5G技術(shù)在智慧新能源中的應(yīng)用

劉德君

（青海黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司電力營銷中心，青海 西寧 810000）

1 智慧能源與5G技術(shù)結(jié)合的意義與發(fā)展要求

1.1 智慧能源與5G技術(shù)結(jié)合的意義

利用5G技術(shù)，結(jié)合大數(shù)據(jù)、人工智能等數(shù)字技術(shù)，可以改變電力企業(yè)垂直行業(yè)核心業(yè)務(wù)的運(yùn)營方式和作業(yè)模式，全面提升運(yùn)營效率和智能化決策水平。同時，5G技術(shù)有助于清潔能源的智能化管理和企業(yè)社會價值的提升。

1.2 智慧能源與5G技術(shù)結(jié)合的發(fā)展要求

1.2.1 安全可靠

《電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護(hù)總體方案》（國能安全〔2015〕36號）中要求電力工控系統(tǒng)安全防護(hù)需滿足安全分區(qū)、網(wǎng)絡(luò)專用、橫向隔離以及縱向加密4大要求[1]。由于電網(wǎng)調(diào)度遙控需求，場站內(nèi)通信時延要求在30 ms以內(nèi)，可靠性要求達(dá)到99.999%。對此，一方面應(yīng)有統(tǒng)一、靈活以及可伸縮的5G網(wǎng)絡(luò)安全架構(gòu)來構(gòu)建“三橫一縱”的端到端安全體系，打造覆蓋5G基礎(chǔ)設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)和管理的全域安全能力，以滿足不同安全級別的需求。另一方面，5G網(wǎng)絡(luò)切片應(yīng)提供不同業(yè)務(wù)場景的差異化專網(wǎng)服務(wù)。5G網(wǎng)絡(luò)切片可提供端到端、多種靈活手段、“邏輯+物理”的QoS保障能力；端到端網(wǎng)絡(luò)切片可以完全專用，也可以共享組成部分（無線、傳輸、核心網(wǎng)等），在SLA層面滿足垂直行業(yè)應(yīng)用差異化服務(wù)的需求。

1.2.2 經(jīng)濟(jì)協(xié)同

通過遙測、遙信、遙控以及完成智慧測量、智慧監(jiān)控、智慧調(diào)整以及智慧視頻。與前期的無線通信制式相比，5G三大業(yè)務(wù)特性催生新的生產(chǎn)管理方式有質(zhì)的提升，可助力能源生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理和控制，加速“機(jī)器換人”[2]。

1.2.3 降本增效

5G邊緣計(jì)算實(shí)現(xiàn)內(nèi)容、應(yīng)用與計(jì)算的下沉，可兼顧業(yè)務(wù)時延和計(jì)算能力等需求，分場景靈活選擇MEC部署位置，降時延省成本；推動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和能源系統(tǒng)深度融合，打通能源生產(chǎn)、輸送、儲存、消費(fèi)各環(huán)節(jié)，使能源更智慧，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化生產(chǎn)、遠(yuǎn)程集控、智能巡檢以及智能運(yùn)維[3]。

2 5G智慧能源發(fā)展現(xiàn)狀

聯(lián)合國家電力投資集團(tuán)有限公司（簡稱“國家電投”）在江西光伏電站成功完成全國首個基于5G網(wǎng)絡(luò)的、多場景的智慧電廠端到端業(yè)務(wù)驗(yàn)證，通過中國移動超大帶寬、超低時延、超高可靠的5G網(wǎng)絡(luò)，成功實(shí)現(xiàn)無人機(jī)巡檢、機(jī)器人巡檢、智能安防以及單兵作業(yè)4個智慧能源應(yīng)用場景，打造無線、無人、互聯(lián)、互動的智慧場站，這是5G技術(shù)在智慧能源行業(yè)應(yīng)用的重要突破。

2.1 機(jī)器人巡檢

2.1.1 業(yè)務(wù)場景描述

利用5G大帶寬技術(shù)，實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)聯(lián)機(jī)器人多路巡檢視頻及各種傳感信息（紅外、溫感、濕感、輻射）綜合回傳，以及集控中心遠(yuǎn)程操控作業(yè)。

2.1.2 5G應(yīng)用價值

替代現(xiàn)有WiFi+專線方式，擴(kuò)展機(jī)器人巡檢范圍，實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)聯(lián)機(jī)器人百兆級巡檢視頻回傳、百毫秒級遠(yuǎn)程控制。

2.2 無人機(jī)巡檢

2.2.1 業(yè)務(wù)場景描述

利用5G大帶寬技術(shù)，實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)巡檢視頻圖像實(shí)時高清回傳，以及集控中心遠(yuǎn)程操控作業(yè)。

2.2.2 5G應(yīng)用價值

替代現(xiàn)有WiFi+專線方式，擴(kuò)展無人機(jī)巡檢范圍，實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)百兆級巡檢視頻回傳、百毫秒級遠(yuǎn)程控制。

2.3 智能安防

2.3.1 業(yè)務(wù)場景描述

利用5G大帶寬技術(shù)，通過全景鷹眼攝像頭連接5G CPE模組，實(shí)現(xiàn)場站全景高清視頻的實(shí)時監(jiān)控及綜合環(huán)控。

2.3.2 5G應(yīng)用價值

替代現(xiàn)有專線方式，實(shí)現(xiàn)百兆級監(jiān)控視頻回傳。

2.4 單兵作業(yè)

2.4.1 業(yè)務(wù)場景描述

利用5G大帶寬技術(shù)，通過智能穿戴設(shè)備連接5G CPE模組，實(shí)現(xiàn)智能穿戴設(shè)備百兆級以上音視頻的實(shí)時回傳和人員定位。

2.4.2 5G應(yīng)用價值

替代現(xiàn)有4G/WiFi方式，實(shí)現(xiàn)音視頻和人員定位信息實(shí)時回傳以及遠(yuǎn)程作業(yè)指導(dǎo)。

3 青海省發(fā)電企業(yè)場站通信現(xiàn)狀與要求

針對青海省發(fā)電企業(yè)場站生產(chǎn)環(huán)節(jié)現(xiàn)狀及痛點(diǎn)，本文開展了5G智慧能源應(yīng)用示范項(xiàng)目交流。現(xiàn)以全球最大的青海省海南州共和縣光伏發(fā)電基地為例開展進(jìn)一步探討。

3.1 通信現(xiàn)狀

生產(chǎn)對無線通信有需求，之前曾探索過專網(wǎng)、4G、WiFi等多種方式，但由于以往無線通信方式無法滿足電力生產(chǎn)對安全性、可靠性的要求，同時受制于能源局36號令以及電網(wǎng)企業(yè)對安全隔離管控的要求，目前生產(chǎn)一、二大區(qū)只能用有線方式接入。

3.2 通信需求

（1）要求服務(wù)于生產(chǎn)環(huán)節(jié)的無線網(wǎng)絡(luò)超低時延、超高可靠；（2）滿足上級單位要求的安全隔離——內(nèi)外網(wǎng)隔離、生產(chǎn)控制大區(qū)與其他業(yè)務(wù)之間物理隔離、各大區(qū)內(nèi)部不同業(yè)務(wù)之間邏輯隔離；（3）對網(wǎng)絡(luò)可管可控；（4）光伏電站面積大，希望實(shí)現(xiàn)人員、車輛精準(zhǔn)定位及管控。整體上，要求服務(wù)生產(chǎn)的5G網(wǎng)絡(luò)安全可靠、可管可控。

4 5G技術(shù)助力智慧新能源體系建設(shè)的方案探索

4.1 5G智慧新能源電站解決總方案

5G智慧新能源電站解決方案見圖1。對于生產(chǎn)控制大區(qū)，針對安全隔離要求較高、交換時延要求較高的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，采用5G邊緣計(jì)算實(shí)現(xiàn)核心網(wǎng)下沉場站，數(shù)據(jù)本地交換。對于管理信息大區(qū)，針對非實(shí)時、長周期分析的管理數(shù)據(jù)，可將數(shù)據(jù)回傳至集控中心遠(yuǎn)程處理，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集控、智能運(yùn)維、無人值守。

4.2 場站通信管理

新能源場站行業(yè)專網(wǎng)如圖2所示。

4.2.1 光伏生產(chǎn)類

“旗艦‘定遠(yuǎn)號’居中，‘鎮(zhèn)遠(yuǎn)號’在右側(cè)護(hù)衛(wèi)旗艦，‘靖遠(yuǎn)號’‘致遠(yuǎn)號’在左側(cè)護(hù)衛(wèi)，‘來遠(yuǎn)號’‘經(jīng)遠(yuǎn)號’‘廣甲號’‘濟(jì)遠(yuǎn)號’‘超勇號’‘揚(yáng)威號’兩兩一組，各分左右，排成人字陣型！”伴隨著緊張的傳令聲，荷塘北岸的孩子們認(rèn)真地握緊手中遙控器，控制著從荷塘北岸緩緩朝南行駛的十艘懸掛黃龍旗的航模艦艇。

利用5G實(shí)現(xiàn)場站設(shè)備間的無線通信與設(shè)備控制，中央控制算法下沉至場站中控室實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備實(shí)時遙控，并實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)控制大區(qū)與管理信息大區(qū)的安全隔離。

圖2 新能源場站行業(yè)專網(wǎng)

（1）場站設(shè)備遙控采集。5G提供場站全量信息百兆級帶寬接入能力及毫秒級信息采集能力，實(shí)現(xiàn)中控室到組件、支架、逆變器等生產(chǎn)單元數(shù)據(jù)遙控及采集，助力精細(xì)化生產(chǎn)管理。

（2）集中控制算法下沉。通過5G邊緣計(jì)算架構(gòu)實(shí)現(xiàn)中央云算法應(yīng)用下沉到場站中控室，加大數(shù)據(jù)采集頻次和維度，實(shí)時調(diào)控光伏板支架傾角及逆變器有功無功參數(shù)，提升發(fā)電量。

（3）生產(chǎn)管理業(yè)務(wù)隔離。通過5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)控制大區(qū)與其他業(yè)務(wù)的物理隔離，以及各大區(qū)內(nèi)部不同業(yè)務(wù)之間的邏輯隔離，滿足安全隔離要求。

4.2.2 風(fēng)電生產(chǎn)類

利用5G實(shí)現(xiàn)場站設(shè)備間的無線通信與設(shè)備控制，中央控制算法下沉至場站中控室或風(fēng)機(jī)主控實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備實(shí)時遙控，并實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)控制大區(qū)與管理信息大區(qū)的安全隔離。

（1）場站設(shè)備遙控采集。5G提供場站全量信息百兆級帶寬接入能力及毫秒級信息采集能力，實(shí)現(xiàn)中控室到風(fēng)機(jī)主控生產(chǎn)數(shù)據(jù)遙控及采集，不同風(fēng)機(jī)間協(xié)同控制。

（2）集中控制算法下沉。通過5G邊緣計(jì)算架構(gòu)實(shí)現(xiàn)中央云算法應(yīng)用下沉到場站中控室或風(fēng)機(jī)主控，加大數(shù)據(jù)采集頻次和維度，實(shí)時調(diào)控風(fēng)機(jī)變頻、變流、變槳等相關(guān)參數(shù)，提升發(fā)電量。

（3）生產(chǎn)管理業(yè)務(wù)隔離，同光伏生產(chǎn)類。

5G方案優(yōu)勢：網(wǎng)絡(luò)扁平化，有效解決現(xiàn)有光纖環(huán)網(wǎng)后適配困擾；降低施工維護(hù)成本及電磁干擾影響；提高生產(chǎn)管理效率及數(shù)據(jù)接入靈活性，拓展應(yīng)用場景。

4.3 新能源管理

4.3.1 智能巡檢

利用5G結(jié)合無人機(jī)和機(jī)器人應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)巡檢終端視頻實(shí)時回傳及作業(yè)遠(yuǎn)程控制，擴(kuò)展巡檢范圍，助力實(shí)現(xiàn)無人值守場站。

4.3.2 智能安防

利用5G結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)及人工智能，提供全景高清視頻監(jiān)控及綜合環(huán)控能力，實(shí)現(xiàn)人車物精準(zhǔn)識別定位，有效防范非法入侵、違規(guī)作業(yè)等不安全行為。

4.3.3 智能運(yùn)維

利用5G實(shí)現(xiàn)場站設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)采集監(jiān)控，支撐集中調(diào)控、大數(shù)據(jù)精準(zhǔn)分析及診斷應(yīng)用。

4.3.4 應(yīng)急指揮

利用5G實(shí)現(xiàn)多路高清視頻單兵終端同時接入，更全面、詳實(shí)地掌握現(xiàn)場情況，支撐多媒體的應(yīng)急調(diào)度指揮應(yīng)用。

5 結(jié) 論

本文主要就智慧能源與5G技術(shù)結(jié)合的必要性、5G智慧能源發(fā)展現(xiàn)狀、青海省發(fā)電企業(yè)場站通信現(xiàn)狀與要求、5G技術(shù)助力智慧新能源體系建設(shè)方案探索4個方面進(jìn)行了具體介紹。通過此次5G智慧能源應(yīng)用示范項(xiàng)目交流、5G技術(shù)在智慧新能源中的應(yīng)用探究，有望針對新能源生產(chǎn)場景開展更多應(yīng)用示范，從而達(dá)成5G垂直行業(yè)應(yīng)用合作，助力能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展。