《5G+能源装备工业互联网应用层及边缘层关键技术研究与实践》
蒲晓珉东方电气集团科学技术研究院有限公司5G+能源智慧服务方向负责人、高级工程师
大家好，我是来自东方电气的蒲晓珉，很荣幸有机会跟各位领导专家同行就5G技术在智慧电厂中的相关应用这一话题进行探讨。下面我将围绕我们公司在5G技术、能源装备工业互联网应用层及边缘层关键技术研究与实践等方面的内容与大家进行交流和分享。今天的分享具体包括以下三个方面的内容：第一，东方电气5G技术应用的背景情况。第二，我们在5G技术与智慧电厂应用方面做了一些探索，以下是我们在风电场的应用探索。第三，我们对5G和智慧电厂应用未来发展的一些展望。
东方电气作为中央直接管理的涉及国家安全和国民经济命脉的重要骨干企业之一，是全球最大的发电设备研制和电站工程总承包的企业集团之一。我们为我国现有的电力装机提供了近1/3的主机设备，海外电站的装机容量超过8,400万千瓦，连续17年发电设备产量位居世界前列。我们以发电设备制造为主业，拥有水电、火电、核电、气电、风电、太阳能六电并举的研制能力，全面进入节能环保产业工程与国际贸易、现代制造服务业、电力电子与控制产业、新兴成长产业五大产业板块，依靠自主创新，大力推进高端装备制造优化升级和国产化率，进一步推进高端装备制造和现代服务业深度融合。
我们所在的能源装备行业，面临着传统制造模式落后和能源结构面临重大变革的问题和挑战。为了适应绿色低碳安全高效地现代能源体系，我们需要主动调整产业结构，并不断推进新一代信息技术和制造技术的深度融合，推动企业数字化转型升级。因此，5G技术的到来成了我们数字化转型的重要抓手。自2019年起，东方电气在集团的研究院成立了专门的5G技术应用研究部门，并在5G加工业互联网技术应用方面，先后与多家头部企业和知名高校建立起深度合作。我们与中国移动联合成立了武器加先进制造工程应用中心，与电子科技大学联合成立了武器加高端能源装备联合实验室，与华为签订了合作框架协议，综合电器与这些伙伴在5G家高端装备、智能制造和智慧服务等领域开展了深入的合作。
目前，东方电气在集团公司的总部以及全国多地的厂区园区实现了5G网络的基本覆盖，并针对5G加智慧风电场的试点应用，在环境复杂的山地风电场进行了4.5G网络的部署和测试。在集团5G应用重点的试点示范园区，我们还进行了针对高端能源装备制造特点的5G专网规划设计和部署建设工作。我们将UPF和MEC部署在本地的汇聚机房，并与企业内网完成对接，开通2.67赫兹的组网，实现了个人管理类和接入机器设备类的业务，实现了核心数据不出厂，生产数据统一监管和统一调度，通过5G专网实现本地分流数据的本地处理，降低业务时延，利用网络的切片能力，对园区的各类应用做逻辑划分，实现业务隔离。
在5G+智能制造的应用方面，我可以举几个具体的案例。首先是东方汽轮机开发的5G加远程对刀应用，通过利用5G的低时延和稳定性，园区的智慧中台可以通过5G网络远程下发工艺参数，实现高精度的测距、自动化的对刀，从而极大地降低了人员进入大型气缸工件内进行加工操作的风险，解决了因测量不准确导致加工报废等痛点，同时提高了质量和加工效率。其次，是利用5G的低时延和稳定性，在焊机上增配专用的传感装置，通过5G网络进行实时数据的双向传输，实现焊接过程的参数下发和实时监控，显著提高了分布式焊接设备的管理规范性和焊接加工的质量，同时优化了生产效率，降低了生产能耗。在智慧安防场景中，利用5G的大带宽广连接能力，结合无线网络布线方便的特点，将高清视频回传和边缘智能分析相结合，实现对危险区域和敏感信息区域的电子围栏，监督重点场所、重点部位和工作现场的工作人员的安全行为，有效减少安全管理人员的工作负担，增强员工的安全和规范意识，减少了安全隐患和事故的发生，实现安全生产的数字化转型。此外，在武器加质量检测的场景中，利用武器的大带宽能力，将高清图像回传和AI视觉识别相结合，在质检中心对在役机组或在制品的零部件质量进行大数据判定，大幅提高了质量检测的精度和效率，从而提高生产零部件的质量。
当然，我们不仅在5G+智能制造方面做了很多探索和创新，在5G+智慧服务方面也开展了许多工作。结合今天论坛的主题，下面我将重点介绍我们团队在几家智慧电厂领域的应用探索。我们打造了基于5G与端边云协同的工业互联网体系，专注于高端人员装备制造、检测和运维检修等过程的先进专用数据采集设备和方式。我们重点关注自主可控的智能边缘设备和定制化的应用开发，同时搭建了基础数字平台，实现资源和业务的快速分发和管理，从而打造出完整的统一体系统。
自2019年起，我们开始积极推进5G技术的应用研究。当时，市场上并没有适用于5G产品的解决方案，因此我们需要自己开发。我们针对高端能源装备行业的特殊需求和环境，自主开发了端侧的高速数据采集模块，可实现多路模拟和数字信号的高速采集，同时支持以太网传输。我们还自主开发了5G工业边缘计算网关，可以同时连接多个设备进行数据采集，支持多种工业协议的解析，具备较强的边缘计算能力，并可通过5G实现数据和视频的传输。此外，我们还自主开发了东方电气5G+能源装备物联网平台，可对多个网关和其他物联网设备进行统一管理，实时查看运行状态并进行远程应用下发。
我们也在多个场合应用了自主研发的5G工业网关，实现了边缘侧的数据采集和数字孪生模型开发，实时运行模型并实时呈现数据。在焊接车系车间，我们实现了现场PLC数据的接入，采集实时电压电流进行数据传输，在风力发电场场内也实现了数据和视频的传输。此外，我们还将5G、VR和AI技术相结合，因为VRAR应用通常需要展示大量高清三维可视化内容和专业数据，要求实时性和安全性，而这正好与5G的大带宽、低时延和稳定性等特性非常匹配。
5G+AR的远程专家系统非常适合生产或运维现场的作业人员，特别是遇到问题需要及时求助远程专家场景。通过音视频通话和共享第一视角进行实时标注和指导，可以减少出差费用，提高解决问题的效率，缩短机组停机等待时间。我们开发了5T加AI的管理可视化系统，将火电机组的远程诊断系统与AI眼镜对接，实时呈现机组的电场、锅炉、汽轮机、发电机等实时数据和状态，并叠加在相应设备的模型上，让信息更加直观可视化，提高获取数据的效率。这种场景在早期是通过5G CP连接的，现在已经可以直接连接5G眼镜或5G终端。我们与集团的子企业东方电机合作完成了5G+三维数字手册项目，这种三维可视化可互动的方式展现装备的结构原理和装配工艺，比传统的设备说明书更直观形象。但这个数字手册涉及能源装备的重要敏感信息，需要授权才能查看。为了方便相关人员，在园区的任何位置都可以查看，包括装备维修现场，我们使用5G专网进行连接，通过联网实现终端和后台数据和服务的连接，数据在厂区内安全可靠地流动。使用5G大带宽低时延的特性，保障项目的应用，并实现在厂区内任何5G覆盖范围内的移动终端应用。
对于电厂巡检这个场景，我们提供了5G+ AI的定制化解决方案，可以帮助巡检人员便捷高效地完成巡检工作。我们开发的AI眼镜可以根据客户需求定制巡检路线和相应的工作流程，帮助巡检人员进行照片和视频的记录，并通过传感器模块等实现其他数据的记录。同时，我们的解决方案会在后台进行数据分析和异常值报警，并自动生成巡检报告。5G技术的运用可以保证连接在移动过程中的网络稳定可靠，满足实时数据传输和保密传输的需求。我们还在针对特殊需求场景下开发5G和机器人相结合的巡检方案，目前还在完善阶段。
下面的内容是讲座的重点，就是我们在智慧风电场方向的探索。以山地的风电为例，风电厂位置通常远离城市，位于环境比较恶劣的地方。我在去风电场上山的路上拍摄了一张照片，展示了线缆垃圾部署困难，常常随意搭在路边的石头上，很难保证网络的可靠性，网络经常出现故障，比如被动物咬断或泥石流冲断等。此外，上山部署网络和维修网络也非常困难。举个真实的例子，我们自己项目组的车子在12月8日的时候陷住了，推不出来，还把绳子拉断了。28号时，另一个同事上山推车过程中遇到下雪，最后只好下来了。因此，风电场希望实现远程监测和无人值守。但首先，网络必须安全可靠。
在分享5G时，大家普遍担心它在工厂的应用，因为工厂分布范围广，风机和风机距离远。根据5G的特性，频率越高，波长越短，绕射能力越差，空间损耗越大。一般来说，1-2.6G赫兹的普通5G宏站覆盖半径大约在400米，而且通常会遇到3型数层阻挡，所以5G对风电场的覆盖会面临很大的困难，可能会有高额的建站成本。在这种挑战下，我们做了进一步的探索和尝试。
我们在山地风电场进行针对风电场+智慧应用的5G网络规划设计。利用原有的4G基站升级成5G基站，采用特殊频段的5G网络，传播损失低、穿透能力强、负载范围广、组网成本低等特点可实现非视距传输。同时，我们采用了其他先进网络技术中转传输主网，在网络负载较低的地方进行数据传输。5G网络覆盖后，我们测试了速率和带宽，以及实施了非侵入式监测的技术路线，对风机进行多感应器监测。未来，我们将继续在5G+边缘计算、5G+数字孪生、5G+无人值守、5G+电厂巡检、5G+安全生产等方面发力。重要的是，我们计划和更多的合作伙伴电厂业主交流合作开发，探索在智慧电厂中更多更有实际效益的应用产品和解决方案。