基于無線高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹悄苋剂瞎芾響?yīng)用方案研究

李維聰，劉霞

（中國能源建設(shè)集團廣東省電力設(shè)計研究院有限公司，廣州510663）

隨著我國電力體制改革的不斷深入以及近年機組發(fā)電小時數(shù)有限的現(xiàn)狀，運行電廠的大數(shù)據(jù)整合、優(yōu)化成本控制已經(jīng)成為發(fā)電企業(yè)增強核心競爭力的關(guān)鍵因素。煤是火力發(fā)電廠的主要生產(chǎn)原料，其成本占發(fā)電企業(yè)總成本的70%左右，因此燃料管理水平的高低直接影響著發(fā)電企業(yè)的燃料成本控制和經(jīng)營效益。

隨著國內(nèi)燃煤電廠燃料管理系統(tǒng)數(shù)字化程度的不斷提升，電廠對燃料信息系統(tǒng)的數(shù)字化信息處理需求更高。目前國內(nèi)一套完整的智能化燃料管理系統(tǒng)主要由入廠煤管理、入廠煤采樣制化、數(shù)字盤煤及煤場管理、智能燃料管控四大部分組成。其結(jié)構(gòu)圖組成如圖1所示。

圖1 智能燃料管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of intelligent fuel management system

四大部分的系統(tǒng)均采用安防監(jiān)控視頻、行程數(shù)據(jù)管理、設(shè)備二維碼管理、環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測等。由于國內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，對設(shè)備信息的采集水平提升了更高的層次，而對于電廠大數(shù)據(jù)融合方案需進行必要的數(shù)據(jù)傳輸提升。對于新建的電廠項目或老廠改造項目中，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在提升數(shù)據(jù)傳輸方面采用了高速的無線通訊技術(shù)，同時結(jié)合智能電廠的先進數(shù)據(jù)庫技術(shù)、web 技術(shù)和三維技術(shù)等IT技術(shù)將智能燃料管理平臺的各部分進行數(shù)據(jù)融合優(yōu)化。

1 高速通訊數(shù)據(jù)技術(shù)

1.1 5G通訊技術(shù)

5G 通信技術(shù)即第5代移動通信技術(shù)，是新一代蜂窩移動通信技術(shù)，是4G（包括TD-LTE 和FDDLTE）、3G（包括美國CDMA2000、歐洲WCDMA和鐘工TD-SCDMA）和2G（GSM 和CDMA）蜂窩移動通信技術(shù)的發(fā)展。具備高帶寬、高可靠以及低延時三大優(yōu)勢，將與云計算、大數(shù)據(jù)以及人工智能相輔相成，促進全行業(yè)數(shù)字化進程。而5G 的高速傳輸速度有利于電廠實現(xiàn)更多優(yōu)化控制、智能分析，表1是5G傳輸數(shù)據(jù)的對比表格：

表1 5G通訊技術(shù)參數(shù)對比Tab.1 5G communication technology parameters comparation

利用5G 通訊技術(shù)的在容量和覆蓋方面相比其它通訊有大寬帶、低時延等優(yōu)點；在不同的應(yīng)用領(lǐng)域中，供應(yīng)商可以提供相應(yīng)的5G 應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)定制化服務(wù)；在性能方面可以為工業(yè)提供高可靠性網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及超低時延傳輸和低時延抖動；在網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)中可以通過網(wǎng)絡(luò)切片提供不同業(yè)務(wù)隔離，電廠中既可以使用專業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)相關(guān)信息同時也可以為普通的移動運營提供通信服務(wù)；在安全性方面，通信基站有效隔離外部信息干擾入侵，可提供運營商級別的安全性，對工業(yè)應(yīng)用信息提供有效保障；在移動性定位中5G 技術(shù)基于標準規(guī)范，實現(xiàn)覆蓋與其他領(lǐng)域的移動通信機制，同時對于智慧電廠可支持室外與室內(nèi)的定位功能。綜上所述高傳輸速率、可靠性高等特點的5G 高傳輸速率未來在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中會得到進一步推廣。而在工業(yè)產(chǎn)業(yè)對數(shù)據(jù)的安全性、傳輸容量較大的要求下，利用5G 通訊能有效把全廠的數(shù)據(jù)統(tǒng)一整合管理，通過服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架組成數(shù)據(jù)一體化管控平臺。

相比其他的通信技術(shù)，目前5G 的建設(shè)費用相對較高，實現(xiàn)過程還需要與運營商的建設(shè)緊急聯(lián)系，同時也需要定制相應(yīng)的方案，但后期的設(shè)備維護也相應(yīng)減少。目前5G的連接數(shù)量密度可達100萬臺/km，完全滿足電廠范圍內(nèi)所需傳輸設(shè)備數(shù)量及廠內(nèi)移動設(shè)備連接數(shù)量，可以提升電廠數(shù)字化采集的速率。

1.2 WiFi6通訊技術(shù)

WiFi6 是第六代無線網(wǎng)路通信技術(shù)，是WiFi 聯(lián)盟與IEEE 802.11 標準的無線局域網(wǎng)技術(shù)。從WiFi5 傳輸速率 3.5 Gbps 提升到 WiFi6 的 9.6 Gbps，從理論的速率提升3~4 倍。其傳輸速率一般會受建筑物的密度、高度，還有環(huán)境溫度等條件影響。因此從實際數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾噬?，WiFi6和5G的傳輸速率基本一致，但是具體還需要考慮電廠的基站位置設(shè)置、廠區(qū)布置等。表2 為WiFi6 通訊技術(shù)參數(shù)對比表：

表2 WiFi6通訊技術(shù)對比Tab.2 WiFi6 communication technology comparation

相比5G網(wǎng)絡(luò)連接數(shù)量較多，WiFi6目前的無線AP 設(shè)備可支持連接為1 024 臺或更多，無論是在數(shù)字化煤場、采制化過程、還是電廠其他區(qū)域也是能滿足其使用需求。目前的WiFi6 技術(shù)上具有低延時特性，提高智慧電廠中的設(shè)備傳輸速率和穩(wěn)定；同時在設(shè)備接入傳輸過程中，可以實現(xiàn)多用戶多入多出技術(shù)，有限提供無線網(wǎng)絡(luò)帶寬的利用率；WiFi6在性能方面也是容量更大可以通過設(shè)置不同的標簽地址避免數(shù)據(jù)處理混亂；在安全方面，WiFi6 也是用WPA 3的安全協(xié)議，防止網(wǎng)絡(luò)侵入攻擊，確保電廠重要數(shù)據(jù)的安全；在能耗方面，WiFi6 是用了低功耗Target Wake Time 技術(shù)，進一步推進綠色節(jié)能。目前從技術(shù)性能與5G 技術(shù)對比各有優(yōu)勢特點，均可滿足高速傳輸?shù)臄?shù)字化智慧電廠要求。

WiFi6技術(shù)從設(shè)備造價成本上相比5G技術(shù)要較低，從用戶接入方面也更容易實現(xiàn)。但對于電廠區(qū)域內(nèi)需布置較多的無線AP 接入點，增加線路的敷設(shè)、設(shè)備維護的成本。

2 基于高速無線通訊燃料管理平臺

在目前新建的電廠網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案中，已規(guī)劃在廠區(qū)內(nèi)設(shè)置5G 基站或WiFi6 全區(qū)無線網(wǎng)絡(luò)，組成高速傳輸?shù)臒o線通訊網(wǎng)路的智慧電廠。高速傳輸?shù)奈锫?lián)網(wǎng)生態(tài)的組成，對于設(shè)備無線傳輸提出了更高的要求。目前從智慧電廠的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中，包含了生產(chǎn)監(jiān)控設(shè)備、運行管理系統(tǒng)、設(shè)備巡檢系統(tǒng)等均可以通過無線傳輸技術(shù)實現(xiàn)。本文通過論述高速無線通訊技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)搭建，研究在智能燃料管理平臺應(yīng)用方案。

2.1 燃料管理平臺

燃料管理平臺目前涵蓋燃煤供應(yīng)、燃煤計量、燃煤質(zhì)量、煤場管理、燃煤耗用等燃煤全生命周期的管理平臺。燃料管理平臺是火電廠對主燃料系統(tǒng)數(shù)字化管理的重要平臺，包含了燃煤進出入數(shù)字化管理、采制一體化管理、數(shù)字化煤場盤煤監(jiān)控、輸煤轉(zhuǎn)運的監(jiān)控等方面。燃料管理平臺近年來發(fā)電企業(yè)開始主張燃料管理的智能化，通過計算機技術(shù)、自動化技術(shù)提高燃料管理的效率，提高數(shù)據(jù)的可靠性和嚴密性。而在大部分的火力發(fā)電廠中運用了燃料管理信息建設(shè)，從而提高管理效率、降低統(tǒng)計難度、加快了信息流動。對于大部分已建成的燃料管理平臺中普遍出現(xiàn)了較多影響平臺數(shù)據(jù)安全、燃料摻燒能效、人員安全監(jiān)控等問題，其各方面如下所示：

1）入廠煤采制化結(jié)果對發(fā)電效益影響巨大，但流程不嚴謹，缺乏監(jiān)管，存在人為誤差甚至篡改的漏洞，目前部分煤場即使采用數(shù)字化方式錄入，但仍存在車輛掉包、運輸人員違規(guī)等情況。

2）煤的堆取、盤煤、配煤、摻燒過程無法實現(xiàn)完全自動控制，對三維數(shù)據(jù)的建模和無人機的數(shù)據(jù)傳輸仍存在滯后，且人工干預(yù)的情況較多，其經(jīng)濟運行效果受人為因素影響較大。

3）在生成運行過程中，由于環(huán)境惡劣、長期有重型運輸或設(shè)備積壓現(xiàn)場，造成通訊線路易受損，并會增加維護檢修工作，嚴重造成生產(chǎn)停運損失。

4）在數(shù)字化煤場、入爐煤監(jiān)測等巡檢過程中，電廠后臺運行人員及上級發(fā)電企業(yè)無法及時獲取管理信息，需通過人工錄入。

2.2 燃料管理高速無線通訊方案

通過電廠燃料管理信息系統(tǒng)的建設(shè)，實現(xiàn)燃料全過程管理的精細化、標準化、規(guī)范化、可視化、統(tǒng)籌化，達到設(shè)備、流程和信息的集成，減少人為干擾，降低勞動強度，使燃料收、耗、存環(huán)節(jié)的量、質(zhì)、價數(shù)據(jù)能夠及時、動態(tài)、準確地傳遞到相關(guān)管理層，為電廠的生產(chǎn)、經(jīng)營提供真實可靠的決策依據(jù)，增加電廠經(jīng)濟效益。

在大部分燃料管理平臺的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中還是基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)使用光纖、網(wǎng)絡(luò)、交換機、無服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)?；A(chǔ)設(shè)備運行環(huán)境位于煤場區(qū)域、采制化區(qū)域、輸煤區(qū)域等均為環(huán)境溫度較高、粉塵較大、大型車輛或軌道運輸較多的區(qū)域。對于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)敷設(shè)，增加設(shè)備線路的故障和檢修維護工作。以下圖2 為高速傳輸通訊的智能燃料管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：

圖2 高速傳輸?shù)闹悄苋剂瞎芾硐到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖Fig.2 Network diagram of Intelligent fuel management system for high-speed transmission

在高速傳輸?shù)闹悄苋剂瞎芾硐到y(tǒng)中分為三個結(jié)構(gòu)層進行規(guī)劃，第一個是數(shù)據(jù)采集層，數(shù)據(jù)采集層在通過手機現(xiàn)場的數(shù)據(jù)為核心，主要包括攝像頭、定位標簽、移動設(shè)備數(shù)據(jù)、環(huán)境參數(shù)（如壓力、溫度）等。第二個是數(shù)據(jù)接入層通過接入5G 通訊基站或者WiFi6 無線AP 網(wǎng)絡(luò)，可以通過其不同的傳輸協(xié)議進行傳輸數(shù)據(jù)，最終將其煤場區(qū)域的匯聚交換機接入上一次通信網(wǎng)。第三個是數(shù)據(jù)管理應(yīng)用層，主要負責(zé)連接匯聚交換機的數(shù)據(jù)鏈路，并由智能燃料管理系統(tǒng)的服務(wù)器進行統(tǒng)一數(shù)據(jù)運算、存儲及處理。

在電廠建設(shè)高速傳輸?shù)闹悄苋剂瞎芾砥脚_中可以解決并帶來更多的經(jīng)濟效益，其優(yōu)勢如下：

1）投入使用高速傳輸?shù)闹悄苋剂瞎芾硐到y(tǒng)可以大大提供其數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定及安全性，確保煤場的采購數(shù)據(jù)量、采購價、存煤量、化驗數(shù)據(jù)值等重要數(shù)值不被入侵泄露。

2）對于全廠智慧電廠的建設(shè)可以建成一體化網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)、有效融入智能管控一體化平臺，實現(xiàn)真正一體化信息管控。

3）對于現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)可以有效安全傳輸至后臺運行系統(tǒng)，及時作出相應(yīng)的操作應(yīng)對，同時有利于運行檢修人員在現(xiàn)場進行巡檢數(shù)據(jù)傳輸、廠內(nèi)局域網(wǎng)實時審批流程等。

4）對于整體網(wǎng)絡(luò)傳輸更加高效，可無需長期維護現(xiàn)場線路敷設(shè)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)全面覆蓋，無論是對于生產(chǎn)安全設(shè)備還是運行人員的業(yè)務(wù)辦理、資訊獲取都是十分便捷。

5）同時節(jié)省了在人員定位方面的投入建設(shè)，利用原有的基站或無線控制器即可滿足生產(chǎn)所需定位要求。

2.3 高速無線通訊燃料管理應(yīng)用

通過建設(shè)智能電廠的大數(shù)據(jù)平臺系統(tǒng)，對生產(chǎn)安全、現(xiàn)場參數(shù)等傳輸速率提出更高的要求。將目前數(shù)字化管理工作流及智能監(jiān)控技術(shù)融入燃料管理進行科學(xué)的全面設(shè)計，實現(xiàn)燃料的智能化管理；并實現(xiàn)與其它系統(tǒng)的無縫銜接、資源共享。系統(tǒng)的建成將很大程度上改變?nèi)剂瞎芾憩F(xiàn)狀，通過智能化、信息化管理方式取代人工、或半人工作業(yè)模式，為數(shù)據(jù)的錄入、檢查、瀏覽、分析提供完整的保障鏈，保證數(shù)據(jù)的可靠性、準確性、穩(wěn)定性、可復(fù)制性，提高燃料管理效率，充分利用資源，節(jié)約生產(chǎn)成本。

指導(dǎo)堆取料機生產(chǎn)運行，根據(jù)煤堆分層數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)，結(jié)合配煤摻燒策略，自動生成堆取料機堆煤策略和取煤策略。同時，實時測量堆取料機機定位坐標，計算與堆料位置和取料位置的相對位置關(guān)系，指導(dǎo)堆取料機操作人員進行堆料操作和取料操作。

入廠燃煤驗收、煤種存儲記錄、入爐煤信息獲取及燃燒記錄全生命周期管理：燃煤入廠的輕重衡記錄，燃煤采制化數(shù)據(jù)錄入，煤種選取采購的數(shù)據(jù)進行對比分析，并通過數(shù)據(jù)終端或者現(xiàn)場設(shè)備進入無線網(wǎng)絡(luò)上傳數(shù)據(jù)服務(wù)中心；通過攝像頭及無人機對料場位置及激光測量，可提高燃煤卸取、盤存的工作效率，增加了盤存精確度，有效地降低了庫存容量，加強燃煤數(shù)量、質(zhì)量的監(jiān)管力度，并通過無線傳輸實時反饋其監(jiān)測數(shù)據(jù)量；監(jiān)督生產(chǎn)部門入爐燃煤檢質(zhì)、計量工作。達到數(shù)字化監(jiān)控燃料全過程，實現(xiàn)自動智能化降低運營成本的最終目的。

為煤場安全生產(chǎn)提供保障：通過建設(shè)無線傳輸?shù)臄?shù)字化煤場自燃監(jiān)控系統(tǒng)、皮帶明火監(jiān)控噴淋系統(tǒng)、全天候煤場視頻監(jiān)控、斗輪機防撞定位檢測、皮帶防撕裂監(jiān)測，能有效防止燃料在皮帶傳輸過程中的自燃，能實時全天候可視化監(jiān)控料場基本情況，同時無線傳輸功能能有效克服現(xiàn)場環(huán)境粉塵較多、溫度較高、重型設(shè)備運輸?shù)裙ぷ鳝h(huán)境，為安全生產(chǎn)提供保障。

提高煤場煤樣化驗的質(zhì)量，使用全程無人值守的采制化過程，免去人工操作的情況，大大提高數(shù)據(jù)取樣、運輸、化驗、錄入的準確性、安全性。通過無線的視頻監(jiān)控、樣包定位、化驗數(shù)據(jù)的實時上傳分析、同時提供自動錄入校正功能。可以全程實時記錄數(shù)據(jù)的分析動態(tài)、一旦發(fā)現(xiàn)異常則可以通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸視頻、記錄、圖片等數(shù)據(jù)給相應(yīng)的運行人員移動設(shè)備，無需通過后臺轉(zhuǎn)發(fā)，達到安全有效、高速穩(wěn)定的分析目的。

3 智慧電廠與燃料平臺融合方案

常規(guī)的燃料管理平臺中存在較多的問題各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)無法互通，形成信息孤島：燃料各環(huán)節(jié)信息化覆蓋面不全，導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法互聯(lián)互通、數(shù)據(jù)共享，無法通過信息支撐后續(xù)環(huán)節(jié)。部門間協(xié)作力度不足：各部門存在以部門角度、崗位角度等局部角度處理事務(wù)的問題，缺乏整體性考慮，擴大了管理漏洞，提高了經(jīng)營成本。另外煤場數(shù)據(jù)存在不準確、不及時問題：對于煤場信息管理通過文件表記錄，無法準確、及時地提供煤場燃料供應(yīng)、耗用、庫存、煤場、燃煤入爐和燃煤統(tǒng)計等信息。因此，利用無線傳輸技術(shù)智能燃料管理平臺和智能電廠一體化管控平臺融合方案，可以提供各自系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，更有利于電廠數(shù)據(jù)統(tǒng)一整合管理。圖3 是平臺融合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：

圖3 智慧電廠與智能燃料管理系統(tǒng)融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖Fig.3 Network diagram of smart power plant and intelligent fuel management system integration

智能燃料管理系統(tǒng)在電廠信息化分區(qū)中設(shè)置在安全三區(qū)，通過防火墻利于進入智慧電廠的核心交換機交互數(shù)據(jù)。在目前建設(shè)的高速無線通訊物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)傳輸平臺下，通過利用智能一體化管控平臺的大數(shù)據(jù)分析及云計算功能，對電廠各部方面模塊進行優(yōu)化控制計算：

1）采購策略，可以通過大數(shù)據(jù)分析目前的機組出力、熱值數(shù)據(jù)、結(jié)合電網(wǎng)的用電負荷率、市場的煤種價格、實時傳輸?shù)拇婷毫康雀鞣矫嬉蛩?，通過獲取大量的數(shù)據(jù)分析綜合優(yōu)化云計算后得出最優(yōu)的采煤計劃和方案。通過優(yōu)化后的采煤策略可以用目前最節(jié)省的用煤方式帶來最好的經(jīng)濟效益。

2）摻燒策略，摻燒是電廠目前根據(jù)已采購的存煤量進行混合摻燒的過程，通過無人機或者激光分析等方式獲取實時的存煤量、煤質(zhì)溫度等參數(shù)，結(jié)合電廠所需的機組運行負荷，選擇最優(yōu)的摻燒策略。利用摻燒策略，運行人員可以通過優(yōu)化配煤比例的輸入實現(xiàn)取煤機機輸煤機的給煤摻燒指令。摻燒策略所推薦配煤摻燒方案能確保鍋爐安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行，通過無線數(shù)據(jù)傳輸定位裝置監(jiān)控斗輪機實時工況、輸煤皮帶的熱成像圖像，跟蹤摻配執(zhí)行，從而有效降低火電廠燃煤發(fā)電成本。

3）實時利潤計算，主要通過對實時進行的燃燒過程參數(shù)進行采集建模計算，對數(shù)據(jù)進行整合評估。利潤數(shù)據(jù)分析成本主要的關(guān)鍵數(shù)據(jù)電廠內(nèi)部數(shù)據(jù)包括：燃燒的熱值、摻燒方案、電廠運行參數(shù)，并結(jié)合外部數(shù)據(jù)耗煤量、原煤價、發(fā)電量應(yīng)用計算實時成本。而通過無線安全的高速通訊方式獲取實時電廠中的煤耗率、入爐煤市場的單價通過模型算法計算成本，并與進行燃料實時成本校核對比分析。高速的傳輸速率可以實現(xiàn)電廠系統(tǒng)燃煤成本在較短時間的更新周期，通過快速的數(shù)據(jù)反映可以對燃燒策略、采購策略進行分析判斷，選擇最優(yōu)的方案。

4 結(jié) 論

本文目的是研究在電廠區(qū)域建設(shè)基于5G 或WiFi6 的無線高速傳輸技術(shù)的通物聯(lián)網(wǎng)通訊系統(tǒng)，主要實現(xiàn)燃料全流程的智能化管理以及與智能一體化管控平臺的云計算大數(shù)據(jù)平臺融合。高速安全可靠的新一代無線傳輸技術(shù)系統(tǒng)側(cè)重點在于整合現(xiàn)場已有的出入場、計量、采樣、制樣、化驗、數(shù)字化盤煤、取煤、輸煤等一系列流程的視頻監(jiān)控、環(huán)境參數(shù)、定位信息等數(shù)字流傳輸，并結(jié)合電廠燃料管理業(yè)務(wù)流程的具體要求實現(xiàn)全過程的燃料智能化管理，同時將現(xiàn)場收集的數(shù)據(jù)通過大數(shù)據(jù)分析優(yōu)化管理控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)整合。廠區(qū)大數(shù)據(jù)的整合，讓其在電廠運行中收獲更多的效益，并將不同的監(jiān)控模塊實現(xiàn)無縫銜接、資源共享。