5G技術(shù)在智能水電廠建設(shè)中的應(yīng)用探討

【關(guān)鍵詞】5G 技術(shù)；智能水電廠建設(shè)；應(yīng)用探討

在我國水電行業(yè)中，智能水電廠施工是當(dāng)前工作中的一項關(guān)鍵內(nèi)容，其主要指的是通過運(yùn)用云計算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能以及大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)，使得水電廠施工更趨向于智能化，從而推動水電生產(chǎn)不斷更新與進(jìn)步。在智能水電廠的建設(shè)過程當(dāng)中，第五代移動通信技術(shù)的科學(xué)運(yùn)用，可以將其整個內(nèi)部的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行整合，從而使得傳感器，無人設(shè)備等等都可以在這當(dāng)中起到重要作用，促進(jìn)數(shù)據(jù)收集與傳輸效率的提升，并且促進(jìn)智能水電廠的高效、優(yōu)質(zhì)發(fā)展。

一、智能水電廠發(fā)展現(xiàn)狀

自2008年前后，綜合傳統(tǒng)水電廠自動化系統(tǒng)中出現(xiàn)的眾多問題，借鑒國際主流標(biāo)準(zhǔn)，業(yè)內(nèi)多家設(shè)備廠家為水電廠的生產(chǎn)和經(jīng)營提出一套智能化整體解決方案，開發(fā)出相關(guān)產(chǎn)品。在智能傳感領(lǐng)域、光纖定子測溫、無線傳感器、噪音檢測傳感器的技術(shù)與產(chǎn)品等方面的研究逐漸深入，且工程化應(yīng)用效果較好。在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)建設(shè)上，進(jìn)行4G移動通信技術(shù)及局域網(wǎng)通信技術(shù)研究與應(yīng)用，并在智能水電廠中構(gòu)建低功耗無線傳感網(wǎng)絡(luò)，長距離無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，同樣獲得良好的應(yīng)用效果。從工程實踐上看，該智能水電廠現(xiàn)已應(yīng)用于吉林白山，廣西桂冠，新疆伊河，三峽成都梯調(diào)，東北電網(wǎng)豐滿水電站復(fù)建項目，福建古田溪梯級電站，華能瀾滄江小灣，國電大渡河瀑布溝電站以及國網(wǎng)新源仙居抽蓄電站等項目中，應(yīng)用效果較好。

從整體上看，智能水電廠歷經(jīng)10余年，其內(nèi)涵及外延均隨科技發(fā)展及產(chǎn)業(yè)需求而不斷充實升級，需要進(jìn)一步推進(jìn)“大云物移智”這一新興信息通信技術(shù)同現(xiàn)代工業(yè)控制技術(shù)結(jié)合運(yùn)用，助推水電廠提質(zhì)增效。目前隨著水電廠機(jī)器人、無人機(jī)、移動終端、高清工業(yè)電視、智能巡檢儀等裝置設(shè)備的使用，原有通信網(wǎng)絡(luò)與技術(shù)已無法充分滿足使用需求，需要探索建設(shè)一個能滿足智能水電廠使用場景的全廠區(qū)無線通信網(wǎng)絡(luò)。

二、5G技術(shù)特點

5G技術(shù)作為高密度的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其數(shù)據(jù)傳輸效能非常高，5G技術(shù)在4G網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上加入了編碼調(diào)制、多址接入等新功能，從而使無線網(wǎng)絡(luò)中的頻譜效率得以進(jìn)一步的挖掘，無論是傳輸?shù)男蔬€是功率都得到顯著的提升。在無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面，應(yīng)用了自組織網(wǎng)絡(luò)與異構(gòu)超密集部署的5G無線網(wǎng)絡(luò)，其控制功能和轉(zhuǎn)發(fā)分離功能在智能性和靈活性上都有了很大的提升，并且由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的距離大幅縮減，從而達(dá)到了有效提高網(wǎng)絡(luò)頻譜效率和功率的目的，同時還能在很大程度上實現(xiàn)系統(tǒng)容量的進(jìn)一步擴(kuò)容。擁有更快的傳輸速度是5G技術(shù)最顯著的一個特點。一般而言，5G無線網(wǎng)絡(luò)體驗速率為1 Gbps，峰值一般可以達(dá)到10 Gbps，比4G網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率快了近百倍。正是基于5G無線網(wǎng)絡(luò)如此高效的數(shù)據(jù)傳輸，才能實現(xiàn)更加有效的信息資源的采集和傳輸要求。

除此以外，網(wǎng)絡(luò)延時低也是5G技術(shù)最主要的特點之一。由于5G無線網(wǎng)絡(luò)擁有極大的接入容量，因此可以在覆蓋范圍內(nèi)實現(xiàn)大數(shù)量終端的相互聯(lián)結(jié)，在采用5G技術(shù)后，能夠在每平方千米內(nèi)實現(xiàn)百萬臺以上的終端設(shè)備同時接入，并保證其運(yùn)行效率不受影響。5G技術(shù)還能有效的增強(qiáng)移動寬帶，大幅降低移動寬帶的網(wǎng)絡(luò)延時，使網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量得到顯著提升，同時大范圍數(shù)據(jù)傳輸功能也能得到充分實現(xiàn)。此外，5G技術(shù)還進(jìn)一步的優(yōu)化了過去4G網(wǎng)絡(luò)功能單一這個缺點，通過應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)對5G技術(shù)中的通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行邏輯劃分，使其成為若干個虛擬網(wǎng)絡(luò)。經(jīng)過劃分之后的各個虛擬網(wǎng)絡(luò)中各部分均可實現(xiàn)執(zhí)行獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)功能要求，可通過單一通信網(wǎng)絡(luò)來滿足各種不同業(yè)務(wù)要求，使得5G技術(shù)網(wǎng)絡(luò)適用能力得到了提升，也增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)靈活性，使得網(wǎng)絡(luò)資源運(yùn)維與管理更方便，并且5G網(wǎng)絡(luò)在此之上還具備了一定開放性[1]。

三、5G技術(shù)在智能水電廠建設(shè)中的應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)

（一）5G 技術(shù)有待成熟

盡管5G于2019年正式投入商業(yè)使用，移動通信正式邁入5G時代，但是5G還處于技術(shù)發(fā)展早期，核心技術(shù)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備質(zhì)量及可靠性還有待成熟。水電廠是生產(chǎn)類企業(yè)之一，其對于水電站的安全生產(chǎn)評價更加嚴(yán)格，對于技術(shù)可靠性也有更高的要求。應(yīng)用于水電行業(yè)的技術(shù)既要具備一定先進(jìn)性，又要具備極高的可靠性與成熟度。5G是下一代移動通信技術(shù)，它的先進(jìn)性是不言而喻的，但是在網(wǎng)絡(luò)切片，邊緣計算等技術(shù)成熟度與可靠性上仍需進(jìn)一步發(fā)展，并需通過廣泛場景化應(yīng)用與校驗才能保證水電廠工程應(yīng)用本質(zhì)上的安全性。

（二）5G 技術(shù)應(yīng)用范圍應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)大

現(xiàn)階段，5G技術(shù)以其優(yōu)勢，在智能水電廠的建設(shè)進(jìn)程中得到了較為廣泛的運(yùn)用，但是就總體而言，它的運(yùn)用范圍還將得到進(jìn)一步拓展，并發(fā)揮出更加顯著的作用。在進(jìn)行水電廠施工時，5G技術(shù)已經(jīng)發(fā)揮出比較大的優(yōu)越性，并且在綜合運(yùn)用人工智能技術(shù)、云技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等技術(shù)的背景下，5G技術(shù)也開始在水電廠施工場景中得到廣泛的應(yīng)用，并且隨著應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的成本也會逐步下降，這樣不僅能夠提升智能水電廠建設(shè)的效率，同時還能更好的實現(xiàn)水電廠業(yè)務(wù)工作與5G技術(shù)的深度融合，隨著5G技術(shù)應(yīng)用力度的加大，可以有效地助力水電廠智能化和數(shù)字化的轉(zhuǎn)變。

（三）5G 技術(shù)的安全防護(hù)水平有待提高

保障施工安全是水電廠建設(shè)的關(guān)鍵，因此在施工現(xiàn)場應(yīng)用5G技術(shù)時務(wù)必要保證網(wǎng)絡(luò)專用并實行安全分區(qū)，同時嚴(yán)格實施網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)要求，防止出現(xiàn)無線信號被攔截或損壞的情況。為了最大程度的保障5G技術(shù)在項目建設(shè)中的安全性，相關(guān)單位及個人要嚴(yán)格根據(jù)國家加密技術(shù)相關(guān)要求對通信數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，然而由于現(xiàn)階段建設(shè)成本等方面的限制，5G終端接入量還比較小，使得5G技術(shù)運(yùn)用過程中安全防護(hù)措施受到限制，很難完全確保5G技術(shù)安全，也很難確保水電廠施工期間5G技術(shù)絕對穩(wěn)定。

四、5G技術(shù)在智能水電廠建設(shè)中的具體應(yīng)用

（一）各系統(tǒng)高精度授時

在智能水電廠建設(shè)中統(tǒng)一對時具有極其重要的意義，通過應(yīng)用5G技術(shù)中的時鐘同步系統(tǒng)，就可以準(zhǔn)確的讓水電所有系統(tǒng)都能在時鐘上保持同步，這樣一來，在有事故發(fā)生時，檢修人員就可以按照各系統(tǒng)的開關(guān)順序來快速排查和分析造成的事故的原因，從而更好的保障智能水電廠持續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)行。倘若沒有基于5G技術(shù)的時鐘同步支持，就無法保障系統(tǒng)時鐘的同步率，并且因為水電廠對時通道方面的制約，進(jìn)一步加大了各個系統(tǒng)時鐘同步的難度。因為單個系統(tǒng)很難連接到始終同步系統(tǒng)中，這就會導(dǎo)致各個系統(tǒng)時間無法保持完全一致，一旦發(fā)生事故，檢修人員則難以通過調(diào)查系統(tǒng)記錄的方式來對事故原因進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷。在應(yīng)用5G技術(shù)之后，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的系統(tǒng)時鐘同步，并且在對時通道上不存在數(shù)量限制，這樣既實現(xiàn)了各個系統(tǒng)的準(zhǔn)確對時，還可以實現(xiàn)高效率的數(shù)據(jù)收集和傳輸。在此基礎(chǔ)上，還能夠通過5G技術(shù)統(tǒng)一對水電廠各個系統(tǒng)實現(xiàn)監(jiān)控管理，通過結(jié)合5G技術(shù)與繼電保護(hù)系統(tǒng)，有效的實現(xiàn)水電廠輔控系統(tǒng)、故障錄波系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)以及信息管理系統(tǒng)等與時鐘同步系統(tǒng)的連接。此外，利用5G技術(shù)靈活性強(qiáng)的特點，無論是地下廠房還是隧道等布設(shè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)難度較大的區(qū)域均可開展網(wǎng)絡(luò)授時工作，從而使得水電廠內(nèi)部各地區(qū)均能達(dá)到較好的高精度網(wǎng)絡(luò)授時效果，便于水電廠內(nèi)部各個系統(tǒng)統(tǒng)一授時。

（二）設(shè)備狀態(tài)全息感知

水電廠對設(shè)備狀態(tài)的全息感知就是綜合應(yīng)用各種傳感器來實時的獲取設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，從而更好的開展設(shè)備狀態(tài)智能預(yù)警和故障診斷工作，并支持其檢修業(yè)務(wù)。裝置全息感知需給裝置加裝大量監(jiān)測傳感器，使用現(xiàn)有硬接線方式或者現(xiàn)場總線方式都會受成本、容量等因素的制約，同時不能滿足實時性要求。尤其對于老舊電廠改造來說，信號電纜的再鋪設(shè)費(fèi)用更大。利用5G大容量，高速率和高可靠等特性，將大量監(jiān)測傳感器通過5G網(wǎng)絡(luò)在本地訪問，提高了設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)獲取的及時性和全息感知的能力，從而為設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和設(shè)備故障診斷提供實時數(shù)據(jù)支持。

（三）管理水電建設(shè)

由于水電廠總體施工狀況比較復(fù)雜，因此水電廠建設(shè)工程比較困難。水電廠中涉及的施工范圍較寬，且因地下廠房等原因會使施工難度進(jìn)一步增加，總體跨度大，交叉洞室較多。建設(shè)工程施工期間，所涉及的內(nèi)容比較多，并且操作起來也比較繁瑣和困難，水電廠內(nèi)部建設(shè)環(huán)境也不穩(wěn)定，再加上之前網(wǎng)絡(luò)的支持，建設(shè)效率并不理想，很難滿足建設(shè)需求，給施工建設(shè)造成了很多不便。水電廠水電工程建設(shè)對自動化和信息化都有很高要求，借助5G技術(shù)，能夠為水電建設(shè)工程建立起綜合監(jiān)測系統(tǒng)，對工程建設(shè)的真實情況實施實時監(jiān)管，當(dāng)施工過程中存在問題時，能夠及時作出調(diào)整以化解其隱患，使項目施工的質(zhì)量與效率大幅提升。在施工現(xiàn)場可以通過應(yīng)用5G技術(shù)來實現(xiàn)智能挖掘機(jī)、無人駕駛運(yùn)輸車等施工設(shè)備的操控。在5G技術(shù)網(wǎng)絡(luò)延時低的支持下，應(yīng)用無人設(shè)備進(jìn)行施工能夠有效的提升施工效率，同時還能降低發(fā)生施工安全事故的概率，減少現(xiàn)場施工的人力資源投入[2]。除此以外，水電建設(shè)期間還需要在施工現(xiàn)場設(shè)置大量傳感監(jiān)測終端來確保施工現(xiàn)場安全。借助5G技術(shù)的靈活性實現(xiàn)了場地的網(wǎng)絡(luò)布設(shè)，網(wǎng)絡(luò)布設(shè)不便的地方也能有效的與網(wǎng)絡(luò)終端連接，從而實現(xiàn)傳感監(jiān)測全方面覆蓋施工現(xiàn)場，增強(qiáng)了施工現(xiàn)場監(jiān)管能力與控制力度。

（四）無人巡檢系統(tǒng)

在進(jìn)行智能水電廠施工時，可以運(yùn)用5G技術(shù)來實現(xiàn)施工現(xiàn)場的無人巡檢。在5G技術(shù)的支持下，巡檢無人機(jī)、巡檢機(jī)器人等設(shè)備能夠替代人工實現(xiàn)更加優(yōu)質(zhì)高效的施工現(xiàn)場巡檢工作，為項目安全生產(chǎn)工作提供有效的保障。在5G技術(shù)開始普及應(yīng)用之前，電力巡檢的布放通常是采用無線通信技術(shù)來得以實現(xiàn)，這種布放方式需要在區(qū)域內(nèi)設(shè)置較多的無線熱點，成本投入非常高。而在5G技術(shù)應(yīng)用中，因其具有網(wǎng)絡(luò)延遲小、運(yùn)行更可靠等特點，可實現(xiàn)水電廠內(nèi)所有無人巡檢設(shè)備高精準(zhǔn)度管控[3-4]，確保施工現(xiàn)場安全，并可有效提升現(xiàn)場管控效率?；?G技術(shù)的應(yīng)用，施工現(xiàn)場綜合網(wǎng)絡(luò)布設(shè)可以使得巡檢無人機(jī)，巡檢機(jī)器人和其他巡檢設(shè)備定時自動完成既定的巡檢任務(wù)，并且可以將巡檢圖片實時上傳至系統(tǒng)中，以便管理人員及時對巡檢信息進(jìn)行確認(rèn)。通過將5G技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，可以智能識別巡檢中出現(xiàn)異常圖像，并自動定位和分析故障情況，從而大幅提升現(xiàn)場巡檢的質(zhì)量和效率。除此以外，在無人巡檢系統(tǒng)的操作下，能夠使巡檢更為精準(zhǔn)、更具時效性，更好地滿足水電廠建設(shè)現(xiàn)場的巡檢需求[5-6]。

（五）應(yīng)急指揮與管理

水電廠建設(shè)過程中不可避免地會出現(xiàn)各種各樣的緊急事故，如搶險、防汛等，需要緊急處理，在事故中，有線通信網(wǎng)絡(luò)極易被破壞。但隨著5G技術(shù)的運(yùn)用，便可發(fā)揮它容量大的優(yōu)勢，臨時設(shè)置施工現(xiàn)場的應(yīng)急處理點及應(yīng)急處理中心，在施工現(xiàn)場進(jìn)行各項緊急事件全方位把握并及時了解，運(yùn)用5G技術(shù)即可以準(zhǔn)確判斷事故情況，供現(xiàn)場管理人員參考，為緊急事故提供精確應(yīng)急措施和參考依據(jù)。相關(guān)工作人員可以佩戴基于5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智能頭盔進(jìn)行應(yīng)急事件處理，如對緊急事件進(jìn)行現(xiàn)場圖片的記錄和處置，可以及時傳送給應(yīng)急指揮中心，讓應(yīng)急指揮中心及時了解應(yīng)急處理的情況和根據(jù)現(xiàn)場處置的實際情況科學(xué)指揮，保障施工現(xiàn)場緊急事件能得到精確、有效地處置。

結(jié)束語

總而言之，相比于過去的通信技術(shù)，5G技術(shù)具有極大的優(yōu)勢，它是當(dāng)前通信技術(shù)的最新形式。在智能水電廠構(gòu)建過程中應(yīng)用5G技術(shù)能夠更好的推動其數(shù)字化和智能化發(fā)展，而在5G技術(shù)運(yùn)用之下，水電廠內(nèi)部可實現(xiàn)各個系統(tǒng)高精度授時與設(shè)備全息感知，并且可強(qiáng)化對管理水電的構(gòu)建與應(yīng)急管理的指揮與處置，也使得無人巡檢系統(tǒng)變得更為準(zhǔn)確與及時。但當(dāng)前5G技術(shù)在智能水電廠的應(yīng)用還處在初步的探索階段，隨著5G技術(shù)的持續(xù)優(yōu)化和發(fā)展，以及其與大數(shù)據(jù)和人工智能的深度結(jié)合應(yīng)用，未來將可以進(jìn)一步推動智能水電廠的高效、高質(zhì)量發(fā)展。