5G通信技术在斗轮机无人值守中的应用研究

谭建军，刘文哲，何晔，翟林波，马晋峰

(1.中国大唐集团有限公司，北京100043；2.湖南大唐先一科技有限公司，湖南 长沙 410007；3.内蒙古大唐国际托克托发电有限责任公司，内蒙古 呼和浩特 010206)

0 引言

伴随着移动通信技术的更新迭代，5G通信技术逐步取代4G移动通信技术，现已进入人们的日常生活，李军[1]通过研究发现全球的移动通信网络进行升级换代已经是必然趋势。5G全称为第五代移动通信技术(5th generation mobile communication technology，简称5G)，是最新一代蜂窝移动通信技术，具备高速率、低时延和大连接等特点。国内现有火电厂通信链路几乎都采用光纤的方式，而部分火电厂采用4G、无线AP、蓝牙等通信方式，在火电厂障碍物多、通信覆盖范围广等场景下，上述技术传输速度慢、时延高、数据丢包率高，使得火电厂无线通信技术的应用受阻。

在国家“两化”融合方针和节能减排政策驱动下，数字化电厂、智能发电、智慧电厂的建设逐渐成为电力行业发展的趋势。俞建江[2]等研究发现通过5G通信的方式可有效实现火电厂内部设备互联，通过5G通信实现本地数据与逻辑处理、设备的远程监测及控制等功能，提供智慧电厂5G应用解决方案。特别是在火电厂数字化、智能化、智慧化转型升级过程中，各种智能、智慧业务场景对数据采集、收集、传输的高速率、低时延和大连接的需求显得尤为迫切。5G通信技术因为高速率、低时延和大连接的优势，能够弥补现有无线通信方式的不足，并且能够满足各种智能、智慧业务场景整合所需的数据采集、收集、传输条件。刘永旺[3]等研究发现5G技术在智慧能源的应用场景不断增多。

以下探讨5G通信技术在火电厂煤场斗轮机无人值守系统中的应用研究，从煤场5G布置、斗轮机通信方式设计、火电厂5G应用前景等方面进行详细阐述，为火电企业5G通信技术应用提供实践成果。

1 5G通信技术优势

赵俊杰[4]等研究发现5G是智慧电厂新基建的战略核心。5G区别于4G最基本的三个性能体现在传输速率更快、连接数密度更高和时延更低。相应地，5G在以下三大应用场景更具有优势：大流量移动宽带业务(enhance mobile broadband，eMBB)、大连接物联网(massive machine type of communication，mMTC)、超可靠低时延通信(ultra reliable & low latency communication，uRLLC)。

1)eMBB(大流量移动宽带业务)的主要功能是大幅提高数据速率，能够容纳更多的流量、人口密集区域和转接路径，有完整的覆盖范围。朱龙昶[5]等研究发现通过引入大规模天线、毫米波通信等技术，结合应用异构网络，可提高系统性能，将5G用于大带宽业务应用场景以保证数据的高效传输。在火电厂煤场斗轮机无人值守业务场景中，5G用于高清视频传输、斗轮机AI智能作业平台通信等。

2)mMTC：侧重解决传统移动通信无法很好地支持物联网及垂直行业应用的问题。詹文[6]等研究发现面向mMTC的5G通信技术可使机器与机器能在无人控制的情况下，自主地进行数据交互。在火电厂煤场斗轮机无人值守业务场景中，5G用于传感器数据采集，具体包括斗轮机安全防护的传感器，如料位计、防碰撞雷达、超声波雷达、接近开关、定位芯片等数据采集单元。

3)uRLLC：端到端的概念，包含了核心网、传输、RAN等多个方面，李晶[7]等研究发现只要对时延保障有可靠性要求的业务都属于uRLLC业务。在火电厂煤场斗轮机无人值守业务场景中，就地与远程斗轮机无人值守控制系统作业指令的传输可通过5G无线通信技术的应用保证斗轮机无人值守作业高可靠、低时延，确保斗轮机设备作业安全。

2 5G通信技术在斗轮机无人值守的 应用需求分析

2.1 数据采集及传输需求

刘矿平[8]等对基于5G技术的视频监控系统进行设计研究，在视频传输大带宽需求应用场景中，根据国际电信联盟(international telecommunication union，ITU)发布的5G通信技术关键指标[9](表1)，5G通信的峰值速率可达到4G通信的20倍，时延可提升数十倍。因此在火电厂斗轮机此类大型设备的无人值守智能应用场景中，采用5G通信技术可以满足现场斗轮机设备上的传感器数据采集和传输需求、现场视频传输需求，确保设备运行安全。

表1 5G与4G技术的关键技术指标对比

2.2 斗轮机控制服务需求

孙亚伟[10]研究发现火电厂斗轮机用无线传输可以降低斗轮机通信成本且不受地形控制，柳曦[11]等研究发现采用光纤通信的斗轮机可能出现信号不稳定和电磁干扰等情况。相应地，在火电厂煤场斗轮机无人值守应用场景中，范轲[12]在火电厂无线技术研究应用中发现有ZigBee、Wi-Fi等短距离通信技术及4G通信技术可应用，但会出现数据传输速率慢、通信覆盖面积小的问题，无法满足火电厂煤场斗轮机无人值守所需的低时延、高可靠性要求。4G或无线AP等无线通信技术因能量效率低、流量密度低、时延高、速率低等问题，会造成斗轮机就地传感器无法将实时采集数据发送至斗轮机AI智能作业平台；相应地，斗轮机AI智能作业平台也无法实时将斗轮机无人值守运行的控制指令远程发布给斗轮机就地控制PLC。5G通信技术低至1 ms的时延可满足火电厂斗轮机无人值守控制服务所需的实时控制服务需求。

3 5G通信技术在斗轮机无人值守系 统中的应用实践

3.1 5G通信技术在斗轮机通信中的应用方案

张茜[13]对火电厂斗轮堆取料机智能化无人值守进行了研究，本文在其基础上提出基于5G通信技术的斗轮机无人值守系统，具体架构如图1所示。该系统由斗轮机AI智能作业平台、5G网络、斗轮机就地PLC控制系统，以及底层采集服务层组成。由图1可知底层采集服务层采集的数据经斗轮机就地PLC汇集后通过5G网络从现场传输至远程斗轮机AI智能作业平台。AI智能作业平台运行计算后，将斗轮机无人值守的堆取料作业指令远程下达，通过5G网络直接下达至斗轮机就地PLC。其中视频服务因占用较大带宽，通过5G网络切片组建视频独立网络。

在斗轮机无人值守系统中，5G网络用于现场传感器数据的采集、视频数据传输及斗轮机AI智能作业平台控制指令的下达。相应地，为保证斗轮机无人值守的稳定运行，如图1所示在斗轮机就地PLC处配置了5G CPE通信模块，并且可以延伸至多台斗轮机，做到多台斗轮机在5G通信条件下的无人值守运行。由图1可知斗轮机就地PLC将底层采集服务层传感器采集的数据通过5G CPE通信模块、5G基站传输至斗轮机AI智能作业平台，远程控制人员可通过集控室大屏观察斗轮机设备状态及具体的运行参数；斗轮机AI智能作业平台根据前端采集的设备参数，如煤堆数据、斗轮机姿态、斗轮机位置、皮带运行情况等，进行控制决策，利用5G通信技术的低时延性将斗轮机的堆取料作业指令通过5G网络下发至斗轮机就地PLC。

图1 基于5G通信技术的斗轮机无人值守系统网络架构

在煤场现场通过第三方测速软件测得5G与4G实测数据如表2和图2所示。

其中4G平均上传速率为P4G=(n1+n2+…+nn-1)/n，5G平均上传速率为P5G=(n1+n2+…+nn-1)/n；式中n为测试次数。得出4G的平均上传速率为2.3 Mbyte/s，平均下载速率2.72 Mbyte/s，5G的平均上传速率为23.28 Mbyte/s，平均下载速率54.28 Mbyte/s。

表2 5G与4G现场测试上传下载速率 Mbyte/s

图2 5G与4G上传下载速率折线图

本项目斗轮机定位系统定位数据发送频率为40 Hz，即40次/s，次均间隔25 ms。视频监控在斗轮机上汇集后，通过5G CPE基站传输至远程控制室硬盘录像机。根据上述实测数据5G上传速度为4G的10倍，5G下载速度为4G的19.9倍，在不考虑5G基础基站扩充的情况下，同等网络延迟情况下，5G通信速度远远优于4G网络。斗轮机就地5G网络如图3所示。

图3 斗轮机就地5G网络架构

3.2 5G通信技术在斗轮机应用中的优势

张杨[14]等研究发现5G可用于斗轮机无人值守控制系统的通信传输，可保证系统稳定可靠运行。杨如意[15]等研究并在火电厂实现5G网络接入火电厂DCS控制系统，通过5G切片的方式实现了全厂无线全覆盖、测量控制等设备的接入。其研究成果表明，5G网络通信在切片情况下的高安全性、低时延、高带宽、大连接等优势已具备在火电厂底层控制系统应用前景。郝轰宇[16]等研究发现斗轮机采用无线通信方式可以大大降低斗轮机设备维护费用，为电厂提质增效、节能降耗、提升燃煤经济性做出了突出贡献。

1)低时延、采集时效性高

该项目斗轮机无人值守系统涉及的I/O点180余个，且开关信号较多，系统运行过程中未出现数据丢包、延时等情况；其中视频传输画面也未出现卡顿、延时等情况。结合前述5G在火电厂DCS控制系统的应用，未来5G通信技术可为火电厂更多智能智慧化数据采集、业务应用场景提供无线通信保障及网络安全保障。

2)低投入、高回报

煤场斗轮机轨道按300 m计算，柔性光纤价格200元/m、使用周期2年，光纤材料费用6万元，人工费1万元，年平均费用按4万元/年计算，10年的使用费用为40万元。

斗轮堆取料机的卷盘电机使用2台3 kW电机，年消费电费2×3 kW×10 h(运行小时)×330(年运行天数)×0.5元/(kW·h)=0.99万元/台，电缆卷筒费用15万元，10年合计使用费40+0.99×10+15=64.9万元，其中不包括设备故障停运、检修带来的损失。

斗轮机上5G设备投资费用30余万元，功耗为1 kW，年运行费用2×1 kW×10 h(运行小时)×330(年运行天数)×0.5元/(kW·h)=0.33万元/台，10年合计使用费33万元；使用5G通信10年可以节约31.9万余元。除提升通信可靠性外，还可降低检修工作量及减少异常网络通信故障，经济效益十分显著。

相比采用柔性光纤加无线AP的通信方式，采用5G通信现场施工量非常小，且施工周期相比综合布线施工缩短约40天，避免了大量桥架、穿管、地沟开挖等工作，5G通信投运后，也无须指派专人进行光纤巡查等工作，大幅减少了人力成本支出。

3)通信安全可靠

宋科[17]等研究发现5G通信通过中频直接采样的方式可解决5G通信抗干扰能力差的问题。同时通过虚拟化技术对5G网络运营商、现场5G网络进行了定制化切片服务，将视频、控制、采集等进行网络分类，各自采用独立的网络防止切片资源竞争以及非法攻击。在斗轮机无人值守的核心网络中，视频和斗轮机无人值守运行系统配置了独立的硬件，5G切片技术的应用为其形成了独具特色的物理和逻辑隔离，确保斗轮机无人值守的安全运行。在其他外部燃料管理系统、SIS系统、DCS生产系统等边缘计算节点满足网闸、防火墙等网络安全设备的安全要求。

4 结语

随着数字化电厂、智能发电、智慧电厂的建设深入，5G通信技术作为现有技术条件下极具性价比的无线通信方式，以高速率、低时延和大连接的优势，将成为未来火电厂智能、智慧建设必备的无线通信方案。在某电厂的斗轮机无人值守5G通信应用场景中，该电厂煤场(260 m×120 m)共配置了2个5G 宏站、6个5G室分，相比4G，投资费用明显增加，但是相对整个火电厂5G全覆盖来说，整体投资性价比较高。周琦[18]研究发现5G通信技术将朝着交互智能、万物互联、生活的云端化发展；宋会贤[19]已在火电厂开展基于5G的智能巡检研究；高满达[20]等在火电厂燃煤锅炉运行监测中开展5G应用。可以预见未来火电厂基于5G的全场景智能、智慧化应用将成为可能，覆盖火电厂生产、运行、管理各个业务场景。