基于邊緣計(jì)算的輸電線路在線監(jiān)測通信組網(wǎng)技術(shù)研究

張紹北

（中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司柳州局，廣西 柳州 545000）

0 引 言

輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)是智能電網(wǎng)建設(shè)的重要組成部分，對掌控輸電線路實(shí)時(shí)狀態(tài)、提升輸電線路運(yùn)行管控水平等方面起到了積極的推進(jìn)作用[1]。各地主要采用運(yùn)營商提供的無線公網(wǎng)傳輸輸電線路狀態(tài)數(shù)據(jù)，但公網(wǎng)大多布設(shè)在偏遠(yuǎn)地區(qū)，存在信號(hào)覆蓋弱、傳輸速率低的缺點(diǎn)，只能用于傳輸圖像等低寬帶數(shù)據(jù)，像視頻類高寬帶數(shù)據(jù)則無法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定傳輸。公網(wǎng)通信模式使用費(fèi)用高、維護(hù)環(huán)節(jié)較多，增加了數(shù)據(jù)傳輸成本。光纖傳輸具有傳輸效率高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但存在施工困難、纖芯協(xié)調(diào)困難等實(shí)際問題。此外，有少部分輸電公司采用無線專網(wǎng)傳輸，雖然和公網(wǎng)相比傳輸相對穩(wěn)定，但是功耗較大，需要配備專門的電源系統(tǒng)，增加了維護(hù)成本。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，大量異構(gòu)傳感器和采集業(yè)務(wù)終端連入輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)。這些物理設(shè)備存在因通信串口、通信協(xié)議、傳輸媒介不同而引發(fā)的數(shù)據(jù)聯(lián)通問題，不僅對網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬的需求較高，而且大幅增加了采集數(shù)據(jù)量，增加了數(shù)據(jù)中心的工作強(qiáng)度。

邊緣計(jì)算作為一種能夠減少數(shù)據(jù)傳輸、就近及時(shí)處理數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，非常貼合當(dāng)前輸電線路狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)的需求。因此，重點(diǎn)研究當(dāng)前在線監(jiān)測通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)合理的邊緣計(jì)算功能架構(gòu)和適用的邊緣計(jì)算通信組網(wǎng)，更好地完善輸電線路的實(shí)時(shí)監(jiān)控，為輸電線路的高效、穩(wěn)定運(yùn)行提供助力。

1 邊緣計(jì)算

1.1 邊緣計(jì)算的概念

邊緣計(jì)算也稱為邊緣處理，是一種將服務(wù)器放置在本地設(shè)備附近的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。所有的數(shù)據(jù)處理都是在傳感器或生成數(shù)據(jù)的設(shè)備處執(zhí)行。服務(wù)器放置于設(shè)備附近，不僅有助于減少系統(tǒng)處理負(fù)載，還解決了數(shù)據(jù)傳輸延遲的問題[2]。

1.2 邊緣計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)

（1）運(yùn)營效率高。邊緣計(jì)算通過收集本地站點(diǎn)的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的快速處理，相比原先將所收集的數(shù)據(jù)發(fā)送到幾個(gè)時(shí)區(qū)之外的中央云或主數(shù)據(jù)中心更節(jié)省時(shí)間，運(yùn)營效率更高。

（2）響應(yīng)時(shí)間快。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理是將收集的數(shù)據(jù)統(tǒng)一發(fā)送至中央處理器，會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)延遲、網(wǎng)絡(luò)瓶頸以及數(shù)據(jù)質(zhì)量下降等問題。而邊緣計(jì)算能夠繞過集中式云和數(shù)據(jù)中心位置，可以更快、更可靠地實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)，響應(yīng)迅速。

（3）提高生產(chǎn)力。邊緣計(jì)算使企業(yè)能夠更快地完成項(xiàng)目交付，提高企業(yè)生產(chǎn)力。此外，在利用自動(dòng)化和預(yù)測性維護(hù)的智能工作場所中，邊緣計(jì)算能夠確保員工所操作的設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行，不會(huì)出現(xiàn)中斷或其他容易預(yù)防的錯(cuò)誤。

（4）提高工作場所安全性。在設(shè)備故障或工作條件變化時(shí)，基于物聯(lián)網(wǎng)傳感器和邊緣計(jì)算所獲得的設(shè)備現(xiàn)場或附近的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患，從而提高工作場所的安全性，保障人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。

（5）更強(qiáng)的遠(yuǎn)程控制能力。在互聯(lián)網(wǎng)連接時(shí)斷時(shí)續(xù)或網(wǎng)絡(luò)寬帶有限的遠(yuǎn)程地點(diǎn)，邊緣計(jì)算能夠使數(shù)據(jù)收集變得更加容易、便捷，具有更強(qiáng)的遠(yuǎn)程控制能力。邊緣計(jì)算自帶的處理器能夠記錄和處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒霐?shù)據(jù)中心進(jìn)行進(jìn)一步的處理和分析。

1.3 邊緣計(jì)算的應(yīng)用場景

目前，邊緣計(jì)算憑借其優(yōu)勢已經(jīng)在諸多領(lǐng)域得到應(yīng)用。第一，自動(dòng)駕駛。汽車的人工智能芯片通過集成算法和傳感器，在車內(nèi)完成邊緣計(jì)算，從而保證車輛數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性。第二，智能家居?；谶吘売?jì)算和無線傳感技術(shù)建立智能家具聯(lián)動(dòng)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。利用家中的邊緣服務(wù)器節(jié)點(diǎn)，通過有線傳感器或無線傳感器收集信息，調(diào)控室內(nèi)環(huán)境。第三，智慧養(yǎng)老?；谑覂?nèi)傳感器和可穿戴設(shè)備采集用戶信息，通過邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)進(jìn)行用戶行為識(shí)別和異常判斷等。

此外，邊緣計(jì)算在智慧城市、智慧教育領(lǐng)域都有所應(yīng)用。結(jié)合邊緣計(jì)算在智慧場景中的各種應(yīng)用，應(yīng)用邊緣計(jì)算推動(dòng)智慧電力的發(fā)展，前景相當(dāng)可觀。

核心功能模塊是邊緣計(jì)算設(shè)備最關(guān)鍵的部分，其發(fā)揮著重要作用。協(xié)議解析主要是針對通信接口和通信協(xié)議的多樣性，開展相應(yīng)的接口適配和通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，保證多樣化數(shù)據(jù)的快速傳輸。此外，在不同的協(xié)議與接口之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換處理，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)設(shè)備之間的信息聯(lián)通。

數(shù)據(jù)處理模塊主要針對終端裝置采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、整理及分析處理，通過存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的后續(xù)可查，通過整理實(shí)現(xiàn)無效數(shù)據(jù)的清除，通過分析處理實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)信息的反饋。數(shù)據(jù)處理主要涉及兩方面內(nèi)容：一方面是針對數(shù)值數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，若數(shù)值超過事先設(shè)定的告警閾值，則發(fā)出故障告警信息；另一方面是針對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，若現(xiàn)有圖像與事先設(shè)定的圖像之間存在一定比列的偏差，則發(fā)出故障告警信息。

邊緣計(jì)算模塊負(fù)責(zé)對采集的數(shù)據(jù)和圖像信息進(jìn)行本地計(jì)算，依據(jù)結(jié)果對應(yīng)的設(shè)定行為發(fā)出行動(dòng)指令，從而保障輸電線路的穩(wěn)定運(yùn)行。通過邊緣計(jì)算可減少不必要的數(shù)據(jù)傳輸，簡化數(shù)據(jù)中心的處理工作，有助于釋放通信帶寬并降低數(shù)據(jù)中心荷載。

智能管控模塊負(fù)責(zé)執(zhí)行安全接入、資源配置等管理邏輯，并監(jiān)測傳輸信號(hào)的報(bào)文傳輸平均時(shí)延，進(jìn)而依據(jù)報(bào)文傳輸平均時(shí)延切換不同的通信方式。

安全防護(hù)模塊主要負(fù)責(zé)邊緣計(jì)算設(shè)備自身、接口及通信3個(gè)方面的安全保護(hù)。對于設(shè)備自身的安全防護(hù)，可以添加具有安全監(jiān)測和分析功能的硬件模塊；對于接口的安全防護(hù)，可以添加安全準(zhǔn)入模塊對終端設(shè)備的接入提供預(yù)防，添加安全接入模塊實(shí)現(xiàn)與管理平臺(tái)的雙向傳輸；對于通信的安全防護(hù)，可以綜合運(yùn)用安全準(zhǔn)入模塊、安全接入模塊以及加密模塊。

設(shè)備管理模塊主要實(shí)現(xiàn)輸電邊緣計(jì)算設(shè)備的信息查詢和配置管理，提供遠(yuǎn)程調(diào)試、監(jiān)控及運(yùn)維接口，可監(jiān)測設(shè)備本體狀態(tài)、通信鏈路的運(yùn)行狀態(tài)等。

人工智能模塊主要識(shí)別輸電線路通道附近和通道內(nèi)是否存在外力破壞等安全隱患，實(shí)時(shí)分析并識(shí)別大型施工車輛、煙火以及異物等目標(biāo)，為輸電線路通道的故障報(bào)警和智能運(yùn)維提供支撐。

2 輸電線路在線監(jiān)測通信網(wǎng)絡(luò)邊緣計(jì)算功能架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)邊緣計(jì)算功能需求和輸電線路在線監(jiān)測組網(wǎng)需求，設(shè)計(jì)的輸電線路邊緣計(jì)算設(shè)備由通信接口、硬件平臺(tái)、軟件平臺(tái)以及核心功能模塊4部分組合而成，具體如圖1所示[3]。

圖1 輸電線路邊緣計(jì)算設(shè)備結(jié)構(gòu)

由圖1可知，輸電邊緣計(jì)算設(shè)備架設(shè)在物聯(lián)管理平臺(tái)和可視化監(jiān)控平臺(tái)之間，其中多樣化的通信接口能夠滿足邊緣計(jì)算設(shè)備與異構(gòu)終端裝置和管理平臺(tái)之間的通信需求。硬件平臺(tái)為邊緣計(jì)算設(shè)備的運(yùn)行提供了必要的硬件支撐。軟件平臺(tái)為邊緣計(jì)算設(shè)備的核心功能提供安全的運(yùn)行環(huán)境。

核心功能模塊是邊緣計(jì)算設(shè)備最關(guān)鍵的組成部分，其管控、安全防護(hù)以及設(shè)備管理都屬于常規(guī)功能。協(xié)議解析主要針對通信接口協(xié)議進(jìn)行解析，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的接口適配和通信協(xié)議間的轉(zhuǎn)換，以保證能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)多樣化傳輸。除此之外，在不同的協(xié)議與接口之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換處理，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)設(shè)備之間的信息聯(lián)通。

針對終端裝置所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、整理以及分析處理，通過存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的后續(xù)可查，通過整理實(shí)現(xiàn)無效數(shù)據(jù)的清除，通過分析處理實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)信息的反饋。數(shù)據(jù)處理主要涉及2方面內(nèi)容：一方面是針對數(shù)值數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，若數(shù)值超過事先設(shè)定的告警閾值，則發(fā)出故障告警信息；另一方面是針對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，若現(xiàn)有圖像與事先設(shè)定的圖像之間存在一定比列的偏差，則發(fā)出故障告警信息。

人工智能主要識(shí)別輸電線路通道附近和通道內(nèi)是否存在外力破壞等安全隱患，實(shí)時(shí)分析并識(shí)別大型施工車輛、煙火以及異物等目標(biāo)，為輸電線路通道的故障報(bào)警和智能運(yùn)維提供支撐。

3 基于邊緣計(jì)算的通信組網(wǎng)方案設(shè)計(jì)

目前輸電線路狀態(tài)監(jiān)測傳感器一般架設(shè)在塔桿上，因此輸電線路狀態(tài)在線監(jiān)測通信組網(wǎng)可將邊緣計(jì)算設(shè)備設(shè)置在一個(gè)塔桿上，根據(jù)輸電線路塔桿的位置狀態(tài)，以這一塔桿為數(shù)據(jù)匯聚中心，構(gòu)建星型無線網(wǎng)絡(luò)和Mesh無線網(wǎng)絡(luò)。將網(wǎng)絡(luò)覆蓋的所有塔桿數(shù)據(jù)匯聚一體后，通過點(diǎn)對點(diǎn)高速率無線網(wǎng)絡(luò)接力的方式將其傳輸至變電站。星型無線網(wǎng)絡(luò)部署如圖2所示，Mesh無線網(wǎng)絡(luò)部署如圖3所示。

圖2 星型無線網(wǎng)絡(luò)部署

圖3 Mesh無線網(wǎng)絡(luò)部署

3.1 塔桿間無遮擋的通信組網(wǎng)

在輸電線路塔桿之間沒有遮擋或塔桿局部處于相對平行的情況下，可以選擇將一根中心塔桿作為匯聚節(jié)點(diǎn)，圍繞中心塔桿的其他塔桿會(huì)將收集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行乃U的邊緣計(jì)算設(shè)備，構(gòu)建星型網(wǎng)絡(luò)[4]。其中，中心塔桿與周圍塔桿聯(lián)通的個(gè)數(shù)可以根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行選擇，一般可以按照1對8、1對12或1對16等不同組網(wǎng)形式實(shí)現(xiàn)。這種組網(wǎng)方式結(jié)構(gòu)簡單，且抗單點(diǎn)失效性能強(qiáng)。匯聚塔桿與周圍塔桿之間的通信可采用全向天線，使用2.4 GHz通信頻段進(jìn)行通信，具體應(yīng)用中需要保證其中任意2個(gè)相鄰的星型網(wǎng)絡(luò)通信頻段不在同一頻點(diǎn)，避免產(chǎn)生信號(hào)干擾。

3.2 塔桿間有遮擋的通信組網(wǎng)

輸電線路上塔桿局部走勢為直線或塔間有遮擋的情況下，可以選擇在一個(gè)塔桿上安裝邊緣計(jì)算設(shè)備，并以這一塔桿為中心向單邊輻射，將附近的塔桿收集到的數(shù)據(jù)匯聚到邊緣計(jì)算設(shè)備中構(gòu)建Mesh網(wǎng)絡(luò)[5]。單邊輻射塔桿的數(shù)量可以根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，選擇4跳、5跳或6跳等不同的組網(wǎng)方式，以有效避免信號(hào)衰減帶來的通信問題。匯聚塔桿與周圍塔桿之間的通信可采用全向天線，使用2.4 GHz通信頻段進(jìn)行通信。同時(shí)，要保證其中任意2個(gè)相鄰的Mesh網(wǎng)絡(luò)通信頻段不在同一頻點(diǎn)，避免產(chǎn)生信號(hào)干擾的問題。

4 結(jié) 論

通過將邊緣計(jì)算融入輸電線路狀態(tài)在線監(jiān)測組網(wǎng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)輸電線路的信息高效處理，同時(shí)可以保證只有在出現(xiàn)特定異常情況時(shí)，數(shù)據(jù)才會(huì)由邊緣計(jì)算設(shè)備向管理中心傳輸，有效解決了帶寬問題。除此之外，在面對突發(fā)問題時(shí)，借助邊緣計(jì)算能夠及時(shí)處理反饋信息，從而采取合理的解決措施。通過對基于邊緣計(jì)算的輸電線路在線監(jiān)測通信組網(wǎng)技術(shù)的拓展，能夠優(yōu)化完善輸電線路狀態(tài)的監(jiān)測，提供更加穩(wěn)定、安全的實(shí)時(shí)信息反饋，為輸電線路的巡查維護(hù)工作提供更大的便利。