【節(jié)能學院】基于無線通訊技術的邊緣計算網關及其在電網中的應用

摘要

隨著數(shù)據(jù)信息量的大幅度提升以及5G技術的發(fā)展，基于5G的邊緣計算技術，作為一種實時快速數(shù)據(jù)處理方式，具有廣闊的應用前景。先對5G、邊緣計算的特點進行了研究，然后研究這兩種技術在網關中的融合，基于變電站的業(yè)務背景提出基于5G的邊緣計算網關應用解決方案。

關鍵詞：5G網絡；邊緣計算；網關；電網應用

引言

隨著5G網絡技術的發(fā)展，基于5G的邊緣計算技術得到廣泛關注。業(yè)務需求和網絡升級進一步驅動了邊緣計算的發(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。

網關作為網絡數(shù)據(jù)傳輸中的關鍵設備，發(fā)揮著協(xié)議轉換和數(shù)據(jù)處理的作用，通過邊緣計算的手段可以將數(shù)據(jù)在邊緣網關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)網技術的發(fā)展，變電站在智能電網中發(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在網關中的融合，提出基于電網中變電站的業(yè)務背景的解決方案。

01. 5G技術特點

2019年６月，工信部發(fā)放了5G商用牌照，標志著中國正式進入5G商用元年，但是5G技術發(fā)展仍在繼續(xù)，正不斷地為我們的生活提供更加方便的應用。

5G全稱第五代通信技術，是新一代蜂窩移動通信技術，具有如下特點：

1.1 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；

1.2 低延遲，ＬＴＥ網絡使得移動網絡時延達到100ｍｓ，但是5G網絡能夠達到１ｍｓ的時延，可以滿足對時延要求很低的服務；

1.3 提高系統(tǒng)容量和大規(guī)模設備連接，可以滿足物聯(lián)網要求，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)網來說也是非常有用的技術，它所帶來的方便以及技術變革將會促進經濟發(fā)展。

02. 邊緣計算技術的特點

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，相應的應用程序就能夠更早地運行。同時，在本地設備的數(shù)據(jù)管理上的花費比在云和數(shù)據(jù)中心網絡上的花費更少，從而能夠降低成本［２］。具體而言，邊緣計算的特點如下：

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

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

2.3 可靠性高：邊緣設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備端，即將各種終端設備增加了存儲、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］。

03. 基于5G的移動邊緣計算技術應用場景

傳統(tǒng)的移動邊緣計算技術指的是在移動通信網絡側配置具有計算和管理能力的服務器，提升無線接入網絡的信息處理能力，降低移動骨干網絡的傳輸帶寬。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。本文結合ITU－T定義的5G網絡應用場景和邊緣計算技術特點，研究基于5G移動邊緣計算技術的應用場景。

3.1 增強型移動帶寬場景（eMMB）

相較于4G，5G采用LDPC編碼、高階調制、大規(guī)模MIMO和毫米波等技術手段，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絡體驗，同時也給核心網帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

為了滿足5G網絡的靈活性和低時延、減輕網絡回傳負擔，核心網下沉和云邊緣化成為必然趨勢。云邊緣化就是使5G無線接入網絡具有云計算能力，實現(xiàn)業(yè)務的本地化、數(shù)據(jù)緩存、數(shù)據(jù)本地計算等功能。

以電網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基站側部署邊緣計算服務器，實現(xiàn)視頻、圖像和控制信息的本地存儲和處理，然后相關處理結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每平方千米可連網設備的數(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年全球的物聯(lián)網終端達到500億個。大規(guī)模的物聯(lián)網終端部署，不但給物聯(lián)網網絡系統(tǒng)帶來了挑戰(zhàn)，而且考驗著物聯(lián)網終端的電池容量。可以說，5G海量機器類通信技術大大地滿足了物聯(lián)網終端飛速增長的需求；此外，結合邊緣計算，縮短物聯(lián)網終端連接時間，將進一步降低物聯(lián)網終端的能耗。

以電網采集類業(yè)務為例，隨著智能電網的發(fā)展，采集對象數(shù)量、采集內容種類、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網絡具有高速、低時延的處理能力。這可以滿足車聯(lián)網、工業(yè)控制等垂直行業(yè)的特殊應用需求。

以電網變電站機器巡檢為例，通過5G網絡實現(xiàn)機器人遠程控制，結合邊緣計算的技術，可實現(xiàn)毫秒級的響應，保證巡檢發(fā)現(xiàn)問題時，故障信息及時回傳和處理，確保生產業(yè)務安全。

04. 基于5G的邊緣計算網關

基于5G的邊緣計算網關作為一個將網絡互聯(lián)的設備，通過協(xié)議轉換來實現(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邊緣計算網關系統(tǒng)結構圖如圖１所示。該網關系統(tǒng)由云服務器、邊緣計算網關設備以及傳感器等終端設備組成。邊緣計算模塊由邊緣應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，接收來自云服務器的指令并執(zhí)行對應的操作。而用戶所需要操作的就是在云服務器完成指令的發(fā)送，云端服務器利用無線信號（如WIFI等）、以太網和4G、5G等方式將指令發(fā)送到網關設備，網關對其進行協(xié)議轉換后在邊緣計算模塊發(fā)出對終端設備的操作指令。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，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，并不能提供特別低的時延，需要等到5G技術不斷發(fā)展，通過獨立組網SA技術，5G核心網利用網絡切片靈活地使用網絡資源，才能大大提升網絡服務質量以及提供低時延。

圖１5G邊緣計算網關系統(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)務的實時性。

05. 基于5G邊緣計算網關在電網中的應用

5.1 業(yè)務背景

在電網傳輸中，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中。

隨著智能電網的發(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稀少的地區(qū)，又由于其情況需要時刻掌握以保證安全，所以需要相關人員實時監(jiān)控變電站內部各個部分情況。

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)量不斷增大，消耗了大量的流量資源。

圖２面向業(yè)務的5G邊緣計算解決方案

除了變電站內部運維數(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)更加麻煩且任務量大。

5.2 面向業(yè)務的5G邊緣計算解決方案

通過利用5G和邊緣計算的網關設備，能夠在邊緣設備即可將大量的數(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)并采取相應的措施，達到效率速度化。

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

面向業(yè)務的5G邊緣計算解決方案如圖２所示。

06. 安科瑞智能網關產品解決方案

6.1 智能網關功能介紹

終端設備與系統(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，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）

6.2 安科瑞智能網關產品介紹

6.2.1 Anet-XX/4G系列導軌式智能網關

ANet-XX/4G是安科瑞電氣股份有限公司自主研發(fā)的一款帶全網通無線聯(lián)網功能的通用型智能 通信管理機，適用于國家公務機關、企事業(yè)單位、公共機構、住宅商業(yè)樓宇、酒店餐飲商場等領域， 可滿足水、電、氣、油、冷量、熱量等各種形式的用量及能源能耗分項計量數(shù)據(jù)采集的需求。

該設備可用于以下應用場景：

電力監(jiān)控系統(tǒng),電能質量系統(tǒng),物聯(lián)網系統(tǒng),電力需求側系統(tǒng), 建筑能耗系統(tǒng),遠程預付費系統(tǒng),消防防護系統(tǒng),智能建筑系統(tǒng)

技術特點

6.2.2 Anet-2E4SM/4G模塊化智能網關

ANet-2E4SM模塊化通信管理機是安科瑞電氣股份有限公司自主研發(fā)的一款通用型智能通信管理機，將傳統(tǒng)管理機的接口拆分成可拼裝搭配的模塊，其中主模塊可作為標準智能通信管理機獨立工作， 整個設備可通過串口、以太網、Lora無線、wifi無線等鏈路采集水表、氣表、電表、微機保護等設備 終端的數(shù)據(jù)，標配的8路無源干接點可實時采集門禁、水浸、煙感等開關量信息，可通過有線網絡、 WiFi網絡、4G網絡等鏈路上傳告警、實時數(shù)據(jù)等信息。主模塊搭配從模塊可靈活擴展，增加更豐富的 應用場景，同時還可提供邊緣計算等需求。

該設備可用于以下應用場景：

電力監(jiān)控系統(tǒng),電能質量系統(tǒng),物聯(lián)網系統(tǒng),電力需求側系統(tǒng),建筑能耗系統(tǒng),遠程預付費系統(tǒng),第三方云平臺,泛在電力物聯(lián)網,運維系統(tǒng)平臺,能源綜合管理平臺

技術特點

6.2.3 AWT100系列簡易型協(xié)議轉換模塊

AWT100 數(shù)據(jù)轉換模塊是安科瑞電氣推出的新型數(shù)據(jù)轉換 DTU，通訊數(shù)據(jù)轉換包括 2G、4G、NB、LoRa、LoRaWAN，GPS,WiFi,CE,DP 等通訊方式，下行接口提供了標準 RS485 數(shù)據(jù)接口， 可以方便的連接電力儀表、RTU、PLC、工控機等設備，僅需一次性完成初始化配置，就可以完成對 MODBUS 設 備的數(shù)據(jù)采集；同時 AWT100 系列無線通訊終端采用了功能強大的微處理芯片，配合內置看門狗技術，性能可靠穩(wěn)定?？蓱糜谛袠I(yè)領域如下：

無線抄表；

樓宇自動化與安防；

機器人控制；

電力配網監(jiān)控、電力負荷監(jiān)控；

智能照明控制；

自動化數(shù)據(jù)采集；

工業(yè)遙控遙測；

高速公路、鐵路數(shù)據(jù)傳輸；

其他電力以及工控行業(yè)等

A) 4G/NB/2G型號及技術參數(shù)

B）Lora/LoraWAN型號及技術參數(shù)

C) GPS/WIFI/CE/DP通訊型號及技術參數(shù)

D) 典型應用方案

AWT100-2G/NB/4G 無線通信終端典型應用

AWT100-LoRa 無線通信終端典型應用

6.3 Anet系列智能網關證書報告

07. 結語

本文對基于5G的邊緣計算網關及其在電網中的運用進行討論，結合變電業(yè)務介紹了5G網絡、邊緣計算在變電站中的應用方案。雖然5G技術還在起步階段，初步部署也是使用非獨立組網，并不能夠完全展現(xiàn)其特點（例如低時延），相信隨著5G及邊緣計算技體系的不斷完善，獨立組網部署5G技術逐漸成熟，能夠更加方便、快速地處理更多的數(shù)據(jù)信息，達到提升數(shù)據(jù)傳輸率、降低時延的目的。