基于5G 通信技術(shù)的智能電力監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

張忠偉

（國網(wǎng)秭歸縣供電公司，湖北 宜昌 443600）

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，社會各界對電力的需求不斷增長，傳統(tǒng)的電力監(jiān)控系統(tǒng)已無法滿足日益復(fù)雜的監(jiān)控任務(wù)，存在監(jiān)控范圍小、信息傳輸效率低、數(shù)據(jù)收集及處理能力差等諸多問題，阻礙著電網(wǎng)智能化的進(jìn)程。為了解決這些問題，提出了一種基于5G 通信技術(shù)的智能電力監(jiān)控系統(tǒng)。5G 技術(shù)作為新一代移動通信技術(shù)，在帶寬、傳輸速率和連接密度等方面具有顯著優(yōu)勢，可以有效支撐大規(guī)模的智能終端設(shè)備的連接，實現(xiàn)低延遲和高可靠性的實時數(shù)據(jù)傳輸，為智能電網(wǎng)的成功構(gòu)建提供了技術(shù)基礎(chǔ)。文章通過系統(tǒng)層面的設(shè)計，利用5G技術(shù)在電力監(jiān)控系統(tǒng)中的實時數(shù)據(jù)采集、傳輸、計算以及分析等環(huán)節(jié)的優(yōu)勢，旨在提升整體系統(tǒng)的監(jiān)控能力。該系統(tǒng)不僅可以解決當(dāng)前電力監(jiān)控面臨的各種挑戰(zhàn)，而且對推進(jìn)電網(wǎng)的智能化進(jìn)程具有重要意義。

1 技術(shù)基礎(chǔ)

1.1 電力監(jiān)控系統(tǒng)

近年來電力監(jiān)控系統(tǒng)得到了廣泛的研究和應(yīng)用，主要用于實時監(jiān)測、控制、優(yōu)化電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)，以確保電力供應(yīng)的安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性[1]。電力監(jiān)控系統(tǒng)需要從各種傳感器和設(shè)備中收集大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，如視頻、電壓、電流以及功率等。同時，需要對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，便于后續(xù)對數(shù)據(jù)的分析和控制。電力監(jiān)控系統(tǒng)需要實時監(jiān)測電力設(shè)備的運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的潛在故障。近年來，人工智能技術(shù)在這一領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用。電力監(jiān)控系統(tǒng)通過訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機(jī)等模型，可以更準(zhǔn)確地識別故障類型和故障原因，提前采取措施，防止事故的發(fā)生[2]。未來，電力監(jiān)控系統(tǒng)朝著智能化、高效化和安全化的方向發(fā)展。

1.2 5G 通信技術(shù)

5G 通信技術(shù)具有傳輸速率快、延遲低和連接密度高等優(yōu)勢。5G 通信技術(shù)的目標(biāo)是實現(xiàn)真正的全球互聯(lián)網(wǎng)接入，無論用戶身處何處，都能獲得高速、可靠的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)[3]。5G 網(wǎng)絡(luò)的下行峰值速率可以達(dá)到10 Gb/s，比4G 網(wǎng)絡(luò)的峰值速率快100 倍左右，使高清視頻流、在線游戲和其他需要大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用變得更加流暢。而5G 網(wǎng)絡(luò)的延遲預(yù)計將降低為1 ms左右，對自動駕駛汽車、遠(yuǎn)程醫(yī)療手術(shù)等需要實時響應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域具有重要意義。5G 網(wǎng)絡(luò)可以支持更多的設(shè)備同時連接，有助于智能家居、物聯(lián)網(wǎng)和智能城市等領(lǐng)域的發(fā)展。5G 通信技術(shù)為電網(wǎng)監(jiān)控和管理提供了高質(zhì)量的無線通信支持，也為電力監(jiān)控系統(tǒng)的智能化升級提供了重要技術(shù)保障[4]。

2 基于5G 通信技術(shù)的智能電力監(jiān)控系統(tǒng)的組成

為靈活、高效地監(jiān)控電力系統(tǒng)應(yīng)用場景，設(shè)計了一種基于5G 通信技術(shù)的智能電力監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由邊緣設(shè)備端、數(shù)據(jù)傳輸端和云服務(wù)器端3 部分組成，具體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 基于5G 通信技術(shù)的智能電力監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 邊緣設(shè)備端

邊緣設(shè)備端作為電力監(jiān)控系統(tǒng)的前端，承擔(dān)著收集與預(yù)處理數(shù)據(jù)的重要職責(zé)。一方面，在電力設(shè)備場地內(nèi)安裝了高清網(wǎng)絡(luò)攝像頭等監(jiān)控設(shè)備，進(jìn)行實時視頻監(jiān)控，無線化采集電力設(shè)備的運行數(shù)據(jù)，如電壓、電流和功率等。這些數(shù)據(jù)集由邊緣計算一體機(jī)進(jìn)行預(yù)處理，包括數(shù)據(jù)壓縮和匯總，以降低核心網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。另一方面，配置了流媒體服務(wù)器，以處理監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)流。流媒體服務(wù)器能從視頻采集設(shè)備中獲取實時視頻流，并憑借流協(xié)議準(zhǔn)確地將視頻流推送至目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸端

數(shù)據(jù)傳輸端的主要職責(zé)是構(gòu)建邊緣設(shè)備端與云服務(wù)器端之間的數(shù)據(jù)傳輸通道。在傳輸層，將客戶前置設(shè)備作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備與邊緣計算設(shè)備的入網(wǎng)工具，并提供內(nèi)網(wǎng)穿透服務(wù)[5]。這樣即使在電力環(huán)境中無法建立專網(wǎng)連接的情況下，用戶端與邊緣設(shè)備端也可以直接通信，從而保證了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性與普適性。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，采用面向可靠連接的傳輸控制（Transmission Control Protocol，TCP）協(xié)議，將收集的數(shù)據(jù)包上傳至云端，同時保留本地備份。

內(nèi)網(wǎng)穿透技術(shù)允許外部網(wǎng)絡(luò)訪問內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)[6]。本次擬采用內(nèi)網(wǎng)穿透服務(wù)器（Network Port Server，NPS），NPS 是一款強大的內(nèi)網(wǎng)穿透服務(wù)器，能夠提供易于管理的Web 管理端，支持TCP 協(xié)議、用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（User Datagram Protocol，UDP）流量轉(zhuǎn)發(fā)、內(nèi)網(wǎng)超文本傳輸協(xié)議（HyperText Transfer Protocol，HTTP）代理、內(nèi)網(wǎng)socks5 代理協(xié)議以及點對點技術(shù)（Peer-to-Peer，P2P）等功能。在公網(wǎng)上部署NPS 服務(wù)器，在內(nèi)網(wǎng)設(shè)備上配置NPS 客戶端。當(dāng)NPS 客戶端啟動后，會主動向NPS 服務(wù)器發(fā)起連接請求，連接成功后，NPS 服務(wù)器與內(nèi)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行通信。通過這種方式，使用公網(wǎng)設(shè)備訪問內(nèi)網(wǎng)設(shè)備的服務(wù)，實現(xiàn)客戶前端設(shè)備的內(nèi)網(wǎng)穿透功能。

2.3 云服務(wù)器端

云服務(wù)器端作為系統(tǒng)的后端，主要負(fù)責(zé)存儲與分析電力監(jiān)控數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)與管理員的交互。在機(jī)房內(nèi)部署了云平臺，借助虛擬化技術(shù)，實現(xiàn)了計算和存儲資源的統(tǒng)一分配，同時對監(jiān)控數(shù)據(jù)進(jìn)行集中管理和彈性資源擴(kuò)展。

云服務(wù)器端的設(shè)備主要包括應(yīng)用服務(wù)器和高可靠性存儲陣列設(shè)備。其中，應(yīng)用服務(wù)器包括流媒體服務(wù)器和Web 服務(wù)器。云端為管理員提供流媒體服務(wù)與Web 服務(wù)，用戶端與云端通過瀏覽器/服務(wù)器（Browser/Server，B/S）模式進(jìn)行開發(fā)，用戶可以直接通過瀏覽器控制邊緣設(shè)備端的監(jiān)控設(shè)備，從而提高整個系統(tǒng)的易用性和可擴(kuò)展性。管理員可以通過瀏覽器訪問云端服務(wù)器，訪問整個監(jiān)控系統(tǒng)；用戶可以通過流媒體服務(wù)模塊觀看監(jiān)控錄像的回放。

3 基于5G 通信技術(shù)的智能電力監(jiān)控系統(tǒng)的性能評估

3.1 實驗設(shè)置

為了評估電力監(jiān)控系統(tǒng)的性能，以視頻數(shù)據(jù)為主要監(jiān)控對象搭建了仿真實驗環(huán)境。首先，使用Unity等測試工具構(gòu)建了一個模擬的變電站場景，并設(shè)置高清攝像頭作為測試的邊緣端設(shè)備；其次，搭建了一個虛擬的5G 核心網(wǎng)絡(luò)，具備接入和移動性管理功能（Access and Mobility Management Function，AMF）、會話管理功能（Session Management Function，SMF）和用戶面功能（User Plane Function，UPF）等功能，以模擬5G 網(wǎng)絡(luò)的運行環(huán)境；最后，將圖像處理器（Graphics Processing Unit，GPU）作為云處理平臺，用于處理和分析攝像頭收集的視頻數(shù)據(jù)，并且開發(fā)了一套視頻流程序，實現(xiàn)對視頻數(shù)據(jù)的編碼、解碼和傳輸。

3.2 實驗指標(biāo)

在仿真實驗中，主要關(guān)注端到端視頻傳輸延遲和網(wǎng)絡(luò)傳輸丟包率2 個關(guān)鍵指標(biāo)。

端到端視頻傳輸延遲反映了從視頻采集到云端播放的整個過程的總延遲，計算公式為

式中：Tsen表示視頻采集和編碼延遲，受編碼復(fù)雜度影響；Ttrans表示5G 無線網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲；Tproc表示云平臺視頻處理延遲，受虛擬機(jī)配置和調(diào)度算法影響；Tbuff表示受網(wǎng)絡(luò)緩沖和播放緩沖引起的延遲。

網(wǎng)絡(luò)傳輸丟包率反應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕嬎愎綖?/p>

式中：totalsen指發(fā)送的視頻數(shù)據(jù)包總數(shù)；totalrec指接收端實際接收到的視頻數(shù)據(jù)包數(shù)。

同時，招募10 名志愿者，實時觀看監(jiān)控視頻，對視頻質(zhì)量進(jìn)行評分。采用1 ～5 分制的視頻效果評分，以平均分作為視頻質(zhì)量的最終評價結(jié)果。

3.3 實驗結(jié)果

實驗變量為5G 網(wǎng)絡(luò)信號強度， 分別為-50 dBm、-70 dBm 和-90 dBm。首先，將仿真平臺攝像頭采集的視頻經(jīng)過編碼后發(fā)送到虛擬的5G 基站；其次，核心網(wǎng)將經(jīng)過編碼的視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到云服務(wù)器，云服務(wù)器接收并處理視頻流，計算端到端的延遲和網(wǎng)絡(luò)丟包率；最后，邀請被試者觀看不同條件下的實驗視頻，并給出質(zhì)量評分，評分結(jié)果如表1 所示。

表1 不同信號質(zhì)量下電力監(jiān)控系統(tǒng)性能的對比

由表1 可知，Td隨著信號強度的減小而增加，這是因為5G 無線網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲和云平臺視頻處理延遲會隨著信號強度的減小而增加，導(dǎo)致Td增加；PLR隨著信號強度的減小而增大，導(dǎo)致視頻質(zhì)量下降。延遲的增加和丟包率的增大會影響視頻的流暢度和清晰度，導(dǎo)致用戶觀看體驗不佳，平均質(zhì)量評分減小。

實驗結(jié)果表明，網(wǎng)絡(luò)條件是影響智能電力監(jiān)控系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。在實際的系統(tǒng)設(shè)計和優(yōu)化過程中，可以通過提高信號質(zhì)量、增加網(wǎng)絡(luò)帶寬、減少網(wǎng)絡(luò)延遲等方式，提升系統(tǒng)的性能，增加電力監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和擴(kuò)展性，為電力系統(tǒng)提供高可靠、低延遲、可擴(kuò)展的新型監(jiān)控方案。

4 結(jié) 論

文章針對電力監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用需求，設(shè)計了一種基于5G 技術(shù)的智能電力監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由邊緣設(shè)備端、數(shù)據(jù)傳輸端和云服務(wù)器端3 部分組成，具有無線采集監(jiān)控信息、降低數(shù)據(jù)傳輸延遲和高可靠傳輸?shù)葍?yōu)良性能。通過仿真實驗證實，該智能電力監(jiān)控系統(tǒng)滿足電力系統(tǒng)對實時監(jiān)控的需求，同時能靈活應(yīng)對監(jiān)控需求的變化。同時，該系統(tǒng)為電力系統(tǒng)提供了高可靠、低延遲、可擴(kuò)展的新型監(jiān)控方案，有利于推動電網(wǎng)向智能化的方向發(fā)展。