5G技术在智慧电厂中的研究和应用

2022-11-25华能日照电厂姜肇雨郭永斌华能山东发电有限公司

电力设备管理 2022年12期

华能日照电厂姜肇雨郭永斌朱锋华能山东发电有限公司李杰

1 引言

5G技术就是第五代移动通信技术，具有低延时、高可靠以及高宽带等优势，并且其与现阶段的大数据、人工技能和云计算是紧密联系的，且能够有效推动整个行业的数字化进程。5G技术与4G相比，其传输数据的速度得到显著提升，并且具有实时性，同时能够实现全空间有效连接，因此在国家战略性技术中占据重要位置[1]。火力发电在智慧制造和智慧能源领域占据重要位置，因此推动5G技术在火力发电行业的广泛应用，是其智能化发展的有力推手。

现阶段，在我国电厂使用的网络连接方式大多是有线形式，对无线连接的应用较为有限，并且主要使用的无线技术为蓝牙、4G以及WiFi等用于短距离通信的手段。其中，WiFi和蓝牙在数据的传输上不仅速度慢，而且覆盖面较小，因此在障碍物多、通信区域大的传统电厂并不适用，而4G技术虽然与这两者相比较在传输速度和覆盖范围方面得到有效改善，但其可靠性和时延仍然较大，导致无线技术在火电厂中的应用和发展较为缓慢。5G技术的出现，有效应对了无线通信技术在火电厂的应用局限，因此能够为智慧电厂的高效发展提供有力支撑[2]。

2 5G技术和智慧电厂相关概述

2.1 5G技术

5G技术的突出优势是具有超高的频率和频宽，同时比4G技术快出一个数量级，并对物联网作出了优化，在时延方面更具优势，因此能够高效满足智能交通、虚拟现实、车辆网以及高清视频等的需求。5G在传输速度方面能够达到10Gbps，比4G技术提升了10～100倍。在容量方面，5G技术约提升了1000倍，其可以连接的设备数量比以往增加了约1000倍。在时延方面，5G技术能够达到毫秒，特别是端到端方面，与以往相比减小了10倍。在频谱方面，5G技术扩大了5～10倍，在同样的传输条件下，可传送的数据比4G技术时期上涨了5～10倍。

2.2 智慧电厂

智慧电厂电网的智能化就是在智能化发电的基础上，通过与其他产业的有效整合，逐渐形成一种循环型经济，并且其是以构建集成高速双线通信网络为基础，借助传感以及测量等先进设备、方法、决策等技术，实现电网经济、安全、高效、可靠以及环境友好等发展目标，以有效提升其对资源和能源的利用效率[3]。智慧电厂的突出优势主要为激励和保护用户、有效抵御外界攻击、良好的自愈能力、满足用户的电力质量需求、能够接入不同的发电形式、能够提升电力企业的运行效率等。从绿色发展角度来看。智慧电厂能够推动清洁能源行业的发展，实现化石能源的高效利用，实现我国绿色低碳发展。从创新方面来看，智慧电厂在能源技术平台建设以及新技术、新业态和新模式的培育方面功不可没。同时，智慧电厂还能促进我国绿色、协调、开放、共享以及创新等发展理念的贯彻落实。

智慧电厂的出现和发展解决了传统电厂存在的问题。首先，有效解决了以往电厂中存在的基础集成问题。智慧电厂主要是借助信息和数字技术，在物理电厂中集成有效地控制、通信、传感和测量以及分析和监测等现代化技术，为智慧电厂的构建打下良好基础。

其次，解决以往电厂在数据的利用和挖掘方面存在的不足。智慧电厂主要是采用人工智能和大数据叠加使用的方式，因此能够在不借助人力支持的基础上实现智慧运营，主要通过对设备以及工艺信息的采集和监测来对系统故障进行预警，促使工作人员能够做到早发现、早处理，实现电力设备的连续运转，减少不必要的停机问题。

再次，解决以往电厂在生产以及经营管理方面存在的信息碎片化现象。智慧电厂对各类数据信息实行的是统一化管理，通过跨区域数据中心的建造来实现对不同区域信息的统一规划和管理，促使各区域之间的信息传输更顺畅、便捷，为大集控的实现提供有力支撑。

最后，促进智慧运用和生产运行的融合。智慧电厂通过大数据和人工智能、生产要素的勘测和集成、虚拟现实和仿真应用以及安全生产等在生产过程中的嵌入，来实现智慧应用的落地。

3 智慧电厂的三维展示

伴随科技和监控技术的不断进步，我国以煤炭为主要能源的发电厂逐渐开始大范围应用智能化监控、运营和管理、安全预警等技术，电厂对这些技术的有效应用能够在一定程度上解决电厂在运行中发生的各种问题，进而提升自身管理成效。但是传统电厂由于受到自身条件限制，导致煤场的整体结构不能进行直观显示，电气结构也不具备可视模型，同时监测控制系统也不能进行兼容。鉴于此，本方案将借助三维动态可视化监控技术，结合监控数据，有效打通各个系统之间的信息孤岛现象，以相对直观、智能和动态的方式展示电厂内部的设备运行现状，以有效提升电厂的实际运行和智能化水平。此应用平台主要是在主流B/S的基础上开发的三层构架模式，主要分为综合、核心和数据三层。

其中，核心层主要负责从不同类别的数据库中采集所需要的信息，包括生产监控、煤场输煤、仿真文件以及三维地理等信息，并借助Ajax传输通道或者Request数据请求等方式见这些信息发送到应用层[4]。应用层则需要借助CityMaker三维展现控件，集合成各不相同的业务插件，以展现不同的功能和效果，需要注意的是，这三层平台之间应该是互相独立的，同时又互相存在应用上的逻辑关系，同时能够为后续扩展提供支撑。智慧电厂的三维展示有以下几方面：

3.1 电厂三维全景

应用平台借助兼具动态性和实用性的三维数据技术，对大量的三维数据采用分布方式进行加载，以有效提升其在加载过程中的速度，达到全景浏览目的。用户在使用过程中，可以依据自身兴趣点，自行定义飞行路线，将多种格式的文件进行输出，然后通过任意点击场景模型，显示相关信息。

3.2 信息可视化展示

可视化平台主要是借助三维技术，将电厂中监测到的重要信息进行可视化展示和分析。通常情况下，电厂对于信息的关注重点通常放在生产控制系统、视频监控以及外围环境等信息上。在制作三维模型时，需要依据相关信息，将摄像头、构筑物以及仪表等设备开展简化处理，然后在后台将模型的标号和各类数据进行有效关联，促使用户能够借助监测点来对相关模型进行定位，也可以点击相应模型来获取监测点相关信息。同时，用户还能在三维模式中触发不同的监测信息，以全方位掌握厂区的实际运行情况。

3.3 二维和三维系统的联动

此应用平台能够在相同的场景中将二维和三维进行联动，平台和系统在二维界面，并可以利用监测点和三维界面发生关联，这个时候用户只需要在二维界面中点击相应的监控点就能够实现与三维界面的互动，有效弥补了三维模型中不能科学展示监测数据的不足，将二维和三维的独特优势在同一个平台中展示出来，为用户提供更加优质的体验。

3.4 智能监测和预警

应用平台能够将历史监测值依据分类条件进行分别存储，因此能够实现实时数据与历史数据的有效对比，并在此基础上判断其是否存在异常，最大限度降低由于外部因素带来的数据变化，如果平台监测发现数据差异值超出限定范围，就会在三维模型中进行标记，并在系统中利用弹窗进行提示。同时，所有的异常数据都会在信息库中进行合理保存，为用户后期复查提供便利。

3.5 设备的拆装模拟

首先平台以部件图为依据，来集中采集各部分零件的外形、尺寸、特征以及位置等信息，并建立设备初始信息数据库。然后需要利用Solidworks软件，在拆装模拟演示中进行部件功能的移植，通过服务器缓存的模型数据，在线查看拆装演示。

3.6 互动式操作模拟演练

应用平台能够将设备复杂的运行，以及操作流程等制作成三维模拟脚本，工作人员则需要在脚本树的支持下加载相应场景，然后利用虚拟技术，呈现真实的操作情境，借助三维交互方式，在相应场景中开展模拟演练，实现全部操作过程的仿真。同时，工作人员还能够在平台上对具体的操作行为进行打分，还可以回放和详细演示操作过程，提升培训成效。

4 5G技术在智慧电厂中的应用需求及原则

4.1 5G技术在智慧电厂中的应用需求

首先，在图像识别和视频数据方面。在智慧电厂的智能监控设备以及故障远程诊断平台中，对带宽的要求较高，通过4G技术等无线手段不能有效保证数据在传输过程中的完整性，进而影响对数据后续的分析。而在5G技术中，其平均带宽保持在1Gbps，甚至在峰值的时候其速率能够到达20Gbps，因此5G技术能够实现智慧电网中的高清晰度视频数据的传输以及智能化图片的识别等。

其次，在多终端通信和控制方面。智慧电厂中的智能巡检系统在使用传感器或者采集数据的时候，现有的通讯形式不能有效满足移动终端的要求，因此造成巡检系统的灵活性不足。而借助蓝牙或者是4G等手段，其覆盖范围小，而且延时高，容易引发移动终端的异常，为数据的传输以及采集带来不利影响。而借助5G技术能够实现的移动性能和连接密度分别是500km/h和100万台/km2，因此能够在智慧电厂中进行有效应用，以保证数据通讯的实时性。

最后，在远程控制方面。由于传统电厂的生产环境非常复杂，因此在不能有效铺设电缆的大型设备中，可以使用无线技术，以有效减少安全意外事故的发生。此外，在对各种设备进行远距离控制时，现有的通讯方式基本上是通过架设电缆加人工巡查的方式实现的。由于4G技术具有延时高的特点，因此对4G技术的应用可能会影响通信质量，进而影响远程控制效果。而5G技术具有低延时的突出优势，因此其在智慧电厂中的应用能够促进通信质量和效率的提升。

4.2 5G技术在智慧电厂中的应用原则

电厂是我国的基础设施，在其生产运行期间必须要保证其安全性和稳定性。因此，要求5G网络必须具有较高的可靠性和安全性。在智慧电厂中，5G网络要以专网的形式进行组网，因此专网的建设必须符合电力防护要求，并进行分区隔离，做好便捷防护，保证不进行跨区直连，电厂数据不能进行外溢。因此，5G技术在智慧电厂中的应用原则可以总结如下：

一是必须具有较高可用性。用户要想最大限度保障网络可用性，需要坚持始终使用这一网络。

二是要有较高的可靠性。在智慧电厂中，5G技术需要具备在预定的时间内，持续高效传输数据的能力，同时需要有足够大的容量和覆盖范畴，还要有能够自由进行业务切换。

三是必须具有较高的服务质量。QoS主要涉及抖动、吞吐量、丢包率以及延迟等，同时还要在目标区域中进行全方位覆盖，并保证在其覆盖区域内即使用户发生快速移动也能够保证业务不被中断。

四是必须具有较高的安全性。在专用网络架构中，需要保证端到端的安全性，以保证基础的架构、信息和人员的安全，同时可以使用网络隔离、用户身份验证、以及数据保护等办法来保障核心资产安全，此外还需要拥有数据主权，以保证敏感信息在有效掌控中。