邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)及基于無(wú)線通信技術(shù)的電網(wǎng)應(yīng)用

文摘：隨著數(shù)據(jù)信息量的大幅增長(zhǎng)和5G技術(shù)的發(fā)展，以5G為核心的邊緣計(jì)算技術(shù)作為一種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理方法，有著廣泛的應(yīng)用前景。首先分析了5G，邊緣計(jì)算的特點(diǎn)，然后研究將這兩種技術(shù)結(jié)合到網(wǎng)關(guān)，根據(jù)變電站的業(yè)務(wù)背景，提出基于5G邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用方案。

0.引言

伴隨著5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，邊緣計(jì)算技術(shù)受到了越來(lái)越多的關(guān)注。商業(yè)需求和網(wǎng)絡(luò)升級(jí)進(jìn)一步推動(dòng)邊緣計(jì)算的發(fā)展[1]。云容量不足，無(wú)法滿足飛速增長(zhǎng)的海量數(shù)據(jù)需求。另外，由于傳輸負(fù)載的急劇增長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致延遲增長(zhǎng)，無(wú)法滿足實(shí)時(shí)要求，使邊緣計(jì)算成為研究的熱點(diǎn)。

作為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸中的關(guān)鍵設(shè)備，網(wǎng)關(guān)起著協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理的功能，采用邊界計(jì)算的方法，可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初始過(guò)濾和邊緣網(wǎng)絡(luò)處理，向監(jiān)管平臺(tái)發(fā)送重要安全信息并發(fā)布預(yù)警，使處理信息的效率得以提高，能夠更加及時(shí)地獲取隱患信息。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，變電站在智能電網(wǎng)中的作用越來(lái)越大，但隨著傳感器數(shù)量的增加和智能巡檢機(jī)器人的普及，變電站的數(shù)據(jù)傳輸量也日益增加。若將所有數(shù)據(jù)送至云中進(jìn)行處理，會(huì)造成時(shí)延增長(zhǎng)，處理不及時(shí)，無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患，而基于5G的邊緣計(jì)算技術(shù)可以解決這些問(wèn)題。

本論文從5G和邊緣計(jì)算的特點(diǎn)出發(fā)，研究了將這兩種技術(shù)結(jié)合到網(wǎng)關(guān)，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中變電站的業(yè)務(wù)背景，提出解決方案。

1 5G技術(shù)特征。

工信部發(fā)放的5G商用牌照標(biāo)志著中國(guó)正式進(jìn)入5G商用時(shí)代，但5G技術(shù)的發(fā)展仍在繼續(xù)，正在為我們的生活提供更便捷的應(yīng)用。

5G全稱為第五代通信技術(shù)，是新一代的蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)，其特點(diǎn)如下：

(1)數(shù)據(jù)傳輸速率高，可達(dá)10GB/s，能滿足大容量傳輸；

(2)低延遲、LTE網(wǎng)絡(luò)使移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)延遲達(dá)到100ms，而5G網(wǎng)絡(luò)則能達(dá)到1ms的時(shí)延，能滿足對(duì)時(shí)延要求非常低的服務(wù)；

(3)改進(jìn)系統(tǒng)能力和大規(guī)模設(shè)備連接，以滿足物聯(lián)網(wǎng)的需求，將不同終端連接在一起。

5G不僅是移動(dòng)電話通訊的一項(xiàng)重大進(jìn)步，對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)也是一項(xiàng)非常有用的技術(shù)，它帶來(lái)的便利和技術(shù)的變化，都將推動(dòng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

2.邊緣計(jì)算技術(shù)的特征。

在邊緣計(jì)算中，數(shù)據(jù)處理被集成到邊緣設(shè)備中，其目的在于減少延時(shí)，使數(shù)據(jù)可以快速處理，而不需要等待數(shù)據(jù)被傳送到傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心去處理，在延時(shí)較短的情況下，相應(yīng)的應(yīng)用程序可以更早地運(yùn)行。與此同時(shí)，與云和數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)相比，本地設(shè)備的數(shù)據(jù)管理花費(fèi)更少，因此可以降低成本[2]。具體地說(shuō)，邊緣計(jì)算有以下特征：

(1)時(shí)延低：利用邊緣設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理，有效減少響應(yīng)時(shí)間。

(2)成本低：利用邊緣設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾.計(jì)算和分析，減少在骨干網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳送量，降低網(wǎng)絡(luò)帶寬需求，從而降低數(shù)據(jù)處理費(fèi)用和設(shè)備能耗。

(3)可靠性高：邊緣設(shè)備本身有處理能力，即使上層數(shù)據(jù)處理中心出了問(wèn)題，也不會(huì)影響使用者的正常使用。

邊計(jì)算就是為解決云計(jì)算去中心化而提出的，目前云計(jì)算都是把服務(wù)器集中放在一個(gè)數(shù)據(jù)中心，

數(shù)據(jù)需要先傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，然后才能集中處理，但隨著終端設(shè)備數(shù)量的增加，數(shù)據(jù)量的逐漸增大，傳輸如此龐大的數(shù)據(jù)開(kāi)銷非常昂貴，時(shí)延也成為瓶頸。在設(shè)備端進(jìn)行邊緣計(jì)算分布，也就是說(shuō)，各種終端設(shè)備都增加了存儲(chǔ)、處理等功能，這樣可以減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，減少時(shí)延，降低成本。與此同時(shí)，隱私權(quán)數(shù)據(jù)在傳輸?shù)皆茣r(shí)可能會(huì)出現(xiàn)泄漏問(wèn)題，利用邊緣計(jì)算可以減少數(shù)據(jù)泄漏的可能性。

3.移動(dòng)邊緣計(jì)算技術(shù)在5G中的應(yīng)用場(chǎng)景。

移動(dòng)邊緣計(jì)算技術(shù)是指在移動(dòng)通信網(wǎng)側(cè)配置具有計(jì)算和管理能力的服務(wù)器，提高無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)的信息處理能力，降低移動(dòng)骨干網(wǎng)絡(luò)的傳輸帶寬。5G具有低延遲、高可靠等特點(diǎn)，將促進(jìn)移動(dòng)邊緣計(jì)算的發(fā)展。本論文以ITU-T為基礎(chǔ)，結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場(chǎng)景和邊緣計(jì)算技術(shù)特點(diǎn)，研究了5G移動(dòng)邊緣計(jì)算的應(yīng)用場(chǎng)景。

3.1增強(qiáng)移動(dòng)帶寬方案(eMMB)

與4G相比，5G采用LDPC編碼，高階調(diào)制.大規(guī)模MIMO、毫米波等技術(shù)手段，進(jìn)一步擴(kuò)展頻譜帶寬，5G的總體頻譜效率比4G高3倍，用戶體驗(yàn)率可達(dá)1GB/s，這給人們帶來(lái)不同的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)，但對(duì)核心網(wǎng)絡(luò)也是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

為滿足5G網(wǎng)絡(luò)的靈活性和低延遲，減輕網(wǎng)絡(luò)回傳負(fù)擔(dān)，核心網(wǎng)下沉、云邊緣化成為必然趨勢(shì)。云邊緣化是指使5G無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)具備云計(jì)算的能力，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的本地化.數(shù)據(jù)緩存.數(shù)據(jù)局部計(jì)算等功能。

本文以無(wú)人駕駛飛機(jī)巡檢為例，通過(guò)控制臺(tái)，與5G基站相連，在5G基站側(cè)設(shè)置邊緣計(jì)算服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻.圖像和控制信息的本地存儲(chǔ)和處理，并通過(guò)控制臺(tái)直接返回到控制臺(tái)，確保巡檢工作順利進(jìn)行。

3.2大容量機(jī)類通信(MTC)

與4G相比，可連接數(shù)密度方面，5G每平方千米的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量高達(dá)一百萬(wàn)臺(tái)，提高10倍，同時(shí)5G大容量機(jī)器類通訊具有數(shù)據(jù)包小、功耗低等特點(diǎn)。

據(jù)預(yù)測(cè)，2020年全球物聯(lián)網(wǎng)終端數(shù)量將達(dá)500億。在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中大規(guī)模部署不僅是對(duì)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的挑戰(zhàn)，更是對(duì)終端電池容量的考驗(yàn)。因此，將5G大容量計(jì)算機(jī)通信技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)終端的快速增長(zhǎng)需求相結(jié)合，與邊緣計(jì)算相結(jié)合，縮短物聯(lián)網(wǎng)終端的連接時(shí)間，將進(jìn)一步降低物聯(lián)網(wǎng)終端的能耗。

作為一種電力系統(tǒng)采集業(yè)務(wù)，隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，采集對(duì)象的數(shù)量.采集內(nèi)容的種類.采集頻率大大提高。有了5G的部署，就可以實(shí)現(xiàn)采集的準(zhǔn)實(shí)時(shí)性，采集的內(nèi)容多種多樣，采集范圍更廣，采集數(shù)量更多。

3.3低時(shí)延高可靠通信（ｕＲＬＬＣ）

與4G相比，5G將會(huì)是1ms級(jí)，而5G將會(huì)提高10ms；在移動(dòng)性方面，5G支持每小時(shí)500km/h的通信環(huán)境，可提供1.43倍的提升。所以，5G網(wǎng)絡(luò)具有處理速度快、低延遲的能力?？蓾M足車聯(lián)網(wǎng)、工控等垂直行業(yè)對(duì)特殊應(yīng)用的需求。

作為實(shí)例，本文介紹了一種基于5G網(wǎng)絡(luò)的變電所機(jī)器人遠(yuǎn)距離控制方法，結(jié)合邊緣計(jì)算技術(shù)可以達(dá)到毫秒級(jí)的響應(yīng)，保證巡檢發(fā)現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，能及時(shí)回傳故障信息，確保生產(chǎn)業(yè)務(wù)安全。

4.邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)基于5G。

以5G為基礎(chǔ)的邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)是一種連接網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，它通過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換來(lái)進(jìn)行信息交換，一方面用邊緣計(jì)算改善數(shù)據(jù)計(jì)算性能，另一方面用5G提升信息傳輸效率[5]。

5G邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)體系結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1。本系統(tǒng)由云服務(wù)器.邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)設(shè)備、傳感器等終端設(shè)備組成。邊緣化計(jì)算模塊包括邊緣應(yīng)用軟件和邊緣計(jì)算平臺(tái)兩大部分：數(shù)據(jù)采集模塊從傳感器等終端上收集數(shù)據(jù)，然后邊緣計(jì)算平臺(tái)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一控制和管理。邊緣化應(yīng)用程序提供運(yùn)行環(huán)境，包括信息獲取，處理邊緣數(shù)據(jù)，從云服務(wù)器接收指令，并執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。并且用戶所需要做的是在云服務(wù)器上完成指令的發(fā)送，云服務(wù)通過(guò)無(wú)線信號(hào)(Wi-Fi).以太網(wǎng)和4G.5G等向網(wǎng)關(guān)設(shè)備發(fā)送指令，在網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換協(xié)議之后，邊緣計(jì)算模塊向終端設(shè)備發(fā)出操作指令[4]。目前，5G的發(fā)展還處于起步階段，運(yùn)營(yíng)商在5G部署時(shí)，主要采用的是非獨(dú)立組網(wǎng)，有必要使用4G基站.增強(qiáng)的4G基站和少量的5G基站，但由于所用的仍是4G核心網(wǎng)，無(wú)法提供特別低的延遲，需要等到5G技術(shù)不斷發(fā)展，再通過(guò)獨(dú)立的組網(wǎng)SA技術(shù)，5G核心網(wǎng)利用網(wǎng)絡(luò)切片靈活的利用網(wǎng)絡(luò)資源，可以極大地提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量，并提供低延遲。

圖１５Ｇ邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)

基于５Ｇ的邊緣計(jì)算，可以充分利用５Ｇ高速度、大容量和低時(shí)延的三個(gè)特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的接入和處理，保證業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性和有效性。

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

5.1商業(yè)背景。

變電所在電網(wǎng)的傳輸中扮演著非常重要的角色──它是把電力系統(tǒng)中的電壓、電流進(jìn)行交換，接收電能并把來(lái)自發(fā)電機(jī)的電能輸送到高壓電網(wǎng)中，然后再輸送給高壓電網(wǎng)。

伴隨著智能型電網(wǎng)的發(fā)展，變電站信息、視頻監(jiān)控、安全信息等信息也在不斷增加。變電所普遍分布在人口比較稀少的地區(qū)，又因其情況時(shí)時(shí)掌握，因此需要專業(yè)人員對(duì)變電站內(nèi)各部分進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

現(xiàn)代變電所由于加入了智能機(jī)器人等智能巡檢設(shè)備，就可以不用像以前那樣經(jīng)常需要人工對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)控，減少了一定的安全隱患并提高了效率。但智能巡檢機(jī)器人或變電站智能終端向監(jiān)控中心傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量越來(lái)越大，消耗了大量的流量資源。

圖２面向業(yè)務(wù)的５Ｇ邊緣計(jì)算解決方案

除了變電站內(nèi)部運(yùn)維數(shù)據(jù)，從變電站向用戶傳輸電力時(shí)，每天各個(gè)時(shí)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(dǎo)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(jì)算解決方案

通過(guò)利用５Ｇ和邊緣計(jì)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(chǔ)并進(jìn)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(hào)，使得監(jiān)管人員能夠發(fā)現(xiàn)并采取相應(yīng)的措施，達(dá)到效率速度化。

根據(jù)電網(wǎng)的業(yè)務(wù)需求，可分為：低時(shí)延的智能配電、準(zhǔn)確負(fù)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(jī)器、應(yīng)急通信業(yè)務(wù)；結(jié)合５Ｇ邊緣計(jì)算的特點(diǎn)，各種類型的業(yè)務(wù)通過(guò)網(wǎng)關(guān)匯聚，接入到邊緣計(jì)算中心；根據(jù)業(yè)務(wù)的需要，進(jìn)一步上傳到控制子站或主站。

面向業(yè)務(wù)的５Ｇ邊緣計(jì)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(tái)間的數(shù)據(jù)交互橋梁

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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(biāo)準(zhǔn)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(xiàng)能耗平臺(tái)、寧夏電力需求側(cè)平臺(tái)、江蘇電力運(yùn)維平臺(tái)、浙江電力運(yùn)維平臺(tái)上傳數(shù)據(jù)），具有多平臺(tái)上傳能力；

C:邊緣計(jì)算（靈活的報(bào)警閾值設(shè)置、主動(dòng)上傳報(bào)警信息、數(shù)據(jù)合并計(jì)算、斷點(diǎn)續(xù)傳、數(shù)據(jù)加密、4G路由）

D:遠(yuǎn)程管理（遠(yuǎn)程配置、遠(yuǎn)程升級(jí)、遠(yuǎn)程監(jiān)視）

6.2 安科瑞智能網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品介紹

6.2.1 Anet-**/4G系列導(dǎo)軌式智能網(wǎng)關(guān)

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ANT**/4G是安科瑞電氣股份有限公司自主開(kāi)發(fā)的一種具有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊功能的通用型智能通訊管理機(jī)，適合國(guó)家公務(wù)機(jī)關(guān)、企事業(yè)單位、公共機(jī)構(gòu)、住宅樓、酒店和餐飲商場(chǎng)等領(lǐng)域，能滿足水、電、氣、油、冷、熱、冷等不同用量及能耗分項(xiàng)計(jì)量數(shù)據(jù)采集要求。

這個(gè)設(shè)備可以用于下列應(yīng)用場(chǎng)景：

?電源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)? 電力質(zhì)量系統(tǒng) ?互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng) ?Development系統(tǒng)。
?建筑能耗系統(tǒng) ?遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)系統(tǒng) ?消防防護(hù)系統(tǒng) ?智能建筑系統(tǒng)

技術(shù)特點(diǎn)

6.2.2Anet-2E4SM/4G模塊化智能網(wǎng)關(guān)

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ANet-2E4SM模塊化通信管理機(jī)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(jī)，將傳統(tǒng)管理機(jī)的接口拆分成可拼裝搭配的模塊，其中主模塊可作為標(biāo)準(zhǔn)智能通信管理機(jī)獨(dú)立工作， 整個(gè)設(shè)備可通過(guò)串口、以太網(wǎng)、Lora無(wú)線、wifi無(wú)線等鏈路采集水表、氣表、電表、微機(jī)保護(hù)等設(shè)備 終端的數(shù)據(jù)，標(biāo)配的8路無(wú)源干接點(diǎn)可實(shí)時(shí)采集門禁、水浸、煙感等開(kāi)關(guān)量信息，可通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)、 WiFi網(wǎng)絡(luò)、4G網(wǎng)絡(luò)等鏈路上傳告警、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等信息。主模塊搭配從模塊可靈活擴(kuò)展，增加更豐富的 應(yīng)用場(chǎng)景，同時(shí)還可提供邊緣計(jì)算等需求。

該設(shè)備可用于以下應(yīng)用場(chǎng)景：

?電力監(jiān)控系統(tǒng) ?電能質(zhì)量系統(tǒng) ?物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng) ?電力需求側(cè)系統(tǒng)

?建筑能耗系統(tǒng) ?遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)系統(tǒng) ?第三方云平臺(tái) ?泛在電力物聯(lián)網(wǎng)

?運(yùn)維系統(tǒng)平臺(tái) ?能源綜合管理平臺(tái)

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AWT100數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊是安科瑞電氣推出的新型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換DTU、通信數(shù)據(jù)。

它的產(chǎn)品包括2G、4G、NB、LoRa、LoRaWAN、GPS、WiFi、CE、DP等通信方式，下行口為RS485標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口，可方便地與電力儀表、RTU、PLC、工控機(jī)等設(shè)備進(jìn)行連接，初始化配置只需要一次完成，同時(shí)，AWT100系列無(wú)線通信終端采用了功能強(qiáng)大的微處理芯片，實(shí)現(xiàn)了MODBUS設(shè)備的數(shù)據(jù)采集。內(nèi)置式看門狗技術(shù)，性能可靠穩(wěn)定。

結(jié)語(yǔ)

論述了邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)及其在5G電網(wǎng)中的應(yīng)用，并結(jié)合變電業(yè)務(wù)介紹了5G網(wǎng)絡(luò)，邊緣計(jì)算在變電站中的應(yīng)用方案。盡管5G技術(shù)尚處于起步階段，但最初的部署仍采用非獨(dú)立組網(wǎng)，無(wú)法充分顯示出它的特點(diǎn)(如低延遲)，認(rèn)為隨著5G和邊緣計(jì)算技能體系的不斷完善，獨(dú)立組網(wǎng)部署5G技術(shù)也逐步成熟，可以更精確、更便捷，對(duì)較多數(shù)據(jù)信息進(jìn)行快速處理，達(dá)到了提高數(shù)據(jù)傳輸率、減少延遲的目的。

作者簡(jiǎn)介：張星，女，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線通訊邊緣計(jì)算智能網(wǎng)關(guān)的研發(fā)與應(yīng)用。

審核編輯：符乾江