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5G技术在火力发电厂中的应用前景分析

发表时间：2020/3/3 来源：《电力设备》2019年第20期作者：张文涛

[导读] 摘要：5G技术作为工业互联网发展的助推器，在工业各个领域将发挥不可或缺的作用，探讨5G三大应用场景在火力发电厂各个系统中适用性，为传统工业发展寻求新契机。

        (福建省鸿山热电有限责任公司福建省泉州市 362712)
        摘要：5G技术作为工业互联网发展的助推器，在工业各个领域将发挥不可或缺的作用，探讨5G三大应用场景在火力发电厂各个系统中适用性，为传统工业发展寻求新契机。
        关键字：5G；火力发电厂；5G应用场景；适用性
        5G 作为第五代移动通讯技术，提出了高带宽，低延迟，高可靠性和万物互联的概念，迅速成为全世界的宠儿。如果说第1次工业革命是以蒸汽机应用为代表，第2次工业革命是以电力和内燃机应用为代表，第3次工业革命是以计算机和信息技术应用为代表，毫无疑问第4次工业革命将是以互联网和智能机器人应用为代表。5G作为第四次工业革命的驱动力，推动着社会的各个行业完成质的飞跃。本篇将畅想5G技术在火力发电厂中的应用，为新型智慧电厂出谋划策。本文根据不同的应用场景的技术特点，列举发电厂各个系统的使用需求，使其相互匹配以满足生产需要。
        1.5G技术的应用场景介绍
        5G技术有高带宽、低延迟、高可靠性、抗干扰能力强和万物互联等一系列特点[1]，针对5G技术在带宽、时延和覆盖范围等方面的特征，依据网络切片技术，国际标准化组织3GPP将5G定义了三大应用场景：增强型移动宽带（eMBB）、大连接物联网（mMTC）和低延时高可靠通信（uRLLC）。针对不同的场景，3GPP在带宽、时延和覆盖范围等方面确定了8项5G技术指标。这三大应用场景将分别服务于不同的领域，涵盖了我们工作和生活的方方面面。
        1) eMBB（ Enhance Mobile Broadband）即增强移动宽带，是指在现有移动宽带业务场景的基础上，对于用户体验等性能的进一步提升，这也是最贴近我们日常生活的应用场景。5G在这方面带来的最直观的感受就是网速的大幅提升，即便是观看4K高清视频，峰值能够达到10Gbps[2]。
        2) mMTC（Machine Type Communication）即大规模物联网业务，就是所谓的“万物互联”，将在6GHz以下的频段发展，同时应用在大规模物联网上。目前，在这方面比较可见的发展是NB-IoT。以往的Wi-Fi、Zigbee、蓝牙等无线传输技术，属于家庭用的小范围技术，回传线路（Backhaul）主要都是靠LTE，近期随着大范围覆盖的NB-IoT、LoRa等技术标准的出炉，可望让物联网的发展更为广泛[2]。
        3) URLLC（Ultra Reliable Low Latency Communications）即极可靠低延迟通信，特点是高可靠、低时延、极高的可用性。它包括以下各类场景及应用：工业应用和控制、交通安全和控制、远程制造、远程培训、远程手术等。URLLC在无人驾驶业务方面拥有很大潜力。此外，这对于安防行业也十分重要。工业自动化控制需要时延大约为10ms，这一要求在4G时代难以实现。而在无人驾驶方面，对时延的要求则更高，传输时延需要低至1ms，而且对安全可靠的要求极高[2]。针对三大场景，国际标准化组织3GPP会尽快出台相应的网络标准以此来满足各种用户的需要。
        2.5G技术在火力发电厂各个系统中应用
        2.1.5G技术在无线DCS中的应用
        《DLT 261-2012火力发电厂热工自动化系统可靠性评估技术导则》对火力发电厂各个系统扫描周期的规定如表1：
        表1 火力发电厂各个系统扫描周期表

        由表1可以看出SOE扫描周期最短，数据为1ms，其次是独立配置的超速跳闸保护（OPT）和超速保护系统（OPC）系统，数据为20ms。5G三大应用场景中”极可靠低延迟通信”(URLLC)网络构架具有高可靠、低时延的特点，最低延迟可以达到1～10ms。由此可以看出URLLC应用场景的网络延迟可以满足无线DCS中除SOE系统以外的其他系统的要求。
        2.2.5G技术在电力营销中的应用
        随着电力资源的不断变化，传统的卖方市场已经不适合现有电力市场的需求，电力行业市场化被提上日程，通过电力营销来实现电力资源的优化与配置迫在眉睫。“互联网+电力营销”模式被大家认为是一个可行的方案，即以现代信息通讯技术为依托的新型电力营销模式。
        市场化电力交易模式如图2：

        从图2可以看出，发电企业与用电客户可以直接交易，发电企业需要实时获取用电客户的实时用电量，智能无线远传电能表可以帮助实现将用电客户实时用电量传送给发电企业。智能电表与发电企业数据采集终端之间的通讯网络需要满足以下条件来适应电力营销网络的特性：
        1）无线远传功能。由于用电客户离发电企业较远，有线传输电缆费用巨大。
        2）可扩展功能。在电力营销的过程中，用电客户不断增多，要求通讯网络设备具有可扩展性。
        3）超低延迟、无干扰、高可靠性。由于电量具有无法储存的特性，需要发电厂AGC系统实时获取发电目标值，所以需要智能电表数据传输无延迟，高可靠性。
        智能无线电表网络所要求的这三点中，以网络扩展性高这一要求为主，高带宽、低延时和高可靠性要求其次。综合5G技术的三大场景的特点，大规模物联网业务（mMTC）应用场景以“万物互联”著称，可以很好的满足智能无线电表网络高扩展性的要求。
        2.3.5G技术在工业热网监控系统中的应用
        某工业区直径5公里，工业区存在70多家热用户，热电厂有一个热网监控室，热网主管路由南北线两路组成。每家热用户用汽量、压力、温度、累积流量、电源监视、柜门开关监视等参数与热网监控室通讯，在每家热用户入户管道上都有一个电动截止阀，就地热用户计量小室外安装一台1080P高清摄像头。
        热电厂要求热网控制系统能完成以下操作：
        1)在热网监控室对用气量、压力、温度、累积流量、电源监视、柜门开关监视等参数进行监控。
        2)热电厂工作人员通过调取视频信号可以实时监控就地热用户小室或者调取历史监控记录。
        3)热电厂采用汽款预支付功能：当用户汽款不够时，系统会发短信到用户手机提醒用户充值，如果没有按期充值，系统会提示热电厂工作人员远程关闭热用户入户管道上的电动截止阀。
        摄像机1080P(200万像素)的视频格式每路摄像头的比特率为4Mbps，即每路摄像头所需的数据传输带宽为4Mbps,加上供热参数传输和电动门控制传输，数据传输带宽不超过5Mbps，所以不属于大数据传输；工业区热网用户相对固定，在扩展性方面也没有要求；
        当热网用户欠费时，热电厂工作人员远程关闭热用户入户管道上的电动截止阀，而不需要限时自动关闭电动截止阀，在网络延时方面上对要求也不高。综上所述，热网监控系统属于对网络要求不是很高的系统，在5G场景选择方面相对比较自由，可以更多的从经济性上考虑5G场景选择。
        2.4.5G技术在新型巡点检系统中的应用
        为了满足工业领域的点检定修系统机制的需求，巡点检系统应运而生，它通过对工业现场设备状态数据的收集、记录、存储、汇总、分析、查询来实现提前发现并消除设备隐患，提高设备可靠性的目的。
        传统的巡点检系统有名下的劣势：
        1）点检员由于业务素质差异，其所记录的数值可靠性有待商榷；
        2）点检员所采集的数据要点检仪通过USB接口上传至点检服务器，不能实时发送，数据时效性差；
        3）数据单向传送，点检仪只能发送不能接收数据，点检员无法在现场获取该测点DCS实时数据、报警值、保护定值或该设备运行状态等信息；
        4）巡点检系统孤岛运行，与其他系统无法数据共享，不能被很好的利用。由于以上原因，巡点检系统在发电企业中的作用越来越鸡肋。
        新型巡点检系统网络构架图如图5：

        从图5可以看出，点检仪通过5G无线通讯技术与巡点检服务器进行数据交互，巡点检服务器与SIS服务器、MIS服务器也进行联网，使得发电厂经营管理网络一体化，防止巡点检孤岛运行。二维码的唯一性可以很好的被利用在发电厂设备各个部件上，只需要通过点检仪扫描二维码就可以获得该设备、该零件或者该测点的所有信息。
        新型巡点检系统网络数据流如图6：

        图6中的数据流A表示巡点检系统与点检仪之间的双向数据交互。现场设备每一个监测点都贴有二维码，二维码与监测点名称和KKS相对应，只需要使用点检仪扫描二维码就可以将温度、振动等数据对应的、迅速的发送到巡点检服务器，这是数据从点检仪到巡点检服务器的流动；点检仪也可以从巡点检服务器调取设备图纸、养护说明、故障分析说明等文字性文件，这是数据从巡点检服务器到点检仪的流动。
        图6中的数据流B表示从SIS系统到点检仪的单向数据流动。点检仪可以从SIS系统获取该测点实时数据、报警值、保护定值、该设备实时运行状态等参数，方便巡检人员及时发现设备隐患，保持设备健康、稳定运行。
        图6中的数据流C表示从MIS系统到点检仪的单向数据流动。
        以一台给水泵为例，该水泵轴承、电机、抽屉开关、轴承温度、轴承振动等一系列备品名称都生成二维码，并将二维码陈列在设备旁边看板上。只需要用点检仪扫描一下某备品的二维码，点检仪就可以从MIS系统获取该备品的库存数量、现场使用数量、使用相同备品的设备等一系列数据，非常方便的满足点检工程师进行备品查缺和备件申报。同时，点检工程师也可以通过点检仪从MIS系统获取该设备的设备台帐、维修记录、两票开出情况等一系列数据，方便点检工程师查阅与参考，综合评估设备劣化趋势，为定修工作做准备。
        以上分析可以看出，新型巡点检系统对网络的要求主要体现在数据库的上传和下载上，通讯数据量比较大，5G三大场景中的eMBB（ Enhance Mobile Broadband）即增强移动宽带，峰值能够达到10Gbps，很好的满足了新型巡点检系统的网络需求。
        3.总结
        本文主要讨论了5G技术在火力发电厂无线DCS系统、电力营销系统、热网监控系统和巡点检系统中的应用的可能性以及各个系统与5G三大应用场景的适用性。其中无线DCS系统适用于URLLC应用场景；电力营销系统适用于大规模物联网业务（mMTC）应用场景；巡点检系统适用于增强移动宽带（eMBB）；热网监控系统对网络指标要求不是很高，三大应用场景都可以适用。
        4.结束语
        5G特有的网络切片技术可以为用户提供丰富的应用场景，并对各个场景在带宽、时延和覆盖范围等方面确定了8项5G技术指标。本文根据不同的应用场景的技术特点，以发电厂各个系统为用户，为其匹配到合适的应用场景以满足生产需要。本文主要从技术指标方面入手来匹配，并未深入开展网络通讯技术方面探讨，也未考虑建设成本和网络安全方面的因素。
        参考文献：
        [1] 张长青. 浅析5G 技术对工业互联网应用的影响[J]. 邮电设计技术，2017（06）：41-46.
        [2] 林玮平，魏颖琪，李颖. 5G在工业互联网上的应用研究. 广东通信技术, 2018(11): 24-27.
        作者简介：张文涛，男，1985年出生，东南大学本科学历、学士学位，中级工程师，从事热工自动化维护方面的工作。