5G专网在电厂标准化作业安全管控的应用

2021-08-18陈思勤李晓斐康新民黄海滨

电力安全技术 2021年7期

黄雄，沈军，陈思勤，刘峰，李晓斐，康新民，于清，黄海滨

(1.华能集团有限公司上海石洞口第二电厂，上海 200942；2.北京宇时易能科技发展有限公司，北京 100085)

0 引言

2020年是5G加速落地的关键一年，与工业化深度融合更是成为现代工业社会的基石。作为富有发展前景和极大发展空间的5G落地领域之一，电力行业也开启了智慧化、现代化升级的新征程。华能集团上海石洞口第二电厂(简称石洞口二电厂)结合5G专网突出的技术优势，从电力标准作业安全管控实际应用案例出发，描述5G时代工业领域释放的巨大红利。项目的成功落地为作业人员安全作业提供充足保障，使得安监管理人员运用智能化工具高效、可靠地开展管控工作成为现实。

1 5G专网的概念

工信部前部长苗圩曾表示，5G的应用场景中约20 %是ToC，80 %是ToB，而5GToB市场的突破点在于“先为各行业部署5G专网”。GSMA预测2025年5G连接将达到17亿，行业专网部署预计达25 %～40 %。

5G专网本义在于特定区域实现网络信号覆盖，并为特定用户提供通信服务，满足特定内容服务商(SP)的商业模式的专业网络。区别于公共网络，5G专网具有差异化的本地服务、可定制化的建网成本、灵活的安全管控、个性化的自服务等诸多特点，5G专网可以通过以下两种方式来实现：第一种是部署物理隔离的5G专网(孤岛)，该网络独立于电信运营商的5G公网；第二种是通过共享电信运营商的5G公网资源来构建5G专网，由运营商来为企业建立专用的5G网络。

2 5G技术的明显优势

与4G相比，5G达成高速率、可靠低时延、海量接口等三大升级。三大技术对应不同场景，其中低时延、高可靠性通信主要面向工业控制等行业特殊应用，需要达成毫秒级时延和接近100 %的可靠性。5G的毫秒级时延与千兆级网络，将能高效连结云端计算，节省终端的算力需求，支持4K/8K高清视频，让更多工业场景应用得以实现。

下面以一个电厂应用案例来解释5G技术支撑下该电厂的明显改变。

在4G情况下，由于画面传输速度慢、延迟高，在远程操作过程中，如果发生错误，可能还没收到画面发现其中的错漏，就已经进行了下一步操作。香农第二定律告诉我们：信息传输率超过了信道容量，就不可能实现可靠的传输。这时候的出错率是100 %。这是目前依然不能脱离现场安监的本质原因，因为画面的清晰度以及延迟问题无法彻底得到解决。

5G的带宽比4G大10倍以上，可以将更大码流的视频数据实时上传，从而保证视频质量更清晰。视频图像中连配电柜上的小数字都能显示得清清楚楚。对于工作人员来说，感受差别就更明显了。在5G高传输、低延迟的支持下，一旦发现错误，就可立即命令停止操作，避免了更多错误的发生。

总结来说，5G技术相比4G明显的技术优势对比如表1所示。

表1 4G与5G主要技术参数对比

3 5G专网组网方案

3.1 整体组网

石洞口二电厂在整个项目在方案规划期，就基于5G的网络环境进行全面考虑，先后与中国移动通信公司、铁塔公司就5G环境在该厂的搭建进行了充分的探讨和设计，在进行智能本质安全管控平台开发的同时进行了5G环境的全面建设。

本次5G专网的运营商是中国移动上海公司（简称上海移动），其整体组网架构如图1所示。

图1 整体网络架构

专网由以下几个部分组成：5G终端，5G无线基站，5G承载网和5G核心网。这些设备均遵从国际3GPP协议规范，并满足99.999 %以上的电信级可靠性。

(1) 5G终端：5G CPE作为5G接入终端，本次5G终端采用华为CPE INS (CPE: customer premise equipment，客户终端设备)设备。华为CPE INS业界首款基于3GPP标准的5G高性能的终端设备，实现5G网络的接入，并将5G信号转换成WIFI信号和网线接入，摄像头等通过和CPE相连( WIFI或者网线，带2个网口)，实现应用终端通过5G网络和应用服务器的连接。

(2) 5G无线基站：5G基站实现5G用户的接入和用户数据的空口传输。本次在石洞口二电厂园区内共部署6个5G室外宏站，用于5G信号传输，估算区域内站距约为580 m。

(3) 5G承载网：承载网的作用是将5G基站连接至核心网，实现5G用户信令和用户数据的传输。上海移动专门为5G网络建设了一张承载网，包含接入层、汇聚层和核心网等网元设备，该承载网只用于承载5G基站业务，并且是一张内部网络。

本次在新蕴川机房部署了上海移动承载网的接入层设备，并和同厂区内5G基站相连，实现5G基站和核心网之间的信令和数据连接。5G网络及华能用户面网元设备(user plane runction，UPF)连接全景如图2所示。

图2 5G网络及华能UPF连接全景

(4) 5G核心网：5G核心网的功能主要是提供用户连接、对用户的管理以及对业务完成承载，作为承载网络提供到外部网络的接口。核心网包含控制面部分和用户面部分，控制面负责管理用户接入、建立和管理分发业务数据的路线，用户面负责执行分发用户的业务数据。

本次核心网部署包含两个部分，控制面网元设备部署在上海移动钦州76号机房的核心网中，用户UPF部署于石洞口二电厂厂区机房内，UPF通过接入到承载网接入点上，实现用户面网元和控制面网元的交互，并且实现了5G基站和核心网之间的连接。

3.2 安全责任边界划分

按照国家安全等级保护要求，首先需要分析、确定定级的对象，对等级保护对象的重要性、边界、网络拓扑、设备、应用、用户等情况进行分析和描述。对于石洞口二电厂5G专网来说，需要划分电厂和中国移动之间的网络/资产边界，圈定清楚电厂的等级保护对象范围。

本次石洞口二电厂电力工业网络为三级体系，包含应用、网络、终端三部分。5G CPE等应用终端、防火墙、电厂内部网络、服务器等是电厂等级保护定级对象范围，此部分可参照等级保护三级相关要求实施安全防护；RAN，UPF，5GC等是中国移动的ICT基础设施，安全责任由中移动承担。两者之间需要进行严格的隔离，承载在中国移动基础设施上的企业数据，需要通过VPN或者TLS的方式，确保传输数据加密和完整性保护。

4 基于5G专网的智能本安管控平台

石洞口二电厂与北京宇时易能科技发展有限公司合作研发的智能化本质安全管控平台（以下简称“平台”），作为科技项目，已列入《中国华能集团有限公司2020年安全工作要点》。该平台危险作业智能管控、安全监控预警等模块构成通过智能化手段实现对电厂标准化作业风险隐患的预防机制及无死角管控。智能本安管控平台完善的架构，真正让平台成为领导的“眼睛”、安监管理人员的“工具”、作业人员的“警钟”。

(1) 电厂标准化作业管控。电力行业一向高度重视安全培训教育，但为什么安全作业事故依然时有发生。这主要是因为作业安全交底措施通常是前置的，作业人员当时虽然听了，也确认了，但往往容易流于形式。因主设备及主要辅助设备作业周期时间跨度较长，作业人员在具体作业中可能已经将数日前进行的安全交底淡忘，更可能出现“疏忽”“误操作”等情形，并没有真正起到作业安全本质防范的目的。

通过平台的移动端APP就地执行操作票的各项操作和工作票的安全措施，有效防止安全措施的漏操作、误操作，实现“两票”执行过程的全方位监控。安措的落实和操作票的执行必须经过手机APP确认完成，以规范员工作业操作流程，降低员工违章操作概率。完成过程可通过语音、视频、文本、图片记录，为日后追溯提供证据依据。

(2) “风险直击”——作业过程视频联动监控。平台在硬件方面，研发了智能接驳终端，支持以太网、蓝牙、WIFI、无线网桥、5G等各种有线、无线网络信号连接协议，可针对危险作业快速设置视频联动安措机制，支持工业电视、移动摄像机、智能安全帽(带摄像机)接入作业监控系统。系统支持作业现场快速设置可移动摄像机，支持与对作业全程进行实时监控。

通过平台的“风险直击”页面，也可以清晰地看到电厂标准作业工序，通过APP进行操作确认，在现场5G环境下实时高清显示作业进程，如有工序遗漏、违章操作则系统直接出发报警。