融合通信网络在电力基建工程中的应用研究

2024-05-16周明哲李靖马德民卢颖辉

中国新通信 2024年4期

周明哲李靖马德民卢颖辉

摘要：针对电力基建工程中施工现场位置偏远、建设环境复杂，导致网络覆盖范围不全、传输不稳定等问题，本文提出以5G专网为主、以无线接入点（AP）网络和NB-IoT网络为辅的组网方案，使用5G网络作为主干网络，凭借其高速率、低时延、大连接的优势，为现场数据汇集和高清视频传输提供可靠的通道，并通过部署AP网络接入移动设备的网络。而NB-IoT网络则以5G网络作为信息传输的载体，将传感器设备采集到的现场数据通过5G网络传输至边缘代理设备进行本地分析和处理，实现大带宽、低功耗、低时延的物联网通信，通过建设智慧工地网络层，实现现场网络的全范围覆盖和稳定传输，同时平台能够实时监控现场作业信息，以有效解决现场的突发状况，预防安全事故的发生。

关键词：5G；AP；NB-IoT；融合网络

一、引言

随着5G和物联网技术的发展，电力企业已将重点放在新型电力系统建设中。电力工程是综合型的基建工程，目的在于满足各类电网设备、电力终端的通信需求，通过5G技术和物联网技术实现智能设备状态监测和信息收集，为电网工程提供实时、稳定、可靠的通信网络支撑[1]。目前，智慧工地的网络建设基于有线连接（光纤传输）、无线连接（WiFi、LoRa、NB-IoT）和移动公网（3G、4G、5G）、电力专网等技术，但也存在一定的局限性，例如物联设备长时间供电问题且传输功耗较大，无法完全实现移动化、实时化、智能化。施工现场网络层的建设是重中之重，需要满足施工现场各类物联设备数据采集、施工人员位置监测以及物资信息获取等要求[2]，采集到的数据信息因其特点不同，对网络传输要求也不相同。基于此，本文结合工地信息特点分析了不同情况下的通信网络组合模式，最终选取合适的组网方案，以确保数据稳定传输，提高风险识别、超前防范并解决安全风险的能力。

二、智慧工地网络层建设分析

电力业务包括发电、输电、变电、配电、用电多个环节，每个环节的网络需求存在差异，而且电力基建工程施工现场通常在偏远地区，工作环境复杂恶劣，网络条件相对较差。以变电站为例，厂区接入终端种类较多，包括视频摄像头、门禁、环境监控采集终端、智能定位终端、周界防护终端等所有智能终端，考虑到接入网络制式的复杂性和终端的多样性，应当采用多种技术融合的方案，如WIFI、5G、NB-IOT、RFID、3G/4G等。

从电力业务场景来看，可以将电力业务分为控制类、信息采集类、移动应用类共三种[3]：

①控制类业务，针对配网差动保护、精准负荷控制等核心业务，要求通信传输时延

极低且可靠性极高。

②信息采集类业务，包括用电信息采集、现场视频采集等业务，其接入数据量多、分散范围广，多为视频数据，因此对带宽要求较高。

③移动应用类业务，主要针对智能巡检、视频实时监控等移动场景，通过机器人或无人机进行智能巡检，并实时回传高清影像数据。

从输电、变电、配电三种电力业务场景出发，对通信网络的需求如表1所示。

三、通信网络技术方案

（一）LoRa+WiFi+光纤传输技术

LoRa网络可以部署在需要的地方并独立组网，通过无线传感器节点采集环境数据并传输到中心控制系统或数据中心，以实现实时地环境监测和远程管理。WiFi网络可以灵活部署，在工地安放多个AP接入点实现全方位网络覆盖，为数据传输提供高速可靠的通道。光纤传输具有距离长、抗干扰能力强、传输带宽高等特点，能够为工地与外部的连接提供高速稳定大容量的通道。在偏远山区，4G网络状况不佳或者无4G基站部署的情况下，可以通过“LoRa+WiFi+光纤传输”融合网络技术实现。

（二）NB-IoT+4G+光纤传输技术

NB-IoT技术以蜂窝网络为基本结构，不仅可以利用现有的移动通信基础设施，不需要额外的网络建设和设备投资，降低了部署和维护的成本，还可以同时连接数以千计甚至数以万计的设备，实现对大规模物联网设备的管理和控制。NB-IoT采用了低功耗设计，可以使传感器和设备在长时间内工作，非常适用于需要长期运行和无需频繁更换电池的应用场景。在城市郊区和部分偏远地区，有大量4G基站分布且网络信号良好的情况下，可以采用“NB-IoT+4G+光纤传输”技术进行数据传输。

（三）NB-IoT+AP+5G技术

在多个关键位置部署AP设备，实现现场全网络覆盖，以确保现场人员能够在任何位置使用移动设备接入AP网络，实时顺畅地与基建管控系统交互，进而提升工作效率。5G技术中的自组织网络、网络切片、边缘计算等技术保证了数据传输的安全性、快速的计算能力，同时5G网络也可以作为NB-IoT的基础通信设施，降低投资部署成本。

由于变电站施工现场环境恶劣且机械作业复杂混乱，需要部署大量高清摄像头和网络设备，实现对工地的全面监控和管理。鉴于有线网络传输不适用于这样的施工环境，因此现场网络建设倾向于采用无线网络方式，以满足现场信息采集和设备通信的需求。通过在电力设备上部署5G客户前端设备（CPE）接入5G网络，并结合NB-IoT组网技术的广覆盖特性，现场实现全方位地网络覆盖，并通过无线传输方式上传数据和视频。此外，移动边缘计算（MEC）技术将云计算平台下沉到移动网络边缘，使得工地管理平台能够利用边缘云的运算和存储能力，直接在本地进行数据分析和处理，降低了服务器和终端之间的传输时延，从而及时处理潜在的突发事件，减少事故发生的风险。尽管5G技术在网络性能上具有显著优势，但其基站的建设和维护成本相对较高。因此，在多方面因素的綜合考虑下，采用“NB-IoT+AP+5G”技术组网方案是更为合适的选择。

四、5G电力物联专网方案部署

（一） 5G专网方案部署

5G作为新一代宽带移动通信技术，在传输速率、网络能效、连接数密度、传输时延以及移动性能等多个方面都表现出了显著优势[4]。相对于4G技术，频谱效率提升了5倍，速率、连接数密度以及传输时延都提升了10倍，尤其是网络能效提升了100倍，这些优势使得5G在各方面性能上都迈出了显著的步伐。5G网络的三大类应用场景分别是增强型移动宽带（eMBB）、超高可靠与低时延通信（URLLC）与大规模机器类通信（mMTC）[5]。对于视频监控、变电站智能巡检等带宽要求高的业务采用增强型移动宽带接入；对于时延和可靠性要求的控制类业务采用超高可靠与低时延通信接入；对于数据信息采集这类接入数量大、时延要求不高的业务采用大规模机器类通信接入。

当业务场景不同时，所对应的5G通信网络需求也存在差异。而5G网络切片技术将5G网络分为多个独立的逻辑网络，每个网络可以根据不同的业务需要进行优化，从而为不同业务提供不同的服务方式以及网络能力。5G网络切片技术分为软切片和硬切片两种方式，5G硬切片技术使网络资源专用于一个切片，适合承载控制类业务；而5G软切片技术允许资源共享，适合承载非控制类业务。

以变电站工程为例，应当结合电厂网络覆盖需求，使用“有线+无线融合”的设计方案，并采用三层网络层次化结构和双节点冗余设计。电厂5G网络核心网络系统架构采用无线、承载和核心网的端到端整体解决方案以及云部署网络架构，引入边缘计算使核心网用户面功能下沉，实现本地业务直接处理。整体网络架構示意图及物理组网如图1所示。

5G终端通过5G网关接入无线基站，然后基带处理单元（BBU）通过智能城域网和5G混合专网互通，核心网根据终端访问地址，送到不同的应用服务器进行访问。在本次方案中，5G混合专网仅为电站提供5G数据业务，避免与公众网络互通，不影响专网的独立性和安全性。

1. 5G核心网平台设计方案

5G核心网络平台设计方案着重于提供高性能的通信基础设施，促进数据本地化处理，以此支持厂区内的智能制造和生产优化。该方案包括构建小型化的5G核心混合专网，以确保与业务平台的紧密对接，满足厂区内各种通信需求。通过优化业务策略，可以实现厂区内5G专网用户的安全接入，并保障用户数据在本地存储，确保用户管理的自主性以及厂内生产数据的安全性[6]。

2.5G传输网+无线网设计方案

传输网整体组网方案如图2所示，采用ATN（Access Transport Network）组环方式接入5G基站，各类业务经5G基站-ATN汇聚到一对移动接入路由器（Mobile Access Router，MAR）设备。厂区内部署MAR，负责MEC及办公园区网络的接入；经过“MAR-MER-MCR”链接到核心网UPF；方框内为承载网框架，其中ATN、MAR、NE8000采用环式与边缘处理设备MEC连接[7]。为了满足业务发展需求，ATN设备采用100GE接口和汇聚设备对接，下行采用10GE接口和BBU对接。

在自建基站场景下，需要MAR汇聚到ATN环，同时数据在园区形成“基站-ATN-MAR-MEC”的闭环，以满足数据不出园区需求，并保障数据安全。同时，MAR也可以作为地面办公网络的接入汇聚节点，实现办公生产网络统一承载。

图2 传输网组网设计

（二）WiFi网络部署

针对应用需求及网络建设原则，结合电厂WiFi办公网络需求的部署情况，WiFi办公网络总体架构如图3所示。

图3 WiFi办公网络总体架构

在大楼机房部署无线控制器（AC）2台以及认证准入系统、安全日志系统和综合网管系统各一套。网络出口的安全设备配备支持防火墙功能的安全网关，以满足分行大楼的网络安全防护、上网行为管理、用户准入认证审计和网络运维管理等需求。在园区和楼层接入区域部署POE交换机，并在大楼内部办公区域和外部公共区域分别部署一定数量的无线AP，使得WiFi网络覆盖整个区域。

整个电厂无线网络的数据流分为三类：设备管理数据、用户管理数据和用户上网数据。在上述组网模式下，网络出口处部署安全网关设备并配置相应的安全模块，用户上网数据均通过安全网关设备访问互联网。用户管理数据通过本地局域网传输到认证准入系统和安全日志系统；AP的管理数据则通过大楼内部无线局域网和AC进行通信。

（三）数据传输设计

施工现场网络建设的具体实施方案如下，首先，需要在现场部署5G基站、5G终端设备、无线AP、传感器终端等设备；其次，在变电站管控室内安装小型机柜，内置5G核心网及交换机等设备，以存储本地数据，数据传输如图4所示。

图4 数据传输流向

5G基站承担着确保数据传输可靠通道的职责，其中，5G CPE作为5G终端接收，并转换5G信号成为无线网络信号用于用户连接，同时搜集来自固定摄像机和布控球等视频数据，通过无线传输至5G基站，再从5G基站传输并存储到机房。

无线AP是无线网络的核心，通过在多个关键位置部署AP设备，实现现场全网络覆盖，以确保现场人员在任何位置能够使用移动设备接入AP网络，并与基建管控系统交互，将业务数据通过无线方式传输并存储到机房。

传感器终端包括门禁、视频监控设备、传感器设备以及其他物联设备，用于现场环境的采集监测。现场感知设备统一接入NB-IoT网络，通过无线网桥方式将数据传输到机房存储。

五、5G融合通信在智慧工地中的应用

在高压变电站工程中，通过5G和物联网技术对变电系统监测数据信息进行动态采集并传输，相关工作人员通过分析数据信息，以保障变电系统运行的稳定性。将移动和视频业务通过5G接入可以实现以下应用场景。

（一）人员智慧管理

在智能安全帽、智能手环等设备上集成摄像头、通信模块、语音等模块，实现“指挥、监督、感知、分析、服务”五位一体，完成质量安全监督、远程沟通、定时定位等功能。

（二）便携式监控布控球场景

在高压变电站部署一套便携式智慧球机，以便移动架设[8]。该设备内置高速云台，全网通拨号模块、GPS定位模块，同时具备存储、传输、供电和定位功能，支持昼夜监控、区域入侵、3D定位、车流量统计、移动侦测、遮挡报警、越界侦测等功能，适用于各种应急、临时布控、无人值守的场景。

（三）5G无人机/机器人巡检

在高压变电站巡检过程中，利用巡检机器人搭载高清摄像头实时监控现场的音视频、环境信息。在复杂地形条件下，无人机设备可以发挥其优势拍摄影像数据，通过5G网络将视频数据低时延传输到平台；还可以利用图像AI检测识别绝缘子损坏、外力破坏等缺陷。

（四）AR/VR实景

利用AR全景摄像机对实景地图进行标注，通过标记点实时切换视角。场站内的VR实景可以了解无法及时追踪的区域，并且均能360度展示场景。

六、结束语

本文研究搭建5G专网、无线AP网络和NB-IoT网络组网方案，充分利用5G网络高速率、低时延、高可靠和海量连接的特点以及NB-IoT网络覆盖广、成本低等优势，实现感知数据无线实时传输以及本地汇聚，解决了施工现场感知层应用层之间的数据传输问题，实现网络部署无线化、简易化。基于5G专网网络切片技术和边缘计算技术能够对业务数据本地进行分析和处理，提高数据传输效率，解决现有网络资源浪费的问题。随着5G网络的全面展开，智能电网工程全方位的感知能力和智能化水平将会获得更大地提升。

作者单位：周明哲李靖马德民卢颖辉国网内蒙古东部电力有限公司

参考文献

[1]何二朝，耿朋进，张慧丽.基于边缘计算的电力无线专网组网方案[J].电信科学，2019，35（S2）：248-255.

[2]李洪丰，孙洋，李兴，等.多网融合方案在电力基建工程现场中应用研究[J].吉林电力，2021，49（05）：1-5.

[3]俞观晔，孙旦，李坤，等.5G电力专网架构及关键技术[J].移动通信，2023，47（01）：39-45.

[4]夜愿.萬物互联的5G时代给我们带来了什么？[J].互联网周刊，2019，（13）：38-39.

[5]陈园园.5G：银行智能化发展的新动能[J].金融电子化，2019，（12）：51-53，6.

[6]周智，胡楚桥.5G网络技术在传统电力行业的创新应用[J].长江信息通信，2023，36（03）：117-119.

[7]何鹏宇.5G专网在平朔东露天智能化矿山建设中的应用[J].露天采矿技术，2022，37（03）：92-95.

[8]刘世飞，李佳蔚，蒋小兵，等.5G技术在特高压变电站中的应用[J].河南电力，2022（S2）：102-104.

周明哲（1985.09-），女，汉族，山东聊城，研究生，高级经济师，研究方向：信息系统计划及建设；

李靖（1994.04-），男，汉族，山西大同，研究生，研究方向：业务系统建设；