5G技術在智能水電廠建設中的應用探討

【關鍵詞】5G 技術；智能水電廠建設；應用探討

在我國水電行業中，智能水電廠施工是當前工作中的一項關鍵內容，其主要指的是通過運用云計算、物聯網、人工智能以及大數據等新興技術，使得水電廠施工更趨向于智能化，從而推動水電生產不斷更新與進步。在智能水電廠的建設過程當中，第五代移動通信技術的科學運用，可以將其整個內部的通信網絡系統進行整合，從而使得傳感器，無人設備等等都可以在這當中起到重要作用，促進數據收集與傳輸效率的提升，并且促進智能水電廠的高效、優質發展。

一、智能水電廠發展現狀

自2008年前后，綜合傳統水電廠自動化系統中出現的眾多問題，借鑒國際主流標準，業內多家設備廠家為水電廠的生產和經營提出一套智能化整體解決方案，開發出相關產品。在智能傳感領域、光纖定子測溫、無線傳感器、噪音檢測傳感器的技術與產品等方面的研究逐漸深入，且工程化應用效果較好。在網絡基礎建設上，進行4G移動通信技術及局域網通信技術研究與應用，并在智能水電廠中構建低功耗無線傳感網絡，長距離無線傳輸網絡，同樣獲得良好的應用效果。從工程實踐上看，該智能水電廠現已應用于吉林白山，廣西桂冠，新疆伊河，三峽成都梯調，東北電網豐滿水電站復建項目，福建古田溪梯級電站，華能瀾滄江小灣，國電大渡河瀑布溝電站以及國網新源仙居抽蓄電站等項目中，應用效果較好。

從整體上看，智能水電廠歷經10余年，其內涵及外延均隨科技發展及產業需求而不斷充實升級，需要進一步推進“大云物移智”這一新興信息通信技術同現代工業控制技術結合運用，助推水電廠提質增效。目前隨著水電廠機器人、無人機、移動終端、高清工業電視、智能巡檢儀等裝置設備的使用，原有通信網絡與技術已無法充分滿足使用需求，需要探索建設一個能滿足智能水電廠使用場景的全廠區無線通信網絡。

二、5G技術特點

5G技術作為高密度的無線網絡技術，其數據傳輸效能非常高，5G技術在4G網絡的基礎上加入了編碼調制、多址接入等新功能，從而使無線網絡中的頻譜效率得以進一步的挖掘，無論是傳輸的效率還是功率都得到顯著的提升。在無線網絡架構方面，應用了自組織網絡與異構超密集部署的5G無線網絡，其控制功能和轉發分離功能在智能性和靈活性上都有了很大的提升，并且由于網絡節點之間的距離大幅縮減，從而達到了有效提高網絡頻譜效率和功率的目的，同時還能在很大程度上實現系統容量的進一步擴容。擁有更快的傳輸速度是5G技術最顯著的一個特點。一般而言，5G無線網絡體驗速率為1 Gbps，峰值一般可以達到10 Gbps，比4G網絡的傳輸效率快了近百倍。正是基于5G無線網絡如此高效的數據傳輸，才能實現更加有效的信息資源的采集和傳輸要求。

除此以外，網絡延時低也是5G技術最主要的特點之一。由于5G無線網絡擁有極大的接入容量，因此可以在覆蓋范圍內實現大數量終端的相互聯結，在采用5G技術后，能夠在每平方千米內實現百萬臺以上的終端設備同時接入，并保證其運行效率不受影響。5G技術還能有效的增強移動寬帶，大幅降低移動寬帶的網絡延時，使網絡傳輸質量得到顯著提升，同時大范圍數據傳輸功能也能得到充分實現。此外，5G技術還進一步的優化了過去4G網絡功能單一這個缺點，通過應用網絡切片技術對5G技術中的通信網絡進行邏輯劃分，使其成為若干個虛擬網絡。經過劃分之后的各個虛擬網絡中各部分均可實現執行獨立網絡功能要求，可通過單一通信網絡來滿足各種不同業務要求，使得5G技術網絡適用能力得到了提升，也增強了網絡靈活性，使得網絡資源運維與管理更方便，并且5G網絡在此之上還具備了一定開放性[1]。

三、5G技術在智能水電廠建設中的應用面臨的挑戰

（一）5G 技術有待成熟

盡管5G于2019年正式投入商業使用，移動通信正式邁入5G時代，但是5G還處于技術發展早期，核心技術、技術標準、設備質量及可靠性還有待成熟。水電廠是生產類企業之一，其對于水電站的安全生產評價更加嚴格，對于技術可靠性也有更高的要求。應用于水電行業的技術既要具備一定先進性，又要具備極高的可靠性與成熟度。5G是下一代移動通信技術，它的先進性是不言而喻的，但是在網絡切片，邊緣計算等技術成熟度與可靠性上仍需進一步發展，并需通過廣泛場景化應用與校驗才能保證水電廠工程應用本質上的安全性。

（二）5G 技術應用范圍應進一步擴大

現階段，5G技術以其優勢，在智能水電廠的建設進程中得到了較為廣泛的運用，但是就總體而言，它的運用范圍還將得到進一步拓展，并發揮出更加顯著的作用。在進行水電廠施工時，5G技術已經發揮出比較大的優越性，并且在綜合運用人工智能技術、云技術以及物聯網技術等技術的背景下，5G技術也開始在水電廠施工場景中得到廣泛的應用，并且隨著應用范圍的擴大，5G網絡建設的成本也會逐步下降，這樣不僅能夠提升智能水電廠建設的效率，同時還能更好的實現水電廠業務工作與5G技術的深度融合，隨著5G技術應用力度的加大，可以有效地助力水電廠智能化和數字化的轉變。

（三）5G 技術的安全防護水平有待提高

保障施工安全是水電廠建設的關鍵，因此在施工現場應用5G技術時務必要保證網絡專用并實行安全分區，同時嚴格實施網絡安全防護要求，防止出現無線信號被攔截或損壞的情況。為了最大程度的保障5G技術在項目建設中的安全性，相關單位及個人要嚴格根據國家加密技術相關要求對通信數據進行加密處理，然而由于現階段建設成本等方面的限制，5G終端接入量還比較小，使得5G技術運用過程中安全防護措施受到限制，很難完全確保5G技術安全，也很難確保水電廠施工期間5G技術絕對穩定。

四、5G技術在智能水電廠建設中的具體應用

（一）各系統高精度授時

在智能水電廠建設中統一對時具有極其重要的意義，通過應用5G技術中的時鐘同步系統，就可以準確的讓水電所有系統都能在時鐘上保持同步，這樣一來，在有事故發生時，檢修人員就可以按照各系統的開關順序來快速排查和分析造成的事故的原因，從而更好的保障智能水電廠持續穩定的運行。倘若沒有基于5G技術的時鐘同步支持，就無法保障系統時鐘的同步率，并且因為水電廠對時通道方面的制約，進一步加大了各個系統時鐘同步的難度。因為單個系統很難連接到始終同步系統中，這就會導致各個系統時間無法保持完全一致，一旦發生事故，檢修人員則難以通過調查系統記錄的方式來對事故原因進行準確的判斷。在應用5G技術之后，能夠實現高精度的系統時鐘同步，并且在對時通道上不存在數量限制，這樣既實現了各個系統的準確對時，還可以實現高效率的數據收集和傳輸。在此基礎上，還能夠通過5G技術統一對水電廠各個系統實現監控管理，通過結合5G技術與繼電保護系統，有效的實現水電廠輔控系統、故障錄波系統、調速系統以及信息管理系統等與時鐘同步系統的連接。此外，利用5G技術靈活性強的特點，無論是地下廠房還是隧道等布設內部網絡難度較大的區域均可開展網絡授時工作，從而使得水電廠內部各地區均能達到較好的高精度網絡授時效果，便于水電廠內部各個系統統一授時。

（二）設備狀態全息感知

水電廠對設備狀態的全息感知就是綜合應用各種傳感器來實時的獲取設備運行狀態，從而更好的開展設備狀態智能預警和故障診斷工作，并支持其檢修業務。裝置全息感知需給裝置加裝大量監測傳感器，使用現有硬接線方式或者現場總線方式都會受成本、容量等因素的制約，同時不能滿足實時性要求。尤其對于老舊電廠改造來說，信號電纜的再鋪設費用更大。利用5G大容量，高速率和高可靠等特性，將大量監測傳感器通過5G網絡在本地訪問，提高了設備狀態數據獲取的及時性和全息感知的能力，從而為設備狀態監測和設備故障診斷提供實時數據支持。

（三）管理水電建設

由于水電廠總體施工狀況比較復雜，因此水電廠建設工程比較困難。水電廠中涉及的施工范圍較寬，且因地下廠房等原因會使施工難度進一步增加，總體跨度大，交叉洞室較多。建設工程施工期間，所涉及的內容比較多，并且操作起來也比較繁瑣和困難，水電廠內部建設環境也不穩定，再加上之前網絡的支持，建設效率并不理想，很難滿足建設需求，給施工建設造成了很多不便。水電廠水電工程建設對自動化和信息化都有很高要求，借助5G技術，能夠為水電建設工程建立起綜合監測系統，對工程建設的真實情況實施實時監管，當施工過程中存在問題時，能夠及時作出調整以化解其隱患，使項目施工的質量與效率大幅提升。在施工現場可以通過應用5G技術來實現智能挖掘機、無人駕駛運輸車等施工設備的操控。在5G技術網絡延時低的支持下，應用無人設備進行施工能夠有效的提升施工效率，同時還能降低發生施工安全事故的概率，減少現場施工的人力資源投入[2]。除此以外，水電建設期間還需要在施工現場設置大量傳感監測終端來確保施工現場安全。借助5G技術的靈活性實現了場地的網絡布設，網絡布設不便的地方也能有效的與網絡終端連接，從而實現傳感監測全方面覆蓋施工現場，增強了施工現場監管能力與控制力度。

（四）無人巡檢系統

在進行智能水電廠施工時，可以運用5G技術來實現施工現場的無人巡檢。在5G技術的支持下，巡檢無人機、巡檢機器人等設備能夠替代人工實現更加優質高效的施工現場巡檢工作，為項目安全生產工作提供有效的保障。在5G技術開始普及應用之前，電力巡檢的布放通常是采用無線通信技術來得以實現，這種布放方式需要在區域內設置較多的無線熱點，成本投入非常高。而在5G技術應用中，因其具有網絡延遲小、運行更可靠等特點，可實現水電廠內所有無人巡檢設備高精準度管控[3-4]，確保施工現場安全，并可有效提升現場管控效率。基于5G技術的應用，施工現場綜合網絡布設可以使得巡檢無人機，巡檢機器人和其他巡檢設備定時自動完成既定的巡檢任務，并且可以將巡檢圖片實時上傳至系統中，以便管理人員及時對巡檢信息進行確認。通過將5G技術和計算機技術進行結合，可以智能識別巡檢中出現異常圖像，并自動定位和分析故障情況，從而大幅提升現場巡檢的質量和效率。除此以外，在無人巡檢系統的操作下，能夠使巡檢更為精準、更具時效性，更好地滿足水電廠建設現場的巡檢需求[5-6]。

（五）應急指揮與管理

水電廠建設過程中不可避免地會出現各種各樣的緊急事故，如搶險、防汛等，需要緊急處理，在事故中，有線通信網絡極易被破壞。但隨著5G技術的運用，便可發揮它容量大的優勢，臨時設置施工現場的應急處理點及應急處理中心，在施工現場進行各項緊急事件全方位把握并及時了解，運用5G技術即可以準確判斷事故情況，供現場管理人員參考，為緊急事故提供精確應急措施和參考依據。相關工作人員可以佩戴基于5G網絡技術的智能頭盔進行應急事件處理，如對緊急事件進行現場圖片的記錄和處置，可以及時傳送給應急指揮中心，讓應急指揮中心及時了解應急處理的情況和根據現場處置的實際情況科學指揮，保障施工現場緊急事件能得到精確、有效地處置。

結束語

總而言之，相比于過去的通信技術，5G技術具有極大的優勢，它是當前通信技術的最新形式。在智能水電廠構建過程中應用5G技術能夠更好的推動其數字化和智能化發展，而在5G技術運用之下，水電廠內部可實現各個系統高精度授時與設備全息感知，并且可強化對管理水電的構建與應急管理的指揮與處置，也使得無人巡檢系統變得更為準確與及時。但當前5G技術在智能水電廠的應用還處在初步的探索階段，隨著5G技術的持續優化和發展，以及其與大數據和人工智能的深度結合應用，未來將可以進一步推動智能水電廠的高效、高質量發展。