边缘计算网关及基于无线通信技术的电网应用

文摘：随着数据信息量的大幅增长和5G技术的发展，以5G为核心的边缘计算技术作为一种实时数据处理方法，有着广泛的应用前景。首先分析了5G，边缘计算的特点，然后研究将这两种技术结合到网关，根据变电站的业务背景，提出基于5G边缘计算网关的应用方案。

0.引言

伴随着5G网络的发展，边缘计算技术受到了越来越多的关注。商业需求和网络升级进一步推动边缘计算的发展[1]。云容量不足，无法满足飞速增长的海量数据需求。另外，由于传输负载的急剧增长，会导致延迟增长，无法满足实时要求，使边缘计算成为研究的热点。

作为网络数据传输中的关键设备，网关起着协议转换和数据处理的功能，采用边界计算的方法，可对数据进行初始过滤和边缘网络处理，向监管平台发送重要安全信息并发布预警，使处理信息的效率得以提高，能够更加及时地获取隐患信息。随著物联网技术的发展，变电站在智能电网中的作用越来越大，但随着传感器数量的增加和智能巡检机器人的普及，变电站的数据传输量也日益增加。若将所有数据送至云中进行处理，会造成时延增长，处理不及时，无法及时发现安全隐患，而基于5G的边缘计算技术可以解决这些问题。

本论文从5G和边缘计算的特点出发，研究了将这两种技术结合到网关，并根据网络中变电站的业务背景，提出解决方案。

1 5G技术特征。

工信部发放的5G商用牌照标志着中国正式进入5G商用时代，但5G技术的发展仍在继续，正在为我们的生活提供更便捷的应用。

5G全称为第五代通信技术，是新一代的蜂窝移动通信技术，其特点如下：

(1)数据传输速率高，可达10GB/s，能满足大容量传输；

(2)低延迟、LTE网络使移动网络延迟达到100ms，而5G网络则能达到1ms的时延，能满足对时延要求非常低的服务；

(3)改进系统能力和大规模设备连接，以满足物联网的需求，将不同终端连接在一起。

5G不仅是移动电话通讯的一项重大进步，对于物联网也是一项非常有用的技术，它带来的便利和技术的变化，都将推动经济的发展。

2.边缘计算技术的特征。

在边缘计算中，数据处理被集成到边缘设备中，其目的在于减少延时，使数据可以快速处理，而不需要等待数据被传送到传统的数据中心去处理，在延时较短的情况下，相应的应用程序可以更早地运行。与此同时，与云和数据中心网络相比，本地设备的数据管理花费更少，因此可以降低成本[2]。具体地说，边缘计算有以下特征：

(1)时延低：利用边缘设备对数据进行处理，实现数据的实时处理，有效减少响应时间。

(2)成本低：利用边缘设备对数据进行过滤.计算和分析，减少在骨干网络中的数据传送量，降低网络带宽需求，从而降低数据处理费用和设备能耗。

(3)可靠性高：边缘设备本身有处理能力，即使上层数据处理中心出了问题，也不会影响使用者的正常使用。

边计算就是为解决云计算去中心化而提出的，目前云计算都是把服务器集中放在一个数据中心，

数据需要先传输到数据中心，然后才能集中处理，但随着终端设备数量的增加，数据量的逐渐增大，传输如此庞大的数据开销非常昂贵，时延也成为瓶颈。在设备端进行边缘计算分布，也就是说，各种终端设备都增加了存储、处理等功能，这样可以减少传输的数据量，减少时延，降低成本。与此同时，隐私权数据在传输到云时可能会出现泄漏问题，利用边缘计算可以减少数据泄漏的可能性。

3.移动边缘计算技术在5G中的应用场景。

移动边缘计算技术是指在移动通信网侧配置具有计算和管理能力的服务器，提高无线接入网络的信息处理能力，降低移动骨干网络的传输带宽。5G具有低延迟、高可靠等特点，将促进移动边缘计算的发展。本论文以ITU-T为基础，结合5G网络的应用场景和边缘计算技术特点，研究了5G移动边缘计算的应用场景。

3.1增强移动带宽方案(eMMB)

与4G相比，5G采用LDPC编码，高阶调制.大规模MIMO、毫米波等技术手段，进一步扩展频谱带宽，5G的总体频谱效率比4G高3倍，用户体验率可达1GB/s，这给人们带来不同的网络体验，但对核心网络也是一个巨大的挑战。

为满足5G网络的灵活性和低延迟，减轻网络回传负担，核心网下沉、云边缘化成为必然趋势。云边缘化是指使5G无线接入网络具备云计算的能力，实现业务的本地化.数据缓存.数据局部计算等功能。

本文以无人驾驶飞机巡检为例，通过控制台，与5G基站相连，在5G基站侧设置边缘计算服务器，实现对视频.图像和控制信息的本地存储和处理，并通过控制台直接返回到控制台，确保巡检工作顺利进行。

3.2大容量机类通信(MTC)

与4G相比，可连接数密度方面，5G每平方千米的联网设备数量高达一百万台，提高10倍，同时5G大容量机器类通讯具有数据包小、功耗低等特点。

据预测，2020年全球物联网终端数量将达500亿。在物联网系统中大规模部署不仅是对物联网网络系统的挑战，更是对终端电池容量的考验。因此，将5G大容量计算机通信技术与物联网终端的快速增长需求相结合，与边缘计算相结合，缩短物联网终端的连接时间，将进一步降低物联网终端的能耗。

作为一种电力系统采集业务，随着智能电网的发展，采集对象的数量.采集内容的种类.采集频率大大提高。有了5G的部署，就可以实现采集的准实时性，采集的内容多种多样，采集范围更广，采集数量更多。

3.3低时延高可靠通信（ｕＲＬＬＣ）

与4G相比，5G将会是1ms级，而5G将会提高10ms；在移动性方面，5G支持每小时500km/h的通信环境，可提供1.43倍的提升。所以，5G网络具有处理速度快、低延迟的能力。可满足车联网、工控等垂直行业对特殊应用的需求。

作为实例，本文介绍了一种基于5G网络的变电所机器人远距离控制方法，结合边缘计算技术可以达到毫秒级的响应，保证巡检发现问题时，能及时回传故障信息，确保生产业务安全。

4.边缘计算网关基于5G。

以5G为基础的边缘计算网关是一种连接网络的设备，它通过协议转换来进行信息交换，一方面用边缘计算改善数据计算性能，另一方面用5G提升信息传输效率[5]。

5G边缘计算网关体系结构图见图1。本系统由云服务器.边缘计算网关设备、传感器等终端设备组成。边缘化计算模块包括边缘应用软件和边缘计算平台两大部分：数据采集模块从传感器等终端上收集数据，然后边缘计算平台对采集到的数据进行统一控制和管理。边缘化应用程序提供运行环境，包括信息获取，处理边缘数据，从云服务器接收指令，并执行相应动作。并且用户所需要做的是在云服务器上完成指令的发送，云服务通过无线信号(Wi-Fi).以太网和4G.5G等向网关设备发送指令，在网关转换协议之后，边缘计算模块向终端设备发出操作指令[4]。目前，5G的发展还处于起步阶段，运营商在5G部署时，主要采用的是非独立组网，有必要使用4G基站.增强的4G基站和少量的5G基站，但由于所用的仍是4G核心网，无法提供特别低的延迟，需要等到5G技术不断发展，再通过独立的组网SA技术，5G核心网利用网络切片灵活的利用网络资源，可以极大地提高网络服务质量，并提供低延迟。

图１５Ｇ边缘计算网关系统

基于５Ｇ的边缘计算，可以充分利用５Ｇ高速度、大容量和低时延的三个特点，实现海量数据的接入和处理，保证业务的实时性和有效性。

5、基于５Ｇ边缘计算网关在电网中的应用

5.1商业背景。

变电所在电网的传输中扮演着非常重要的角色──它是把电力系统中的电压、电流进行交换，接收电能并把来自发电机的电能输送到高压电网中，然后再输送给高压电网。

伴随着智能型电网的发展，变电站信息、视频监控、安全信息等信息也在不断增加。变电所普遍分布在人口比较稀少的地区，又因其情况时时掌握，因此需要专业人员对变电站内各部分进行实时监控。

现代变电所由于加入了智能机器人等智能巡检设备，就可以不用像以前那样经常需要人工对现场进行监控，减少了一定的安全隐患并提高了效率。但智能巡检机器人或变电站智能终端向监控中心传输的数据量越来越大，消耗了大量的流量资源。

图２面向业务的５Ｇ边缘计算解决方案

除了变电站内部运维数据，从变电站向用户传输电力时，每天各个时段输送的电量、不同地区所需电量也属于大流量数据，导致处理数据更加麻烦且任务量大。

5.2面向业务的５Ｇ边缘计算解决方案

通过利用５Ｇ和边缘计算的网关设备，能够在边缘设备即可将大量的数据存储并进行初步处理，然后将非常重要的信息，例如有安全隐患的数据，发送到监控中心并提出警示信号，使得监管人员能够发现并采取相应的措施，达到效率速度化。

根据电网的业务需求，可分为：低时延的智能配电、准确负控业务，多连接的低压抄表、分布接入业务和大带宽的巡检机器、应急通信业务；结合５Ｇ边缘计算的特点，各种类型的业务通过网关汇聚，接入到边缘计算中心；根据业务的需要，进一步上传到控制子站或主站。

面向业务的５Ｇ边缘计算解决方案如图２所示。

6安科瑞智能网关产品解决方案

6.1智能网关功能介绍

-- 终端设备与系统平台间的数据交互桥梁

 

A:数据采集（支持串口、以太网，只需配置即可兼容支持标准电力规约的各类仪表）

B:数据上传（支持往上海分类分项能耗平台、宁夏电力需求侧平台、江苏电力运维平台、浙江电力运维平台上传数据），具有多平台上传能力；

C:边缘计算（灵活的报警阈值设置、主动上传报警信息、数据合并计算、断点续传、数据加密、4G路由）

D:远程管理（远程配置、远程升级、远程监视）

6.2 安科瑞智能网关产品介绍

6.2.1 Anet-**/4G系列导轨式智能网关

 

ANT**/4G是安科瑞电气股份有限公司自主开发的一种具有无线网络通讯功能的通用型智能通讯管理机，适合国家公务机关、企事业单位、公共机构、住宅楼、酒店和餐饮商场等领域，能满足水、电、气、油、冷、热、冷等不同用量及能耗分项计量数据采集要求。

这个设备可以用于下列应用场景：

☀电源监测系统☀ 电力质量系统 ☀互联网系统 ☀Development系统。
☀建筑能耗系统 ☀远程预付费系统 ☀消防防护系统 ☀智能建筑系统

技术特点

6.2.2Anet-2E4SM/4G模块化智能网关

 

ANet-2E4SM模块化通信管理机是安科瑞电气股份有限公司自主研发的一款通用型智能通信管理机，将传统管理机的接口拆分成可拼装搭配的模块，其中主模块可作为标准智能通信管理机独立工作， 整个设备可通过串口、以太网、Lora无线、wifi无线等链路采集水表、气表、电表、微机保护等设备 终端的数据，标配的8路无源干接点可实时采集门禁、水浸、烟感等开关量信息，可通过有线网络、 WiFi网络、4G网络等链路上传告警、实时数据等信息。主模块搭配从模块可灵活扩展，增加更丰富的 应用场景，同时还可提供边缘计算等需求。

该设备可用于以下应用场景：

☀电力监控系统 ☀电能质量系统 ☀物联网系统 ☀电力需求侧系统

☀建筑能耗系统 ☀远程预付费系统 ☀第三方云平台 ☀泛在电力物联网

☀运维系统平台 ☀能源综合管理平台

 

AWT100数据转换模块是安科瑞电气推出的新型数据转换DTU、通信数据。

它的产品包括2G、4G、NB、LoRa、LoRaWAN、GPS、WiFi、CE、DP等通信方式，下行口为RS485标准数据接口，可方便地与电力仪表、RTU、PLC、工控机等设备进行连接，初始化配置只需要一次完成，同时，AWT100系列无线通信终端采用了功能强大的微处理芯片，实现了MODBUS设备的数据采集。内置式看门狗技术，性能可靠稳定。

结语

论述了边缘计算网关及其在5G电网中的应用，并结合变电业务介绍了5G网络，边缘计算在变电站中的应用方案。尽管5G技术尚处于起步阶段，但最初的部署仍采用非独立组网，无法充分显示出它的特点(如低延迟)，认为随着5G和边缘计算技能体系的不断完善，独立组网部署5G技术也逐步成熟，可以更精确、更便捷，对较多数据信息进行快速处理，达到了提高数据传输率、减少延迟的目的。

作者简介：张星，女，安科瑞电气股份有限公司，主要研究方向为无线通讯边缘计算智能网关的研发与应用。

审核编辑：符乾江