基于5G技術(shù)在換流站中的智能應(yīng)用分析

于浩，王旭東，金鑫，汪筱巍

(國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司信息通信分公司，安徽 合肥 230022)

0 引 言

換流站作為高壓直流輸電系統(tǒng)中的站點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了交流電也直流電之間的相互轉(zhuǎn)換，其運(yùn)行是否安全穩(wěn)定直接影響了電力系統(tǒng)安全和電能質(zhì)量[1]。5G技術(shù)[2-3]在換流站中的應(yīng)用，不僅為換流站通信能力的提升提供了重要的支撐，也為換流站智能化發(fā)展提供了技術(shù)支持。

采用5G技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)混合組網(wǎng)，最終實(shí)現(xiàn)全站的5G無(wú)線終端接入方式的室內(nèi)室外全覆蓋，為換流站在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、智能管控系統(tǒng)以及其他智能化監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)提供終端無(wú)線接入通道，解決高帶寬和大連接業(yè)務(wù)安全可靠接入和各類智能感知業(yè)務(wù)最后1公里通信的需求。本文首先介紹5G通信技術(shù)，從與4G技術(shù)進(jìn)行比較和5G技術(shù)的特征展開，展示5G技術(shù)在換流站應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。在5G技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討5G技術(shù)在換流站的智能監(jiān)測(cè)、混合現(xiàn)實(shí)和電力巡檢中的智能應(yīng)用，展示了5G技術(shù)在換流站中的智能應(yīng)用。

1 5G通信技術(shù)

1.1 5G指標(biāo)

第五代移動(dòng)通信技術(shù)(5th generation mobile networks, 5G)發(fā)展迅速，在傳輸速率和時(shí)延等指標(biāo)性能上都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于4G。隨著4G 逐漸被5G取代，電力行業(yè)將會(huì)發(fā)生巨大的變化。

5G與4G的關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵能力對(duì)比如表1和表2所示，5G從各個(gè)方面比4G都更具有優(yōu)勢(shì)。

表1 4G與5G關(guān)鍵技術(shù)對(duì)比表

表2 4G與5G關(guān)鍵能力對(duì)比表

在應(yīng)用場(chǎng)景方面，與主要應(yīng)用于移動(dòng)寬帶應(yīng)用場(chǎng)景的4G相比，5G采用增強(qiáng)移動(dòng)寬帶切片(eMBB)、高可靠低時(shí)延連接切片(uRLLC)和海量物聯(lián)切片(mMTC)技術(shù)[4]，使得其應(yīng)用場(chǎng)景更加多樣化。5G核心切片特點(diǎn)如表3所示。5G的各個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景相互交融，能夠更好地提升服務(wù)質(zhì)量，使人們的生活更加便捷。將5G應(yīng)用到換流站實(shí)際場(chǎng)景中，必將使換流站監(jiān)測(cè)、調(diào)控和服務(wù)業(yè)務(wù)等更加智能化和透明化，在實(shí)際檢測(cè)、調(diào)度和運(yùn)維等各個(gè)方面更加快速和便捷。

1.2 5G技術(shù)特征

5G技術(shù)具有“三高兩低”的特點(diǎn)，即高速率、高容量、高可靠性、低時(shí)延和低能耗[5]，各個(gè)特點(diǎn)都非常契合換流站通信業(yè)務(wù)能力提升的要求。

表3 5G核心切片特點(diǎn)

1.2.1 高速率

高速率是5G最顯著的特點(diǎn)。5G傳輸速率要做到的目標(biāo)是最大10 Gbps，比4G通信提升了很多。5G能夠提升整個(gè)換流站各方面的通信數(shù)據(jù)傳輸速率，比如提高在線監(jiān)測(cè)速率和命令下達(dá)速率，使運(yùn)維人員能更快得到換流站各個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行情況，及早排查系統(tǒng)運(yùn)行故障點(diǎn)，避免二次故障和更大故障的出現(xiàn)，對(duì)保證換流站安全穩(wěn)定運(yùn)行很重要的意義。

1.2.2 高容量

5G能夠支持高密度的設(shè)備連接和高容量的數(shù)據(jù)傳輸，其性能指標(biāo)為每平方公里支持1 000 000個(gè)設(shè)備連接，每平方米支持10 Mbps的數(shù)據(jù)傳輸容量。因此，5G能支持更高容量的設(shè)備連接。換流站在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)生成大量的系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)文件，在各系統(tǒng)之間進(jìn)行傳輸和保存，為運(yùn)維人員分析換流站運(yùn)行情況提供數(shù)據(jù)支持。如果因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)堵塞或者網(wǎng)絡(luò)容量不足造成數(shù)據(jù)丟失，會(huì)很容易造成運(yùn)維人員對(duì)站內(nèi)情況產(chǎn)生誤判。因此，采用5G能將網(wǎng)絡(luò)擁塞和誤判風(fēng)險(xiǎn)降低。

1.2.3 高可靠性

5G的丟包率和光纖通信相當(dāng)，能在通信方式受到干擾的情況下，保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸。5G技術(shù)的高可靠性保證了換流站運(yùn)行維護(hù)系統(tǒng)的高可靠性。

1.2.4 低時(shí)延

5G擁有極低的延時(shí)，其端對(duì)端時(shí)延的期望性能指標(biāo)為1 ms。相比較4G通信，低了10倍。正是由于5G的低延時(shí)特性，使得換流站數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程更加順暢，保證了智能一體化平臺(tái)能實(shí)施反映站內(nèi)運(yùn)行情況。

1.2.5 低能耗

5G能以低功耗方式運(yùn)行，使得物聯(lián)網(wǎng)有極大的應(yīng)用情景。將5G技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)全站無(wú)線終端全覆蓋。加強(qiáng)各設(shè)備之間的連接，搭建全站智能集成管理平臺(tái)。

2 換流站智能應(yīng)用

5G可以實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)端到端切片、電力邊緣計(jì)算、無(wú)人機(jī)和機(jī)器人智能巡檢等應(yīng)用。利用智能電網(wǎng)5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)為不同業(yè)務(wù)提供差異化服務(wù)，對(duì)控制業(yè)務(wù)提供更強(qiáng)安全隔離服務(wù)，保證業(yè)務(wù)接入的靈活、高效和安全。

2.1 基于5G技術(shù)的換流站智能監(jiān)測(cè)應(yīng)用場(chǎng)景

基于5G的換流站智能監(jiān)測(cè)應(yīng)用場(chǎng)景如圖1所示。運(yùn)用智能儀器儀表感測(cè)和智能巡檢設(shè)備等，對(duì)換流站整個(gè)運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)5G上傳到云服務(wù)器，再由云服務(wù)器進(jìn)行處理。最后，通過(guò)監(jiān)控大屏和移動(dòng)設(shè)備實(shí)時(shí)觀察站內(nèi)運(yùn)行情況。除此之外，還可以利用移動(dòng)設(shè)備對(duì)換流站進(jìn)行站遠(yuǎn)程控制。利用5G高速率、低時(shí)延和大連接的特性，將多智能監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)同時(shí)上傳和下載，提高了整個(gè)換流站的監(jiān)測(cè)水平和運(yùn)維效率。

圖1 基于5G技術(shù)的換流站智能監(jiān)測(cè)場(chǎng)景

2.2 基于5G技術(shù)的混合現(xiàn)實(shí)應(yīng)用場(chǎng)景

VR (augmented reality)/AR (virtual reality)[6]是新一代信息技術(shù)相互融合的產(chǎn)物。新形勢(shì)下高質(zhì)量VR/AR業(yè)務(wù)的帶寬、時(shí)延要求逐步提高，速率從25 Mbps逐步提高到3.5 Gbps，時(shí)延從30 ms降低到小于5 ms。

5G的性能完全能到混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的要求。基于5G的混合現(xiàn)實(shí)應(yīng)用場(chǎng)景如圖2所示，數(shù)據(jù)處理服務(wù)器和內(nèi)容服務(wù)器對(duì)采集到的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的分析處理，建立可視化模型，提供一種交互式、動(dòng)態(tài)和三維的實(shí)景呈現(xiàn)方式。通過(guò)5G+VR/AR技術(shù)可以更完整地展示整個(gè)換流站，這比通過(guò)屏幕觀察換流站運(yùn)行更加直觀。5G+AR/VR交互技術(shù)可以幫助設(shè)計(jì)者改善設(shè)計(jì)體驗(yàn)，不一定親臨現(xiàn)場(chǎng)，而是通過(guò)數(shù)據(jù)比較和虛擬視覺(jué)構(gòu)建來(lái)體驗(yàn)真實(shí)的情況，提供更好的設(shè)計(jì)幫助。除此之外，5G+AR/VR交互技術(shù)可與3D輔助選線設(shè)計(jì)相結(jié)合。將輸電典型設(shè)備組件現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)結(jié)果和三維模型呈現(xiàn)在設(shè)計(jì)者眼前，為設(shè)計(jì)人員進(jìn)行輸電線路設(shè)計(jì)提供身臨其境的場(chǎng)景環(huán)境。

圖2 換流站混合現(xiàn)實(shí)應(yīng)用

2.3 基于5G技術(shù)的電力巡檢應(yīng)用場(chǎng)景

如圖3所示，利用無(wú)人機(jī)和巡檢機(jī)器人等智能設(shè)備進(jìn)行電力巡檢。通過(guò)5G實(shí)時(shí)收回巡檢數(shù)據(jù)信息，將數(shù)據(jù)信息上傳至服務(wù)器，通過(guò)AR/VR的混合現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，直觀感受站內(nèi)巡檢過(guò)程，更好地全方位控制巡檢設(shè)備[7]。通過(guò)5G將站內(nèi)監(jiān)控大屏和總監(jiān)控中心共同監(jiān)控?fù)Q流站，相互協(xié)同運(yùn)維和調(diào)度電能傳輸。

基于AR技術(shù)，以實(shí)景視頻為交互界面，形成對(duì)電力配電設(shè)施的可視化運(yùn)維系統(tǒng)。同時(shí)，各種宏觀指標(biāo)、資源統(tǒng)計(jì)等數(shù)據(jù)可以通過(guò)一個(gè)定制的大屏幕顯示?？梢哉{(diào)取AR攝像機(jī)視頻畫面，通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)標(biāo)簽信息，詳細(xì)了解現(xiàn)場(chǎng)具體情況，以及追溯過(guò)往視頻畫面，實(shí)現(xiàn)對(duì)全站的實(shí)時(shí)和過(guò)往數(shù)據(jù)的掌控。某換流站可視化數(shù)據(jù)系統(tǒng)界面如圖4所示。

圖3 基于5G技術(shù)的電力巡檢應(yīng)用場(chǎng)景

圖4 某換流站可視化數(shù)據(jù)系統(tǒng)界面圖

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著5G時(shí)代的來(lái)臨，換流站的方方面面都得到巨大的提升。本文在5G的基礎(chǔ)上，敘述了在換流站中的幾種應(yīng)用場(chǎng)景，體現(xiàn)了5G給換流站帶來(lái)的改變和提升。目前5G已在多個(gè)換流站中得到應(yīng)用，并取得了較好的評(píng)價(jià)。由此可見，5G在換流站中的應(yīng)用前景非常好。同時(shí)，隨著5G的發(fā)展和應(yīng)用，換流站的運(yùn)行將會(huì)更加智能化，更加安全穩(wěn)定。