遠程可視化交互式管理系統在水電企業中的應用

付 根

(華電金沙江上游水電開發有限公司蘇洼龍分公司，四川 成都 610000)

0 引 言

國內水電企業大多地處交通不便的偏遠山區，生產現場點多、面廣、線長、人員分散，再加上地質條件差、交通不便等因素，導致企業有限的技術和管理精英難以做到對流域電站作業點的實時督導，特別是在面對突發自然災害和設備故障應急處理時，電站現場技術資源有限，而相關技術人員又無法迅速到位，這些現象在一定程度上造成了偏遠地區流域電站安全生產保障體系和監督體系的短板。如何充分發揮水電企業有限技術和管理人才的作用，使他們的能力和經驗更快捷、更廣泛、更深入地在作業一線釋放出來，切實加強水電企業一線安全生產保障體系和監督體系的管理，正是目前力求解決的問題。

1 無線傳輸的優勢

在做好安全措施的前提下，無線傳輸可以應用于電力行業[1]。WiFi作為當今使用最廣的一種無線網絡傳輸技術之一，它具有以下優勢：

(1)傳輸速度快，最新的WiFi 6版本最高速率可達11Gbps，理論速度相較WiFi 5提升近3倍；

(2)布線簡單、靈活，安裝方便，易于擴展；

(3)費用低廉，WiFi技術成熟；

(4)數據帶寬高，WiFi 6支持MU-MIMO技術，有效解決大量設備連接網絡導致的網絡擁堵問題。

第五代移動通信技術，已經于2020年底在全球多個國家實現商用化[2]，5G具備以下特點：

(1)高速率，5G可以工作在6GHz以下的分米波以及28GHz以上的毫米波，更大的帶寬能帶來更大的通信速率[3]，5G數據傳輸峰值速度約為4G技術的20倍[4]；

(2)低時延，5G采用短幀、新波形以及先進的編碼技術，實現網絡扁平化，提升了網絡傳輸可靠性，網絡時延僅有4G的十分之一；

(3)容量大，5G網絡具備千兆赫茲的頻譜帶寬，能提供設備的高密度連接和大容量傳輸，實現真正意義上的萬物互聯；

(4)安全性高，5G通過網絡分層、分域的安全網絡架構，采用服務化架構、隱私保護、認證授權等方法，提供了標準化的解決方案和更強的安全保障機制，通過已有通信基礎設備組建的公共網絡完成電力物聯網業務數據的傳輸將是一個趨勢[5]。

本項目采用基于WIFI/5G嵌入式可穿戴移動語音圖像傳輸設備，實現電站作業現場和遠程專家(指揮者、管理者或指揮中心等)之間的影像實時傳輸，迅速將分散于流域各站甚至更遠的專業技術人員、管理人員匯聚到一個平臺，實時進行監督、交流和指揮。系統還具備自動上傳和存儲現場作業人員巡回、檢修作業、重要操作、應急處置等具體工作的實時影像信息、歷史影像信息查詢回放、用戶權限分級控制等功能，同時客戶端可運行于電腦和手機等各類平臺，極大地提升了系統平臺應用便捷性。此項目的有效實施，加強了監督管理，提升了工作人員巡回檢查質量，強化了安全監督，對運行操作、維護作業實施全過程監護管理。通過遠程指揮支援，實現了現場安全生產遠程指揮協調、應急技術支援的技術目標，為水電企業安全生產提供保障。

2 項目的重點及難點

2.1 無線網絡無縫覆蓋

水電站建筑結構復雜，廠房間大小不一，設備眾多，要實現廠區無線信號無縫覆蓋，實現終端設備在廠區范圍能正常接收信號且信號強度滿足視頻傳輸要求，是無線網絡覆蓋的難點和重點。

2.2 終端設備自動切換無線信號

水電站廠房搭建以AC+AP+POE交換機為整體架構無線網絡和基于5G的無線傳輸網絡，滿足視頻信號可靠、有效傳輸。通過設置終端設備接收信號強度閾值，在眾多無線AP信號和5G信號中，實現自動切換至發射功率最強的無線信號，視頻信號傳輸獲得最優路徑，也是項目難點。

2.3 現場終端設備的佩戴方式

現場工作人員對設備進行巡視或開展某項具體工作，一般要持續幾個小時或更長時間，長時間的佩戴終端設備，會造成員工疲勞，不正確的佩戴方式會提高不安全事故發生概率，如何設計一個安全、舒適、牢固、便捷的終端設備，是項目長期、有效執行的關鍵。

2.4 電磁兼容性

無線信號會對水電廠一些電氣設備存在一定的電磁干擾，造成監控系統數據錯誤，如何有效避開對電磁兼容有明確要求的設備，合理布置無線信號發射點，是項目實施重點關注的問題。

2.5 網絡安全性

現階段網絡環境越發復雜，網絡不安全事件頻發，各企業對網絡安全要求越來越高，安全通信網絡是通信安全的首要問題，新建信息系統通過設置合理的網絡架構，采用身份鑒別、訪問控制、安全審計、入侵防范、數據鑒別、備份及恢復等手段提升網絡安全環境，以保證網絡通信的安全。新建信息系統布署在管理信息大區，與生產控制大區之間進行物理隔離，有效實現硬件、軟件、網絡等多方面全方位防護。

2.6 與現有信息系統深度融合

中國華電提出了建設數字華電的總目標，數字電廠建設是新時代主動適應能源革命和數字革命融合發展的必由之路。新建的信息系統應符合中國華電集團有限公司平臺建設及數據規范以及數字化電廠建設相關要求，實現數字電廠模式、參數和實時數據的分系統維護和橫向系統共享，與現有信息系統深度融合，是本項目重點關注的地方。

3 項目的實施

3.1 實施內容

基于WLAN/5G平臺的水電站現場作業實時遠程可視化交互式監督指揮系統作為一種智能可視化系統，具有實時聲像交互、影像存儲、過程回放等基本功能，平臺能迅速匯聚水電企業精英力量，及時提出解決問題方案。WLAN/5G平臺的水電站現場作業實時遠程可視化交互式監督指揮系統結構圖見圖1。

圖1 實時遠程可視化交互式監督指揮系統結構圖

基于WLAN/5G平臺的流域電站現場作業實時遠程智能可視化交互式監督指揮系統主要由系統終端設備、網絡傳輸和服務器及管理平臺組成。

3.1.1 系統終端設備

開發符合人體工程學的嵌入式WIFI/5G可穿戴移動語音圖像傳輸終端設備，工作人員攜帶終端設備開展工作，對過程進行視頻記錄，視頻文件保存在終端設備并能通過WIFI/5G自動上傳至后臺服務器，終端設備能與遠程電腦或者手機客戶端進行實時視頻通信，同時具備照明、定位等輔助功能。

3.1.2 傳輸系統

由AC+AP+POE交換機為整體架構實現無線方案的搭建，通過合理設置AP位置，實現區域蜂窩全覆蓋。AC作為旁路模式部署在網絡架構中，通過AC實現對全廠AP統一管控，AC管控相鄰AP間漫游閾值，讀取終端設備信號強度，實現終端設備無縫漫游。利用5G網絡的超大容量、超高速率、超低時延、超密集組網、可靠性高的特點，在通信機制上做到兼容5G、4G，并支持網絡優選，實現數據安全傳輸。

3.1.3 服務器及管理平臺

服務器用于存儲音頻、視頻文件，通過系統管理平臺軟件可實現遠程視頻交互及系統平臺管理等功能。

3.2 實施方案

3.2.1 搭建軟硬件功能平臺

構建基于WLAN/5G平臺的水電站現場作業實時遠程可視化交互式監督指揮系統平臺以及支撐服務器。根據電廠實際需求，搭建基于WLAN/5G平臺的水電站現場作業實時遠程可視化交互式監督指揮系統以及支撐服務器軟、硬件平臺。系統管理平臺按照功能采用模塊化的思路設計，如歷史任務查詢、視頻存儲、多點視頻交互等功能。

3.2.2 建立覆蓋全廠的無線信號網絡

根據電廠實際情況，科學規劃，無線信號配置符合電磁兼容相關要求，合理設置AP位置，實現區域WIFI信號蜂窩覆蓋。AC管控各相鄰AP間漫游閾值，終端設備根據信號強度自動切換，實現終端設備在相鄰AP間無縫漫游。構建覆蓋全廠的5G網絡，通過布署室外5G宏基站或者室內微基站的方式，做到全廠室內外覆蓋，終端設備通過公網基站接入運營商網絡，系統后臺與公網互聯，將終端設備采集到的各類信號，通過公網傳輸至系統服務器。

3.2.3 嵌入式WIFI/5G可穿戴移動終端設計

設計符合現場作業要求可穿戴音頻視頻終端設備，終端設備應具備便攜性好、安全性高、可靠性強等特點，同時電池電力供應時間符合現場工作需要。在WinCE或Linux等操作系統環境下，設計終端設備應用軟件，終端應用軟件應符合結構清晰、邏輯性強、操作便捷等要求。終端設備能自動或手動切換傳輸網絡，綜合考慮傳輸要求與使用成本，選擇最優傳輸通道。

3.2.4 電腦及手機客戶端

開發基于當今主流移動手機操作系統(Android、IOS)的客戶端軟件和基于windows操作系統電腦客戶端軟件，能實現手機端、電腦端、系統管理平臺以及可穿戴式移動終端設備視頻交互等功能，提升系統使用便捷性。

3.3 實施效果

流域水電站多處交通條件較差地方，在遠程可視化交互式管理系統投入運行前，因技術及管理人員分散，需經常派遣車輛來往于各站之間，不僅消耗大量的人力、物力、財力，還增加安全風險。遠程可視化交互式管理系統的實施，大幅提升了流域電站人員利用率，降低了人力資源成本。在安全生產管理方面，因流域電站相關專業技術人員無需到達現場，就能遠程實時指導現場工作人員開展消缺工作，使缺陷遺留情況大幅減少，電站缺陷消除率大幅提升，技術改造、重大操作、檢修管理、應急指揮等監督管理得到有效實施；同時流域電站間派出車輛次數大幅減少，不僅有效降低生產經營成本，也降低不安全事件發生概率，為流域電站安全生產管理提供可靠保障。

4 結 語

針對電力安全生產環節中現場巡檢、檢修、消缺、重大操作、事故處理以及應急處置遇到的問題，利用WIFI/5G為傳輸通道的無線網絡在水電廠中的優勢，克服信息系統建設過程中的難點和重點，整合WIFI/5G網絡通信技術和可穿戴嵌入式設備技術。根據實際情況，制訂出遠程可視化交互式管理系統在電力安全生產中監督指導方案，并予以實施，有效提升了水電企業缺陷消除率，縮短故障處置時間，強化應急處置能力與效率，降低不安全事件發生概率和生產經營成本。