5G网络下电力物联网技术在计量装置监控中应用的可行性分析

李成广

(国网河北省电力有限公司邯郸供电分公司，河北 邯郸 056000)

5G技术，即第五代移动通信技术，为最新一代蜂窝移动通信技术(ITU IMT-2020规范要求速度高达20 Gbit/s)可实现宽信道带宽和大容量MIMO[1]。5G技术使物物间关联变得更为广泛、方便，加速了电力物联网应用层面的搭建过程[2]。国家电网有限公司2019年做出全面推进“三型两网”建设的重要决策，建设“泛在电力物联网”是落实“三型两网”战略目标的核心任务。电力物联网技术具备全息感知、泛在联接、开放共享、融合创新的特点。在电力营销专业领域，电能计量装置经常受到各种环境、人为、不可抗力等因素影响导致发生故障。通常处理这些故障问题，计量人员只能事后分析，无法得知故障发生时的状况解决根源问题。基于5G技术的电能计量装置监控物联网的建立，提供了一种为电能计量装置故障溯源求本、提质增效的可行性方案。

1 应用方案的设计

从传统技术角度看，典型监控系统由高清摄像头、传输部分、控制部分、记录部分、显示部分五部分组成。从现代物联网技术角度看，基于泛在电力物联网技术的电能计量装置监控包括感知层、网络层、平台层、应用层4个层次，之间通过5G网络进行数据通信。通过感知层、网络层和平台层承载监控数据共享、基础支撑2个方向的建设内容，对计量装置内(计量二次回路、表内)、外部(计量装置本体以外范围)实现了全面监控。

1.1 感知层

电能计量装置监控设施应实现终端标准化统一接入，全面推广实物ID，以及通信、计算等资源共享，在源端实现数据融通和边缘智能。

1.1.1 统一感知接入

感知设备接入管理系统将通过技术性手段，强制实行相关规范，引导统一终端标准，推动跨专业数据同源采集，实现监控数据与配电侧、用电侧采集监控深度覆盖，提升终端智能化和边缘计算水平。统一接入有利于用户侧监控系统响应的稳定性，通过分布在不同方位的传感器实现摄像头及时准确获音频、视频数据。

1.1.2 边缘智能处理

应用实现设备包括：传感器、监控摄像系统、电能表数据读取线路、分布控制中心。传感器安装在电能表、互感器、二次回路、及整个计量装置周边可探测的有效位置，作用是探测异常事件(包括声、光、温度等的变化)，并传递给分布控制中心;监控摄像系统能观察到电能表、互感器、二次回路及整个计量装置，布置在用户配电室或计量杆塔等处;电能表数据线路用于传输表内数据，与控制中心存储正常数据对比;分布控制中心作用是接收传感器传递的信息，调取电能表实时计量参数内进行分析，并作出判断，确定是否与计量装置设备进行数据交互。

1.2 网络层

网络层可分为接入网、骨干网、业务网、支撑网。接入网，即若干传感器、监控摄像系统与分布控制中心间构成的网络，为主要信息采集入网口，由5G热点无线宽带技术(WIFI、WiMAX等)实现。骨干网，即不同分布控制中心间组成的网络，由5G热点无线宽带技术(WIFI、Wi MAX等)实现。业务网，即用电检查员，计量人员、电力用户等为办理各种业务进行信息数据交流沟网，主要为移动App，通信工具等来实现。支撑网，即5G通信网络，主要作是将分布控制中心、186系统、电能采集系统组网支撑平台层的运行。

1.3 平台层

平台层的实现依托企业中台，共享平台服务能力，支撑电能计量装置的监控系统[3]。通过分布控制中心的互联实现超大规模传感器与监控系统统一物联管理，深化全业务统一数据中心建设。

1.3.1 能力开放

本系统依托分布控制中心构建统一主站(数据中台)，实现各类异常数据“一次采集，多处使用”，挖掘数据价值，建立数据模型，实现能力开放。各用户分布控制中心实现互联，将数据通过数据中台处理，并传至各分布控制中心，实现算法的梳理与升级。然后，通过数据中台处理的数据，面向186系统、与电能采集系统实现共享。

1.3.2 物联管控

各分布控制中心实现可信互联、安全互动、智能防御，实现了其重要的边缘计算与控制。可信互联，规范泛在电力物联网的终端安全策略管控原则，构建基于密码基础设施的快速、灵活、互认的身份认证机制;安全互动，落实分类授权和数据防泄漏措施，强化App防护、应用审计和安全交互技术，实现“物-物”、“人-物”、“人-人”安全信息互动;智能防御，对物联网安全态势的动态感知、预警信息自动分发、安全威胁智能分析、响应措施联动处置。

1.4 应用层

该系统的建立，重点是全面支撑核心业务智慧化运营，全面服务能源互联网生态，促进管理提升和业务转型。

1.4.1 客户服务

优化电力资源配置，在用电环节制止浪费、降低电耗、移峰填谷、促进可再生能源电力消费、减少污染物和温室气体排放，实现节约用电、环保用电、绿色用电、智能用电和有序用电。

1.4.2 企业运营

通过对计量装置的监控，实现对企业设备状态预警、售电量和负荷预测、新能源发电功率预测等应用，提升精益化管理水平，催化企业内部的技术创新、新产品开发，提高生产产品的质量，进而提高企业的经济效益。

1.4.3 电网运行

通过对计量装置的监控，对电网的供电质量能力起到了监测的作用，从而了解电网运行中可能存在的问题和隐患。计量装置中的二次回路对电网供电的反馈非常直接，可以及时发现电网运行中的问题，并且及时的“物-人”互联。

1.4.4 新兴业务

基于泛在电力物联网的电能计量监控系统的建设改变了传统供用电关系，变成了一种相互信任的合作关系，具体新兴业务形式有：峰谷用电提醒、三相负荷调整建议、需求侧分析、总表套表电量差额分析、用电常识培训、紧事件报警等。

2 应用方案的可行性分析

借鉴5M1E分析法，从人、机器、材料、方法、测量、环境6个因素分析应用的可行性。

2.1 人

2.1.1 基本培训

本项目的参比数据信息来自国网河北省电力有限公司采集系统与国网186系统，所涉及计量监控项目范围为传统调取数据，主要关联终端在手机App，易于工作人员基本培训。

2.1.2 技术熟练程度。

第一，应急预案库。应急预案库指导工作人员及时执行方案，应对事故或故障事件的发生，可快速实现技术熟练程度提高;第二，主动沟通机制。对于重要电力用户建立主动沟通机制及时的进行数据共享与交流。

2.2 机器

2.2.1 计量监控的实施精度

计量装置主要包括计量表、二次回路、电流互感器、电压互感器、接线盒、计量箱等。这些均作为计量监控的实施对象，采取摄像头图像全貌监控与传感器环境监控结合方式(见表1)。

针对监控精度的提高，可增加组合的数量和种类即可实现。

2.2.2 计量监控的维护保养

2.2.2.1 传感器

各传感器的使用地点、条件、类别、寿命纳入数据库管理，定期进行检测更换，并且满足GB/T 20485—2007/ISO 16063-21.2003第4章的技术要求可以保证与系统连接的有效性满足工作要求。

2.2.2.2 通信线缆

通过信号传输过程中的数据即可判断通信线缆的运行状态，及可进行更换处理，便于维护保养。

2.2.2.3 负控终端

通过采集系统在线情况可以直接反馈负控终端的运行状态，根据工作经验判断故障原因，通过更换终端解决硬件故障。

2.2.2.4 网络传输

通过5G信号的大数据处理完成计量现场的监控数据传输，相关的设备与部件与电信公司建立联合监测机制，将异常结果纳入维护和保养清单，进行后期的处理，维护数据传输的连续性。

2.3 材料

2.3.1 能源接入

一般为用户侧带计量点接入，以扣减电费形式抵扣用户电费。这种形式从可靠性、经济性、实用性上，均为方便可行的方案。

2.3.2 能源损耗

设置可休眠功能，在多项传感器指标稳定均态范围同进存在时，可将功耗降为最低，即可实现能源损耗的经济性。

2.4 方法

2.4.1 实施具体工艺

整个项目的设计思路是围绕计量巡检人的感观延伸与拓展的方向，用传感器代替人的视、听、闻、味、触等感官收集数据以供后期分析判断，这些均存在对应的传感器。5G网络下，通过每一个传感器传递给分布控制中心驱动信号，对计量装置的正常与异常进行判断，当分布控制中心内置算法经过比对呈现结果时，传至计量人员，进行及时的处理改进。

2.4.2 操作规程

计量装置监控系统操作规程的制定主要参考《国家电网公司计量工作管理规定》、《国家电网公司计量现场手持设备管理办法》、《国家电网公司电能计量故障、差错调查处理规定》等。以《中华人民共和国电力法》、《中华人民共和国计量法》、《电力供应与使用条例》、《供电营业规则》等法律法规作为基础法律支撑。

2.5 测量

获取电力物联网数据的主要方式为测量，技术依据参考现有标准GB/T 33474-2016《物联网参考体系结构》、GB/T 6107-2000《使用串行二进制数据交换的数据终端设备和数据电路终接设备之间的接口》等。根据相关标准中对于监控系统的可靠性要求，所获得数据可靠性达到标准要求，完全可行。

2.6 环境

项目实施区域的温度、湿度、大气压力条件(见表2)。

表2 工作环境与工作温度要求

2.6.1 高温与低温实验

项目采用Q/GDW 1560.1-2014《输电线路图像/视频监控装置技术规范第1部分 图像监控装置》中6.1关于工作环境与工作温度的要求。按照GB/T 2423.1-2008《电工电子产品环境试验 第2部分：试验方法 试验A：低温》中规定的试验方法和要求进行，并在Q/GDW 1560.1-2014 6.6.1与6.6.2中规定的严酷等级下进行试验，监控装置采集时间间隔为30 min。试验期间数据缺失率不大于1%，达到标准要求。

2.6.2 交变湿热试验

按照GB/T 2423.4-2008中规定的试验方法和要求进行，并在Q/GDW 1560.1-2014 6.6.3中规定的严酷等级下进行试验，监控装置采集时间间隔为30 min。试验期间数据缺失率不大于1%，达到标准要求。

综上所述，通过对本项目5M1E因素分析论证，得出结论，5G下电力物联网技术在计量装置监控中的应用具有充分的可行性与可操作性。

3 预期实施效果

3.1 全息感知

5G网络下，实现用户电能计量装置的外在和内在信息的汇集、传输、转换，利用各环节设备，使客户状态的全感知、业务全穿透。每一个传感器都相当于用电检查人员和计量工作人员到达用户现场的点，实现人与物密集的关系接触，体现了电力物联网技术的良好应用成果，提高了计量装置设备可靠性、稳定性。

3.2 泛在连接

实现“物-物”、“人-物”、“人-人”安全信息互动;实现内部设备、用户和数据的即时连接;实现电能计量装置设备主人与客户的全时空泛在连接。通过泛在连接，计量装置各部分都处在用电检查人员和计量工作员的掌握之下，人与设备高度结合，便于及时发现异常、处理异常，工作效率提高，解决问题能力加强。

3.3 开放共享

遵循以开放共享，在以人为中心的基础上，进一步延伸人的感知，通过平台App共享数据，使营销计量专业信息公正、公开、客观、透明，保障电力客户利益不受损失，实现价值共创，战略共赢。

3.4 融合创新

结合了电力、电子、通信、遥感等多项技术手段，推动“两网”深度融合与数据融通，提高管理创新、业务创新和业态创新能力，开拓新的创新思路，将电能计量装置接入“国网云”。

4 结束语

电力物联网技术是一种手段，其目的是能够产生新价值，创造新效益。以上提出一种在5G网络下基于电力物联网技术的电能计量装置监控系统，具有一定的应用价值，针对电力营销专业面对的现实问题，突破传统工作模式，使其实现跨越式发展，值得应用推广。