5G技術在輸變電巡檢中的應用

國網無錫供電公司 李瑱璘 國網江陰市供電公司 王志源

1 5G 技術在輸變電巡檢中的應用必要性

為直觀闡述5G 技術在輸變電巡檢中的應用優勢和必要性，本文以輸變電站運行實例輔助闡述。本廠為綜合自動化變電站，主要負責向生產廠區、家屬院、綜合公司等供電，等級電壓為110kV/35kV/10kV，正常工作狀態下，1#、2#主變帶全廠運行，配置3臺5萬kVA 有載調壓變壓器、5臺電容器，總容量可以達到15萬kVA。現階段，站內采用4G 輸變電巡檢模式，能夠實現監測數據的實時傳輸和監測畫面的實時更新。

但隨著本廠輸變電規模擴張，巡檢工作壓力明顯上升，傳統4G 網絡帶寬受限、時延較高，容易出現設備風險識別不到位、故障判別不及時等情況。5G 技術的引入可以較好地解決此類問題，其優點主要集中在以下幾個方面：一是高頻段傳輸。傳統移動通信模式下，對頻段資源的應用大多集中在3GHz以下，長期占用和分配造成了擁堵問題，高頻段資源卻遲遲未能得到有效利用。而5G 技術采用毫米波、厘米波頻段，有效緩解了頻譜資源緊張的狀況，能夠顯著提升傳輸速率。

二是新型多天線傳輸。5G 技術體系中引入了有源天線陣列，以5G 基站為依托，能夠實現128根左右的協作天線數量，搭建起了更為新穎的3D-MIMO 架構，有助于減少用戶干擾，擴大無線信號覆蓋范圍。

三是同時同頻全雙工。與傳統TDD 模式和FDD 模式相比，5G 技術更好地應用了同時同頻全雙工模式，可以有效降低時延，最高速率可以達到4G 的100倍，空口時延則可以降低至1ms，僅相當于4G 技術的1/10。在輸變電巡檢中應用該種技術，可以更好地實現信號全覆蓋通訊，減少畫面卡頓等問題，增強輸變電站風險識別和防御能力，促進輸變電系統的正常、平穩運行。

2 5G 技術在輸變電巡檢中的應用方向

2.1 應用于輸變電參數檢測

本廠運行環節需要變壓器、母線、線路開關設備等多種設備儀器的配合運作，日常產生的電壓、電流參數信息冗雜、多樣，管理難度較大。而5G 技術采用毫米波、微基站、大規模MIMO 等核心技術，傳輸的速度更快，基站數量更多，可以通過對射頻信號的相位控制，實現大容量高速度的實時通訊，輸變電參數檢測可靠度會明顯上升。

本廠在建設過程中，嚴格遵守《電力系統實時動態監測系統技術規范（Q/GDW 10131-2017）》中所述規定，科學把控動態數據監測要點，配備數據記錄功能、越限事件記錄功能、低頻振蕩監測功能等，切實提高輸變電巡檢的自動化水平，減輕人工巡檢負擔。尤其要關注相量測量問題，“相量”實際上是振幅、相位、頻率均為非時變的正弦波的一個復數，對其進行檢測，可以間接判斷變壓器組別、電流互感器接線正確性、差動保護接線正確性等。利用5G 技術對其進行實時監控時，應當控制好測量誤差，在額定頻率下，電壓和電流幅值測量誤差計算公式如下[1]：

其中，Ad代表幅值測量誤差；Am代表幅值測量值；Ar代表幅值實際值；Ab代表幅值基準值。相角、頻率和頻率變化率的測量誤差計算公式如下：

Vd=|Vm-Vr|×100%

其中Vd代表測量誤差；Vm代表測量；Vr代表際值。電壓、電流的相量測量準確度要求分別見表1和表2。

表1 基波電壓相量測量準確度要求

表2 基波電流相量測量準確度要求

2.2 應用于智能視頻監控

輸變電系統運行環節潛在的安全性、穩定性影響因素是多樣的，既包含內部因素也包含外部因素，因此在設備線路參數檢測的基礎上，還需要配備智能視頻監控系統，對各類天氣性因素、操作性因素、外物性因素進行監控，切實消除巡檢盲區，保證輸變電系統的高效平穩運行。本廠以5G 技術為依托，探索“固定+便攜”視頻采集方案的可行性，本次應用過程中，主要以本廠基站為核心建立5G 公網，與視頻監測主站、MEC 服務器等連接，可以實時監測異物入侵、鳥巢、塔桿傾斜等情況，借助高清攝像頭發現異常問題，上傳到圖像識別服務器開展分析，并經由5G APN 通道回傳中心服務器[2]。通過5G 移動邊緣計算技術的應用，還能夠實現自動化報警設想，提醒現場工作人員注意危險，進而增強作業安全性和規范性，杜絕違規操作帶來的事故風險。

2.3 應用于巡檢App 搭建

本廠積極開發了巡檢App，其主要的技術架構為“5G+AR”，實現的功能主要包含以下幾類：一是巡檢任務實時發布。移動巡檢App 會在大數據技術的支撐下，對輸變電設備歷史運行情況、臺賬信息情況等進行整合分析，生成自動化的巡檢報告，經過主管人員確認后生成巡檢任務清單，并派發給巡檢人員，一線巡檢人員通過AR 眼鏡接收相關信息，記錄巡檢流程中發現的缺陷問題并實時提交。

二是運行參數實時判別。巡檢人員佩戴AR 眼鏡，對設備實物進行外觀檢測，同時評估相關信息，輔助判斷溫度、振動變化趨勢，發現異常后及時記錄和上報。

三是巡檢道路實時更新導航。通過借助AR 眼鏡實現線路導航，在5G 通信技術的支撐下，進行路線數據的快速傳輸，實現秒級遠程控制，還可以與專家系統對接，完成決策意見的收集。

四是巡檢信息實時傳送。能夠在5G 技術的支撐下，實現現場巡檢數據的實時傳回，數據直接呈現在管理平臺大屏上，管理人員也可以通過手機端App等查看。巡檢信息、實時監測信息整合后，形成系統報告，經由App 完成可視化展現，其中實時監測信息誤差要求應當符合表3、表4所述要求。注意智能巡檢App 對參數的分析是采用抽樣法進行的，因此還應當遵照《智能變電站數字化相位核準技術規范（Q/GDW 11054-2013）》所述內容，對數字化采樣的交流電氣量之間的相序、相位進行核校。核校采用環節推薦使用線性插值法，表達式如下[3]：

表3 保護用電流誤差要求

表4 保護用電壓誤差要求

其中t 為系統采樣時刻；SVt1、SVt2均為t 兩側最近的兩個實際采樣值，SVt為采樣推算值。

2.4 應用于無人機智能巡檢

無人機巡檢同樣是輸變電巡檢的重要發展方向之一，在5G 技術背景下，要積極加以探索和應用。整個架構以5G 無人機巡檢系統為控制中樞，本廠工作人員可以提前在平臺中規劃好巡檢任務和巡檢路線，通過科學的場地調查、試飛工作，確定最為適宜的飛行巡檢方案，以自動化起降維護平臺為依托，開展自動化起飛、巡線、通信和充電，減輕人為巡檢負擔。在無人機內部，還可以嵌入邊緣計算通信模塊，通過該模塊，打通5G 無人機與智能巡檢系統之間的交互橋梁，實現遠程、實時連接，上位機平臺可以實時接收無人機圖像、數據，并根據實際情況饋回指令，實現對無人機的遠程操縱，達成自動化巡檢目標。

本廠巡檢系統還具備精度定位、高精度圖像識別等功能，可以對特定路線進行規劃，對缺陷照片進行修復和再測提醒，結合GIS 系統生成完整、立體的巡檢報告。本廠以往的輸變電巡檢過程中，雖然也有過無人機應用嘗試，但主要是通過手柄控制無人機航行，控制距離不能超過1km，且巡檢圖像無法實時傳回系統之中，內業處理負擔較重、效率較低。后續又出現了光纖直連、內網對接、動態域名解析登錄等方案，但效果整體上不夠理想，光纖直連雖然延遲較低、帶寬較大，但架設成本過高，使用較為受限（見表5）。5G 技術出現后，為無人機提供了大帶寬、低時延的通信支撐，能夠較好地適應智能巡檢需求。

表5 無人機網絡連接方式對比

2.5 應用于巡檢平臺安全防護

本廠巡檢平臺面向的用戶十分多樣，管理不當容易造成信息泄露、丟失等風險，給輸變電巡檢帶來不利影響，因此在實踐過程中，還基于5G 技術打造了安全接入平臺，以電力站點為依托，串聯各區域的輸變電機房，搭建出專屬于企業內部的本地專網，實現更廣泛的互聯互通、人機共聯，替代現有Wi-Fi 網絡或部分有線IP 網絡。現階段，可用的部署方式共有三種，其中軟切片方式又包含5G 專線和共享專網這兩種不同模式，前者采用點對點組網架構，能夠更好地提高服務質量和服務穩定性，后者則可以在基礎網絡之外提供網絡切片，具備邏輯隔離的功效。軟硬切片采用混合專網模式，能夠與5G網互為配合，提供部分專用網絡。此外，還有硬切片模式，遵循獨享專網的基本原則，可以向輸變電企業提供專用的網絡服務，三種部署方式的優勢側重各不相同，實踐中要結合實際需求選擇。

本廠巡檢安全平臺直接對接視頻圖像模塊、機器人巡檢模塊、巡檢App 模塊等，依照《國家電網有限公司特高壓交流變電站在線智能巡視系統技術規范》所述設計接口細節，可以實現監控主機視頻數據的實時傳回和分析、省級統一視頻監控平臺數據上報、遵循TCP 傳輸協議呈現機器人巡檢報告、臺賬信息缺陷報告等。所有信息采用分級加密的管理方式，借助巡檢安全平臺完成病毒檢測和安全解密，最大限度保證數據的安全性和可靠性，降低平臺卡死、感染風險。

3 5G 技術在輸變電巡檢中的應用展望

現階段，本廠加快了智能電網建設步伐，5G 技術與輸變電巡檢工作的融合度進一步加深，逐漸呈現出了以下幾種趨勢：一是可靠發展趨勢。相關研究中增加了對基帶、射頻芯片的研究，將研究仿真場景擴展到工業級環境之中，探討不同干擾因素可能帶來的影響，以確保基帶、射頻芯片更好地適應各類生產環境，對于高溫、高振動、大負荷輸變電系統來說，該趨勢有著極為顯著的促進作用。

二是低功耗發展趨勢。當前，輸變電系統建設規模不斷擴大，如何降低能耗、降低成本支出及電源負擔，成為本廠管理者關注的焦點。現有研究中也加強了對5G 新空口技術（5G New Radio，5G NR）的研究力度，從休眠機制、通信協議等方面入手作出了諸多努力，未來有望實現更低功耗的5G 巡檢應用。

三是高安全發展趨勢。安全性對于輸變電站來說較為關鍵，因此本廠將更多精力放在了eSIM 芯片的安全代理軟件開發工具包（Software Development Kit，SDK）接口及協議的開放引進上面，將工具包與國密算法整合起來，實現eSIM 芯片自主可控，有助于輸變電自動化巡檢系統的發展優化。