基于邊緣計(jì)算與5G技術(shù)的電力信息通信實(shí)時(shí)性與安全性優(yōu)化研究

摘要：隨著國家大力推進(jìn)智能電網(wǎng)建設(shè)，電網(wǎng)正在進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)型，電力終端會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，對電力信息通信的實(shí)時(shí)性與安全性提出了更高的要求，因此，將邊緣計(jì)算技術(shù)和5G通信技術(shù)引入智能電網(wǎng)。文章根據(jù)智能電網(wǎng)的業(yè)務(wù)需求引入了邊緣計(jì)算，對基于5G通信技術(shù)的通信裝置、邊緣計(jì)算技術(shù)以及相關(guān)算法進(jìn)行了深入分析，通過在相關(guān)的應(yīng)用場景中進(jìn)行驗(yàn)證，上述技術(shù)在電力信息通信的實(shí)時(shí)性和安全性方面有效發(fā)揮了作用，對于保證智能電網(wǎng)的安全性、穩(wěn)定性、可靠性具有重要意義，可以進(jìn)行大規(guī)模的推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：邊緣計(jì)算；5G技術(shù)；電力信息通信

中圖分類號：TP309 ""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0"引言

隨著智能電網(wǎng)的逐步發(fā)展，電力物聯(lián)網(wǎng)在智能電網(wǎng)的運(yùn)行中發(fā)揮著越來越重要的作用，為智能電網(wǎng)基礎(chǔ)性業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)提供技術(shù)路徑^［1-2］。在電力物聯(lián)網(wǎng)中，傳感器、變電站、智能終端等設(shè)備由于具有智能屬性，所以能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)無縫交互，保證了智能電網(wǎng)的智能化水平^［3-4］。為了保證智能電網(wǎng)的運(yùn)行效率，數(shù)據(jù)傳輸、故障診斷、狀態(tài)監(jiān)控等方面都需要提高水平^［5-6］。

邊緣計(jì)算功能由邊緣服務(wù)器來實(shí)現(xiàn)，邊緣服務(wù)器通常配置在終端附近，這樣能夠直接提供相關(guān)服務(wù)給所需要的設(shè)備^［7-8］。邊緣計(jì)算和云計(jì)算具備一定的互補(bǔ)性，邊緣計(jì)算功能和數(shù)據(jù)存儲功能都配置在邊緣服務(wù)器中，由邊緣服務(wù)器將網(wǎng)絡(luò)中全部云計(jì)算資源進(jìn)行擴(kuò)展，延伸到邊緣網(wǎng)絡(luò)中，以便其能夠更好地為智能電網(wǎng)提供數(shù)據(jù)處理方面的支持，滿足不同類型電力業(yè)務(wù)的實(shí)際需求^［9-10］。

1"電力物聯(lián)網(wǎng)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的深入發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)中的智能終端設(shè)備在運(yùn)行中會產(chǎn)生海量的運(yùn)行數(shù)據(jù)，海量的數(shù)據(jù)都會傳輸?shù)皆品?wù)器中，但是云服務(wù)器不能夠完全承載。邊緣技術(shù)作為5G通信技術(shù)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，能夠很好地應(yīng)對上述問題，具備獨(dú)立計(jì)算功能的服務(wù)器可以由此介入邊緣節(jié)點(diǎn)中，邊緣計(jì)算的數(shù)據(jù)處理能力由邊緣節(jié)點(diǎn)和邊緣服務(wù)器的配置情況決定，邊緣計(jì)算在本質(zhì)上是一種分布式計(jì)算^［11-12］。

將物聯(lián)網(wǎng)與智能電網(wǎng)相融合，能夠最終實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)能夠?qū)崟r(shí)感知電網(wǎng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，將采集到的數(shù)據(jù)資源進(jìn)行共享，提高了智能電網(wǎng)的運(yùn)行水平和運(yùn)行效率。

2"5G電力通信裝置應(yīng)用分析

5G通信技術(shù)具有帶寬寬、準(zhǔn)確度高、延時(shí)低、組網(wǎng)靈活的特點(diǎn)，利用5G網(wǎng)絡(luò)的切片化屬性，保證其中每一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)切片都具有完全獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)資源和網(wǎng)絡(luò)通信能力，將實(shí)際的物理網(wǎng)絡(luò)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求進(jìn)行切割，得到多個(gè)切片虛擬網(wǎng)絡(luò)，基于QoS策略就能夠確保多個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片運(yùn)行性能。終端設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)切片的對應(yīng)關(guān)系如圖1所示。

5G電力通信設(shè)備除了包括常規(guī)功能模塊及常規(guī)功能單元外，還能夠兼容多端口、多功能的網(wǎng)關(guān)。該網(wǎng)關(guān)端口種類多、實(shí)現(xiàn)功能全面，能夠便捷接入常規(guī)的4G/5G網(wǎng)絡(luò)以及5G電力通信專用網(wǎng)絡(luò)，從而為電力數(shù)據(jù)的傳輸提供安全、穩(wěn)定、可靠的信息傳輸通道，同時(shí)也確保傳輸安全性。5G電力通信設(shè)備具有較高的集成度，采用了多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)等，不僅能夠保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量，還能夠保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩煽俊?/p>

3"邊緣計(jì)算技術(shù)及算法

3.1"邊緣計(jì)算技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)邊緣終端可以是位于云計(jì)算中心和數(shù)據(jù)源之間的集網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲、應(yīng)用功能于一體的任意功能實(shí)體。

邊緣計(jì)算技術(shù)包含了如下幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：（1）虛擬化技術(shù)；（2）分布式數(shù)據(jù)存儲與處理。

邊緣計(jì)算應(yīng)用于傳輸延遲低、帶寬足夠、可靠性高、連接節(jié)點(diǎn)多的場景。邊緣計(jì)算的運(yùn)用優(yōu)點(diǎn)是：（1）實(shí)時(shí)性能好，數(shù)據(jù)距離處理單元距離智能終端較近，大大降低了數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)造成的影響；（2）降低了網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸負(fù)載，提高了網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行效率。

3.2"算法分析

本文所研究的通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，將星形結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)相結(jié)合，配合中繼器，能夠運(yùn)用此項(xiàng)技術(shù)的錯誤檢測功能以及故障排除功能。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會對網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)產(chǎn)生重要影響。網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行性能、安全性能、延展性能會受到連接方式和數(shù)據(jù)的傳遞方式的影響。網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在當(dāng)下應(yīng)用非常普遍，容錯率高是其最突出的優(yōu)點(diǎn)，星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)同樣也具有較低的容錯率，由于中心連接點(diǎn)處于正常工作狀態(tài)，應(yīng)用較為普遍，如公式（1）所示：

G（a，b）=∑jdj fj+∑jejij+∑j.kfjT_jkij|f^（p）（1）

其中，G為云端的網(wǎng)關(guān)，fj為目標(biāo)檢索，∑jdj為精準(zhǔn)性位置，ejij呈現(xiàn)目標(biāo)數(shù)據(jù)與未知數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，T_jk為與目標(biāo)相關(guān)聯(lián)的時(shí)間捕獲參數(shù)，f^（p）為過濾參數(shù)。

從本質(zhì)角度來看，物聯(lián)網(wǎng)是接入了計(jì)算裝置、機(jī)械裝置、數(shù)字設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)設(shè)備都有其單獨(dú)的標(biāo)識方式，能夠自主或通過計(jì)算機(jī)控制進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。

Dj=S｛［α_gmin+δ（α_gmax-α_gmin）］+［αg（f）+αk（f）］｝∑^R_l=1S｛αg+［αg（f）+αk（f）］｝（2）

上式中，αg（f）、α_gmin、α_gmax分別代表了未知數(shù)據(jù)的平常數(shù)、最小數(shù)和最大數(shù)，S（·）描述了正確資源的材料的數(shù)量，R描述了不明的數(shù)量，Dj描述了第j層的綜合數(shù)字技術(shù)，f描述了接口的具體參數(shù)，αk描述了物體的尺寸，［］描述了［-2，+2］之間的隨機(jī)數(shù)。

3.3"基于邊緣計(jì)算的電力物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

邊緣計(jì)算是依賴于各種邊緣啟動的程序，更快速地響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，以滿足實(shí)時(shí)控制、智能應(yīng)用、安全防護(hù)方面的核心需求，有效降低數(shù)據(jù)傳輸壓力及數(shù)據(jù)計(jì)算壓力，從而為電網(wǎng)智能調(diào)度、實(shí)時(shí)監(jiān)控等提供有效的技術(shù)支持。系統(tǒng)的基本架構(gòu)主要包含了3個(gè)層級，即云層、邊緣層、端層。云層是指配置在云端的管理平臺，邊緣層是指邊緣物聯(lián)網(wǎng)，端層是指電網(wǎng)中的傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。

4"應(yīng)用分析

4.1"傳輸應(yīng)用

邊緣計(jì)算對于電能傳輸?shù)男枨蟀ㄝ旊娋€路運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測、故障檢測及解決方案、桿塔氣象環(huán)境檢測等。以輸電線路運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測為例，其中普遍采用無人機(jī)檢測和內(nèi)傳輸線檢測，無人機(jī)在屬性劃分上屬于邊緣層設(shè)備，須要配置紅外功能和可見光檢測功能，能夠進(jìn)行智能化識別，從而完成對輸電線路智能檢測和故障的智能辨識。

采用邊緣計(jì)算技術(shù)將采集到的電力數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)中，這樣電力技術(shù)人員就能夠直接得到輸電線路的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，從而為電力技術(shù)人員的工作提供助力，完成相關(guān)檢測工作，提高輸電線路的運(yùn)行效率、維護(hù)效率，能夠降低有效資源和時(shí)間的非必要消耗。

4.2"分布應(yīng)用

配電室在電力系統(tǒng)中承擔(dān)了重要作用，是電力系統(tǒng)和用戶之間的橋梁。配電室內(nèi)部配置了多種類型的傳感器，采集內(nèi)部電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)以及環(huán)境數(shù)據(jù)，構(gòu)成了小型的電力物聯(lián)網(wǎng)，可以在配電平臺配置代理終端，從而完成對變壓器、斷路器的相關(guān)設(shè)備的監(jiān)控。邊緣計(jì)算實(shí)現(xiàn)精確故障診斷定位和遠(yuǎn)程智能化運(yùn)維。分布應(yīng)用業(yè)務(wù)主要包括低壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)辨識、電能質(zhì)量分析、故障診斷定位等。以故障診斷定位為例，邊緣節(jié)點(diǎn)在配電中承擔(dān)核心的角色，連接站內(nèi)全部的傳感器，采集終端設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，利用邊緣計(jì)算技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的初步分析，將運(yùn)算結(jié)果推送給移動終端，提示技術(shù)人員完成相應(yīng)的操作。

5"結(jié)語

邊緣計(jì)算技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用非常普遍，作為5G通信中的一項(xiàng)核心技術(shù)，在狀態(tài)檢測和數(shù)據(jù)處理方面起到重要作用。本文專門對基于邊緣計(jì)算的電力通信實(shí)時(shí)性與安全性進(jìn)行了深入研究。邊緣計(jì)算能夠提高智能電網(wǎng)的運(yùn)行效率，降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r(shí)性，從而更進(jìn)一步降低通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行壓力，保證其數(shù)據(jù)只能在邊緣設(shè)備和源設(shè)備之間交互，強(qiáng)化了其安全防護(hù)性，能夠有效協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)傳輸速率與云計(jì)算資源之間的匹配問題，對于智能電網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展具有重要意義。

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（編輯"王永超）

Research on real time and security optimization of power information communication based on edge computing and 5G technology

CHEN "Fang¹， ZHAO "Chunhui²

（1.State Grid Jiangsu Electric Power Co.， Ltd.， Yangzhou Jiangdu District Power Supply Branch， Yangzhou 225200， China;

2.State Grid Jiangsu Electric Power Co.， Ltd.， Yangzhou Power Supply Branch， Yangzhou 225000， China）

Abstract： "As the country vigorously promotes the construction of smart grid， the grid is undergoing digital transformation， and power terminals will produce a large amount of data， which puts forward higher requirements for the real-time and security of power information communication， so edge computing technology and 5G communication technology are introduced into the smart grid. According to the business requirements of smart grid， this paper introduces edge computing， and conducts in-depth analysis on 5G communication technology based communication devices， edge computing technology and related algorithms. Through verification in relevant application scenarios， the above technologies have played an effective role in the real-time and security of power information communication， which is of great significance to ensure the security， stability and reliability of smart grid， and can be popularized and applied on a large scale.

Key words： edge computing; 5G technology; electric power information communication