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        數(shù)字特高壓行業(yè)專網(wǎng)方案研究*

        2022-12-17 07:26:30許文秀麥磊鑫李建林管郭煒張秋菊
        廣東通信技術(shù) 2022年11期
        關(guān)鍵詞:專網(wǎng)換流站特高壓

        [許文秀 麥磊鑫 李建林 管郭煒 張秋菊]

        1 引言

        5G 是全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的代表核心技術(shù)之一,是實現(xiàn)“萬物互聯(lián)”、人機交互的新興戰(zhàn)略性通信基礎(chǔ)設施。特高壓直流輸電系統(tǒng),則是另一張中國工程的國家名片。南方電網(wǎng)超高壓公司承擔著國家能源“西電東送”的重要使命,所轄運維南方電網(wǎng)公司“八交十直”的西電東送主網(wǎng)架。安全、可靠、綠色、高效,以人民為中心,全面滿足用戶對美好生活的能源電力需求是南方電網(wǎng)公司的價值體系。然而伴隨著電網(wǎng)系統(tǒng)高可靠性的要求,必然帶來更高的運維要求。

        為推動智能電網(wǎng)發(fā)展和數(shù)字化轉(zhuǎn)型,實現(xiàn)更高水平的運行維護,提前發(fā)現(xiàn)設備微小隱患,減輕基層一線班組負擔,打通管理與運維的壁壘,南方電網(wǎng)公司從2018 年開始探索5G 與智能電網(wǎng)的結(jié)合。[1]其中南方電網(wǎng)超高壓公司與中國電信廣東公司開展了融合5G 的智能特高壓換流站行業(yè)專網(wǎng)建設、應用技術(shù)研究及業(yè)務驗證。通過解決末端海量物聯(lián)數(shù)據(jù)接入的通信“卡脖子”問題,推進5G+智能電網(wǎng)應用研究工作,構(gòu)建5G+數(shù)字電網(wǎng)生態(tài)圈。[2]

        1.1 行業(yè)痛點

        當前電力行業(yè)各電壓等級的換流站、變電站、電力大廈、電廠等大型電力園區(qū)內(nèi)存在多種類型業(yè)務,包括大量生產(chǎn)控制、管理信息業(yè)務,該類業(yè)務均通過有線形式接入電力網(wǎng)絡,連接到后端系統(tǒng)主站。大量的有線連接建立在一個封閉的園區(qū)內(nèi),存在很多痛點。

        痛點1:大量線纜的布放占用大量空間及施工量。

        痛點2:新建站點/園區(qū)需要預留未來的線纜布設空間,浪費資源;老舊站點新增業(yè)務布線改造難度大,影響原有業(yè)務;

        痛點3:不同業(yè)務數(shù)據(jù)使用不同連接線纜,業(yè)務越多線纜越多;

        痛點4:生產(chǎn)控制業(yè)務無法通過無線接入。

        1.2 行業(yè)需求

        構(gòu)建安全可信、大帶寬、低時延、海量傳感器的行業(yè)專網(wǎng),在特定的保障需求下,可脫離運營商主干網(wǎng)絡獨立運行。

        目前南方電網(wǎng)高等級的變電站/換流站應用中基于安全考慮,仍存在最后一公里無線通信瓶頸。以光纖通信網(wǎng)絡作為支撐各類設備通信的骨干網(wǎng)絡,缺乏安全、可靠、保密的日常運行維護移動通信支撐,而4G、WIFI 等技術(shù)手段因安全性不足,無法接入電力管理安全區(qū)。隨著大規(guī)模視頻監(jiān)控、移動作業(yè)、應急通信、站內(nèi)通信等大帶寬型視頻、圖像、語音流業(yè)務;以及在線檢測、傳感表計、環(huán)境監(jiān)控、無線定位模塊等低功耗窄帶數(shù)據(jù)采集業(yè)務快速發(fā)展,迫切需要構(gòu)建安全可信、大帶寬、低時延、海量傳感器的園區(qū)行業(yè)專網(wǎng),并采用先進、可靠、穩(wěn)定、高效的新興通信技術(shù)及系統(tǒng)予以支撐,在特定的保障需求下,可脫離運營商主干網(wǎng)絡獨立運行,這是特高壓電網(wǎng)發(fā)展對5G通信網(wǎng)提出的新需求。

        2 數(shù)字特高壓5G 行業(yè)專網(wǎng)設計

        2.1 總述

        電力有剛需,5G 有能力?;陔娏π袠I(yè)對業(yè)務可靠、安全可信、可管可控的需求,作為5G 賦能行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的領(lǐng)跑者,中國電信聯(lián)合南方電網(wǎng)超高壓公司及產(chǎn)業(yè)鏈上下游合作伙伴,開創(chuàng)性地提出了“數(shù)據(jù)不出站,孤網(wǎng)可運行”的如翼5G 數(shù)字特高壓換流站定制網(wǎng)方案,[3]為智能電網(wǎng)提供泛在、靈活、經(jīng)濟、可靠、安全的無線通信技術(shù),解決傳統(tǒng)電網(wǎng)被通信卡脖子的痛點,更好賦能行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級。

        2.2 頂層設計架構(gòu)

        根據(jù)客戶需求,整個項目的頂層設計架構(gòu)如圖1 所示,[4]包含了以下內(nèi)容。

        (1)安全敏感網(wǎng)絡

        面向特高壓換流站這類安全敏感型企業(yè),采用電信如翼模式定制專網(wǎng)。通過定制專用基站、專用頻率以及專用園區(qū)級輕量化5GC 等專用網(wǎng)絡設備,[5]為換流站提供一張隔離的、端到端高性能的、可管可控可靠的專用接入網(wǎng)絡,同時按需定制MEC 與電力應用。

        (2)云網(wǎng)融合

        通過5G+邊緣UPF+MEC 的云網(wǎng)融合技術(shù),[6]最大發(fā)揮云邊協(xié)同的優(yōu)勢,提供帶寬增強、低時延、數(shù)據(jù)不出園、業(yè)務不中斷的5G 專網(wǎng)服務。

        (3)定制化應用

        通過5G QOS 保障、人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、數(shù)字孿生、傳感器等技術(shù)實現(xiàn)對特高壓換流站人、機、物全要素的數(shù)據(jù)采集、分析和呈現(xiàn)。

        (4)智能終端

        通過5G 高清攝像頭、巡檢機器人、傳感器/表計、智能安全帽、單兵終端等智能終端與5G 技術(shù)的融合,助力特高壓換流站生產(chǎn)運營的高安全、高效率、數(shù)智化發(fā)展。

        圖1 項目頂層設計架構(gòu)

        2.3 行業(yè)專網(wǎng)方案

        在超高壓園區(qū)建設電信如翼5G 定制網(wǎng),如圖2 所示,主要包含5GC 下沉網(wǎng)元(含AMF、SMF、UDM 和UPF 等)、數(shù)通設備、宏站及室分小基站等專用網(wǎng)絡設備,覆蓋整個南網(wǎng)超高壓東方換流站。同時建設專用MEC(移動邊緣計算)平臺,接入5G 攝像頭、移動單兵、機器人等設備,打造智能檢測、機器人巡檢、智能安監(jiān)、智慧工地、移動作業(yè)、事故處理及應急指揮等5G 應用場景。

        圖2 項目總體組網(wǎng)架構(gòu)圖

        (1)無線網(wǎng)方案

        5G 定制網(wǎng)室外無線覆蓋方案:在換流站內(nèi)輔控樓梯間頂新建一個電力獨享5G 宏站,頻率與5G 公網(wǎng)錯開,天線掛高20 m,滿足換流站室外5G 信號全覆蓋。

        由于特高壓換流站建筑墻體較厚,且墻外有金屬屏蔽網(wǎng),室外宏站無法覆蓋室內(nèi)。故根據(jù)業(yè)務需求,在主控樓主控室、繼保室等室內(nèi)區(qū)域部署電力獨享5G 數(shù)字化室分,滿足樓宇建筑室內(nèi)業(yè)務的信號覆蓋需求。

        (2)承載網(wǎng)方案

        因特高壓換流站的高安全等級要求,本方案站內(nèi)傳輸均采用電力承載網(wǎng)。BBU、UPF 和MEC 就近部署于特高壓換流站內(nèi),邊緣UPF 通過電力承載網(wǎng)進行跨地市的信號傳輸,在超高壓總部通過新增的防火墻與運營商STN對接,與電信核心網(wǎng)互聯(lián)互通,同時經(jīng)防火墻與電力應用中心接通,整個承載方案確保業(yè)務數(shù)據(jù)在電力內(nèi)網(wǎng)流通,安全可靠不外泄。

        在本方案下,數(shù)據(jù)流可分為大網(wǎng)-園區(qū)控制流、園區(qū)網(wǎng)控制流及數(shù)據(jù)流,相關(guān)信息流向如圖3 所示。

        (3)核心網(wǎng)方案

        核心網(wǎng)方案詳如圖4 所示,將共用電信公網(wǎng)5GC 控制面網(wǎng)元,對電力業(yè)務進行會話管理;電力轉(zhuǎn)發(fā)面獨享,換流站園區(qū)內(nèi)部署獨享UPF+MEC,電力業(yè)務在換流站園區(qū)內(nèi)部留轉(zhuǎn)。

        換流站園區(qū)業(yè)務N3/N6 數(shù)據(jù)流本地終結(jié),數(shù)據(jù)流總體均在換流站內(nèi)流轉(zhuǎn),滿足“數(shù)據(jù)不出站”的要求。

        公網(wǎng)與專網(wǎng)正常連接時,輕量化UDM、AMF、SMF進行實時備份,基站由公網(wǎng)5GC 調(diào)控;公網(wǎng)與專網(wǎng)鏈路斷開時,基站由輕量化備份5GC 網(wǎng)元調(diào)控,實現(xiàn)已在線用戶業(yè)務不中斷,新激活用戶可接入,滿足“孤網(wǎng)可運行”的要求。

        (4)切片方案

        根據(jù)電力行業(yè)“橫向隔離、縱向加密”的業(yè)務安全隔離要求,本項目涉及的生產(chǎn)管理區(qū)(安全區(qū)Ⅲ)和管理信息區(qū)(安全區(qū)Ⅳ)的業(yè)務數(shù)據(jù)需做邏輯隔離,通過5G 切片將不同分區(qū)業(yè)務轉(zhuǎn)發(fā)至對應的數(shù)據(jù)服務器,[7]具體如表1 所示。

        圖3 換流站5G 承載網(wǎng)絡信息流示意圖

        圖4 核心網(wǎng)示意圖

        表1 電力業(yè)務對應切片分區(qū)

        3 5G 數(shù)字特高壓應用場景設計

        3.1 智能檢測

        智能檢測示意圖如5,通過在SF6 等儀表附近安裝攝像頭、機器人巡檢、數(shù)字化儀表替代等方法探索替代人工定期統(tǒng)計的可能,實現(xiàn)設備狀態(tài)智能檢測。攝像頭、巡檢機器人、數(shù)字表計等終端接入5G專網(wǎng),數(shù)據(jù)經(jīng)園區(qū)UPF 轉(zhuǎn)發(fā)至內(nèi)網(wǎng)系統(tǒng),實現(xiàn)系統(tǒng)對相關(guān)參數(shù)的實時監(jiān)測,及時主動對異常數(shù)據(jù)發(fā)出告警,促進特高壓換流站業(yè)務的高效、安全運營。

        圖5 智能檢測示意圖

        3.2 5G 機器人巡檢

        機器人巡檢示意如圖6 所示,方案中配置CPE 等5G終端設備,與巡檢機器人捆綁。巡檢機器人通過CEP 接入5G 網(wǎng)絡,將采集的數(shù)據(jù)、圖片及視頻實時上傳至站內(nèi)的機器人控制平臺,實現(xiàn)機器人實時巡檢。

        圖6 5G 機器人巡檢示意圖

        3.3 移動作業(yè)

        通過5G 專網(wǎng)的部署建設,換流站內(nèi)運行巡視、缺陷記錄、高壓預試、繼電保護定檢等多項業(yè)務均可以通過5G 平板實現(xiàn)作業(yè)現(xiàn)場在線實時接收派工,如圖7 所示,在線記錄新缺陷或查詢歷史缺陷、試驗數(shù)據(jù),就地開展數(shù)據(jù)對比,評估設備狀態(tài)。5G+移動作業(yè)的成功應用,極大提升了現(xiàn)場作業(yè)智能化水平,提高作業(yè)效率,助力安全生產(chǎn)。

        圖7 移動平板作業(yè)示意圖

        3.4 智能安監(jiān)

        本方案通過前端的5G攝像頭、移動單兵等設備接入5G 專網(wǎng),高清視頻數(shù)據(jù)實時上傳至部署于電力MEC 的視頻分析平臺。該視頻分析平臺已搭載人臉識別、安全帽識別、工作服識別、安全帶識別、危險區(qū)域檢測、作業(yè)區(qū)吸煙檢測、手扶梯檢測、打瞌睡檢測、人群態(tài)勢分析、指針儀表識別等功能算法,通過5G網(wǎng)絡低時延大帶寬傳輸,實現(xiàn)實時園區(qū)車牌識別,人臉識別,人員著裝、是否戴口罩等檢測,現(xiàn)場違章,無處遁形。

        3.5 智慧工地

        如圖8 所示,針對施工現(xiàn)場的緊急、隨機且不可控的特點,采用智能閘機、移動式監(jiān)控球機、智慧安全帽、人員定位等5G 移動終端,與智慧監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合,實現(xiàn)作業(yè)人員、作業(yè)任務、作業(yè)進度、質(zhì)量監(jiān)控、信息報送、應急溝通等全渠道管控,[8]大大提升整體檢修(施工)效率,有效減少停電時間。

        3.6 事故處理及應急指揮

        如圖9 所示,通過5G 技術(shù)實現(xiàn)“前方精兵與后方專家”模式的實時溝通,打通數(shù)據(jù)和信息壁壘,使后方專家也能第一時間獲取現(xiàn)場一手信息數(shù)據(jù)。在現(xiàn)場人員應急處置的同時,后方專家數(shù)據(jù)核查,資料調(diào)取,事故溯源,方案制定,人員安排,物資調(diào)配等工作同步開展,最大限度發(fā)揮數(shù)字化帶來的生產(chǎn)力提升,極大的縮短了應急的時間,較常規(guī)處理方式時間可縮短一半以上,高效保障能源主動脈暢通。

        4 項目成果

        本項目除部署電力專用5G 無線基站外,還部有電力專用輕量化5GC 及電力專用MEC,網(wǎng)絡建設成本較大。但隨著5G 專網(wǎng)成規(guī)模推廣應用,其余深圳市內(nèi)甚至廣東省內(nèi)的換流站可與東方換流站共享一套核心網(wǎng)絡,只需建設專用無線基站或按需部署邊緣UPF 即可,均攤建網(wǎng)成本,極大降低單個換流站的專網(wǎng)建設費用,同時定制專網(wǎng)的集中運維管理特性也大大降低南網(wǎng)超高壓公司的專網(wǎng)維護成本。

        圖8 智慧工地示意圖

        目前項目已商用6 類5G 終端,覆蓋智能檢測、5G 巡檢機器人、移動平板作業(yè)、智能安監(jiān)、智慧工地、事故處理及應急指揮共6 個典型場景,在網(wǎng)終端有100 多臺。

        圖9 事故處理及應急指揮示意圖

        在網(wǎng)絡層,定制專用基站、專用頻率以及專用園區(qū)級輕量化5GC 等專用網(wǎng)絡設備,實現(xiàn)換流站“數(shù)據(jù)不出站,孤網(wǎng)可運行”,同時按需定制MEC 與電力應用。部署了1 個專用室外宏站和1 套專用室內(nèi)分布系統(tǒng),室內(nèi)外所測RSRP>-105 dBm 的比例為98%,滿足覆蓋需求。

        5 結(jié)束語

        如翼5G 專網(wǎng)在電力生產(chǎn)安全等級最高的特高壓換流站實施落地,對于其他行業(yè)嚴苛的安全生產(chǎn)所需的極致網(wǎng)絡具有同樣示范意義。

        首先充分利用5G 通信技術(shù)可提供毫秒級的網(wǎng)絡延遲和千兆級別吞吐量,及海量物聯(lián)網(wǎng)傳感器接入的技術(shù)優(yōu)勢,打造數(shù)字特高壓系統(tǒng);其次,由于5G 技術(shù)采用授權(quán)頻段,因此電信運營商將除了提供高水準服務等級協(xié)定外,還可以提供身份驗證和核心網(wǎng)信令安全,充分保障信息安全。第三,保障數(shù)據(jù)不出園區(qū),特殊時刻,可脫離主網(wǎng)孤網(wǎng)運行,可徹底切斷與外部網(wǎng)絡的聯(lián)系,對于保障高價值目標的網(wǎng)絡安全,具有重大意義。

        該方案在電力生產(chǎn)安全等級最高的特高壓換流站實施落地,不僅可對南方電網(wǎng)、國家電網(wǎng)的各等級電站場景具有示范意義,同時對于其他電力、能源、工業(yè)、科研、金融等具備高安全性、高可靠性、高保密性的場所具有同樣示范意義。

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