ANe增強型配電智能網(wǎng)關(guān) 數(shù)據(jù)采集實時監(jiān)控

摘要：隨著數(shù)據(jù)信息量的大幅度提升以及5G技術(shù)的發(fā)展，基于5G的邊緣計算技術(shù),，作為一種實時快速數(shù)據(jù)處理方式,，具有廣闊的應(yīng)用前景。先對5G,、邊緣計算的特點進行了研究,，然后研究這兩種技術(shù)在網(wǎng)關(guān)中的結(jié)合，基于變電站的業(yè)務(wù)背景提出基于5G的邊緣計算網(wǎng)關(guān)應(yīng)用解決方案,。

　　關(guān)鍵詞：5G網(wǎng)絡(luò);邊緣計算;網(wǎng)關(guān);電網(wǎng)應(yīng)用

　　0,、引言

　　隨著5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，基于5G的邊緣計算技術(shù)得到廣泛關(guān)注,。業(yè)務(wù)需求和網(wǎng)絡(luò)升級進一步驅(qū)動了邊緣計算的發(fā)展,。云計算能力不足，不能滿足爆炸式增長的海量數(shù)據(jù)需求,。此外,，傳輸負載急劇增加會導致時延加長，不能滿足實時性要求,，這些都使得邊緣計算變成了研究的熱點,。

　　網(wǎng)關(guān)作為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸中的關(guān)鍵設(shè)備，發(fā)揮著協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理的作用,，通過邊緣計算的手段可以將數(shù)據(jù)在邊緣網(wǎng)關(guān)中進行初步篩選并處理,，將重要的安全信息發(fā)送到監(jiān)管平臺并發(fā)出警告，使得處理信息效率得到提高并能夠更及時地獲得隱患信息,。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,，變電站在智能電網(wǎng)中發(fā)揮著越來越重要的作用，但是由于傳感器數(shù)量不斷增多以及智能巡檢機器人的普及,，數(shù)據(jù)傳輸不斷增加,。如果全部數(shù)據(jù)均發(fā)送到云端進行處理，會導致時延增長,，處理不及時,，不能及時發(fā)現(xiàn)安全隱患，基于5G的邊緣計算技術(shù)可以解決這些問題,。

　　本文首先研究5G和邊緣計算的特點,，然后研究這兩種技術(shù)在網(wǎng)關(guān)中的結(jié)合，提出基于電網(wǎng)中變電站的業(yè)務(wù)背景的解決方案,。

　　1,、 5G技術(shù)特點

　5G全稱第五代通信技術(shù)，是新一代蜂窩移動通信技術(shù),，具有如下特點：

　　(1)具有高數(shù)據(jù)傳輸率,，可達10GB/s，可以滿足大數(shù)據(jù)量傳輸;

　　(2)低延遲,，LTE網(wǎng)絡(luò)使得移動網(wǎng)絡(luò)時延達到100ms,，但是5G網(wǎng)絡(luò)能夠達到1ms的時延，可以滿足對時延要求很低的服務(wù);

　　(3)提高系統(tǒng)容量和大規(guī)模設(shè)備連接,，可以滿足物聯(lián)網(wǎng)要求,，將各個終端連接起來。

　　5G不僅對手機移動通信來說是很大的進步,，而且對物聯(lián)網(wǎng)來說也是非常有用的技術(shù),，它所帶來的方便以及技術(shù)變革將會使經(jīng)濟發(fā)展。

　　 2,、邊緣計算技術(shù)的特點

　　在邊緣計算中,，將數(shù)據(jù)處理這一過程集成到邊緣設(shè)備中,，其目的就是為了減少延遲，這樣就能快速地處理數(shù)據(jù),，而不用等到數(shù)據(jù)傳輸?shù)絺鹘y(tǒng)的數(shù)據(jù)中心再進行處理,，延遲降低了之后，相應(yīng)的應(yīng)用程序就能夠更早地運行,。同時,，在本地設(shè)備的數(shù)據(jù)管理上的花費比在云和數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)上的花費更少，從而能夠降低成本,。具體而言,，邊緣計算的特點如下：

　　(1)時延低：利用邊緣設(shè)備處理數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時處理,，響應(yīng)的時間縮短,。

　　(2)成本低：利用邊緣設(shè)備實現(xiàn)數(shù)據(jù)的過濾、計算和分析,，減少數(shù)據(jù)在骨干網(wǎng)絡(luò)的傳輸量,，降低網(wǎng)絡(luò)帶寬需求，從而降低數(shù)據(jù)處理成本和設(shè)備能耗,。

　　(3)可靠性高：邊緣設(shè)備本身具有計算處理能力,，即使上層數(shù)據(jù)處理中心出現(xiàn)問題，也不會影響到用戶的正常使用,。

　　邊緣計算是為了解決云計算去中心化而提出的方法,，目前云計算都是將服務(wù)器集中放置在一個數(shù)據(jù)中心，

　　需要將數(shù)據(jù)先傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心然后再進行集中處理,，但是隨著終端設(shè)備不斷增多帶來的數(shù)據(jù)量的逐漸變大,，傳輸如此巨大的數(shù)據(jù)量成本很高，時延也成為瓶頸,。邊緣計算分布式部署在設(shè)備端,，即將各種終端設(shè)備增加了存儲、處理等功能,，這樣就可以減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量,，減少時延，降低了成本,。同時,，隱私數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫说倪^程中可能存在泄露的問題，使用邊緣計算可以降低數(shù)據(jù)泄露的可能性,。

　　3,、基于5G的移動邊緣計算技術(shù)應(yīng)用場景

　　傳統(tǒng)的移動邊緣計算技術(shù)指的是在移動通信網(wǎng)絡(luò)側(cè)配置具有計算和管理能力的服務(wù)器，提升無線接入網(wǎng)絡(luò)的信息處理能力,，降低移動骨干網(wǎng)絡(luò)的傳輸帶寬,。5G具有低時延,、高可靠性的特點，這將進一步推動移動邊緣計算的發(fā)展,。本文結(jié)合ITU-T定義的5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景和邊緣計算技術(shù)特點,，研究基于5G移動邊緣計算技術(shù)的應(yīng)用場景,。

　　3.1增強型移動帶寬場景(eMMB)

　　相較于4G,，5G采用LDPC編碼、高階調(diào)制,、大規(guī)模MIMO和毫米波等技術(shù)手段,，進一步拓展頻譜帶寬，5G的整體頻譜效率比4G提升了3倍,，用戶體驗速率可達到1GB/s,，這給人們帶來了不一樣的網(wǎng)絡(luò)體驗，同時也給核心網(wǎng)帶來了巨大的挑戰(zhàn),。

　　為了滿足5G網(wǎng)絡(luò)的靈活 性和低延時,、減輕網(wǎng)絡(luò)回傳負擔，核心網(wǎng)下沉和云邊緣化成為必然趨勢,。云邊緣化就是使5G無線接入網(wǎng)絡(luò)具有云計算能力,，實現(xiàn)業(yè)務(wù)的本地化、數(shù)據(jù)緩存,、數(shù)據(jù)本地計算等功能,。

　　以電網(wǎng)輸電線路無人機巡檢為例，無人機通過控制臺,，與5G基站連接,，在5G基站側(cè)部署邊緣計算服務(wù)器，實現(xiàn)視頻,、圖像和控制信息的本地存儲和處理,，然后相關(guān)處理結(jié)果直接回傳至控制臺，保證巡檢工作順利進行,。

　　3.2 海量機器類通信(mMTC)

　　相較于4G,，可連接數(shù)密度方面，5G每平方千米可連網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量高達100萬個,，提升了10倍,，同時5G海量機器類通信具有數(shù)據(jù)包小、功耗低等特點,。

　　根據(jù)數(shù)據(jù)預測,，2020年物聯(lián)網(wǎng)終端達到500億個。大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)終端部署,，不但給物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)帶來了挑戰(zhàn),，而且考驗著物聯(lián)網(wǎng)終端的電池容量,。可以說,，5G海量機器類通信技術(shù)大大地滿足了物聯(lián)網(wǎng)終端飛速增長的需求;此外,，結(jié)合邊緣計算，縮短物聯(lián)網(wǎng)終端連接時間,，將進一步降低物聯(lián)網(wǎng)終端的能耗,。

　　以電網(wǎng)采集類業(yè)務(wù)為例，隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展,，采集對象數(shù)量,、采集內(nèi)容種類、采集頻次都大大增加,。隨著5G的部署,，可實現(xiàn)采集的準實時、采集內(nèi)容的多樣化,，采集范圍更廣以及采集數(shù)量更多,。

　　3.3低時延高可靠通信(uRLLC)

　　相較于4G，端到端時延方面,，5G將達到1ms級,，提升了10倍;移動性方面，5G支持時速高達500km/h的通信環(huán)境,，提升了1.43倍,。因此，5G網(wǎng)絡(luò)具有高速,、低時延的處理能力,。這可以滿足車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制等垂直行業(yè)的特殊應(yīng)用需求,。

　　以電網(wǎng)變電站機器巡檢為例,，通過5G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)機器人遠程控制，結(jié)合邊緣計算的技術(shù),，可實現(xiàn)毫秒級的響應(yīng),，保證巡檢發(fā)現(xiàn)問題時，故障信息及時回傳和處理,，確保生產(chǎn)業(yè)務(wù)安全,。

　　4、基于5G的邊緣計算網(wǎng)關(guān)

　　基于5G的邊緣計算網(wǎng)關(guān)作為一個將網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的設(shè)備,，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)信息交換,，一方面利用邊緣計算提高數(shù)據(jù)計算性能;另一方面利用5G提升信息傳遞效率。

　　5G邊緣計算網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)由云服務(wù)器,、邊緣計算網(wǎng)關(guān)設(shè)備以及傳感器等終端設(shè)備組成,。邊緣計算模塊由邊緣應(yīng)用程序和邊緣計算平臺兩個部分組成：數(shù)據(jù)采集模塊收集傳感器等終端設(shè)備的數(shù)據(jù)，然后邊緣計算平臺將采集到的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一控制和管理,。邊緣應(yīng)用程序提供運行環(huán)境,，包括信息獲取、邊緣數(shù)據(jù)處理,，接收來自云服務(wù)器的指令并執(zhí)行對應(yīng)的操作,。而用戶所需要操作的就是在云服務(wù)器完成指令的發(fā)送，云端服務(wù)器利用無線信號(如Wi-Fi等),、以太網(wǎng)和4G,、5G等方式將指令發(fā)送到網(wǎng)關(guān)設(shè)備,，網(wǎng)關(guān)對其進行協(xié)議轉(zhuǎn)換后在邊緣計算模塊發(fā)出對終端設(shè)備的操作指令,。在現(xiàn)階段的5G發(fā)展中，由于正處于剛剛起步狀態(tài),，運營商部署5G時使用的是非獨立組網(wǎng),，需要利用4G基站、增強型4G基站以及少量5G基站來實現(xiàn),，但是由于使用的仍然是4G核心網(wǎng),，并不能提供特別低的時延，需要等到5G技術(shù)不斷發(fā)展,，通過獨立組網(wǎng)SA技術(shù),，5G核心網(wǎng)利用網(wǎng)絡(luò)切片靈活地使用網(wǎng)絡(luò)資源，才能大大提升網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量以及提供低時延,。

　　邊緣計算有何特點呢?

　　1.分布式和低延時計算

　　邊緣計算聚焦實時,、短周期數(shù)據(jù)的分析，能夠更好地支撐本地業(yè)務(wù)的實時智能化處理與執(zhí)行

　　2.效率更高

　　由于邊緣計算距離用戶更近,，在邊緣節(jié)點處實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的過濾和分析,，因此效率更高

　　3.更加節(jié)能

　　云計算和邊緣計算結(jié)合，更加有利用云計算節(jié)能,。

　　4.緩解流量壓力

　　在進行云端傳輸時通過邊緣節(jié)點進行一部分簡單數(shù)據(jù)處理,，進而能夠設(shè)備響應(yīng)時間，減少從設(shè)備到云端的數(shù)據(jù)流量,。

　　圖15G邊緣計算網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)

　　基于5G的邊緣計算,，可以充分利用5G高速度、大容量和低時延的三個特點,，實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的接入和處理,，保證業(yè)務(wù)的實時性。

　　5、基于5G邊緣計算網(wǎng)關(guān)在電網(wǎng)中的應(yīng)用

　　5.1業(yè)務(wù)背景

　　在電網(wǎng)傳輸中,，變電站發(fā)揮著一個十分重要的作用———它是一個將電力系統(tǒng)中對電壓和電流進行交換,，接收電能及分配電能的場所，它將發(fā)電機發(fā)出的電能升壓后饋送到高壓電網(wǎng)中,。

　　隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展,，變電站中需要處理的信息越來越多，包括數(shù)據(jù)信息,、視頻監(jiān)控,、安全信息等。變電站一般分布在人口相對少的地區(qū),，又由于其情況需要時刻掌握以保證安全,，所以需要相關(guān)人員實時監(jiān)控變電站內(nèi)部各個部分情況。

　　在現(xiàn)代化的變電站中由于智能機器人等智能巡檢設(shè)備的加入,，可以不用像以前一樣需要人力頻繁去現(xiàn)場監(jiān)控,，減少了一定的安全隱患并且提高了效率。但是智能巡檢機器人或者變電站智能終端傳送到監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)量不斷擴大,，消耗了大量的流量資源,。

　　圖2面向業(yè)務(wù)的5G邊緣計算解決方案

　　除了變電站內(nèi)部運維數(shù)據(jù)，從變電站向用戶傳輸電力時,，每天各個時段輸送的電量,、不同地區(qū)所需電量也屬于大流量數(shù)據(jù)，導致處理數(shù)據(jù)更加麻煩且任務(wù)量大,。

　　5.2面向業(yè)務(wù)的5G邊緣計算解決方案

　　通過利用5G和邊緣計算的網(wǎng)關(guān)設(shè)備,，能夠在邊緣設(shè)備即可將大量的數(shù)據(jù)存儲并進行初步處理，然后將非常重要的信息,，例如有安全隱患的數(shù)據(jù),，發(fā)送到監(jiān)控中心并提出警示信號，使得監(jiān)管人員能夠在及時發(fā)現(xiàn)并采取相應(yīng)的措施,，達到效率速度化,。

　　根據(jù)電網(wǎng)的業(yè)務(wù)需求，可分為：低時延的智能配電,、負控業(yè)務(wù),，多連接的低壓抄表、分布接入業(yè)務(wù)和大帶寬的巡檢機器,、應(yīng)急通信業(yè)務(wù);結(jié)合5G邊緣計算的特點,，各種類型的業(yè)務(wù)通過網(wǎng)關(guān)匯聚，接入到邊緣計算中心;根據(jù)業(yè)務(wù)的需要,，進一步上傳到控制子站或主站,。

　　面向業(yè)務(wù)的5G邊緣計算解決方案如圖2所示。

　　6安科瑞智能網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品解決方案

　　6.1智能網(wǎng)關(guān)功能介紹

　　 -- 終端設(shè)備與系統(tǒng)平臺間的數(shù)據(jù)交互橋梁

　　A:數(shù)據(jù)采集(支持串口、以太網(wǎng),，只需配置即可兼容支持標準電力規(guī)約的各類儀表)

　　B:數(shù)據(jù)上傳(支持往上海分類分項能耗平臺,、寧夏電力需求側(cè)平臺、江蘇電力運維平臺,、浙江電力運維平臺上傳數(shù)據(jù)),，具有多平臺上傳能力;

　　C:邊緣計算(靈活的報警閾值設(shè)置、主動上傳報警信息,、數(shù)據(jù)合并計算,、斷點續(xù)傳、數(shù)據(jù)加密,、4G路由)

　　D:遠程管理(遠程配置,、遠程升級、遠程監(jiān)視)

ANe增強型配電智能網(wǎng)關(guān) 數(shù)據(jù)采集實時監(jiān)控

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作者簡介：潘麗,，女,，本科  現(xiàn)任于安科瑞電氣股份有限公司