5G 及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電廠輸煤系統(tǒng)的應(yīng)用

孟 軍

（華電忻州廣宇煤電有限公司，山西忻州 034000）

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為新興技術(shù)之一，為各種物品和網(wǎng)絡(luò)之間搭建起了橋梁。因而物聯(lián)網(wǎng)因?yàn)榫哂歇?dú)特的優(yōu)勢，應(yīng)用在電網(wǎng)領(lǐng)域，有利于實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的升級。隨著5G 時(shí)代的到來，進(jìn)一步促進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)化與創(chuàng)新。在電場的輸煤系統(tǒng)中應(yīng)用5G 技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以有效提升系統(tǒng)的安全性、智能性和高效性[1]。

1 5G 與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展

物聯(lián)網(wǎng)也稱為傳感網(wǎng)，在物體中嵌入不同的傳感器芯片，利用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)物體的網(wǎng)絡(luò)化和智能化，達(dá)到萬物互聯(lián)的目的。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用需要具備支持網(wǎng)絡(luò)覆蓋的標(biāo)準(zhǔn)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。自2013 年底，我國啟動4G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了基于EMTC 等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的全網(wǎng)絡(luò)覆蓋，滿足了物聯(lián)網(wǎng)高可靠性、低功耗、低指標(biāo)的市場需求。隨著科技的進(jìn)步，移動通信技術(shù)已經(jīng)演變?yōu)?G 技術(shù)，相較于4G 技術(shù)，5G 的優(yōu)勢在于容量更大、速度更快，可以結(jié)合千億物聯(lián)網(wǎng)，為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展奠定技術(shù)基礎(chǔ)。而5G 與物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合具體包括以下幾方面[2]。

首先，5G 通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度是4G 的100 多倍，不同移動終端之間交換網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)所需的時(shí)間大大縮短，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)無需受到傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的限制，各種移動終端從原來的控制信號向多元的信息交互轉(zhuǎn)變。

其次，5G 通信網(wǎng)絡(luò)不僅支持不同終端設(shè)備之間的直接連接和高頻數(shù)據(jù)交換，還擁有多天線傳輸?shù)认冗M(jìn)的通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。它不僅改變了傳統(tǒng)移動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，而且實(shí)現(xiàn)了終端通信方式的多樣化。改變傳統(tǒng)蜂窩數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)流量與優(yōu)質(zhì)的用戶體驗(yàn)，并且時(shí)延更低、能效更高。在5G 時(shí)代，物聯(lián)網(wǎng)將擁有更寬廣的覆蓋范圍和更多的頻段，也可以實(shí)現(xiàn)通信終端模塊的小型化。

最后，5G 通信技術(shù)的出現(xiàn)，為智能導(dǎo)航和人工智能等新技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用提供了網(wǎng)絡(luò)支持。現(xiàn)有4G 網(wǎng)絡(luò)無法實(shí)現(xiàn)的功能正在逐漸成為5G 網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)實(shí)，可以支持物聯(lián)網(wǎng)功能和應(yīng)用的發(fā)展與創(chuàng)新[3]。

2 電廠輸煤系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)體系設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用三層高可用結(jié)構(gòu)。全息多維采集設(shè)備基于大數(shù)據(jù)技術(shù)采集整個(gè)生命周期的靜態(tài)、動態(tài)、實(shí)時(shí)、操作、圖像、視頻等數(shù)據(jù)，構(gòu)建大數(shù)據(jù)倉庫?；诖髷?shù)據(jù)分布式數(shù)據(jù)處理技術(shù)，構(gòu)建基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的數(shù)據(jù)終端。基于數(shù)據(jù)集成抽取清洗轉(zhuǎn)換、分布式數(shù)據(jù)庫存儲、分布式數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析和計(jì)算、分布式多維分析和處理、數(shù)據(jù)任務(wù)調(diào)度、大數(shù)據(jù)治理等技術(shù)，構(gòu)建大數(shù)據(jù)平臺的底層管理模型，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、存儲、處理和計(jì)算以及數(shù)據(jù)平臺的運(yùn)營管理。

2.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于電廠輸煤系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測和計(jì)算電廠輸煤系統(tǒng)的效率。建立數(shù)據(jù)中心，為公司安全生產(chǎn)決策提供直觀、交互式的工具，及時(shí)監(jiān)測和分析現(xiàn)場生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)和設(shè)備性能，為專業(yè)部門和業(yè)務(wù)領(lǐng)導(dǎo)提供實(shí)時(shí)信息和分析數(shù)據(jù)，提高安全生產(chǎn)的可控性，確保生產(chǎn)管理的安全，創(chuàng)建安全的能源生產(chǎn)企業(yè)。

2.3 系統(tǒng)安全策略設(shè)計(jì)

2.3.1 科學(xué)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)接口

實(shí)時(shí)信息系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的技術(shù)集成系統(tǒng)。需要從控制系統(tǒng)中實(shí)時(shí)提取大量生產(chǎn)數(shù)據(jù)[4]。同時(shí)，必須與管理信息系統(tǒng)連接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。因此，科學(xué)設(shè)計(jì)每個(gè)數(shù)據(jù)接口可以確保系統(tǒng)之間安全、高效、可靠地進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的傳輸和交換?，F(xiàn)有控制系統(tǒng)應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)源接口，接口控制系統(tǒng)的接口設(shè)計(jì)和開發(fā)應(yīng)嚴(yán)格按照各控制廠商的接口規(guī)范進(jìn)行。

2.3.2 建立完善的安全體系

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)具有資源共享、多用戶和分布式處理的特點(diǎn)。它不僅實(shí)時(shí)影響IT 系統(tǒng)的運(yùn)行，還影響相關(guān)控制系統(tǒng)的正常運(yùn)作。系統(tǒng)安全需要作為一個(gè)整體進(jìn)行設(shè)計(jì)、規(guī)劃和實(shí)施。采取一系列技術(shù)措施，根據(jù)不同級別的特點(diǎn)采取各種安全措施，建立系統(tǒng)安全體系，建立專門的運(yùn)行管理機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)制定系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)則和條例，并對系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)測、分析和管理，實(shí)現(xiàn)早期故障檢測和預(yù)處理，將系統(tǒng)的運(yùn)行周期最大化。

2.3.3 硬件冗余配置

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器采用雙待機(jī)模式，硬件設(shè)置配備雙電源甚至多電源，如工作站、服務(wù)器、主網(wǎng)交換機(jī)等，避免單個(gè)電源模塊故障。系統(tǒng)配備兩個(gè)電源，一個(gè)是輔助電源的安全部分，另一個(gè)是連續(xù)電源，可實(shí)現(xiàn)配電柜在兩個(gè)電源之間的自動切換[5]。

2.3.4 建立軟件管理制度

構(gòu)建軟件管理制度，控制系統(tǒng)服務(wù)器、功能站、接口站等軟件平臺，刪除與系統(tǒng)操作無關(guān)的軟件和服務(wù)。普通用戶對系統(tǒng)具有安裝和卸載操作權(quán)限，可以更改操作系統(tǒng)設(shè)置。及時(shí)下載安裝系統(tǒng)補(bǔ)丁軟件，確保系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

2.4 系統(tǒng)綜合能力設(shè)計(jì)

（1）運(yùn)行感知全面化。通過接入已經(jīng)部署的無人巡檢設(shè)備、攝像頭、傳感器等，構(gòu)建全面的電廠輸煤系統(tǒng)感知系統(tǒng)。

（2）運(yùn)維記錄數(shù)據(jù)化。建設(shè)實(shí)時(shí)動態(tài)數(shù)據(jù)庫，完整保存運(yùn)維、巡檢流程中的所有過程記錄，包括圖片、音頻、視頻等資料，并通過儲存技術(shù)確保數(shù)據(jù)安全，相關(guān)信息可以通過系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)快速檢索和查詢。

（3）異常預(yù)警智能化。采用面向設(shè)備與操作異常的視頻分析智能算法、面向設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測的融合智能分析算法，實(shí)現(xiàn)對電廠輸煤系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境的分析與識別，完善設(shè)備全生命周期管理，降低巡檢次數(shù)。

（4）先進(jìn)的數(shù)據(jù)接口。系統(tǒng)具有完整的數(shù)據(jù)接口，支持與第三方系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互功能，預(yù)留與上級集控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互接口，平臺系統(tǒng)具有高度的可擴(kuò)展性和兼容性。

（5）完善的數(shù)據(jù)交互協(xié)議。系統(tǒng)自主設(shè)計(jì)一套適合電廠輸煤系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互協(xié)議，規(guī)定各智能終端與主站的數(shù)據(jù)交互內(nèi)容、交互方式，規(guī)定各類協(xié)議的交互指令，確保主控系統(tǒng)的規(guī)范性；系統(tǒng)將整合各項(xiàng)研究成果，以模塊化方式將任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)、通信控制系統(tǒng)、診斷分析系統(tǒng)按業(yè)務(wù)需求進(jìn)行集成，滿足電廠輸煤系統(tǒng)智能運(yùn)維的功能需求。

（6）可視化的數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)具備電廠輸煤系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互展示功能，能夠更加清晰地展示各類設(shè)備及信息位置。

2.5 數(shù)據(jù)采集平臺設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集平臺作為現(xiàn)場監(jiān)測和在線分析的主要數(shù)據(jù)源平臺，將企業(yè)現(xiàn)有專業(yè)管理系統(tǒng)（DCS、電氣自動化）與現(xiàn)場儀表進(jìn)行通信，同時(shí)采集溫度、流量、液位、功率等相關(guān)數(shù)據(jù)，主要進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，對生產(chǎn)數(shù)據(jù)和指數(shù)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。數(shù)據(jù)采集平臺包括中心接收服務(wù)器、下位數(shù)據(jù)采集終端等。數(shù)據(jù)采集終端與生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備、儀器進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)電信號、非電信號、并行信號和串行信號等不同類型數(shù)據(jù)挖掘的數(shù)據(jù)采集。它補(bǔ)充了專業(yè)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)接口，兼容企業(yè)DCS、PLC 等特殊系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口，更好地適應(yīng)了電廠輸煤系統(tǒng)不同設(shè)備的數(shù)據(jù)采集。實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)可以通過移動網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到中心數(shù)據(jù)接收服務(wù)器，中心服務(wù)器具有強(qiáng)大的計(jì)算能力和可擴(kuò)展性，擁有用于動態(tài)速度檢測的內(nèi)置組件，并且還可以根據(jù)信息變化主動向網(wǎng)絡(luò)報(bào)告信息，確保數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，顯著降低網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量和中央服務(wù)器的負(fù)載，確保中央服務(wù)器的穩(wěn)定性。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，中央服務(wù)器支持實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲，可以幫助用戶長時(shí)間保存數(shù)據(jù)，確保在通信鏈路出錯(cuò)時(shí)數(shù)據(jù)不會丟失，提高數(shù)據(jù)的完整性和連續(xù)性。電廠輸煤系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 電廠輸煤系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.6 重點(diǎn)功能模塊設(shè)計(jì)

應(yīng)用對象在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫上構(gòu)建電廠輸煤系統(tǒng)的設(shè)備管理與運(yùn)行的監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)的重點(diǎn)功能模塊主要包括以下方面。

2.6.1 實(shí)時(shí)監(jiān)控和自動報(bào)告生成

通過該模塊，可以對電廠各控制系統(tǒng)的輸煤系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的采集、處理和分析，并生成數(shù)據(jù)曲線和報(bào)告等材料，使用戶可以對各終端的各個(gè)過程進(jìn)行一致的監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，并且將數(shù)據(jù)作為決策依據(jù)之一[6]。

2.6.2 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視報(bào)警及維護(hù)

提供設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和故障原因，以表格的形式將報(bào)警參數(shù)輸入數(shù)據(jù)庫[7]。當(dāng)系統(tǒng)呈現(xiàn)報(bào)警模式時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警，并自動檢測保存，以備事故分析；對不同設(shè)備的操作過程、操作系統(tǒng)、維護(hù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行排序、匯總并導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)維護(hù)和查詢。

3 結(jié)語

近年來，電力輸煤承擔(dān)的責(zé)任越來越重。物聯(lián)網(wǎng)將定位技術(shù)、傳感器網(wǎng)絡(luò)等眾多技術(shù)結(jié)合，協(xié)調(diào)物與物和人與物之間的關(guān)聯(lián)，在檢修設(shè)備、智能化監(jiān)管、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測等領(lǐng)域中呈現(xiàn)出顯著效果。在此背景下，電廠的輸煤系統(tǒng)需要更高的靈活性、穩(wěn)定性。因此，基于5G 背景下，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對各個(gè)環(huán)節(jié)的監(jiān)測，為管理人員提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，提高了電廠生產(chǎn)效率。