融合通信網絡在電力基建工程中的應用研究

周明哲 李靖 馬德民 盧穎輝

摘要：針對電力基建工程中施工現場位置偏遠、建設環境復雜，導致網絡覆蓋范圍不全、傳輸不穩定等問題，本文提出以5G專網為主、以無線接入點（AP）網絡和NB-IoT網絡為輔的組網方案，使用5G網絡作為主干網絡，憑借其高速率、低時延、大連接的優勢，為現場數據匯集和高清視頻傳輸提供可靠的通道，并通過部署AP網絡接入移動設備的網絡。而NB-IoT網絡則以5G網絡作為信息傳輸的載體，將傳感器設備采集到的現場數據通過5G網絡傳輸至邊緣代理設備進行本地分析和處理，實現大帶寬、低功耗、低時延的物聯網通信，通過建設智慧工地網絡層，實現現場網絡的全范圍覆蓋和穩定傳輸，同時平臺能夠實時監控現場作業信息，以有效解決現場的突發狀況，預防安全事故的發生。

關鍵詞：5G；AP；NB-IoT；融合網絡

一、引言

隨著5G和物聯網技術的發展，電力企業已將重點放在新型電力系統建設中。電力工程是綜合型的基建工程，目的在于滿足各類電網設備、電力終端的通信需求，通過5G技術和物聯網技術實現智能設備狀態監測和信息收集，為電網工程提供實時、穩定、可靠的通信網絡支撐[1]。目前，智慧工地的網絡建設基于有線連接（光纖傳輸）、無線連接（WiFi、LoRa、NB-IoT）和移動公網（3G、4G、5G）、電力專網等技術，但也存在一定的局限性，例如物聯設備長時間供電問題且傳輸功耗較大，無法完全實現移動化、實時化、智能化。施工現場網絡層的建設是重中之重，需要滿足施工現場各類物聯設備數據采集、施工人員位置監測以及物資信息獲取等要求[2]，采集到的數據信息因其特點不同，對網絡傳輸要求也不相同?；诖?，本文結合工地信息特點分析了不同情況下的通信網絡組合模式，最終選取合適的組網方案，以確保數據穩定傳輸，提高風險識別、超前防范并解決安全風險的能力。

二、智慧工地網絡層建設分析

電力業務包括發電、輸電、變電、配電、用電多個環節，每個環節的網絡需求存在差異，而且電力基建工程施工現場通常在偏遠地區，工作環境復雜惡劣，網絡條件相對較差。以變電站為例，廠區接入終端種類較多，包括視頻攝像頭、門禁、環境監控采集終端、智能定位終端、周界防護終端等所有智能終端，考慮到接入網絡制式的復雜性和終端的多樣性，應當采用多種技術融合的方案，如WIFI、5G、NB-IOT、RFID、3G/4G等。

從電力業務場景來看，可以將電力業務分為控制類、信息采集類、移動應用類共三種[3]：

①控制類業務，針對配網差動保護、精準負荷控制等核心業務，要求通信傳輸時延

極低且可靠性極高。

②信息采集類業務，包括用電信息采集、現場視頻采集等業務，其接入數據量多、分散范圍廣，多為視頻數據，因此對帶寬要求較高。

③移動應用類業務，主要針對智能巡檢、視頻實時監控等移動場景，通過機器人或無人機進行智能巡檢，并實時回傳高清影像數據。

從輸電、變電、配電三種電力業務場景出發，對通信網絡的需求如表1所示。

三、通信網絡技術方案

（一）LoRa+WiFi+光纖傳輸技術

LoRa網絡可以部署在需要的地方并獨立組網，通過無線傳感器節點采集環境數據并傳輸到中心控制系統或數據中心，以實現實時地環境監測和遠程管理。WiFi網絡可以靈活部署，在工地安放多個AP接入點實現全方位網絡覆蓋，為數據傳輸提供高速可靠的通道。光纖傳輸具有距離長、抗干擾能力強、傳輸帶寬高等特點，能夠為工地與外部的連接提供高速穩定大容量的通道。在偏遠山區，4G網絡狀況不佳或者無4G基站部署的情況下，可以通過“LoRa+WiFi+光纖傳輸”融合網絡技術實現。

（二）NB-IoT+4G+光纖傳輸技術

NB-IoT技術以蜂窩網絡為基本結構，不僅可以利用現有的移動通信基礎設施，不需要額外的網絡建設和設備投資，降低了部署和維護的成本，還可以同時連接數以千計甚至數以萬計的設備，實現對大規模物聯網設備的管理和控制。NB-IoT采用了低功耗設計，可以使傳感器和設備在長時間內工作，非常適用于需要長期運行和無需頻繁更換電池的應用場景。在城市郊區和部分偏遠地區，有大量4G基站分布且網絡信號良好的情況下，可以采用“NB-IoT+4G+光纖傳輸”技術進行數據傳輸。

（三）NB-IoT+AP+5G技術

在多個關鍵位置部署AP設備，實現現場全網絡覆蓋，以確保現場人員能夠在任何位置使用移動設備接入AP網絡，實時順暢地與基建管控系統交互，進而提升工作效率。5G技術中的自組織網絡、網絡切片、邊緣計算等技術保證了數據傳輸的安全性、快速的計算能力，同時5G網絡也可以作為NB-IoT的基礎通信設施，降低投資部署成本。

由于變電站施工現場環境惡劣且機械作業復雜混亂，需要部署大量高清攝像頭和網絡設備，實現對工地的全面監控和管理。鑒于有線網絡傳輸不適用于這樣的施工環境，因此現場網絡建設傾向于采用無線網絡方式，以滿足現場信息采集和設備通信的需求。通過在電力設備上部署5G客戶前端設備（CPE）接入5G網絡，并結合NB-IoT組網技術的廣覆蓋特性，現場實現全方位地網絡覆蓋，并通過無線傳輸方式上傳數據和視頻。此外，移動邊緣計算（MEC）技術將云計算平臺下沉到移動網絡邊緣，使得工地管理平臺能夠利用邊緣云的運算和存儲能力，直接在本地進行數據分析和處理，降低了服務器和終端之間的傳輸時延，從而及時處理潛在的突發事件，減少事故發生的風險。盡管5G技術在網絡性能上具有顯著優勢，但其基站的建設和維護成本相對較高。因此，在多方面因素的綜合考慮下，采用“NB-IoT+AP+5G”技術組網方案是更為合適的選擇。

四、5G電力物聯專網方案部署

（一） 5G專網方案部署

5G作為新一代寬帶移動通信技術，在傳輸速率、網絡能效、連接數密度、傳輸時延以及移動性能等多個方面都表現出了顯著優勢[4]。相對于4G技術，頻譜效率提升了5倍，速率、連接數密度以及傳輸時延都提升了10倍，尤其是網絡能效提升了100倍，這些優勢使得5G在各方面性能上都邁出了顯著的步伐。5G網絡的三大類應用場景分別是增強型移動寬帶（eMBB）、超高可靠與低時延通信（URLLC）與大規模機器類通信（mMTC）[5]。對于視頻監控、變電站智能巡檢等帶寬要求高的業務采用增強型移動寬帶接入；對于時延和可靠性要求的控制類業務采用超高可靠與低時延通信接入；對于數據信息采集這類接入數量大、時延要求不高的業務采用大規模機器類通信接入。

當業務場景不同時，所對應的5G通信網絡需求也存在差異。而5G網絡切片技術將5G網絡分為多個獨立的邏輯網絡，每個網絡可以根據不同的業務需要進行優化，從而為不同業務提供不同的服務方式以及網絡能力。5G網絡切片技術分為軟切片和硬切片兩種方式，5G硬切片技術使網絡資源專用于一個切片，適合承載控制類業務；而5G軟切片技術允許資源共享，適合承載非控制類業務。

以變電站工程為例，應當結合電廠網絡覆蓋需求，使用“有線+無線融合”的設計方案，并采用三層網絡層次化結構和雙節點冗余設計。電廠5G網絡核心網絡系統架構采用無線、承載和核心網的端到端整體解決方案以及云部署網絡架構，引入邊緣計算使核心網用戶面功能下沉，實現本地業務直接處理。整體網絡架構示意圖及物理組網如圖1所示。

5G終端通過5G網關接入無線基站，然后基帶處理單元（BBU）通過智能城域網和5G混合專網互通，核心網根據終端訪問地址，送到不同的應用服務器進行訪問。在本次方案中，5G混合專網僅為電站提供5G數據業務，避免與公眾網絡互通，不影響專網的獨立性和安全性。

1. 5G核心網平臺設計方案

5G核心網絡平臺設計方案著重于提供高性能的通信基礎設施，促進數據本地化處理，以此支持廠區內的智能制造和生產優化。該方案包括構建小型化的5G核心混合專網，以確保與業務平臺的緊密對接，滿足廠區內各種通信需求。通過優化業務策略，可以實現廠區內5G專網用戶的安全接入，并保障用戶數據在本地存儲，確保用戶管理的自主性以及廠內生產數據的安全性[6]。

2.5G傳輸網+無線網設計方案

傳輸網整體組網方案如圖2所示，采用ATN（Access Transport Network）組環方式接入5G基站，各類業務經5G基站-ATN匯聚到一對移動接入路由器（Mobile Access Router，MAR）設備。廠區內部署MAR，負責MEC及辦公園區網絡的接入；經過“MAR-MER-MCR”鏈接到核心網UPF；方框內為承載網框架，其中ATN、MAR、NE8000采用環式與邊緣處理設備MEC連接[7]。為了滿足業務發展需求，ATN設備采用100GE接口和匯聚設備對接，下行采用10GE接口和BBU對接。

在自建基站場景下，需要MAR匯聚到ATN環，同時數據在園區形成“基站-ATN-MAR-MEC”的閉環，以滿足數據不出園區需求，并保障數據安全。同時，MAR也可以作為地面辦公網絡的接入匯聚節點，實現辦公生產網絡統一承載。

圖2 傳輸網組網設計

（二）WiFi網絡部署

針對應用需求及網絡建設原則，結合電廠WiFi辦公網絡需求的部署情況，WiFi辦公網絡總體架構如圖3所示。

圖3 WiFi辦公網絡總體架構

在大樓機房部署無線控制器（AC）2臺以及認證準入系統、安全日志系統和綜合網管系統各一套。網絡出口的安全設備配備支持防火墻功能的安全網關，以滿足分行大樓的網絡安全防護、上網行為管理、用戶準入認證審計和網絡運維管理等需求。在園區和樓層接入區域部署POE交換機，并在大樓內部辦公區域和外部公共區域分別部署一定數量的無線AP，使得WiFi網絡覆蓋整個區域。

整個電廠無線網絡的數據流分為三類：設備管理數據、用戶管理數據和用戶上網數據。在上述組網模式下，網絡出口處部署安全網關設備并配置相應的安全模塊，用戶上網數據均通過安全網關設備訪問互聯網。用戶管理數據通過本地局域網傳輸到認證準入系統和安全日志系統；AP的管理數據則通過大樓內部無線局域網和AC進行通信。

（三）數據傳輸設計

施工現場網絡建設的具體實施方案如下，首先，需要在現場部署5G基站、5G終端設備、無線AP、傳感器終端等設備；其次，在變電站管控室內安裝小型機柜，內置5G核心網及交換機等設備，以存儲本地數據，數據傳輸如圖4所示。

圖4 數據傳輸流向

5G基站承擔著確保數據傳輸可靠通道的職責，其中，5G CPE作為5G終端接收，并轉換5G信號成為無線網絡信號用于用戶連接，同時搜集來自固定攝像機和布控球等視頻數據，通過無線傳輸至5G基站，再從5G基站傳輸并存儲到機房。

無線AP是無線網絡的核心，通過在多個關鍵位置部署AP設備，實現現場全網絡覆蓋，以確?，F場人員在任何位置能夠使用移動設備接入AP網絡，并與基建管控系統交互，將業務數據通過無線方式傳輸并存儲到機房。

傳感器終端包括門禁、視頻監控設備、傳感器設備以及其他物聯設備，用于現場環境的采集監測?，F場感知設備統一接入NB-IoT網絡，通過無線網橋方式將數據傳輸到機房存儲。

五、5G融合通信在智慧工地中的應用

在高壓變電站工程中，通過5G和物聯網技術對變電系統監測數據信息進行動態采集并傳輸，相關工作人員通過分析數據信息，以保障變電系統運行的穩定性。將移動和視頻業務通過5G接入可以實現以下應用場景。

（一）人員智慧管理

在智能安全帽、智能手環等設備上集成攝像頭、通信模塊、語音等模塊，實現“指揮、監督、感知、分析、服務”五位一體，完成質量安全監督、遠程溝通、定時定位等功能。

（二）便攜式監控布控球場景

在高壓變電站部署一套便攜式智慧球機，以便移動架設[8]。該設備內置高速云臺，全網通撥號模塊、GPS定位模塊，同時具備存儲、傳輸、供電和定位功能，支持晝夜監控、區域入侵、3D定位、車流量統計、移動偵測、遮擋報警、越界偵測等功能，適用于各種應急、臨時布控、無人值守的場景。

（三）5G無人機/機器人巡檢

在高壓變電站巡檢過程中，利用巡檢機器人搭載高清攝像頭實時監控現場的音視頻、環境信息。在復雜地形條件下，無人機設備可以發揮其優勢拍攝影像數據，通過5G網絡將視頻數據低時延傳輸到平臺；還可以利用圖像AI檢測識別絕緣子損壞、外力破壞等缺陷。

（四）AR/VR實景

利用AR全景攝像機對實景地圖進行標注，通過標記點實時切換視角。場站內的VR實景可以了解無法及時追蹤的區域，并且均能360度展示場景。

六、結束語

本文研究搭建5G專網、無線AP網絡和NB-IoT網絡組網方案，充分利用5G網絡高速率、低時延、高可靠和海量連接的特點以及NB-IoT網絡覆蓋廣、成本低等優勢，實現感知數據無線實時傳輸以及本地匯聚，解決了施工現場感知層應用層之間的數據傳輸問題，實現網絡部署無線化、簡易化?；?G專網網絡切片技術和邊緣計算技術能夠對業務數據本地進行分析和處理，提高數據傳輸效率，解決現有網絡資源浪費的問題。隨著5G網絡的全面展開，智能電網工程全方位的感知能力和智能化水平將會獲得更大地提升。

作者單位：周明哲 李靖 馬德民 盧穎輝 國網內蒙古東部電力有限公司

參考文獻

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周明哲（1985.09-），女，漢族，山東聊城，研究生，高級經濟師，研究方向：信息系統計劃及建設；

李靖（1994.04-），男，漢族，山西大同，研究生，研究方向：業務系統建設；

馬德民（1993.10-），男，漢族，內蒙古包頭，本科，中級工程師，研究方向：信息項目建設；

盧穎輝（1988.11-），男，漢族，內蒙古烏蘭察布，研究生，中級工程師，研究方向：信息項目建設。