5G技術在智慧電廠中的研究和應用

華能日照電廠 姜肇雨 郭永斌 朱 鋒 華能山東發電有限公司 李 杰

1 引言

5G技術就是第五代移動通信技術，具有低延時、高可靠以及高寬帶等優勢，并且其與現階段的大數據、人工技能和云計算是緊密聯系的，且能夠有效推動整個行業的數字化進程。5G技術與4G相比，其傳輸數據的速度得到顯著提升，并且具有實時性，同時能夠實現全空間有效連接，因此在國家戰略性技術中占據重要位置[1]。火力發電在智慧制造和智慧能源領域占據重要位置，因此推動5G技術在火力發電行業的廣泛應用，是其智能化發展的有力推手。

現階段，在我國電廠使用的網絡連接方式大多是有線形式，對無線連接的應用較為有限，并且主要使用的無線技術為藍牙、4G以及WiFi等用于短距離通信的手段。其中，WiFi和藍牙在數據的傳輸上不僅速度慢，而且覆蓋面較小，因此在障礙物多、通信區域大的傳統電廠并不適用，而4G技術雖然與這兩者相比較在傳輸速度和覆蓋范圍方面得到有效改善，但其可靠性和時延仍然較大，導致無線技術在火電廠中的應用和發展較為緩慢。5G技術的出現，有效應對了無線通信技術在火電廠的應用局限，因此能夠為智慧電廠的高效發展提供有力支撐[2]。

2 5G技術和智慧電廠相關概述

2.1 5G技術

5G技術的突出優勢是具有超高的頻率和頻寬，同時比4G技術快出一個數量級，并對物聯網作出了優化，在時延方面更具優勢，因此能夠高效滿足智能交通、虛擬現實、車輛網以及高清視頻等的需求。5G在傳輸速度方面能夠達到10Gbps，比4G技術提升了10～100倍。在容量方面，5G技術約提升了1000倍，其可以連接的設備數量比以往增加了約1000倍。在時延方面，5G技術能夠達到毫秒，特別是端到端方面，與以往相比減小了10倍。在頻譜方面，5G技術擴大了5～10倍，在同樣的傳輸條件下，可傳送的數據比4G技術時期上漲了5～10倍。

2.2 智慧電廠

智慧電廠電網的智能化就是在智能化發電的基礎上，通過與其他產業的有效整合，逐漸形成一種循環型經濟，并且其是以構建集成高速雙線通信網絡為基礎，借助傳感以及測量等先進設備、方法、決策等技術，實現電網經濟、安全、高效、可靠以及環境友好等發展目標，以有效提升其對資源和能源的利用效率[3]。智慧電廠的突出優勢主要為激勵和保護用戶、有效抵御外界攻擊、良好的自愈能力、滿足用戶的電力質量需求、能夠接入不同的發電形式、能夠提升電力企業的運行效率等。從綠色發展角度來看。智慧電廠能夠推動清潔能源行業的發展，實現化石能源的高效利用，實現我國綠色低碳發展。從創新方面來看，智慧電廠在能源技術平臺建設以及新技術、新業態和新模式的培育方面功不可沒。同時，智慧電廠還能促進我國綠色、協調、開放、共享以及創新等發展理念的貫徹落實。

智慧電廠的出現和發展解決了傳統電廠存在的問題。首先，有效解決了以往電廠中存在的基礎集成問題。智慧電廠主要是借助信息和數字技術，在物理電廠中集成有效地控制、通信、傳感和測量以及分析和監測等現代化技術，為智慧電廠的構建打下良好基礎。

其次，解決以往電廠在數據的利用和挖掘方面存在的不足。智慧電廠主要是采用人工智能和大數據疊加使用的方式，因此能夠在不借助人力支持的基礎上實現智慧運營，主要通過對設備以及工藝信息的采集和監測來對系統故障進行預警，促使工作人員能夠做到早發現、早處理，實現電力設備的連續運轉，減少不必要的停機問題。

再次，解決以往電廠在生產以及經營管理方面存在的信息碎片化現象。智慧電廠對各類數據信息實行的是統一化管理，通過跨區域數據中心的建造來實現對不同區域信息的統一規劃和管理，促使各區域之間的信息傳輸更順暢、便捷，為大集控的實現提供有力支撐。

最后，促進智慧運用和生產運行的融合。智慧電廠通過大數據和人工智能、生產要素的勘測和集成、虛擬現實和仿真應用以及安全生產等在生產過程中的嵌入，來實現智慧應用的落地。

3 智慧電廠的三維展示

伴隨科技和監控技術的不斷進步，我國以煤炭為主要能源的發電廠逐漸開始大范圍應用智能化監控、運營和管理、安全預警等技術，電廠對這些技術的有效應用能夠在一定程度上解決電廠在運行中發生的各種問題，進而提升自身管理成效。但是傳統電廠由于受到自身條件限制，導致煤場的整體結構不能進行直觀顯示，電氣結構也不具備可視模型，同時監測控制系統也不能進行兼容。鑒于此，本方案將借助三維動態可視化監控技術，結合監控數據，有效打通各個系統之間的信息孤島現象，以相對直觀、智能和動態的方式展示電廠內部的設備運行現狀，以有效提升電廠的實際運行和智能化水平。此應用平臺主要是在主流B/S的基礎上開發的三層構架模式，主要分為綜合、核心和數據三層。

其中，核心層主要負責從不同類別的數據庫中采集所需要的信息，包括生產監控、煤場輸煤、仿真文件以及三維地理等信息，并借助Ajax傳輸通道或者Request數據請求等方式見這些信息發送到應用層[4]。應用層則需要借助CityMaker三維展現控件，集合成各不相同的業務插件，以展現不同的功能和效果，需要注意的是，這三層平臺之間應該是互相獨立的，同時又互相存在應用上的邏輯關系，同時能夠為后續擴展提供支撐。智慧電廠的三維展示有以下幾方面：

3.1 電廠三維全景

應用平臺借助兼具動態性和實用性的三維數據技術，對大量的三維數據采用分布方式進行加載，以有效提升其在加載過程中的速度，達到全景瀏覽目的。用戶在使用過程中，可以依據自身興趣點，自行定義飛行路線，將多種格式的文件進行輸出，然后通過任意點擊場景模型，顯示相關信息。

3.2 信息可視化展示

可視化平臺主要是借助三維技術，將電廠中監測到的重要信息進行可視化展示和分析。通常情況下，電廠對于信息的關注重點通常放在生產控制系統、視頻監控以及外圍環境等信息上。在制作三維模型時，需要依據相關信息，將攝像頭、構筑物以及儀表等設備開展簡化處理，然后在后臺將模型的標號和各類數據進行有效關聯，促使用戶能夠借助監測點來對相關模型進行定位，也可以點擊相應模型來獲取監測點相關信息。同時，用戶還能在三維模式中觸發不同的監測信息，以全方位掌握廠區的實際運行情況。

3.3 二維和三維系統的聯動

此應用平臺能夠在相同的場景中將二維和三維進行聯動，平臺和系統在二維界面，并可以利用監測點和三維界面發生關聯，這個時候用戶只需要在二維界面中點擊相應的監控點就能夠實現與三維界面的互動，有效彌補了三維模型中不能科學展示監測數據的不足，將二維和三維的獨特優勢在同一個平臺中展示出來，為用戶提供更加優質的體驗。

3.4 智能監測和預警

應用平臺能夠將歷史監測值依據分類條件進行分別存儲，因此能夠實現實時數據與歷史數據的有效對比，并在此基礎上判斷其是否存在異常，最大限度降低由于外部因素帶來的數據變化，如果平臺監測發現數據差異值超出限定范圍，就會在三維模型中進行標記，并在系統中利用彈窗進行提示。同時，所有的異常數據都會在信息庫中進行合理保存，為用戶后期復查提供便利。

3.5 設備的拆裝模擬

首先平臺以部件圖為依據，來集中采集各部分零件的外形、尺寸、特征以及位置等信息，并建立設備初始信息數據庫。然后需要利用Solidworks軟件，在拆裝模擬演示中進行部件功能的移植，通過服務器緩存的模型數據，在線查看拆裝演示。

3.6 互動式操作模擬演練

應用平臺能夠將設備復雜的運行，以及操作流程等制作成三維模擬腳本，工作人員則需要在腳本樹的支持下加載相應場景，然后利用虛擬技術，呈現真實的操作情境，借助三維交互方式，在相應場景中開展模擬演練，實現全部操作過程的仿真。同時，工作人員還能夠在平臺上對具體的操作行為進行打分，還可以回放和詳細演示操作過程，提升培訓成效。

4 5G技術在智慧電廠中的應用需求及原則

4.1 5G技術在智慧電廠中的應用需求

首先，在圖像識別和視頻數據方面。在智慧電廠的智能監控設備以及故障遠程診斷平臺中，對帶寬的要求較高，通過4G技術等無線手段不能有效保證數據在傳輸過程中的完整性，進而影響對數據后續的分析。而在5G技術中，其平均帶寬保持在1Gbps，甚至在峰值的時候其速率能夠到達20Gbps，因此5G技術能夠實現智慧電網中的高清晰度視頻數據的傳輸以及智能化圖片的識別等。

其次，在多終端通信和控制方面。智慧電廠中的智能巡檢系統在使用傳感器或者采集數據的時候，現有的通訊形式不能有效滿足移動終端的要求，因此造成巡檢系統的靈活性不足。而借助藍牙或者是4G等手段，其覆蓋范圍小，而且延時高，容易引發移動終端的異常，為數據的傳輸以及采集帶來不利影響。而借助5G技術能夠實現的移動性能和連接密度分別是500km/h和100萬臺/km2，因此能夠在智慧電廠中進行有效應用，以保證數據通訊的實時性。

最后，在遠程控制方面。由于傳統電廠的生產環境非常復雜，因此在不能有效鋪設電纜的大型設備中，可以使用無線技術，以有效減少安全意外事故的發生。此外，在對各種設備進行遠距離控制時，現有的通訊方式基本上是通過架設電纜加人工巡查的方式實現的。由于4G技術具有延時高的特點，因此對4G技術的應用可能會影響通信質量，進而影響遠程控制效果。而5G技術具有低延時的突出優勢，因此其在智慧電廠中的應用能夠促進通信質量和效率的提升。

4.2 5G技術在智慧電廠中的應用原則

電廠是我國的基礎設施，在其生產運行期間必須要保證其安全性和穩定性。因此，要求5G網絡必須具有較高的可靠性和安全性。在智慧電廠中，5G網絡要以專網的形式進行組網，因此專網的建設必須符合電力防護要求，并進行分區隔離，做好便捷防護，保證不進行跨區直連，電廠數據不能進行外溢。因此，5G技術在智慧電廠中的應用原則可以總結如下：

一是必須具有較高可用性。用戶要想最大限度保障網絡可用性，需要堅持始終使用這一網絡。

二是要有較高的可靠性。在智慧電廠中，5G技術需要具備在預定的時間內，持續高效傳輸數據的能力，同時需要有足夠大的容量和覆蓋范疇，還要有能夠自由進行業務切換。

三是必須具有較高的服務質量。QoS主要涉及抖動、吞吐量、丟包率以及延遲等，同時還要在目標區域中進行全方位覆蓋，并保證在其覆蓋區域內即使用戶發生快速移動也能夠保證業務不被中斷。

四是必須具有較高的安全性。在專用網絡架構中，需要保證端到端的安全性，以保證基礎的架構、信息和人員的安全，同時可以使用網絡隔離、用戶身份驗證、以及數據保護等辦法來保障核心資產安全，此外還需要擁有數據主權，以保證敏感信息在有效掌控中。

5 結語

綜上所述，在綠色發展理念下，傳統電廠已經不能滿足時代發展趨勢，因此要求電廠向著智能化和數字化方向發展，智慧電廠應運而生。伴隨5G技術的出現，其在智慧電廠的發展中占據越來越重要的位置，需要不斷探究其在智慧電廠中的有效應用，以推動智慧電廠的長遠發展。