使用5G標(biāo)準(zhǔn)保護(hù)和監(jiān)控電廠設(shè)備的前景

米哈伊洛夫·德米特里·米哈伊洛維奇 埃琳娜·托麗娜 亞歷山大·弗拉索夫 亞歷山大·基謝列夫 胡斯尼·加伯·易卜拉欣·埃瑪姆

(1.金磚國家未來網(wǎng)路研究院(中國·深圳) 廣東深圳 518000;2.莫斯科電力工程學(xué)院(技術(shù)大學(xué))無線電工程與電子研究所 俄羅斯莫斯科 111116;3.莫斯科電力工程學(xué)院(技術(shù)大學(xué))電力工程研究所 俄羅斯莫斯科 111555;4.莫斯科動(dòng)力工程學(xué)院(技術(shù)大學(xué))熱電與核電工程研究所 俄羅斯莫斯科州克拉斯諾戈?duì)査箍?143405;5.英國倫敦公平學(xué)院 中國香港 A 001738)

隨著移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速度要求不斷增長，傳輸?shù)男畔⒘亢瓦B接到網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備數(shù)量也在不斷增長。不斷發(fā)展的競爭技術(shù)市場為高度互動(dòng)的應(yīng)用程序和虛擬現(xiàn)實(shí)提供了新的概念。虛擬化似乎是技術(shù)發(fā)展的自然步驟，但在使用老一代網(wǎng)絡(luò)時(shí)，無法充分滿足為虛擬系統(tǒng)的最終用戶提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)所需的要求。

第五代5G移動(dòng)通信已經(jīng)在許多國家推出，并且由于創(chuàng)新技術(shù)和新解決方案，具有廣闊的應(yīng)用前景。在上一代網(wǎng)絡(luò)中，最終用戶設(shè)備使用單核移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。5G改變了核心網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)，并提供了一種全新移動(dòng)和連接的方法[1]。5G能夠提供比上一代網(wǎng)絡(luò)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率、帶寬、低延遲等，如表1所示[2]。此外，5G使新的虛擬化技術(shù)成為可能，將允許創(chuàng)建具有不同參與者和角色的新業(yè)務(wù)模型[1]。通過使用云計(jì)算的新范式：邊緣計(jì)算[1,3-4]，擴(kuò)展使用虛擬空間成為可能。

表1 4G和5G標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比

5G和邊緣計(jì)算的使用在商業(yè)、制造和其他人類活動(dòng)領(lǐng)域具有巨大的潛力。許多5G 應(yīng)用依靠邊緣計(jì)算來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)互操作性、本地處理、高數(shù)據(jù)速率和高可用性。特別是物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展、未來的工廠和應(yīng)急響應(yīng)[3,5]，應(yīng)用程序的虛擬化和虛擬機(jī)計(jì)算能力的增長將大大降低企業(yè)技術(shù)設(shè)備的財(cái)務(wù)成本。

能源行業(yè)是迫切需要利用高科技設(shè)備以最大限度地減少經(jīng)濟(jì)損失的行業(yè)之一。發(fā)電廠的設(shè)備需要不斷維護(hù)和持續(xù)監(jiān)測其狀況。設(shè)備停機(jī)、緊急情況或按計(jì)劃規(guī)定的維修和預(yù)防工作，會(huì)產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)損失，因此一項(xiàng)重要任務(wù)是監(jiān)控運(yùn)行設(shè)備的主要參數(shù)，以防止緊急情況的發(fā)展，并優(yōu)化維修時(shí)間。除了監(jiān)控之外，還使用當(dāng)設(shè)備參數(shù)超出允許值時(shí)觸發(fā)的保護(hù)系統(tǒng)。將這些系統(tǒng)用于俄羅斯和獨(dú)聯(lián)體國家熱電聯(lián)產(chǎn)工廠使用的設(shè)備尤為重要，因?yàn)樗ǔＲ呀?jīng)耗盡了大部分資源，在運(yùn)行過程中需要更多的關(guān)注。

這些系統(tǒng)需要分析大量數(shù)據(jù)，并使用技術(shù)，以便在數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)快速做出響應(yīng)。將移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)（IoT）結(jié)合使用可能會(huì)降低安裝和操作此類系統(tǒng)的成本，但由于性能不足和可靠性要求不一致，現(xiàn)在沒有使用此類解決方案。使用5G 系統(tǒng)可以重新審視移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)在這些自動(dòng)化系統(tǒng)中可能扮演的角色。但在可靠性的背景下，還應(yīng)該注意解決方案URLLC（超可靠低延遲通信），它以低延遲在對(duì)象（機(jī)器）之間提供超可靠的通信[3]。5G 有望提供超過99.999%的可靠性，并可成功用于提供遠(yuǎn)程控制和流程自動(dòng)化[5]。下文更詳細(xì)地描述了實(shí)施所需的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備和功能塊，描述了5G 技術(shù)的功能，并以Echo 自動(dòng)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)為例，對(duì)使用5G云計(jì)算時(shí)可能的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了定量評(píng)估。

1 熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)監(jiān)控和保護(hù)系統(tǒng)

熱電聯(lián)產(chǎn)用于設(shè)備安全不間斷運(yùn)行、優(yōu)化和降低維修和維護(hù)工作成本的連續(xù)控制系統(tǒng)，可按用途分為設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)兩類。

第一種設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，借助該系統(tǒng)，根據(jù)從各種傳感器連續(xù)接收的數(shù)據(jù)，CHP 人員接收有關(guān)設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)、該狀態(tài)變化的動(dòng)態(tài)、發(fā)展中的缺陷和剩余壽命的信息?；谶@些數(shù)據(jù)，可以預(yù)測設(shè)備的進(jìn)一步性能，優(yōu)化維修工作的時(shí)間和性質(zhì)，防止緊急情況的發(fā)展，在發(fā)生嚴(yán)重故障之前，最大限度地減少設(shè)備停機(jī)進(jìn)行維修工作的時(shí)間，并且由于上述所有原因，顯著減少經(jīng)濟(jì)損失并提高設(shè)備運(yùn)行的效率和安全性。

對(duì)于自動(dòng)化監(jiān)測，通常使用設(shè)備的無損檢測的被動(dòng)方法。目前，最常見的監(jiān)測系統(tǒng)是振動(dòng)診斷和熱成像（熱）控制，通常一起使用，還應(yīng)該注意的是，隨著技術(shù)的發(fā)展，引入基于噪聲診斷的監(jiān)測系統(tǒng)正變得有希望[6-7]。下面簡要地分析一下上述系統(tǒng)的運(yùn)行原理。

熱成像控制是使用從溫度傳感器（熱像儀、高溫計(jì)）獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行的。分析設(shè)備各個(gè)部件的溫度及其變化可以全面了解其狀況，此外，診斷傳感器的非侵入性安裝的可能性及其相對(duì)較低的成本使得這種方法使用起來非常有吸引力。而應(yīng)該注意的是，這種方法并不適合所有類型的設(shè)備及其組件，這既是由于其對(duì)某些元素的研究不足，也是由于解釋與所研究對(duì)象附近的冷卻設(shè)備和/或熱源的操作相關(guān)的結(jié)果的復(fù)雜性，并且由于需要仔細(xì)分析和考慮外部因素，例如材料的輻射能力。此外，由于熱過程的高慣性，熱成像控制作為監(jiān)測設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)的系統(tǒng)的使用受到限制。

基于設(shè)備振動(dòng)的監(jiān)測分析、振動(dòng)診斷，是目前監(jiān)測熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備狀況的最常用方法。簡而言之，該方法的本質(zhì)可以描述如下：處理從振動(dòng)傳感器獲得的數(shù)據(jù)，以便將參數(shù)與噪聲信號(hào)隔離，噪聲信號(hào)的特性受設(shè)備狀態(tài)及其狀態(tài)變化的影響。這些參數(shù)可能包括信號(hào)在某個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)的最大值、信號(hào)的均方根偏差、這些參數(shù)的比率等。盡管外部噪聲可能會(huì)在振動(dòng)圖像中產(chǎn)生重大誤差。對(duì)熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備的許多元素，通過對(duì)這些數(shù)據(jù)的分析，您可以獲得有關(guān)其狀況的詳細(xì)信息，并準(zhǔn)確預(yù)測其時(shí)間變化。專家建議對(duì)CHP 設(shè)備使用振動(dòng)診斷方法，但由于安裝此類系統(tǒng)的高成本和與之相關(guān)的技術(shù)困難，這并不總是普遍可行的：振動(dòng)傳感器的安裝通常是侵入性的，需要設(shè)備關(guān)閉。

通過噪聲診斷方法，可對(duì)設(shè)備發(fā)出的聲學(xué)噪聲的分析。使用從寬帶麥克風(fēng)和壓電傳感器獲得的數(shù)據(jù)，使用現(xiàn)代信號(hào)處理方法，可以獲得有關(guān)操作設(shè)備狀態(tài)的信息，其精度可能與振動(dòng)診斷和熱成像控制的精度相稱。由于振動(dòng)和噪聲之間的聯(lián)系，噪聲診斷方法理論上結(jié)合了振動(dòng)診斷的所有積極方面，適用于任何類型的設(shè)備，但同時(shí)它可以具有顯著的競爭優(yōu)勢，主要是由于傳感器的非侵入性安裝，以及由于安裝所需的傳感器數(shù)量的顯著減少。所有這些都使噪聲診斷方法（包括噪聲診斷）更加經(jīng)濟(jì)。

考慮的所有方法都涉及對(duì)從傳感器中取出的信號(hào)進(jìn)行后處理，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步解釋。廣義功能圖如圖1 所示。目前，人工智能方法，特別是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通常用于自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的部分或全部解釋。

圖1 設(shè)備狀態(tài)自動(dòng)監(jiān)控的通用功能方案

盡管監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)相當(dāng)發(fā)達(dá)，并且通常有助于防止緊急情況，但有時(shí)不可能及時(shí)檢測到正在發(fā)展的缺陷，并且設(shè)備可能進(jìn)入緊急情況或接近緊急運(yùn)行模式。這種情況需要人員的緊急干預(yù)，有時(shí)需要設(shè)備的緊急關(guān)閉。為了確保這種情況造成最小的損壞，chP 設(shè)備配備了用于跟蹤其主要參數(shù)的系統(tǒng)，且如果這些參數(shù)的值超出允許的值，則所使用的系統(tǒng)發(fā)出緊急情況的信號(hào)，并且還可以執(zhí)行設(shè)備的緊急關(guān)閉和/或其操作模式的改變（如負(fù)載釋放）。這種系統(tǒng)被稱為保護(hù)系統(tǒng)，它們是熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備最重要的元件。

保護(hù)系統(tǒng)可按類型分為熱和電，并按控制程度分為局部和主要。保護(hù)系統(tǒng)工作的本質(zhì)被簡化為對(duì)操作設(shè)備特定參數(shù)的連續(xù)監(jiān)控。對(duì)于熱保護(hù)，如壓力和溫度，對(duì)電氣-受控電路中電流的強(qiáng)度,如果參數(shù)值在允許的范圍內(nèi)，則設(shè)備在正常模式下運(yùn)行；但如果參數(shù)超出系統(tǒng)規(guī)定的允許值，則根據(jù)過量的程度和允許間隔之外的參數(shù)數(shù)量，觸發(fā)局部（不導(dǎo)致設(shè)備負(fù)載停止或減少，但發(fā)出故障信號(hào)）或主要（其操作導(dǎo)致緊急停止或負(fù)載減少）設(shè)備）。通常，保護(hù)系統(tǒng)包括設(shè)備的本地和主保護(hù)，它們是相互關(guān)聯(lián)的。例如：超過一個(gè)參數(shù)會(huì)導(dǎo)致觸發(fā)本地保護(hù)，并且超過兩個(gè)會(huì)觸發(fā)主要保護(hù)。保護(hù)系統(tǒng)的簡化功能圖可以如圖2所示。

兩者都被認(rèn)為是自動(dòng)化系統(tǒng)（見圖1、圖2），假設(shè)存在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理單元（如服務(wù)器、控制器等），特別是可編程邏輯控制器，借助于其軟件轉(zhuǎn)換從傳感器接收的信號(hào)，其存儲(chǔ)和結(jié)果的輸出發(fā)生。由于對(duì)CHP設(shè)備，來自傳感器的信號(hào)數(shù)量可以相當(dāng)大（數(shù)萬），并且結(jié)果的處理應(yīng)盡可能快地進(jìn)行并且涉及考慮大量條件和對(duì)信號(hào)的大量數(shù)學(xué)運(yùn)算的行為，因此有必要使用高速通信通道，微處理器，包括那些具有顯著計(jì)算能力和/或大量微處理器的微處理器?？梢詳[脫數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)單元或?qū)ζ溥M(jìn)行顯著簡化，從而通過使用云解決方案來降低所用系統(tǒng)的成本，這些解決方案允許您將軟件處理傳輸?shù)皆浦?，并將存檔數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在虛擬服務(wù)器上。在使用云技術(shù)的框架內(nèi)，新的5G 技術(shù)特別有前途。

圖2 自動(dòng)化設(shè)備保護(hù)系統(tǒng)功能圖

2 云計(jì)算和5G技術(shù)

使用互聯(lián)網(wǎng)計(jì)算和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的想法并不新鮮。在這個(gè)概念中，互聯(lián)網(wǎng)充當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)的虛擬云。在提供電子郵件的各種服務(wù)中可以觀察到這種解決方案的示例：每個(gè)用戶在云中免費(fèi)分配幾GB，在那里他可以存儲(chǔ)他的任何信息，通常有可能付費(fèi)擴(kuò)展存儲(chǔ)容量。對(duì)于郵件服務(wù)，此服務(wù)可用，因?yàn)榉?wù)器場具有大量數(shù)據(jù)。除了能夠在線托管文件并從任何可以訪問它的設(shè)備下載它們之外，最終用戶還可以獲得另一個(gè)優(yōu)勢：通過在多臺(tái)聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)上管理云數(shù)據(jù)，丟失存儲(chǔ)在云中的數(shù)據(jù)的概率遠(yuǎn)低于存儲(chǔ)在本地物理內(nèi)存中時(shí)[4]。

除了存儲(chǔ)之外，云還有其他潛在的重要功能：云計(jì)算。這個(gè)概念可以簡化為一個(gè)應(yīng)用程序，而不是安裝在物理設(shè)備上，而是直接安裝在云中。云計(jì)算可以降低執(zhí)行各種數(shù)據(jù)操作以獲得最終產(chǎn)品所需的高性能設(shè)備的成本。

早在20世紀(jì)中期，就有來自提供云計(jì)算服務(wù)的大型公司的提議。這些“云提供商”為用戶提供各種服務(wù)：從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析，到使用具有相當(dāng)高計(jì)算能力的虛擬機(jī)。當(dāng)然，提供商對(duì)使用云計(jì)算功能收取費(fèi)用。提供的關(guān)稅的定價(jià)是不同的，取決于特定的服務(wù)提供商[4]。

移動(dòng)云計(jì)算（MCC）涉及在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中使用云計(jì)算，其使用選項(xiàng)分為4種類型：（1）MaaSC-MCC 作為服務(wù)的消費(fèi)者；（2）MaaSP-MCC 作為服務(wù)提供商；（3）MaaSB-MCC作為服務(wù)經(jīng)紀(jì)人；（4）MaaSR-MCC作為該服務(wù)的代表[4]。

但是，在當(dāng)前的MCC 架構(gòu)下，并非所有潛在云計(jì)算用例的可能性都是可行的。

盡管有所有優(yōu)點(diǎn)和便利性，但使用云計(jì)算的可能性非常有限。這主要是由于傳統(tǒng)的云計(jì)算模型無法滿足需要高數(shù)據(jù)傳輸速率、低延遲、嚴(yán)格的服務(wù)質(zhì)量（QoS）要求和高帶寬的高度交互應(yīng)用程序的要求。此外，云可以遠(yuǎn)離用戶設(shè)備（UE），這也增加了功耗[3]。

擴(kuò)展云計(jì)算能力的一種解決方案是使用邊緣計(jì)算。移動(dòng)邊緣計(jì)算（MEC）在各個(gè)業(yè)務(wù)領(lǐng)域具有巨大的潛力，可以節(jié)省資源并提高小公司的競爭力[4-5]。邊緣云計(jì)算的本質(zhì)可以通過額外的小型本地云的形式進(jìn)行簡化，與位于核心網(wǎng)絡(luò)中的經(jīng)典架構(gòu)云不同，邊緣云計(jì)算位于網(wǎng)絡(luò)邊緣，靠近最終用戶（UE）[1,3-4]。

MES 是5G 網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵新技術(shù)之一[4]，在人類活動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。因此列出了導(dǎo)致5G技術(shù)邊緣計(jì)算發(fā)展的主要因素[1,3-4]，具體如下。

（1）網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）在虛擬機(jī)中執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)功能，能夠處理大量數(shù)據(jù)，以創(chuàng)建靈活、自動(dòng)化、可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)。此外，網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求可以在主云和網(wǎng)絡(luò)邊緣處理。事實(shí)上，這是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的虛擬化，而不參考特定的設(shè)備和制造商，這將促進(jìn)新網(wǎng)絡(luò)功能的引入，因?yàn)樗鼈儸F(xiàn)在將是可定制的軟件組件。

（2）軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）定義了一種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，該架構(gòu)將網(wǎng)絡(luò)分為控制平面和數(shù)據(jù)平面，以提供網(wǎng)絡(luò)敏捷性和敏捷性，這有助于簡化網(wǎng)絡(luò)管理并提供新服務(wù)。SDN 架構(gòu)基于控制平面與轉(zhuǎn)發(fā)平面的物理分離。需要實(shí)時(shí)響應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)功能由邊緣服務(wù)器（即虛擬化）執(zhí)行，從而最大限度地減少延遲。通常，SDN 與NFV 結(jié)合使用。

（3）通過與空中接口相關(guān)的技術(shù)創(chuàng)新，改進(jìn)信號(hào)的形式、調(diào)制、編碼，大規(guī)模MIMO天線系統(tǒng)的使用，可以提高頻譜使用效率。后者是一種可顯著增加基站天線陣列元件數(shù)量的技術(shù)。這樣，您就可以減少將任務(wù)同時(shí)上傳到邊緣云時(shí)的延遲時(shí)間和能耗。

（4）新無線電（NR）是用于5G的新無線電接口，其規(guī)范分為兩個(gè)頻段。此技術(shù)允許您將大量低延遲設(shè)備連接到可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)。

（5）設(shè)備到設(shè)備（D2D）通信提供相鄰設(shè)備之間的直接通信，無需將信號(hào)傳遞到基站，從而減少了信號(hào)在設(shè)備之間傳輸時(shí)的延遲時(shí)間，提高了系統(tǒng)的帶寬和能效，優(yōu)化了頻譜的使用。此功能對(duì)于安全系統(tǒng)特別重要，因?yàn)橐粋€(gè)設(shè)備必須快速響應(yīng)另一個(gè)設(shè)備的信號(hào)。

根據(jù)調(diào)查[3]，使用5G MES 將解決各種問題：改善數(shù)據(jù)管理，以處理需要實(shí)時(shí)處理的用戶設(shè)備的大量時(shí)間敏感延遲數(shù)據(jù)；提高所提供服務(wù)的質(zhì)量，以滿足未來應(yīng)用程序（包括高度交互式應(yīng)用程序）的要求；預(yù)測和評(píng)估所需的網(wǎng)絡(luò)資源，以滿足網(wǎng)絡(luò)和用戶的要求，然后優(yōu)化這些資源。位置感知管理，這將改善設(shè)備之間的通信；改進(jìn)資源管理以優(yōu)化邊緣云網(wǎng)絡(luò)以提高性能。

使用5G 的邊緣計(jì)算可以承擔(dān)以下功能[3]，具體如下。

（1）本地存儲(chǔ)。盡管邊緣服務(wù)器的數(shù)量明顯少于經(jīng)典云（具有幾乎無限的存儲(chǔ)空間），但它們?nèi)匀辉试S您將大量數(shù)據(jù)上傳到邊緣云，例如：來自設(shè)備各種傳感器的長期監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，以便進(jìn)行后續(xù)分析。（2）本地計(jì)算允許您將計(jì)算和過程從各種設(shè)備（小工具，處理器）傳輸?shù)竭吘壴?，邊緣云是一種能夠獨(dú)立自主處理UE數(shù)據(jù)的智能計(jì)算系統(tǒng)。（3）分析本地?cái)?shù)據(jù)。邊緣計(jì)算對(duì)從各種應(yīng)用程序附近收集的大量原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和執(zhí)行實(shí)時(shí)關(guān)鍵數(shù)據(jù)分析，以生成有價(jià)值的見解。例如：處理和分析設(shè)備組的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，對(duì)設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)做出決策，預(yù)測其進(jìn)一步的動(dòng)態(tài)，從而優(yōu)化預(yù)防和維修措施的時(shí)間。（4）地方一級(jí)的決策。邊緣計(jì)算可幫助組織根據(jù)經(jīng)過良好處理的數(shù)據(jù)自動(dòng)做出實(shí)時(shí)決策和操作。（5）地方政府。邊緣計(jì)算提供遠(yuǎn)程管理和監(jiān)控，可以提高企業(yè)人員的安全性。（6）提高本地?cái)?shù)據(jù)安全性（與使用經(jīng)典云解決方案相比）。

因此，使用5G 技術(shù)和邊緣云計(jì)算將降低運(yùn)營成本，提高服務(wù)質(zhì)量和能源效率[1,3-5]。所述技術(shù)的功能允許您通過Internet 將數(shù)據(jù)處理和分析功能傳輸?shù)皆浦?，這將消除部分物理設(shè)備的使用或顯著簡化它。此外，網(wǎng)絡(luò)分離將允許您優(yōu)先處理來自各種物理和虛擬UE的數(shù)據(jù)，從而提高保護(hù)和監(jiān)控系統(tǒng)的質(zhì)量。以下是使用5G 技術(shù)用于監(jiān)測熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備狀況的噪聲診斷系統(tǒng)可能帶來的經(jīng)濟(jì)效益的計(jì)算結(jié)果。

3 將云計(jì)算和5G技術(shù)用于設(shè)備監(jiān)控和保護(hù)系統(tǒng)

如標(biāo)題熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)監(jiān)控和保護(hù)系統(tǒng)敘述內(nèi)容所示，在功能上，自動(dòng)監(jiān)控和保護(hù)系統(tǒng)以類似的方式工作。信號(hào)從多個(gè)傳感器接收，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)單元中的各種轉(zhuǎn)換，然后根據(jù)目的進(jìn)入操作員的工作站或控制設(shè)備以觸發(fā)保護(hù)（見圖1、圖2）。對(duì)來自多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行并行分析的要求，以及低延遲的信號(hào)處理的要求，需要高性能的計(jì)算設(shè)備，使其無法使用云解決方案，但5G技術(shù)的發(fā)展將允許擺脫處理單元并將該節(jié)點(diǎn)發(fā)送到云端。在這種情況下，廣義功能圖如圖3所示。

圖3 使用云計(jì)算時(shí)自動(dòng)監(jiān)控或保護(hù)系統(tǒng)的功能示意圖

由于D2D 技術(shù)的發(fā)展，延遲（不超過1 ms）的顯著降低，這種修改成為可能，該技術(shù)不需要通過基站在設(shè)備之間發(fā)送消息數(shù)據(jù)包，從而提高了性能并增加了連接密度。它的使用將大大降低安裝和使用所考慮的自動(dòng)化系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)成本。

該文以Echo設(shè)備的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)為例，使用人工智能技術(shù)的噪聲診斷方法進(jìn)行定量評(píng)估。計(jì)算是在熱電聯(lián)產(chǎn)使用該系統(tǒng)時(shí)進(jìn)行的。

Echo系統(tǒng)的固定功能圖，帶有物理服務(wù)器和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸，用于監(jiān)控單個(gè)對(duì)象的狀況，如圖4所示。

圖4 基于一個(gè)物體噪聲診斷的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)Echo的功能圖

使用寬帶麥克風(fēng)和/或壓電傳感器（2）從所研究的物體（1）捕獲聲學(xué)噪聲。此外，信號(hào)通過集成總線（3）被饋送到智能模塊（6），存儲(chǔ)在信號(hào)數(shù)據(jù)庫（4）中，其用于收集和存儲(chǔ)來自傳感器的主要數(shù)據(jù)以及聲學(xué)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果。獲得的數(shù)據(jù)可供模式標(biāo)記工作站上的專家進(jìn)行手動(dòng)分析和標(biāo)記（5）。來自模式標(biāo)記工作站（5）的標(biāo)記數(shù)據(jù)，隨后用于重新訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，被傳輸?shù)街悄苣K（6），智能模塊（6）分析數(shù)據(jù)并通過軟件模塊（7）將有關(guān)設(shè)備狀態(tài)的信息傳輸?shù)街鞑僮鲉T工作站（8）和通知網(wǎng)關(guān)（9）。該方案可以擴(kuò)展到所需數(shù)量的觀察對(duì)象，其數(shù)據(jù)被組合在一個(gè)調(diào)度員/操作員工作站中。

在使用云計(jì)算和5G技術(shù)的方案中，可以一次將多個(gè)塊傳輸?shù)皆浦小?、4、6（如圖5 所示）。在操作過程中，Echo聲學(xué)控制系統(tǒng)使用以下數(shù)據(jù)。

圖5 一個(gè)通用的多級(jí)功能圖，用于使用云解決方案監(jiān)視多個(gè)對(duì)象的狀態(tài)

（1）噪聲圖片文件的機(jī)制，將來用于重新訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（數(shù)據(jù)集集合）。此類文件的持續(xù)時(shí)間為30 min，大小為329 MB（使用兩個(gè)通道錄制時(shí)：麥克風(fēng)和壓電傳感器）。

（2）噪聲模式文件的機(jī)制，用于通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)確定當(dāng)前時(shí)間的異常。此類文件的持續(xù)時(shí)間為6 s，大小為1.1 MB。

如果神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不是直接在設(shè)備上處理數(shù)據(jù)，而是在服務(wù)器上處理數(shù)據(jù)，如圖4所示，或者使用MEC的云，那么，如果延遲不超過2 s（足以在監(jiān)控期間正確顯示結(jié)果），來自一個(gè)設(shè)備的流量將為4.4 Mbit/s。設(shè)備數(shù)量如下：（1）3G網(wǎng)絡(luò)，1個(gè)（或更少）設(shè)備；（2）4G網(wǎng)絡(luò)，3臺(tái)設(shè)備；（3）5G網(wǎng)絡(luò)，22臺(tái)設(shè)備。

由于在監(jiān)控對(duì)象上安裝了多個(gè)傳感器（例如至少需要8個(gè)傳感器來監(jiān)控能源鍋爐），如果傳感器通過單個(gè)GSM調(diào)制解調(diào)器工作，則得到總流量，例如8個(gè)傳感器（能源鍋爐）將是：35.2 Mbit/s。在物理設(shè)備上或在物理服務(wù)器上，數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)從設(shè)備傳輸?shù)椒?wù)器。此處的云解決方案僅適用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

使用5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)，無需直接在設(shè)備上執(zhí)行計(jì)算或使用以太網(wǎng)連接，并且可以放棄部分物理設(shè)備，這意味著顯著的經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)計(jì)算，如果與5G 網(wǎng)絡(luò)一起使用，簡化設(shè)備的成本可以降低5.2倍。

4 結(jié)語

該文提供了將5G 技術(shù)用于自動(dòng)監(jiān)控和保護(hù)系統(tǒng)的基本原理。結(jié)果表明，兩個(gè)系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的延遲時(shí)間都有嚴(yán)格的要求。它們包括大量的傳感器和數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)單元，這可能需要大量的計(jì)算能力，這使得這些系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和使用成本很高。云計(jì)算的功能允許將數(shù)據(jù)處理放在虛擬空間中，來擺脫這一瓶頸。但是，老一代網(wǎng)絡(luò)無法滿足自動(dòng)監(jiān)控和保護(hù)系統(tǒng)的帶寬和延遲要求。新一代5G 網(wǎng)絡(luò)和MES 分布式計(jì)算將允許使用云計(jì)算來改善系統(tǒng)的硬件瓶頸，該文提出了一個(gè)以云計(jì)算為獨(dú)立功能節(jié)點(diǎn)的流程圖，以基于噪聲診斷Echo的監(jiān)測和診斷設(shè)備狀態(tài)的系統(tǒng)為例，使用人工智能技術(shù)，當(dāng)它在CHP 使用時(shí)，定量地顯示了使用5G 的潛在優(yōu)勢。