智能安全可视化5G堪当大任
文/国网大连供电公司 申健 王玮
王跃东 李若斌 牛明珠
2019年，国家电网公司提出建设“泛在电力物联网”的战略目标，将其定义为“围绕电力系统各环节，充分应用移动互联、人工智能等现代信息技术、先进通信技术，实现电力系统各环节万物互联、人机交互，具有状态全面感知、信息高效处理、应用便捷灵活特征的智慧服务系统”，其中无线通信技术将发挥连接万物的重要作用。
5G定义与标准
无线网络视频监控系统使用方便，无需布线，组网灵活，远距离监控，将在电力作业现场的管控中发挥重大作用。5G通信全称为第五代通信技术，拥有高带宽、高密度连接、高可靠性、低延时、低功耗等特性，其包含多个通信频段。2016年，国际电联无线电通信部门(ITU-R)发布了5G通信的性能指标，见表1。5G通信有望在泛在电力物联网中大显身手，为电力系统带来新一轮技术革命。
表1 5G 通信性能指标
5G通信拥有极高的速度。其峰值速度(理论最高速度)可达上行10Gbps，下行20Gbps；用户实际体验速度可达上行50Mbps，下行100Mbps。5G通信提高速率主要依赖于3 类方法。第一类方法是提高频谱范围，将原本4G-LTE通信使用的2~3GHz频段提升至6GHz乃至 28~100GHz的毫米波(mm wave)。第二类方法是提高频谱利用率，其中以大规模天线阵列技术(Massive MIMO)为典型代表。第三类方法是提高传输效率，其中代表性的技术是3D波束赋形。
5G通信网络能够支持高密度的设备连接和高容量的数据传输，其性能指标为每平方公里支持1000000个设备连接，每平方米支持10Mbps的数据传输容量。5G高容量特性得益于频谱宽度的提升、微基站的广泛应用和空中接口技术的革新。5G通信的频谱宽度高达百兆甚至千兆赫兹，是4G通信的上百倍，因此支持更高容量的设备连接。
5G 通信支持高可靠性的数据连接，其性能指标为0.001%丢包率，与光纤通信相当。多连接技术(multi-connectivity)是支撑5G通信高可靠性的关键因素。在高可靠性需求场景下，5G通信网络将不仅仅依靠毫米波高频段通信，而是充分整合6GHz以下的频段以及可获取的Wi-Fi资源，利用低频段的覆盖和可移动性以及高频段的高带宽和高速率，通过多连接技术为用户提供高可靠性通信。
5G通信拥有极低的延时，其端对端时延(End-to-End Latency)的期望性能指标为1ms。5G通信的低延时特性主要依赖于无线传输网络(RAN)、核心网络(Core)、数据缓存(Cache) 3 个部分的多项创新技术。在无线传输网络部分，5G通信使用了较于 4G-LTE 更短的帧结构传输信息，并优化了数据帧的控制方式，从而达到更短的时延。在核心网络部分，5G通信则基于软件定义网络(SDN)和虚拟化服务(NFV)的新型架构采用云计算和边缘计算结合的方式，降低了核心网数据处理延时。5G通信还缩短了核心网与用户的物理距离，将核心网部分功能下沉至城域中心机房甚至是通信基站，进一步降低了延时。在数据缓存方面，5G通信系统采用分布式的数据缓存机制，从而降低数据传输。
5G通信在特定场景下可实现低功耗特性，即支持高休眠/活动比以及无数据传输时的长时间休眠，在低功耗广域网(low power wide area network，LPWAN)、物联网(Io T)中有极大的应用前景。5G通信低功耗的特性得益于核心网中软件定义网络和网络功能虚拟化两项关键技术。
总之，5G通信在各个性能指标上都领先于4G通信，如图1所示。
图 1 5G 与 4G-LTE 技术性能指标对比
5G应用场景
5G通信技术典型应用场景包括超高清8K视频、3D 视频、虚拟现实、增强现实等。这些应用的共同特点是大流量、高带宽需求，主要利用5G 通信高速率的特点实现。当前电力系统的无线通信网络仍以3G、4G 网为主，5G通信网络的部署将使一批电力系统新技术应用成为可能。5G通信技术与大数据、云计算与人工技术相结合，将在未来电力系统与泛在电力物联网中形成新的智能生态，为电力系统调度、控制、运维等环节带来变革性的改变与提升。
泛在电力物联网高清视频与图像实时监控。5G通信的高速率、高带宽特性使得高清视频和图像能够快速、便捷的进行远程无线传输，可大量应用于电力系统视频图像监控场景，提升监控效率，降低通信成本。5G通信技术带来的变革可能有3点：提升图像视频清晰度；以实时监控取代原有的事后分析；在监控中心实现机器自动化的判断分析。
馈线继电保护是配电自动化系统与电力系统安稳控制中的重要环节，随着大量分布式能源接入配电网，分布式馈线自动化系统得到了广泛应用。在发生故障时，传统的集中式安稳控制通常需要切整条馈线，使得大量与故障无关的负荷被切，降低了供电可靠性。在分布式馈线保护系统中，智能子变电站通过相互通信交换信息，精准定位故障点，仅隔离故障相关区域。由于分布式馈线继电保护系统涉及大量子站的相互通信，其需要超低延时的通信网络支撑，从而在发生故障时快速隔离，保护系统安全，降低发电厂能源浪费。5G 通信系统低时延特性可以提供低至1ms的传输延迟，可以有效提高继电保护速度，同时适用于广域的分布式馈线系统，特别是无法铺设光纤或铺设光纤成本极高的区域。
分布式储能、充电桩等需求侧资源实时调频。电力系统调频通常由发电机组承担，通过AGC系统动态响应系统的频率变化。随着间歇性可再生能源大量并网以及电动汽车等新型负荷接入电网，传统的频率控制方法已经不能很好地满足当前控制需求。需求侧参与电力系统调频的一大挑战是通信延迟问题，即过高的通信延迟无法让需求侧资源精准、快速地响应上级调频控制指令。5G网络的延时低至1ms，可有效解决需求侧资源实时参与调频的通信延迟问题。5G通信的高容量和超广域覆盖特性也使得大量需求侧设备均可接入系统参与调频，例如分布式储能、电动汽车充电桩等，无需铺设昂贵的光纤。
可视化智能电力安全作业管控系统
电力作业具有现场点多、面广、分散，无法实时监控多场景和施工进度等特点，并且习惯性违章屡禁不止，无法及时发现违章作业和现场安全隐患。目前，电力作业安全存在实时管控手段不足，无法多维度掌控，动态分析，监控预警等问题。
依托泛在电力物联网中 5G 通信技术，基于地图GIS的安全作业管控平台，可实现一张图实时显示作业人员和布控点位置，以及工作点施工内容和进度等相关信息；在线查看作业现场视频、语音呼叫、实时指挥，及时发现处理问题。融合视频、定位、报警等功能，随时布控，快速安装，高清无线传输，有效实时监控作业现场、及时发现违章作业和现场安全隐患。如图2所示。
图2 电力安全作业管控一体化架构图
基于主动安全数据库的安全作业管控
在现场通讯和定位基础上，通过智能安全帽，带高清摄像头及移动网络，可精准定位及录像。按照安全类型和安全级别对现场位置进行划分和定位，将每一位置所对应的安全注意事项和危险预防措施与该位置设备所对应的安全等级、注意事项、运行标准等信息关联起来，进行安全内容分解，建立主动安全数据库。
当人员在现场进行检修工作时，到达相应位置时，主动安全数据库自动定位人员位置，并将附近正在进行的运行操作、检修工作、当前位置安全信息、风险预控措施及历史事故记录等信息主动推送到人员携带的移动设备上，对现场工作人员进行主动安全综合信息提示，避免不必要的事故。同时，图象识别实现现场危险区域监测报警，人员进入危险区域后自动报警并在指挥中心推送视频画面。
电力作业数据安全管控
国家电网公司采用专用的隔离装置将信息网划分为信息外网和信息内网，来保证电网信息网络与业务系统的安全稳定运行，然而，各种移动终端和移动通信技术在电力企业营销管理系统、安全生产系统以及应急指挥系统中的广泛使用，对电网信息安全造成了巨大威胁。根据所属网络及面向对象的不同，可将国网公司移动应用分为内网移动作业类、外网移动协作类和互联网移动服务类。
电力移动终端面临的安全威胁包括共性安全威胁和个性安全威胁两个方面。移动终端面临的安全威胁示意图如图3所示。
图3 移动终端安全威胁示意图
其中，共性安全威胁包括以下两个方面：第一是硬件安全，即移动终端所使用的自带芯片和处理器芯片等核心器件存在的安全漏洞。第二是操作系统安全，Android和IOS是当今主流的终端操作系统，其主要存在的安全问题包括系统的安全漏洞、系统潜在的脆弱性、系统的完整性和系统固件安全性等。对于只在内网使用的终端需要侧重于外围接口控制；对于信息外网终端需要侧重于数据访问控制；对于互联网终端需要侧重系统安全加固、软件安全防护等。由于电网数据信息出现任何信息安全问题，都可能使电力安全、稳定、经济的运行出现问题，进而影响电力系统的供电可靠性。因此进行网络传输和存储时，需要对数据进行加密，确保视频数据在网络传输中和存储数据的安全性。
面向泛在电力物联网系统，5G通信技术“高速率、高容量、高可靠性、低延时、低功耗”的特征将在未来电力系统中起到重要作用。同时，5G 通信技术是引领科技创新，实现产业升级的关键技术与基础性平台，也将在未来电力作业安全及数据安全管控系统建设中起到关键性的支撑作用。
来源：本文摘自《电力信息化》杂志2020年第2期
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