矿山、智慧电力等5G行业应用和数字化转型,加快培育信息服务新产业、新业态、新模式,支撑高效能生产、丰富高品质生活和服务高水平治理。