余國(guó)利，李 強(qiáng)*，宋仕斌，2，李欣佳

(1.四川公眾項(xiàng)目咨詢管理有限公司,四川 成都 610058;2.四川大學(xué)錦江學(xué)院,四川 眉山 620860;3.四川省通信產(chǎn)業(yè)服務(wù)有限公司信息技術(shù)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(tǒng)的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)模式需要大量的機(jī)械、電力、水工及安保人員,水電站中控室嚴(yán)格落實(shí)24小時(shí)值班值守制度方能確保水能發(fā)電、升壓站及電力并網(wǎng)系統(tǒng)正常運(yùn)行。電力通信網(wǎng)是電力系統(tǒng)各業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)新型信息與通信技術(shù)集成,促進(jìn)智能水平提高的基礎(chǔ)[1]。5G、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算及大數(shù)據(jù)等信息通信技術(shù)的迅猛發(fā)展及廣泛的垂直行業(yè)推廣、應(yīng)用,為解決電力、能源企業(yè)面臨的產(chǎn)能過(guò)剩、運(yùn)營(yíng)效率低、經(jīng)營(yíng)成本高、經(jīng)濟(jì)效益欠佳等問(wèn)題提供智慧運(yùn)維研究方案。5G技術(shù)的出現(xiàn)推動(dòng)了通信行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展,具備低延時(shí)、低功耗以及高寬帶等優(yōu)勢(shì)[2]。電力生產(chǎn)、營(yíng)銷以及服務(wù)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較多信息數(shù)據(jù),且不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)積累的歷史業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)比較多[3]。本文提出的基于5G專網(wǎng)技術(shù)的水電站智慧運(yùn)維方案把5G無(wú)線技術(shù)、AI、VR、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等信息通信技術(shù)集成運(yùn)用到電力發(fā)電企業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域,進(jìn)一步創(chuàng)新、優(yōu)化現(xiàn)代企業(yè)管理模式,在水電站日常運(yùn)行維護(hù)活動(dòng)的安全管理、設(shè)備檢修、故障診斷、監(jiān)控平臺(tái)、資源調(diào)度等方面實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化轉(zhuǎn)型、提質(zhì)增效和創(chuàng)新發(fā)展。

1 5G專網(wǎng)技術(shù)分析及行業(yè)應(yīng)用

5G全新的無(wú)線空口自適應(yīng)技術(shù)總體架構(gòu)如圖1所示。采用Massive MIMO及全雙工運(yùn)行模式大幅提升無(wú)線接入吞吐率;采用SCMA多址接入技術(shù)成倍提升物聯(lián)網(wǎng)傳感器、智能終端等連接數(shù)量,降低傳輸控制時(shí)延;靈活的Numerolog波形實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接入不同物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù);Polar 信道編碼持續(xù)提升可靠性并降低功率消耗,為大規(guī)模、低功率物聯(lián)網(wǎng)智能終端接入創(chuàng)造條件。

圖1 5G全新空口自適應(yīng)技術(shù)總體架構(gòu)

eMBB、uRLLC及mMTC是ITU-R定義的5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的典型應(yīng)用場(chǎng)景。eMBB應(yīng)用在高清視頻直播、VR/AR、安全環(huán)境視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集上傳等場(chǎng)景,在現(xiàn)有移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升大帶寬、高速率和極致的用戶體驗(yàn);uRLLC在全連接智慧工廠、車聯(lián)網(wǎng)、電網(wǎng)運(yùn)維等需要超低時(shí)延、超高可靠性的無(wú)線信息傳輸應(yīng)用場(chǎng)景中廣泛應(yīng)用;mMTC通過(guò)大幅提升網(wǎng)絡(luò)容量、連接密度和連接能力等技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)人、機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、平臺(tái)的“萬(wàn)物互聯(lián)”,如圖2所示。為提升工作、生產(chǎn)、運(yùn)營(yíng)效率,傳統(tǒng)企業(yè)積極實(shí)踐數(shù)字化轉(zhuǎn)型。智慧工廠的不同場(chǎng)景對(duì)無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)在容量、速度、時(shí)延、性能、安全、可靠性、移動(dòng)性等方面的需求差異較大,傳統(tǒng)的單一網(wǎng)絡(luò)難以滿足所有通信服務(wù)需求,基于網(wǎng)絡(luò)切片的5G專網(wǎng)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,能滿足智能終端連接能力在不斷增強(qiáng)時(shí)提出的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)需求的多樣化、差異化和定制化。

圖2 5G網(wǎng)絡(luò)的行業(yè)應(yīng)用

3GPP組織定義5G網(wǎng)絡(luò)切片是支持特定通信服務(wù)的一組邏輯網(wǎng)絡(luò)功能,通信運(yùn)營(yíng)商按定制化客戶需求將用戶特定業(yè)務(wù)引導(dǎo)、接入相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)切片。本文提出的5G專網(wǎng)方案推薦采用虛擬化技術(shù)將某個(gè)5G基站的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)資源在統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上利用動(dòng)態(tài)的、安全的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù),將不同需求的通信服務(wù)部署在不同的網(wǎng)絡(luò)切片上,使不同的通信服務(wù)之間實(shí)現(xiàn)解耦和邏輯隔離,從而為用戶提供不同的服務(wù)功能和服務(wù)質(zhì)量。

2 水電站智慧運(yùn)維需求分析

水電站建筑物與構(gòu)筑物大體積混凝土結(jié)構(gòu)復(fù)雜、發(fā)輸配電設(shè)備管線眾多、生產(chǎn)運(yùn)維危險(xiǎn)性大、設(shè)備設(shè)施運(yùn)檢專業(yè)性強(qiáng),涉及大量的安全巡檢、物資盤點(diǎn)、資源管理及數(shù)據(jù)錄入工作量。傳統(tǒng)的水力發(fā)電運(yùn)維模式,對(duì)人力、物力的依賴性較強(qiáng),均不同程度地影響發(fā)電效益[4]。水電站生產(chǎn)運(yùn)維工作環(huán)境艱苦,工作人員頻繁流動(dòng)導(dǎo)致專業(yè)運(yùn)維人員流失,作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)存在違章指揮、違章操作和違反勞動(dòng)紀(jì)律的行為可能嚴(yán)重影響水電站安全生產(chǎn)和電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。基于5G的網(wǎng)絡(luò)切片生命周期管理包括切片設(shè)計(jì)、部署使能、切片運(yùn)行、閉環(huán)運(yùn)行、運(yùn)維監(jiān)控以及能力開放等環(huán)節(jié)[5]。水電站智慧運(yùn)維系統(tǒng)建設(shè)通過(guò)5G、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)可以提升水電站的安全生產(chǎn)和整體運(yùn)維能力。5G技術(shù)核心優(yōu)勢(shì)是移動(dòng)狀態(tài)下的高速率、高可靠、低時(shí)延[6]。水電站的系統(tǒng)架構(gòu)劃分為生產(chǎn)控制大區(qū)(安全區(qū)Ⅰ、安全區(qū)Ⅱ)和管理信息大區(qū)(安全區(qū)Ⅲ、信息外網(wǎng)),在物理層次上劃分為過(guò)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(gòu)

水電站智慧運(yùn)維依托機(jī)器深度學(xué)習(xí)算法模型構(gòu)建數(shù)據(jù)采集與加工、數(shù)據(jù)治理、任務(wù)調(diào)度、數(shù)據(jù)可視化等功能模塊于一體的數(shù)據(jù)算法中臺(tái),運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、區(qū)塊鏈、數(shù)據(jù)中臺(tái)及5G專網(wǎng)無(wú)線接入等技術(shù)應(yīng)用。智慧水電站管理信息大區(qū)中大量的傳感器、終端設(shè)備、便攜式設(shè)備、可穿戴設(shè)備及物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)應(yīng)用需要廣泛的無(wú)線信號(hào)接入,如長(zhǎng)時(shí)間免維護(hù)的物聯(lián)網(wǎng)傳感器、PDA、AR/VR眼鏡、智能安全帽、無(wú)人機(jī)及輪式機(jī)器人等無(wú)線傳輸及應(yīng)用,如表1所示。

表1 水電站智慧運(yùn)維業(yè)務(wù)無(wú)線接入指標(biāo)需求

3 水電站智慧運(yùn)維典型應(yīng)用例案

隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、5G 和人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)的迅猛發(fā)展,國(guó)內(nèi)外各相關(guān)機(jī)構(gòu)都嘗試在新能源產(chǎn)業(yè)推進(jìn)智慧工程[8]。5G專網(wǎng)基站建設(shè)根據(jù)水電站智慧運(yùn)維應(yīng)用場(chǎng)景、工作類型進(jìn)行差異化部署,在安全生產(chǎn)、數(shù)據(jù)保護(hù)等方面具有顯著優(yōu)勢(shì),能最大限度為水電站智慧運(yùn)維提供覆蓋場(chǎng)景多樣化、網(wǎng)絡(luò)部署局域化、網(wǎng)元資源定制化。水電站地理位置偏遠(yuǎn)、運(yùn)維巡檢及值班值守人員眾多、無(wú)人機(jī)巡檢、亟需借助物聯(lián)網(wǎng)傳感器、樹莓派攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)全天候遠(yuǎn)程運(yùn)維視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集和無(wú)線傳輸。對(duì)于內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜的水電站中人工巡檢難以到達(dá)的危險(xiǎn)區(qū)域可通過(guò)特種作業(yè)機(jī)器人代替人工完成作業(yè)活動(dòng)。具體實(shí)現(xiàn)上,4K攝像頭可部署在風(fēng)電機(jī)組及升壓站等區(qū)域,通過(guò)導(dǎo)軌移動(dòng),實(shí)現(xiàn)對(duì)部署區(qū)域的全面監(jiān)控,視頻數(shù)據(jù)通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)回傳;同時(shí)數(shù)據(jù)采集主機(jī)收集回傳風(fēng)機(jī)的相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù),具體如圖4所示[9]。大流量的高清視頻數(shù)據(jù)通過(guò)5G專網(wǎng)工業(yè)網(wǎng)關(guān)5G CPE實(shí)時(shí)回傳到5G NR,5G NR通過(guò)大容量、高速率光纖傳輸?shù)街腔垭娬颈O(jiān)控中心的業(yè)務(wù)云平臺(tái)(5GC),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水電站的運(yùn)維設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、信息傳輸、高效管控和系統(tǒng)集成。

圖4 發(fā)電機(jī)組及升壓站智慧監(jiān)控方案

2023年3月22日,微信公眾號(hào)《智慧國(guó)家能源》在線發(fā)布《智慧電廠:浙江公司寧海電廠首個(gè)5G網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目進(jìn)入應(yīng)用階段》成功案例。寧海電廠由于消防水地下管網(wǎng)直徑大、管道滲漏點(diǎn)多難查找,積聚消防安全隱患。為提升消防管理本質(zhì)安全水平,該廠立足解決電能生產(chǎn)運(yùn)維實(shí)際難題,依托智能物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析等高新信息技術(shù),開展基于三維可視化的消防水地下管網(wǎng)及重要保護(hù)區(qū)域運(yùn)行動(dòng)態(tài)顯示項(xiàng)目研究并充分利用5G專網(wǎng)無(wú)線接入技術(shù)。利用5G智能傳感技術(shù)將消防水管道閥門的開關(guān)、管網(wǎng)壓力等數(shù)據(jù)高速、精準(zhǔn)傳輸給物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)預(yù)警中心大數(shù)據(jù)平臺(tái),形成可視化的監(jiān)管預(yù)警模式。寧海電廠基于5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的智慧電廠管控平臺(tái)與IMS智慧企業(yè)管控平臺(tái)整合系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)資源。5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的智慧電廠主要包括IMS智慧管控平臺(tái)和智能工作臺(tái)建設(shè),包括5G網(wǎng)絡(luò)用戶鑒權(quán)認(rèn)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(yè)務(wù)、移動(dòng)端業(yè)務(wù)、可視化優(yōu)化等業(yè)務(wù)內(nèi)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(wǎng)+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”模式打造“智慧電廠”實(shí)現(xiàn)了智慧運(yùn)維,具有行業(yè)標(biāo)桿示范和積極推廣價(jià)值。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著當(dāng)代中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)、供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革及經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整的推進(jìn),節(jié)能減排、綠色增長(zhǎng)已成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的共識(shí)[10]。農(nóng)村山區(qū)5G基站的大量部署、深度覆蓋以及人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的融合發(fā)展,加快了水利水電行業(yè)數(shù)字化、自化動(dòng)、智能化轉(zhuǎn)型步伐。大唐?？?×460兆瓦9F級(jí)天然氣發(fā)電項(xiàng)目1號(hào)機(jī)組作為海南省首家“5G+”智慧電廠,創(chuàng)新采用“5G+”工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù),以云計(jì)算中心為應(yīng)用平臺(tái)建設(shè)智慧電廠管控體系,依托大數(shù)據(jù)處理和云計(jì)算平臺(tái),將5G專網(wǎng)技術(shù)融合到智慧電廠建設(shè)中,實(shí)現(xiàn)電站生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)全過(guò)程數(shù)字化和智慧化管控[11]。本文通過(guò)對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵性能、5G專網(wǎng)行業(yè)應(yīng)用解決方案研究,采用行業(yè)成功標(biāo)桿案例對(duì)方案有效性進(jìn)行回歸驗(yàn)證。綜合運(yùn)用三維模型、精確定位、智能識(shí)別、紅外檢測(cè)、掃碼識(shí)別、大數(shù)據(jù)、智能安全帽等技術(shù),建立安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別庫(kù)及智能安全管控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)水電站運(yùn)維人員生產(chǎn)作業(yè)的全過(guò)程追蹤管理,杜絕越界、走錯(cuò)間隔、誤入危險(xiǎn)區(qū)域等安全隱患,保障運(yùn)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(guó)務(wù)院在《數(shù)字中國(guó)建設(shè)整體布局規(guī)劃》中提出數(shù)字中國(guó)“2522”整體框架。我國(guó)已經(jīng)進(jìn)入5G時(shí)代,已建成規(guī)模最大、技術(shù)最先進(jìn)的5G網(wǎng)絡(luò)。在國(guó)民經(jīng)濟(jì)97個(gè)大類和采礦、港口、能源、電力、大飛機(jī)制造等領(lǐng)域采用5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)接入。通信運(yùn)營(yíng)商將加快推動(dòng)智慧工廠、智慧礦山、智慧電力等5G行業(yè)應(yīng)用和數(shù)字化轉(zhuǎn)型,加快培育信息服務(wù)新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)、新模式,支撐高效能生產(chǎn)、豐富高品質(zhì)生活和服務(wù)高水平治理。