基于無線通訊技術的邊緣計算網(wǎng)關及其在電網(wǎng)中的應用

劉丹

（安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801）

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(wǎng)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(wǎng)關應用解決方案。

關鍵詞：５Ｇ網(wǎng)絡；邊緣計算；網(wǎng)關；電網(wǎng)應用
 0、引言

隨著５Ｇ網(wǎng)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(wǎng)絡升級進一步驅動了邊緣計算的發(fā)展［１］。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)關作為網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)技術的發(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(wǎng)關中的融合，基于電網(wǎng)中變電站的業(yè)務背景提出解決方案。

 1、 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）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)絡使得移動網(wǎng)絡時延達到１００ｍｓ，但是５Ｇ網(wǎng)絡能夠達到１ｍｓ的時延，可以滿足對時延要求很低的服務；（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(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，它所帶來的方便以及技術變革將會促進經(jīng)濟發(fā)展。

2、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(wǎng)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：（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，響應的時間地縮短。（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(wǎng)絡的傳輸量，降低網(wǎng)絡帶寬需求，從而降低數(shù)據(jù)處理成本和設備能耗。（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］。

3、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(wǎng)絡側配置具有計算和管理能力的服務器，提升無線接入網(wǎng)絡的信息處理能力，降低移動骨干網(wǎng)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(wǎng)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(diào)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(wǎng)絡體驗，同時也給核心網(wǎng)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。為了滿足５Ｇ網(wǎng)絡的靈活性和低時延、減輕網(wǎng)絡回傳負擔，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(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(wǎng)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(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?？梢哉f，５Ｇ海量機器類通信技術大大地滿足了物聯(lián)網(wǎng)終端飛速增長的需求；此外，結合邊緣計算，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)的特殊應用需求。以電網(wǎng)變電站機器巡檢為例，通過５Ｇ網(wǎng)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(chǎn)業(yè)務安全。

4、基于５Ｇ的邊緣計算網(wǎng)關

基于５Ｇ的邊緣計算網(wǎng)關作為一個將網(wǎng)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［５］。５Ｇ邊緣計算網(wǎng)關系統(tǒng)結構圖如圖１所示。該網(wǎng)關系統(tǒng)由云服務器、邊緣計算網(wǎng)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Ｗｉ－Ｆｉ等）、以太網(wǎng)和４Ｇ、５Ｇ等方式將指令發(fā)送到網(wǎng)關設備，網(wǎng)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［４］。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技術不斷發(fā)展，通過獨立組網(wǎng)ＳＡ技術，５Ｇ核心網(wǎng)利用網(wǎng)絡切片靈活地使用網(wǎng)絡資源，才能大大提升網(wǎng)絡服務質(zhì)量以及提供低時延。 圖１５Ｇ邊緣計算網(wǎng)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)務的實時性和性。5、基于５Ｇ邊緣計算網(wǎng)關在電網(wǎng)中的應用5.1業(yè)務背景在電網(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較少的地區(qū)，又由于其情況時刻掌握以保證安全，所以需要人員實時監(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)量不斷變大，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(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(wǎng)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)管人員能夠發(fā)現(xiàn)并采取相應的措施，達到效率速度化。根據(jù)電網(wǎng)的業(yè)務需求，可分為：低時延的智能配電、準確負控業(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(wǎng)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。6安科瑞智能網(wǎng)關產(chǎn)品解決方案6.1智能網(wǎng)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(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(wǎng)關產(chǎn)品介紹6.2.1 Anet-**/4G系列導軌式智能網(wǎng)關ANet-**/4G是安科瑞電氣股份有限公司自主研發(fā)的一款帶全網(wǎng)通無線聯(lián)網(wǎng)功能的通用型智能 通信管理機，適用于公務、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(zhì)量系統(tǒng) ?物聯(lián)網(wǎng)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 6.2.2Anet-2E4SM/4G模塊化智能網(wǎng)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(wǎng)、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(wǎng)絡、 WiFi網(wǎng)絡、4G網(wǎng)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(zhì)量系統(tǒng) ?物聯(lián)網(wǎng)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(wǎng) ?運維系統(tǒng)平臺 ?能源綜合管理平臺 技術特點6.2.3AWT100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(nèi)置看門狗技術，性能可靠穩(wěn)定。可應用于行業(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(wǎng)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-LoRa 無線通信終端典型應用

6.3Anet系列智能網(wǎng)關證書報告


               
7結語本文對基于５Ｇ的邊緣計算網(wǎng)關及其在電網(wǎng)中的運用進行討論，結合變電業(yè)務介紹了５Ｇ網(wǎng)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(wǎng)，并不能夠*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(wǎng)部署５Ｇ技術逐漸成熟，能夠更加準確、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。 8參考文獻[1]趙佶．邊緣計算網(wǎng)關設備的構建和部署問題的研究［Ｄ］．大連：大連理工大學，２０１８．[2]馬洪源，肖子玉，卜忠貴，等．５Ｇ邊緣計算技術及應用展望［Ｊ］．電信科學，２０１９，３５（６）：１１４－１２３．[3]馬曉凱．５Ｇ邊緣計算技術詳解與應用分析［Ｊ］．中國新技術新產(chǎn)品，２０１９（１６）：２８－２９．[4]于海飛，張愛軍．基于ＭＱＴＴ的多協(xié)議物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設計與實現(xiàn)［Ｊ］．國外電子測量技術，２０１９，３８（１１）：４５－５１．[5]何錚．基于邊緣計算的企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關［Ｊ］．電腦編程技巧與維護，２０１９（０９）：１４９－１５１，１５９．[6]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2020.06版